Урок 1/43. Внутренняя энергия

 

Цель урока: ввести понятие внутренней энергии тела как суммы кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Тип урока: урок изучения нового материала.

План урока

Демонстрации

5 мин.

1. Модель теплового движения.

2. Падение пластилиновой шарики.

3. Нагревание тел при выполнении работы

Изучение нового материала

28 мин.

1. Тепловое движение.

2. Что такое внутренняя энергия?

3. По каким признакам можно узнать, что внутренняя энергия изменилась?

4. Преобразование внутренней энергии при сжатии и расширении газа и при нагреве трением

Закрепление изученного материала

12 мин.

1. Контрольные вопросы.

2. Учимся решать задачи.

3. Поразмысли и ответь

 

Вивчення нового материала

1. Тепловое движение

Без света мы не могли б видеть окружающий нас мир, без звука — слышать, а без теплых лучей солнца ни мы сами, ни растения, ни животные не могли бы возникнуть и, конечно, существовать.

Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми.

Тепловые явления человек научился использовать с давних времен для обогрева своего жилья, приготовления пищи и т. др. К тепловым явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.

Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном хаотическом движении. Хаотическое движение молекул можно продемонстрировать при помощи модели броуновского движения.

Ученики уже знают, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении — уменьшается. Следовательно, скорость движения молекул зависит от температуры тела.

· Поскольку со скоростью движения молекул тела связана его температура, то хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

Обращаем внимание учащихся на то, что тепловое движение отличается от механического тем, что в нем участвует очень много частиц и каждая движется беспорядочно.

 

 

2. Что такое внутренняя энергия?

Мы уже знаем, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной — в результате своего взаимодействия с другими телами. Кинетическая и потенциальная энергия могут превращаться друг в друга.

Бросим на пол с некоторой высоты пластилиновую шарик. При падении шарика его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая увеличивается (полная же механическая энергия шарика сохраняется). После того как шарик ударится об пол, она остановится. Кинетическая и потенциальная энергия шарика относительно пола равны нулю.

 

 

Означает ли это, что механическая энергия, которой обладал шар, бесследно исчезла? Очевидно, нет.

Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. Что же представляет собой эта другая форма энергии?

В результате удара об пол пластилиновая шарик нагрелась и деформировалась. При этом скорость теплового хаотического движения молекул шарики (а следовательно, и их кинетическая энергия) увеличилась.

Таким образом, механическая энергия шарика не «исчезла», а перешла в так называемую внутреннюю энергию.

Очевидно, эта «внутренняя» энергия, связанная с движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело.

· Сумму кинетической энергии хаотического движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц (атомов и молекул), из которых состоит тело, называют внутренней энергией.

 

3. По каким признакам можно узнать, что внутренняя энергия изменилась?

При повышении температуры тела скорость теплового движения молекул, а значит, и их кинетическая энергия увеличивается. Следовательно, при повышении температуры тела его внутренняя энергия увеличивается, а при понижении — уменьшается.

Таким образом, первый признак: изменение температуры тела.

Когда вода превращается в пар, потенциальная энергия взаимодействия молекул увеличивается: ведь для того, чтобы «растянуть» друг от друга молекулы воды притягиваются, необходимо выполнить работу.

Поэтому второй признак: изменение агрегатного состояния.

При сгорании угля атомы Углерода, входящие в состав угля, соединяются с атомами Кислорода, входящими в состав воздуха. При этом потенциальная энергия взаимодействия молекул переходит в кинетическую энергию хаотического движения молекул, то есть повышается температура и внутренняя энергия.

Итак, третий признак: изменение химического состава.

 

4. Преобразование внутренней энергии при сжатии и расширении газа и при нагреве трением

Если мы попытаемся накачать велосипедную камеру насосом, то почувствуем, что насос нагрелся. Главной причиной нагревания является в этом случае не трения, а сжатие воздуха: сжимая воздух, мы выполняли работу, увеличивая внутреннюю энергию газа.

Если поместить на дно толстостенного прозрачного цилиндра сухую ватку и резко вставить поршень в цилиндр, ватка загорится (см. рисунок). Почему?

 

 

Это произошло вследствие сильного сжатия воздух в цилиндре нагрелось до очень высокой температуры.

А изменится ли внутренняя энергия газа, если при расширении газ сам выполнит работу?

Будем накачивать воздух в толстостенную стеклянную емкость, плотно закрытую пробкой. Когда давление воздуха в сосуде станет достаточно большим, пробка выскочит, причем в сосуде появится туман (см. рисунок).

 

 

В этом опыте газ, расширяясь, выполнил работу, передав пробке механическую энергию. При этом внутренняя энергия газа уменьшилась.

Потрите один брусок в другой — они нагреваются. Потрите быстро ладони. Вы почувствовали, что они нагрелись? Выходит, их внутренняя энергия увеличилась. В этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю: мы выполняем работу, преодолевая силу трения.

Таким образом, внутреннюю энергию можно изменить, выполнив работу — за счет сжатия (расширения) газа или с помощью трения.

Необходимо обратить внимание учащихся на практическое применение полученных выводов.

· Во-первых, сильное нагревание газа при сжатии используется в дизельных двигателях, установленных в автомобилях, тракторах, кораблях.

· Во-вторых, в наших опытах мы смоделировали появление облаков: поднимаясь, водяной пар расширяется и охлаждается, превращаясь в капельки воды.

· В-третьих, переход части внутренней энергии в механическую энергию происходит в тепловых двигателях, например, в автомобильных. Расширяясь в цилиндре под поршнем, газ выполняет работу. При этом газ охлаждается, то есть его внутренняя энергия уменьшается.

 

Вопросы к учащимся в ходе изложения нового материала

1. Приведите примеры тепловых явлений.

2. Какими видами энергии обладают частицы, из которых состоит вещество?

3. Как внутренняя энергия связана с температурой?

4. По каким признакам можно узнать, что внутренняя энергия изменилась?

 

Сакріплення изученного материала

1. Учимся решать задачи

1). Как изменяются внутренняя и механическая энергия хоккейной шайбы: а) когда ее выносят из теплой комнаты на мороз; б) когда самолет, на котором перевозят шайбу (вместе с хоккейной командой) разгоняется по взлетной полосе; в) когда самолет набирает высоту; г) когда по шайбе бьют клюшкой?

2). Шайба скользит по горизонтальной ледовой площадке. Как при этом изменяется кинетическая энергия шайбы? Внутренняя энергия?

2. Поразмысли и ответь

1). Существуют ли в природе тела, у которых отсутствует внутренняя энергия?

2). Почему в газах внутренняя энергия в основном обусловлена тепловым движением молекул, а в твердых телах — их взаимодействием?

3). Может ли тело иметь внутреннюю энергию, но не иметь при этом механической энергии?

 

Домашнее задание-1

1. В-1: § 21.

2. Сб-1:

рів1 № 24.1, 24.3, 24.4, 24.6, 24.9.

рів2 № 24.11, 24.12, 24.15, 24.16, 24.17

рів3 № 24.19, 24.20, 24.22, 24.23, 24.24.

Домашнее задание-2

1. В-2: § 34.

2. Сб-2:

рів1 № 27.1, 27.2, 27.3.

рів2 № 27.12, 27.13, 27.14.

рів3 № 27.34, 27.35, 27.36, 27.37.

 

Источники:

1. Все уроки физики. 8 класс./ Кирик Л. А.— Х.: Вид. группа «Основа», 2008.— 352 с.

2. Сайты: fizika.ru, sga-help.ru

Презентация к уроку