science-review.ru
Президент Республики Казахстан Н. Назарбаев в Послании народу Казахстана «Стратегия «Казахстан-2050» – новый политический курс состоявшегося государства», обозначив приоритеты в сфере образования сказал: «Нам предстоит произвести модернизацию методик преподавания и активно развивать он-лайн-системы образования, создавая региональные школьные центры. Мы должны интенсивно внедрять инновационные методы, решения и инструменты в отечественную систему образования, включая дистанционное обучение и обучение в режиме он-лайн, доступные для всех желающих» [1].
Для реализации поставленных задач кафедра «Теория и методика преподавания физики» ЮКГУ им. Ауэзова МОН РК с 2013 года внедрила в учебный процесс дисциплины «Информационные технологии в образовании», «Информационные технологии в преподавании физики» программы которых предусматривает освоение и использование современных информационных технологии в преподавании физики. Созданы новые компьютерные модели, обучающие программы, базы данных и методика их использования в преподавании физики в школах, колледжах, лицеях и ВУЗ [2-14].
Одной из трудных задач внедрения этих результатов в учреждениях образования является недостаточное практическое умение преподавателей школ использования компьютерных моделей физических явлений для организации проведения лабораторных работ. От организации компьютерных лабораторных работ во многом зависит активизация, мотивация и в конечном счете эффективность обучения. Мощным средством обучения физике, по мнению многих отечественных и зарубежных специалистов является продукции компании «Физикон» [15]. Используя этот ресурс, нами разработана модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию работы двигателя, совершающего цикл Карно.
Тема работы: Исследование работы теплового двигателя совершающего цикл Карно.
Цель работы: Определение К.П.Д. теплового двигателя.
Класс............ФИО....................................
Краткие сведения из теории
Тепловыми двигателями называются устройства, в которых происходит превращение теплоты в работу. Рабочее вещество в любом тепловом двигателе последовательно приводится в тепловой контакт с горячими телами (нагреватели), получая от них некоторое количество теплоты Q1, и с холодными телами (холодильники), отдавая им количество теплоты Q2 < Q1, и периодически возвращается в первоначальное состояние. Такие процессы называют циклическими или круговыми.
Термодинамика утверждает, что невозможно всю теплоту Q1, полученную в круговом процессе от нагревателей, превратить в работу (2-ой закон термодинамики). Согласно закону сохранения энергии (1-ый закон термодинамики) работа, производимая двигателем есть: А = Q1 – Q2 .
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение
η 
Цикл Карно представляет собой идеализированный круговой процесс, в котором рабочее вещество (идеальный газ) периодически приводится в тепловой контакт только с одним нагревателем и одним холодильником . Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Французский инженер Карно доказал, что к.п.д. такого идеального теплового двигателя максимален при данных значениях и равен
Любой реальный тепловой двигатель, работающий с нагревателем температуры Т1 и холодильником температуры Т2, не может иметь к.п.д, превышающий ηмах.
Цикл Карно идеальной тепловой машины на P, V – диаграмме обходится по часовой стрелке. Однако, он может быть проведен и в противоположном направлении (холодильный цикл). В этом случае система отбирает тепло от холодного тела и передает тепло горячему телу. Для того, чтобы такой процесс был возможен, над системой должна совершаться положительная работа А. Холодильный цикл реализуется в холодильных машинах.
Контрольные вопросы для проверки готовности учащихся к выполнению работы
• Из каких процессов состоит цикл Карно? Ответы: ...
• Напишите формулу коэффициента полезного действия идеального теплового двигателя работающего по циклу Карно. Ответы: ...
• Какими величинами определяется работа идеального теплового двигателя за один цикл? Ответы: ...
• Как работает идеальная холодильная машина? Ответы: ...
• Можно ли построить двигатель не получающий энергию извне? Ответы: ...
• Можно ли превратить всю теплоту, полученную двигателем в работу? Ответы: ...
• От какого тела самопроизвольно передается тепло? Ответы: ...
• Как можно осуществить передачу тепла от холодного тела к теплому? Ответы: ...
• Как можно повысить коэффициент полезного действия теплового двигателя? Ответы: ...
• Можно ли понизить теипературу комнаты открыв дверь, работающего холодильника? Ответы: ...
• Можно ли добиться 100% коэффициент полезного действия путем снижения трения до нуля между всеми частями машины? Дайте пояснение. Ответы: ...
• Зависит ли коэффициент полезного действия идеального двигателя, совершающего цикл Карно от природы рабочего вещества? Ответы: ...
1. Ознакомительные задания с компьютерной моделью.
1.1. В каких пределах можно менять температуру нагревателя (рис.1.)? Ответы: ...
1.2. В каких пределах можно менять температуру холодиьника? Ответы: ...
1.3. Каков объем идеального газа в камере? Ответы: ...
1.4. В каких пределах меняется давление при температуре нагревателя 600 К и температуре 270 К холодильника за один полный цикл? Ответы: ...
1.5. В каких пределах меняется объем рабочего вещества при температуре нагревателя 600 К и температуре 270 К холодильника за один полный цикл? Ответы: ...
Рис. 1.
2. Задачи с последующей компьютерной проверкой.
Эти задачи необходимо сначала решить на бумаге и затем проверить ответы на компьютере. Решения задач предоставить вместе с бланком.
2.1. Определить коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя при температуре нагревателя 600К и температуре холодильника 350К. Ответы: ...
2.2. Определить коэффициент полезного действия при температуре нагревателя 600К и температуре холодильника 300К. Ответы: ...
2.3. Определить коэффициент полезного действия при температуре нагревателя 600К и температуре холодильника 270К. Ответы: ...
2.4. Определить коэффициент полезного действия при температуре нагревателя 450К и температуре холодильника 300К. Ответы: ...
2.5. Определить коэффициент полезного действия при температуре нагревателя 350К и температуре холодильника 270К. Ответы: ...
3. Экспериментальные задания
3.1. При температуре нагревателя Т1=450К рабочее вещество получает тепло от нагревателя Q1=500 Дж и отдает тепло холодильнику Q2=350 Дж. Какая работа совершается за один цикл и каков коэффициент полезного действия? Ответы: ...
3.2. При температуре нагревателя Т1=600К рабочее вещество получает тепло от нагревателя Q1=500 Дж и отдает тепло холодильнику Q2=300 Дж. Какая работа совершается за один цикл и каков коэффициент полезного действия? Ответы: ...
3.3. При температуре нагревателя Т1=600К рабочее вещество получает тепло от нагревателя Q1=500 Дж и отдает тепло холодильнику Q2=300 Дж. Какая работа совершается за один цикл, какова температура холодильника и коэффициент полезного действия? Ответы: ...
3.4. Тепловой двигатель работающий по циклу Карно за каждый цикл получает от нагревателя при температуре Т1=600К тепло Q1=600 Дж и отдает холодильнику тепло Q2=300 Дж. Определите коэффициент полезного действия. и температуру холодильника. Ответы: ...
3.5. Параметры рабочего вещества в начале цикла P1=416 кПа, Т1=500К, V1=10 дм3 . Определите количество вещества используемое в модели.Ответы: ...
4. Неоднозначные задачи.
4.1. Определите температуры нагревателя и холодильника тепловой машины работающей по циклу Карно с К.П.Д. а) 20%; б) 40%; в) 50% и г) 55%. Ответы: ...
5. Исследовательские задания.
5.1. Температура холодильника Т2=270К. Какой должна быть температура нагревателя теплового двигателя, работающего по циклу Карно при К.П.Д. 55%? Ответы: ...
5.2. Тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает за каждый цикл от нагревателя 500 Дж тепла при температуре Т1=450К и отдает холодильнику 350Дж тепла. Определите температуру холодиьника Т2 и К.П.Д тепловой машины.Ответы: ...
5.3. Тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает за каждый цикл от нагревателя 500 Дж тепла при температуре Т1=600К и отдает холодильнику 300Дж тепла. Определите температуру холодиьника Т2 и К.П.Д тепловой машины. Ответы: ...
6. Творческие задания.
В рамках данного задания ученику предлагается самостоятельно составить задания с учетом возможности компьютерной модели.
|
Количество выполненных заданий |
Количество ошибок |
Оценка |
Примечание. Задания даны с избытком. Обучающемуся необязательно всех их выполнять. Преподаватель может их выбрать и подобрать ученику с учетом его возможности или предложить другие подобные задания. В заданиях предусматривающих задачи с последующей компьютерной проверкой ученик письменно решает задачи с предоставлением хода решения и полученного ответа. В конце урока ученик должен заполнить бланк, сдать преподавателю или отправить по электронной почте своему преподавателю.