Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.
Цель: рассмотреть и систематизировать примеры превращений энергии в механических и тепловых процессах; показать универсальность ЗСЭ на примерах механических, тепловых процессов и процессов, происходящих в живой и неживой природе, опираясь на уже имеющиеся знания и межпредметные связи; выяснить физическое содержание ЗСЭ; показать практическое применение ЗСЭ при решении задач.
Конспект
1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний.
Что является нагревателем двигателя внутреннего сгорания?
Что является холодильником двигателя внутреннего сгорания?
Из скольких тактов состоит цикл двигателя внутреннего сгорания?
Газ, заключённый в цилиндр, расширяясь, совершил работу. Изменилась ли внутренняя энергия газа, если не было теплообмена с окружающей средой?
Зачем в цилиндре двигателя внутреннего сгорания жидкое топливо подаётся в распыленном состоянии?
Почему двигатели внутреннего сгорания не используются в подводной лодке при погружённом в воду режиме плавания?
В каком случае газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: в начале такта «рабочий ход» или в конце его?
В каком случае газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: к концу такта всасывания или к концу такта сжатия?
Отражается ли неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания на его КПД? На окружающую среду?
Можно ли человеческий организм отнести к тепловым двигателям?
Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям?
Задача для любителей биологии:
В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт. КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.)
3. Изучение нового материала.
Проблемный вопрос
??? Что общего между заряженной мышеловкой, кусочком масла, движущимся автомобилем и батарейкой?
Мотивация
Сегодня мы будем говорить об энергии, энергетических превращениях и о самом фундаментальном законе природы – законе сохранения энергии. Мы будем наблюдать, рассуждать, анализировать энергетические превращения в живой и неживой природе во всём, что нас окружает. Этот анализ будет служить основой нашего вывода. Мы заново откроем ЗСЭ на основе наблюдений и обобщений опытных фактов.
Как сказал философ (Хевеши) «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые». Надеюсь, что к концу урока будет нам и счастье и глубокая убеждённость в красоте и гармонии природы.
Итак, «энергия»… Это слово рождает в сознании образы бушующих волн, мчащихся автомобилей, нефтяных пластов, перегороженных плотинами водохранилищ, любую интенсивную деятельность.
С этим понятием связана вся наша повседневная жизнь – она обогревает дома, приводит в движение и заставляет работать бытовые приборы. Все живые существа в буквальном смысле поедают энергию, чтобы поддержать жизнь. Завтракая, вы получаете «заряд энергии», чтобы начать трудовой день. Итак, вперед, связывать воедино известные факты.
Эпиграф урока: «Сведение множества к единому – в этом первооснова Красоты». Пифагор
Превращение энергий
??? Какие 2 вида механической энергии вы знаете? ( потенциальная и кинетическая). Приведите примеры перехода кинетической энергии в потенциальную и наоборот.
??? Кроме механической, какой ещё энергией могут обладать тела? (внутренней). Приведите примеры перехода внутренней энергии в механическую и наоборот. Рассмотрим превращение энергии в примерах.
Какие превращения энергии происходят при движении камня, брошенного вверх?
Резиновый мяч упал на пол и отскочил вверх. Какие превращения механической энергии произошли при этом?
Груз, подвешенный на нити совершает колебания. Какие превращения энергии происходят при этом?
Автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальной дороге. На что расходуется энергия топлива?
Какие превращения энергии происходят при выстреле из пружинного пистолета?
Какие превращения энергии происходят при торможении автомобиля?
На каком физическом явлении основан способ получения огня трением?
Опишите превращения энергии, которые происходят при падении на пол пластилинового шарика?
Какие превращения энергии происходят при вылете пробки из пробирки с кипящей водой?
Сжатую металлическую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили её. Куда исчезла потенциальная энергия сжатой пружины?
??? Что общего между заряженной мышеловкой, куском сливочного масла и движущимся автомобилем?
Всё это обладает запасом энергии. Это теперь мы знаем, что энергия проявляется во множестве различных форм.
А вот какое представление было об энергии в 18 веке, задолго до открытия ЗСЭ?
«Энергия – слово греческого происхождения. Означает могущество, достоинство или действенность чего-либо» (из статьи «Энергия в первом издании Британской энциклопедии 1771 год). Поэтому неудивительно, что ЗСЭ был сформулирован на основе наблюдений и обобщений опытных фактов только в середине 19 века немецким учёным, врачом Робертом Майером,
английским учёным и промышленником-пивоваром Джеймсом Джоулем, немецким учёным, физиологом Германом Гельмгольцем.
??? Почему ни Ньютон, ни Галилей с их умом и талантом этого не сделали? Почему фундаментальный закон природы был сформулирован врачом, физиологом и владельцем пивоваренного завода?
Надо было выйти за пределы механики, обладать общефилософским подходом.
??? А какие еще превращения энергии существуют? Теплообмен, энергетические превращения, связанные с изменением агрегатных состояний; сгорание топлива (тепловые эффекты химических реакций); процесс фотосинтеза; обмен и превращение энергии в живых организмах; пищевые цепочки; ветры, ураганы, круговорот воды в природе. Всё очень просто: мы живём, дышим, думаем, едим, светит Солнце, идёт дождь, дует ветер и т. д. А ведь все эти явления связаны с превращениями энергии. И здесь нам понадобятся не только знания по физике.
Теплообмен: энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым, причём при отсутствии потерь тепла Q получ =Qотд
Энергетические превращения, связанные с изменением агрегатных состояний в процессе плавления вся поступающая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки. При этом температура остаётся постоянной, но внутренняя энергия вещества увеличивается.
Сгорание топлива (тепловые эффекты химических реакций). Реакции окисления – соединение с кислородом –сопровождаются выделением энергии. Если реакция идёт достаточно быстро, а энергия выделяется в виде тепла и света, процесс называют горением.
Фотосинтез: происходит превращение солнечной энергии в энергию химических связей.
Обмен и превращение энергии в живых организмах В процессе пищеварения происходит расщепление белков, жиров, углеводов. В клетках нашего организма энергия запасается в молекулах АТФ. В процессе жизнедеятельности клетки, молекулы АТФ расщепляются и за счёт выделившейся при этом энергии и происходят все процессы в клетке.
Пищевые цепочки Травоядные животные поедают растения, мелкие хищники поедают травоядных, их поедают крупные хищники и т.д. Перенос энергии от её источника (растений) через ряд организмов называют пищевой цепью.
Ветры, ураганы, круговорот воды в природе: круговорот воды в природе происходит, как вы знаете из природоведения и географии за счёт энергии Солнца.
А за счёт какой энергии светит Солнце? Солнце получает энергию от ядерного «сгорания» водорода, который переходит при этом в гелий. Источником энергии Солнца являются реакции термоядерного синтеза.
А сколько примеров превращения энергии у нас дома! Взять хотя бы бытовую технику! (вентилятор и миксер, электрический чайник, утюг и стиральная машина). И сам процесс производства электрической энергии тоже связан с превращениями энергии.
ЗСЭ
Теперь можно сказать, что энергия не может появиться у тела, если оно не получило её у другого тела.
Делаем вывод на основе анализа энергетических превращений:
Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.
Сейчас, в 21 веке, идея сохранения и превращения энергии, привычна для учеников 7-8 класса, а 160 лет назад, когда их впервые высказал Майер, эти идеи не только не были оценены по достоинству, но даже отвергались как вздорные и чуждые физике. В своих работах Майер привёл в доказательство 25 различных примеров превращения и сохранения энергии ( а мы на уроке сколько?), Джоуль в течение почти 40 лет проводил самые разнообразные опыты, в которых за счёт механической работы происходило выделение тепла, и на основе измерений подсчитывал механический эквивалент теплоты.
Формулировка Джоуля «Теплота, живая сила и потенциальная энергия взаимно превратимы друг в друга, причём, в этом превращении ничего не теряется»
??? Как выглядит математическое выражение всеобщего закона сохранения и превращения энергии?
4. Решение задач.
Задача.
Вода падает с высоты 1200 метров. Насколько повысится температура воды? (5 0С)
5. Итог урока
Обратимся к эпиграфу нашего урока: согласимся с Пифагором – множество примеров и опытных фактов подвели нас к пониманию единства и красоты Природы.
6. Домашнее задание.
Выучить конспект, рассчитать задачу.
956
62 127 
