Применение компьютерных технологий для решения задач по дисциплине "Физика"

Разделы: Физика, Информатика


Использование компьютерных технологий открывает возможности для решения широкого круга задач по дисциплинам общеобразовательного цикла.

Представленный блок практических занятий направлен на:

  • формирование у студентов способности анализа поставленной физической задачи и реализацию этой задачи с помощью компьютерной модели;
  • обобщение материала, полученный при изучении лекционного материала и проведении лабораторных практикумов, по дисциплинам "Физика" и "Информатика".

Таким образом, практические занятия способствуют формированию у студентов общей компетенции по использованию информационно-коммуникационных технологий для совершенствования профессиональной деятельности. Преподаватель при проведении подобных занятий создает условия для формирования у учащихся компетенции по практическому применению языков программирования, табличного процессора и программы -конструктора “Начала электроники” для решения физических задач.

Тематика практических занятий:

  • Применение табличного процессора для решения задач по физике на "Газовые законы" (практическая работа №1);
  • Применение языка программирования для решения задач по физике на "Газовые законы" (практическая работа №2);
  • Применение информационных технологий для решения задач по физике на "Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока" (практическая работа №3);
  • Применение информационных технологий для решения задач по физике на "Законы постоянного тока (практическая работа №4);
  • Применение информационных технологий для решения задач по физике на тему "Однофазный переменный ток" (практическая работа №5);
  • Применение информационных технологий для решения задач по физике на "Исследование смешанного соединения проводников (практическая работа №6)

ПРИМЕНЕНИЕ ТАБЛИЧНОГО ПРОЦЕССОРА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ НА ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

Цели занятия:

  • научиться применять табличный процессор для расчетов по общеобразовательным дисциплинам;
  • получить навыки построения графиков функций на примере описания газовых законов «Молекулярно-кинетической теории».

Задачи:

  • обобщить и систематизировать знания по теме «Основы МКТ»;
  • научить строить графики  с помощью табличного процессора;
  • закрепить навыки работы с относительными и абсолютными ссылками при построении формул в табличном процессоре;
  • познакомить студентов с правилами создания «собственного формата» ячеек таблицы;
  • Продолжить формирование познавательного интереса учащихся.

Ход урока

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВЫКЛАДКИ:

Молекулярно-кинетическая теория - теория, объясняющая тепловые явления в макроскопических телах и свойства этих тел на основе их молекулярного строения.

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

  • вещество состоит из частиц - молекул и атомов, разделенных промежутками,
  • эти частицы хаотически движутся,
  • частицы взаимодействуют друг с другом.

МАССА И РАЗМЕРЫ МОЛЕКУЛ

Массы молекул и атомов очень малы. Например, масса одной молекулы водорода равна примерно 3,34*10-27 кг, кислорода - 5,32*10-26 кг. Масса одного атома углерода 1,995*10-26 кг.

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества Mr называют отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:(атомная единица массы).

Количество вещества - это отношение числа молекул N в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода NA:

Моль - количество вещества, содержащего столько молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода.

Число молекул или атомов в 1 моле вещества называют постоянной Авогадро:

Молярная масса - масса 1 моля вещества:

Молярная и относительная молекулярная массы вещества связаны соотношением: М = Мr*10 -3 кг/моль.

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ

Несмотря на беспорядочный характер движения молекул, их распределение по скоростям носит характер определенной закономерности, которая называется распределением Максвелла.

График, характеризующий это распределение, называют кривой распределения Максвелла. Она показывает, что в системе молекул при данной температуре есть очень быстрые и очень медленные, но большая часть молекул движется с определенной скоростью, которая называется наиболее вероятной. При повышении температуры эта наиболее вероятная скорость увеличивается (рис.1).

Рис. 1. Кривая распределения Максвелла

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ В МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Идеальный газ - это упрощенная модель газа, в которой:

  • молекулы газа считаются материальными точками;
  • молекулы не взаимодействуют между собой;
  • молекулы, соударяясь с преградами, испытывают упругие взаимодействия (рис.2).

Рис. 2. Взаимодействие

Иными словами, движение отдельных молекул идеального газа подчиняется законам механики. Реальные газы ведут себя подобно идеальным при достаточно больших разрежениях, когда расстояния между молекулами во много раз больше их размеров.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

можно записать в виде

Скорость v называют средней квадратичной скоростью.

ТЕМПЕРАТУРА

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой.

Тепловое или термодинамическое равновесие - такое состояние термодинамической системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными: не меняются объем, давление, не происходит теплообмен, отсутствуют переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.д. При неизменных внешних условиях любая термодинамическая система самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Абсолютный нуль температуры - предельная температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме должно быть равно нулю или должен быть равен нулю объем идеального газа при постоянном давлении.

Обычно термометры градуируют по шкале Цельсия: температуре кристаллизации воды (таяния льда) соответствует 0°С, температуре ее кипения - 100°С.
Нулевая температура соответствует абсолютному нулю (абсолютную шкалу температур ввел Уильям Томсон Кельвин). Единица измерения температуры по шкале Кельвина равна градусу Цельсия: [Т] = 1К (Кельвин).

Связь температуры в энергетических единицах и температуры в градусах Кельвина: , где k = 1,38·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

СВЯЗЬ АБСОЛЮТНОЙ ШКАЛЫ И ШКАЛЫ ЦЕЛЬСИЯ

T = t + 273 , где t - температура в градусах Цельсия (рис.3).

Рис. 3. Связь шкалы Цельсия и шкалы Кельвина

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

можно записать в виде p = nkT

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Пусть газ массой m занимает объем V при температуре Т и давлении р, а М - молярная масса газа. По определению, концентрация молекул газа: n = N/V, где N-число молекул.

Подставим это выражение в основное уравнение молекулярно-кинетической теории:

Величину R называют универсальной газовой постоянной, а уравнение, записанное в виде или pV = vRT называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона.

НОРМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ

- давление газа равно атмосферному (p = 101,325 КПа) при температуре таяния льда (Т = 273,15 К).

Продолжение статьи

29.12.2018