XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

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

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». Каждый учитель физики при желании может самостоятельно сконструировать компьютерную лабораторную работу, используя интерактивные модели из мультимедийного курса «Открытая Физика» компании «Физикон» [2-4]. Для этого рекомендуется использовать тот же алгоритм для создания лабораторных работ, который применен в данном мультимедийном курсе. Сначала рекомендуется разобрать теорию вопроса, затем ответить на контрольные вопросы, потом выполнить задачи, при решении которых необходимо провести компьютерный эксперимент и проверить полученный результат. Конечно, исследовательским заданиям должны предшествовать ознакомительные задания к соответствующей компьютерной модели, предусматривающее описание работы интерактивной модели. Такие задания нами представлены в работах [5-22].

Компьютерная лабораторная работа «Телоемкость газа»

Цель работы: Определение молярной теплоемкости газа использованного в компьютерной модели и установить природу этого газа.

Краткие сведения из теории. Теплоемкость идеального газа.

Для того, чтобы изменить температуру тела, к нему необходимо подвести некоторое количество теплоты. Отношение количества теплоты к изменению температуры называют теплоемкостью тела. Удобно понятие теплоемкости относить к одному молю вещества (молярная теплоемкость).

В случае газа теплоемкость сильно зависит от рассматриваемого процесса, так как газы при нагревании или охлаждении могут изменять объем и совершать работу, величина которой зависит от процесса (Рис. 1 и 2). Например, теплоемкость газа в изохорическом процессе C_V меньше, чем теплоемкость в изобарическом процессе C_P. Молярные теплоемкости C_Pи C_V связаны соотношением Р. Майера C_P - C_V =R, где R=8.31 Дж/(моль К) - универсальная газовая постоянная. Для одного моля одноатомного газа C_V = Дж/(моль К), Дж/(моль К). Отношение молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме ( ) позволяет установить возможную природу газа по степени свободы ее молекулы. Например, если газ одноатомный ( гелий), то степень свободы его молекулы – 3, а если газ двухатомный (молекула кислорода – О₂ или водорода – H₂ ), то с учетом их линейного строения – 5.

Рис.1. Рис.2.

Контрольные вопросы:

Какую величину называют теплоемкостью газа?

Какую величину называют молярной теплоемкостью газа?

Напишите соотношение Майера.

Почему изобарная молярная тепломкость больше изохорной молярной теплоемкости газа?

Как связаны молярные теплоемкости газа со степенями свободы их молекул?

Выведите соотношение между отношением молярных теплоемкостей при постоянном давлении и объеме со степенями свободы молекул газа.

Задания к лабораторной работе:

1. Изменяя изохорно темепратуру газа от Т₁=200К доТ₂=800К построить график зависимости U внутреней энергии от температуры Т и определить ∆U изменение внутренней энергии и определить молярную теплоемкость газа.

Ответы:.........................................................................................

2. Изменяя изобарно темепратуру газа от Т₁=200К доТ₂=800К построить график зависимости U внутренней энергии от температуры Т и определить ∆U изменение внутренней энергии определить молярную теплоемкость газа.

Ответы:.........................................................................................

3. По результатам экспериментов 1 и 2. проверить соответствие соотношению Майера.

Ответы:.........................................................................................

4. Изменяя изохорно температуру от Т₁=200К доТ₂=800К проверить соответствию 1- му началу термодинамики.

Ответы:.........................................................................................

5. Изменяя изобарно температуру от Т₁=200К доТ₂=800К проверить соответствию 1- му началу термодинамики.

Ответы:.........................................................................................

6. Идеальный газ объемом V₁= 40 дм³ находящийся под давлением Р₁=42 кПа, температуре Т₁=200 К подвергается изохорическому нагреванию до Т₂=800К. Определить ∆U-изменение внутренней энергии, ∆Q-количество теплоты и вычислить молярную теплоемкость газа.

Ответы:.........................................................................................

7. Идеальный газ объемом V₁= 40 дм³ находящийся под давлением Р₁=42 кПа, температуре Т₁=200 К подвергается изобарическому нагреванию до Т₂=800К. Определить ∆U-изменение внутренней энергии, ∆Q-количество теплоты, А-работу совершаемую газом и вычислить молярную теплоемкость газа.

Ответы:.........................................................................................

8. По данным заданий определить и установить природу газа использованного в компьютерной модели

Ответы:.........................................................................................

Компьютерная лабораторная работа «Работа двигателя совершающего цикл Карно»

Цель работы: Определение К.П.Д. теплового двигателя.

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:

Коэффициентом полезного действия (к.п.д.) теплового двигателя называют отношение

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 η_мах..

Цикл Карно идеальной тепловой машины на P,V - диаграмме обходится по часовой стрелке (Рис.3). 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.

Рис.3.

Контрольные вопросы:

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 температуру 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: ...................................

Задания к лабораторной работе:

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: .............

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. 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:.......................................................................................

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: .......................................................................................

5. Параметры рабочего вещества в начале цикла P₁=416 кПа, Т₁=500К, V₁=10 дм³ . Определите количество вещества используемое в модели.Ответы: ...............

6. Температура холодильника Т₂=270К. Какой должна быть температура нагревателя теплового двигателя, работающего по циклу Карно при К.П.Д. 55%? Ответы: ...........

7. Тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает за каждый цикл от нагревателя 500 Дж тепла при температуре Т₁=450К и отдает холодильнику 350 Дж тепла. Определите температуру холодиьника Т₂ и К.П.Д тепловой машины.Ответы: ...............

8. Тепловая машина, работающая по циклу Карно, получает за каждый цикл от нагревателя 500 Дж тепла при температуре Т₁=600К и отдает холодильнику 300 Дж тепла. Определите температуру холодиьника Т₂ и К.П.Д тепловой машины. Ответы: ............

9. Что Вы предложили бы для повышения К.П.Д. двигателя? Обосновать ответ.............

Использованная литература

[1] Назарбаев Н.A. «Стратегия «Казахстан-2050»-новый политический курс состоявшегося государства». Послание народу Казахстана. Астана. www.bnews.kz. 14 декабря 2012г.

[2] CD диск компании ОАО «Физикон». «Открытая физика 1.1».2001.

[3].Кавтрев А.Ф. «Лабораторные работы к компьютерному курсу «Открытая физика». Равномерное движение. Моделирование неупругих соударений». — Газета «Физика», №20, 2001 — с. 5–8.

[4].Гомулина Н.Н.  Самостоятельное конструирование компьютерных лабораторных работ. http://fio.uven.ru/vio/vio_08/cd_site/Articles/art_1_9.htm

[5].Кабылбеков К.А., Байжанова А. Использование мультимедийных возможностей компьютерных систем для расширения демонстрационных ресурсов некоторых физических явлений. Труды Всероссийской научно-практ, конф.с междунар. участием. Томск 2011г., С 210-215.

[6] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Арысбаева А.С Оқушылардың өз бетінше атқаратын компьютерлік зерханалық жұмыс бланкісінің үлгісі. Известия НАН РК, серия физ.мат., Алматы, 2013, №6, С 82-89.

[7] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Байдуллаева Л.Е. Абдураимов Фотоэффект, комптонэффекті заңдылықтарын оқытуда компьютерлік үлгілерді қолданудың әдістемесі, компьютерлік зертханалық жұмыс атқаруға арналған бланкі үлгілері. Известия НАН РК, серия физ.мат., Алматы, 2013. №6, С 114-121.

[8] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А.,.Турганова, Т.К., Нуруллаев М.А., Байдуллаева Л.Е. Жинағыш және шашыратқыш линзаларды үлгілеу тақырыбына сабақ өткізу үлгісі

Известия НАН РК, серия физ-мат.№2, Алматы, 2014, С 286—294.

[9] Кабылбеков К.А., Аширбаев Х. А., Саидахметов П. А, Рүстемова Қ. Ж., Байдуллаева Л. Е. Жарықтың дифракциясын зерттеуді ұйымдастыруға арналған компьютерлік зертханалық жұмыстың бланкі үлгісі Изв. НАН РК, серия физ-мат, №1(299), Алматы, 2015, С 71-77.

[10] Кабылбеков К.А., Аширбаев Х. А., Такибаева Г.А., Сапарбаева, Э.М.,Байдуллаева Л. Е., Адинеева Ш.И. Зарядталған бөлшектердің магнит өрісінде қозғалысын және масс-спектрометр жұмысын зерттеуді ұйымдастыруға арналған компьютерлік зертханалық жұмыстың бланкі үлгісі. Изв. НАН РК, серия физ.-мат, №1(299), Алматы, 2015, С 80-87..

[11] Кабылбеков К.А., Аширбаев Х. А, Саидахметов, П А., Байгулова З.А.,Байдуллаева Л.Е. Ньютон сақиналарын зерттеуді ұйымдастыруға арналған компьютерлік зертханалық жұмыстың бланкі үлгісі. Изв. НАН РК, серия физ.-мат, № 1(299), Алматы, 2015, С14-20.

[12] Кабылбеков К.А., Аширбаев Х.А., Сабалахова А.П., Джумагалиева А.И.Жарықтың интерференция құбылысын зерттеуді ұйымдастыруға арналған компьютерлік зертханалық жұмыстың бланкі үлгісі. Изв. НАН РК, серия физ.мат., № 3 (301), Алматы, 2015, С 131-136

[13] Кабылбеков К.А., Аширбаев Х.А., Сабалахова А.П., Джумагалиева А.И. Допплер эффектісін зерттеуге арналған компьютерлік жұмысты ұйымдастырудың бланкі үлгісі. Изв. НАН РК, секния физ-мат., № 3 (301) Алматы, 2015, С 155-160.

[14] Кабылбеков К.А. Физикадан компьютерлік зертханалық жұмыстарды ұйымдастыру. Оқу құралы. Шымкент қ., 2015, 284 c.

[15] Кабылбеков К.А. АширбаевХ.А.,Арысбаева А.С.,Джумагалиева А.М. Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы при исследовании физических явлений. Современные наукоемкие технологии, №4, Москва, 2015, С 40-43:

[16] Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы.по исследованию работы селектора скорости.Современные наукоемкие технологии, №6, Москва, 2015, С19-21.

[17]. Кабылбеков К.А.,Саидахметов П. А., Омашова Г.Ш.Серикбаева Г.С. Сүйерқұлова Ж.Н. Еркін механикалық тербелістерді зерттеуге арналған компьютерлік зертханалық жұмысты орындауды ұйымдастырудың бланкі үлгісі. Изв. НАН серия физ. мат №2 2016, С84-91.

[18] Кабылбеков К.А., Саидахметов П. А., Омашова Г.Ш. Нуруллаев, М.А. Артыгалин Н. Модель бланка организации омпьютерной лабораторной работы по исследованию двигателя совершающего цикл Карно. Изв. НАН серия физ мат №2 2016г. С98-103.

[19] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Аширбаев Х.А., Абдубаева Ф.И., Досканова А.Е., Исследование работы газа на компьютерной модели. Вестник НАН №2 2016, С83-88.

[20] Кабылбеков К.А., Саидахметов А.А. Омашова Г.Ш.,Суттибаева Д.И. Қозыбақова Г.Н. Изобаралық процесті зерттеуге арналған компьютерлік зертханалық жұмысты ұйымдастырудың бланкі үлгісі. Изв НАН серия физ. мат №2 2016, С92-97.

[21] Кабылбеков К.А., Саидахметов А.А., Омашова Г.Ш , Абекова Ж.А., Нуруллаев М.А. Компьютерлік моделдерде физикадан зерттеулік тапсырмаларды орындауды ұйымдастырудың бланкі үлгісі. Вестник НАН РК №3,2016,С67-73.

[22] Кабылбеков К.А., Кабылбеков К.А., СаидахметовП. А., Омашова Г.Ш., Нуруллаев Н.А., Исаева Д.А. Электромагниттік тербелістерді зерттеуге арналған компьютерлік зертханалық жұмысты ұйымдастырудың бланкі үлгісі. Вестник НАН РК №3,2016,С73-78,

Код для цитирования: Скопировать