Первый закон термодинамики: превращение энергии в тепловых процессах
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока научиться формулировать первый закон термодинамики, записывать его в виде $Q=\Delta U+A$ и применять формулу для расчёта количества теплоты, изменения внутренней энергии или работы газа в простых задачах.
- Сформировать понимание закона сохранения энергии в тепловых процессах и показать связь между количеством теплоты, изменением внутренней энергии и работой газа.
- Развивать умение выдвигать гипотезу, планировать исследование, анализировать наблюдения и обосновывать вывод на основе результатов опыта или компьютерной модели.
- Формировать навыки парного обсуждения, аргументированной речи, самоконтроля и выбора уровня сложности задания.
- Воспитывать ответственное отношение к использованию энергии и интерес к применению физики в инженерии, энергетике и технике.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают, что энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую.
- Проявляют интерес к исследованию тепловых процессов и их применению в технике.
- Оценивают значение бережного использования энергии в быту и промышленности.
- Принимают личную ответственность за достоверность измерений и корректность вывода.
Метапредметные
- Формулируют учебную проблему и гипотезу, планируют последовательность исследовательских действий.
- Извлекают информацию из схемы, видеодемонстрации и компьютерной модели, сопоставляют разные источники.
- Работают в паре, распределяют роли, задают уточняющие вопросы и аргументируют общий вывод.
- Проводят самооценку по критериям и корректируют решение после сравнения с эталоном.
Предметные
- Знают формулировку первого закона термодинамики и физический смысл величин $Q$, $\Delta U$ и $A$.
- Умеют записывать закон в виде $Q=\Delta U+A$ и преобразовывать формулу для нахождения неизвестной величины.
- Умеют объяснять частные случаи: нагревание без работы, совершение работы за счёт внутренней энергии, адиабатный процесс.
- Решают качественные и расчётные задачи на применение первого закона термодинамики.
- Владеют алгоритмом анализа теплового процесса с учётом знаков работы и количества теплоты.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Соотносят изучаемый закон с повседневными явлениями: работой насоса, двигателя и холодильной установки.
- Осмысливают личный вклад в рациональное использование тепловой энергии.
- Формируют познавательную мотивацию через самостоятельное открытие закономерности.
- Проявляют уважение к мнению партнёра при обсуждении гипотезы.
Регулятивные УУД
- Принимают и уточняют цель исследования по наблюдаемому тепловому процессу.
- Планируют действия по схеме: наблюдение — выделение величин — запись закона — проверка.
- Контролируют знаки величин и единицы измерения в расчётной задаче.
- Оценивают результат по эталону и исправляют выявленные ошибки.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки теплового процесса и устанавливают причинно-следственные связи.
- Моделируют превращение энергии с помощью схемы и математической формулы.
- Сравнивают процессы, в которых газ получает теплоту, совершает работу или изменяет внутреннюю энергию.
- Анализируют данные компьютерной модели и формулируют вывод по результатам исследования.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре: оператор модели и аналитик, затем меняются ролями.
- Формулируют вопрос, выслушивают партнёра и согласуют единый вывод.
- Аргументируют решение с опорой на формулу и физический смысл величин.
- Корректно оценивают ответ партнёра по критериям «две сильные стороны и один совет».
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить компьютерную модель теплового процесса с изменяемыми параметрами: количество теплоты, работа газа и изменение внутренней энергии; заранее проверить её запуск без подключения к интернету.
- Подготовить короткую видеодемонстрацию работы поршня при нагревании газа или заменить её безопасной демонстрацией с пластиковым шприцем без иглы.
- Распечатать карточки трёх уровней сложности: по одной карточке на каждого ученика, всего по числу учащихся в классе.
- Распечатать исследовательский лист на каждого ученика с таблицей «Процесс — что получает газ — что происходит с внутренней энергией — вывод».
- Подготовить карточки для парной работы с ролями «оператор» и «аналитик» — по одной на парту.
- Вывести на доску или слайд схему превращения энергии и формулу $Q=\Delta U+A$, а также условные обозначения знаков величин.
- Подготовить таймер, стикеры трёх цветов для самооценки и лист с эталоном решения для самопроверки.
- Оборудовать рабочее место проектором, ноутбуком, интерактивной доской и колонками; обеспечить безопасное расположение проводов.
- Подготовить межпредметный пример о тепловом двигателе и энергосбережении, связанный с физикой, математикой и технологией.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и вызвать интерес к проблеме сохранения энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране короткий фрагмент: поршень поднимается при нагревании газа. «Здравствуйте, ребята. Посмотрите на экран: газ получил энергию, и поршень начал двигаться. Как вы думаете, откуда взялась энергия движения? Сегодня мы попробуем не угадать ответ, а исследовать его». | Рассматривают видеодемонстрацию, выдвигают предположения: «Энергия пришла от нагревателя», «Газ передал энергию поршню». |
2 мин | Учитель объявляет приём «Проблемный вопрос»: «Можно ли утверждать, что полученная газом теплота полностью исчезает после совершения работы? Какие изменения происходят внутри газа? Запишите личную гипотезу одним предложением». | Записывают гипотезу: «Теплота распределяется между изменением внутренней энергии и работой» или предлагают собственную формулировку. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что теплота может быть связана с движением тела. Теперь выясним, как описать это превращение энергии количественно».
Этап 2. Актуализация знаний и физкультминутка (5 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия внутренней энергии, количества теплоты и работы газа, восстановить работоспособность класса.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит приём «Блиц-опрос»: «Что называют внутренней энергией? Какими способами её можно изменить? Что происходит с газом, если он расширяется и перемещает поршень? В каких единицах измеряют энергию?» После двух вопросов предлагает соседу кратко дополнить ответ партнёра. | Отвечают: «Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц»; «Её изменяют теплопередачей и совершением работы»; «Газ совершает работу»; «Энергию измеряют в джоулях». В паре дополняют ответы. |
2 мин | Учитель проводит физкультминутку «Энергия в движении»: «На вдохе поднимите руки — это получение энергии. На выдохе опустите руки — это передача энергии. Теперь покажите движением рук расширение и сжатие газа». | Выполняют движения стоя рядом с партой, затем садятся и фиксируют внимание на схеме превращения энергии. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что внутренняя энергия изменяется двумя способами, а работа и теплота измеряются в джоулях. Теперь найдём общий закон, который связывает эти величины».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Цель этапа: сформулировать учебную проблему, цель исследования и критерии успешной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует на экране три ситуации: нагревание газа в неподвижном сосуде, расширение газа с подъёмом поршня и быстрое сжатие газа. «Во всех случаях энергия ведёт себя по-разному. Составьте в паре вопрос, ответ на который объединит эти ситуации. Подумайте, какие величины нам нужно отслеживать». | В парах формулируют вопрос: «Как связаны полученная теплота, изменение внутренней энергии и работа газа?» Называют величины $Q$, $\Delta U$, $A$. |
2 мин | Учитель принимает формулировки и записывает на доске цель: «Установить связь между $Q$, $\Delta U$ и $A$, сформулировать первый закон термодинамики и применить его». «К концу урока вы сможете проверить собственную гипотезу и решить задачу выбранного уровня». | Записывают тему и цель урока, выбирают карточку базового или повышенного уровня; учащиеся, готовые к вызову, выбирают продвинутую карточку. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Проблема поставлена, величины определены, а теперь исследование поможет нам самим открыть математическую связь».
Этап 4. Исследовательское открытие нового знания с применением ИКТ (10 мин)
Цель этапа: на основе анализа компьютерной модели вывести первый закон термодинамики и осмыслить знаки величин.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт исследовательские листы и объясняет работу в парах: «Оператор изменяет параметры модели, аналитик фиксирует данные. Затем вы меняетесь ролями. В каждой ситуации запишите, что получает газ, что он отдаёт и как меняется его внутренняя энергия». | Распределяют роли, запускают модель, читают обозначения и записывают исходные значения. |
4 мин | Учитель задаёт три режима модели: «В первом режиме задайте $Q=500$ Дж и $A=0$. Во втором задайте $Q=800$ Дж и $A=300$ Дж. В третьем задайте $Q=0$ и $A=-400$ Дж, то есть внешние силы совершают работу над газом. Сравните изменение внутренней энергии». | Вводят параметры, заполняют таблицу и получают: при $Q=500$ Дж, $A=0$ изменение равно $500$ Дж; при $Q=800$ Дж и $A=300$ Дж изменение равно $500$ Дж; при $Q=0$ и $A=-400$ Дж изменение равно $400$ Дж. |
4 мин | Учитель организует «Снежный ком»: сначала каждая пара формулирует вывод, затем объединяется с другой парой. «Какая математическая связь повторяется? Почему в третьей ситуации работа газа отрицательна? Запишите общий вывод». Учитель фиксирует на доске: $Q=\Delta U+A$, затем преобразует формулу: $\Delta U=Q-A$. | Обсуждают результаты, формулируют вывод: «Количество теплоты расходуется на изменение внутренней энергии и работу газа». Объясняют знак: «При сжатии работа газа отрицательна, потому что работу над газом совершают внешние силы». |
Запись в тетрадях
Первый закон термодинамики: количество теплоты $Q$, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии $\Delta U$ и совершение системой работы $A$: $Q=\Delta U+A$. Следствие: $\Delta U=Q-A$. Если газ не совершает работу, то $Q=\Delta U$; если процесс адиабатный, то $Q=0$ и $\Delta U=-A$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Модель показала, что энергия не исчезает: она распределяется между внутренней энергией и работой. Теперь проверим понимание закона на качественных и числовых заданиях».
Этап 5. Первичное закрепление в парах (7 мин)
Цель этапа: закрепить смысл формулы и научиться выбирать нужное преобразование закона.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт парные карточки и говорит: «Выполните два задания с проговариванием каждого шага. Задание 1: газ получил $600$ Дж теплоты и совершил работу $250$ Дж. Найдите изменение внутренней энергии. Задание 2: внутренняя энергия увеличилась на $300$ Дж, а газ совершил работу $100$ Дж. Найдите полученную теплоту». | В парах записывают краткое условие, выбирают формулу и решают: $\Delta U=600-250=350$ Дж; $Q=300+100=400$ Дж. |
2 мин | Учитель предлагает качественный вопрос: «Газ получил $200$ Дж теплоты и при этом его внутренняя энергия уменьшилась на $50$ Дж. Что можно сказать о работе газа? Обоснуйте». | Обсуждают и отвечают: «$A=Q-\Delta U=200-(-50)=250$ Дж; газ совершил работу 250 Дж». |
2 мин | Учитель проводит взаимопроверку «Две звезды и пожелание»: «Отметьте у партнёра правильную формулу и корректную работу со знаками, затем напишите один совет». | Сверяют решения, отмечают два достоинства и формулируют один совет по исправлению ошибки. |
Эталон решения
Для задачи 1: дано $Q=600$ Дж, $A=250$ Дж. По первому закону $\Delta U=Q-A$. Подстановка: $\Delta U=600-250=350$ Дж. Ответ: внутренняя энергия увеличилась на $350$ Дж. Для задачи 2: дано $\Delta U=300$ Дж, $A=100$ Дж. Используем $Q=\Delta U+A$: $Q=300+100=400$ Дж. Ответ: газ получил $400$ Дж теплоты.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы применили закон в знакомых ситуациях и проверили знаки величин. Теперь каждый самостоятельно покажет, насколько уверенно умеет использовать новый алгоритм».
Этап 6. Самостоятельная работа с дифференциацией (8 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное усвоение закона на заданиях разного уровня.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель напоминает критерии: «Базовый уровень проверяет понимание формулы, повышенный — применение в расчёте, продвинутый — анализ процесса. Вы можете выбрать посильный уровень, но сначала внимательно определите знаки величин». | Выбирают карточку, подписывают уровень и готовят рабочее место. |
4 мин | Учитель предлагает задания. Базовый: объяснить, что происходит с внутренней энергией при $Q=400$ Дж и $A=0$. Повышенный: найти $A$, если $Q=900$ Дж и $\Delta U=650$ Дж. Продвинутый: газ отдал $300$ Дж теплоты, внешние силы совершили над ним работу $500$ Дж; определить изменение внутренней энергии. | Решают индивидуально: базовый ответ $\Delta U=400$ Дж; повышенный $A=250$ Дж; продвинутый $Q=-300$ Дж, $A=-500$ Дж, поэтому $\Delta U=Q-A=200$ Дж. |
3 мин | Учитель выводит эталон на экран и организует самопроверку: «Проверьте не только число, но и знак, единицы и пояснение физического смысла. Исправления внесите другим цветом». | Сверяют ответы с эталоном, отмечают ошибки, исправляют вычисления и ставят себе один балл за каждый выполненный критерий. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Самостоятельная работа показала, что формула работает при разных знаках. Осталось связать закон с реальными устройствами и сформулировать личный вывод».
Этап 7. Межпредметное применение и рефлексия (5 мин)
Цель этапа: включить новое знание в систему представлений о технике, математике и энергосбережении.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает схему теплового двигателя и задаёт вопрос: «В двигателе теплота от сгорания топлива частично превращается в работу, а часть уходит в окружающую среду. Почему невозможно считать всю теплоту полезной работой? Свяжите ответ с формулой». | Объясняют: «Часть теплоты изменяет внутреннюю энергию и передаётся окружающей среде; только часть может быть превращена в работу». Связывают ответ с математической моделью закона. |
3 мин | Учитель проводит рефлексию «Светофор» и «Билет на выход»: «Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить закон и решить задачу; жёлтую — если нужна тренировка; красную — если требуется помощь. На стикере допишите: “Сегодня я понял…”, “Мне нужно повторить…”». | Поднимают карточку, заполняют стикер и формулируют личный результат: «Я научился находить $\Delta U$ по формуле» или «Мне нужно повторить знаки работы». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня вы не просто записали формулу, а вывели её через исследование и применили к работе двигателя. Дома закрепите алгоритм на задачах, а на следующем уроке рассмотрим применение закона к различным процессам».
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно сформулирован первый закон термодинамики, корректно решены все задания выбранной карточки, правильно определены знаки величин и дано физическое объяснение результата.
- «4» — формула записана верно, выполнено не менее двух заданий, допущена одна вычислительная или знаковая ошибка, исправленная при самопроверке.
- «3» — воспроизведена формула и решено базовое задание, но допущены ошибки в преобразовании формулы или объяснении физического смысла.
- Ниже базового уровня — требуется повторно разобрать связь $Q$, $\Delta U$ и $A$ с учителем или партнёром по алгоритму.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о превращении энергии в тепловом процессе? | Выявление осознания формулировки первого закона термодинамики. |
Какую величину вы находите первой при решении задачи и почему? | Проверка понимания алгоритма анализа условия. |
Какая ошибка со знаками может возникнуть при описании работы газа? | Выявление затруднений в применении соглашения о знаках. |
Какой уровень домашнего задания вы выберете и что поможет его выполнить? | Формирование самооценки и личной ответственности за учебный выбор. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы установили, что энергия в тепловом процессе не исчезает: полученная теплота расходуется на изменение внутренней энергии и работу газа. Особенно внимательно следите за знаком работы: при расширении газ совершает работу, а при сжатии работу над газом совершают внешние силы. Вы проверили закон на компьютерной модели и в расчётных задачах. На следующем уроке мы применим его к изобарному, изохорному и адиабатному процессам».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Выучить формулировку первого закона термодинамики и решить 4 задачи на нахождение по формуле $Q=\Delta U+A$ одной из величин $Q$, $\Delta U$ или $A$; включить случаи $A=0$ и $Q=0$. | Закрепляет формулу, преобразование выражения и понимание частных случаев; проверять запись «дано», знаки и единицы. |
Средний (повышающий) | Решить 4–5 задач с разными знаками количества теплоты и работы, включая ситуацию, когда газ отдаёт теплоту и внешние силы совершают над ним работу. | Развивает умение анализировать физический смысл знаков; проверять пояснение результата, а не только числовой ответ. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое объяснение работы теплового двигателя, холодильника или насоса: указать, откуда поступает энергия, куда передаётся и где совершается работа; представить схему из 4–6 подписанных элементов. | Формирует межпредметное и инженерное мышление; проверять корректность применения закона и ясность схемы. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Как формулируется первый закон термодинамики? Что означает величина $A$? Когда $\Delta U=Q$? Что произойдёт с внутренней энергией газа при адиабатном расширении?»
