Первый закон термодинамики. 10-й класс.

Как сделать физику интересной и привлекательной для учащихся? Как развить их творческие способности? Это волнует многих учителей. Один из возможных путей – широкое использование художественной литературы. Этот методический прием ненов, его использовал известный популяризатор науки Я. Перельман в своих книгах по занимательной физике. Искусство будит фантазию, питает воображение. Изучение физических явлений и законов во взаимосвязи с соответствующими примерами из художественной литературы обогащает учебный процесс, так как при этом: физические явления представляются наглядно – образно, а значит, и более доступно;углубляется эмоциональность восприятия изучаемого материала;повышается интерес к изучению физики;развиваются творческие способности детей.

I Выясним, что учащимся уже известно о проблеме создания вечного двигателя (в форме беседы). II Краткое вступление в тему. V Доказательство невозможности создания вечного двигателя. = Q – D/U. Если к системе не поступает теплота , то работа может быть совершена только за счет убыли внутренней энергии. = -D/U. VI Знакомство с некоторыми проектами «вечного двигателя». VII Домашнее задание. Двигатель состоит из двух частично заполненных ртутью трубок, накрест соединенных между собой и закрепленных на валу. По мысли изобретателя, когда трубка, приняв горизонтальное положение, наклоняется затем влево, ртуть из правого колена переливается в левое, которое перетягивает и поворачивает колесо. То же происходит и с другой трубкой и т.д. Иллюстрация с сайта: http://rarsoft.ucoz.com/load/1/games/paket_igr_na_temu_pazly_fizika_platformery_63/16-1-0-324

Методика использования художественной литературы на уроках физики может быть разнообразной. Идея моего урока появилась после прочтения рассказа В.М.Шукшина «Упорный». В то время я жила на Алтае, и поэтому материал произведения имел еще и краеведческое значение, так как Шукшин – алтайский писатель.

Упорное стремление героя рассказа Мони Квасова создать вечный двигатель является весьма поучительным для сельской молодежи. Колоритный, самобытный язык повествования вызывает искренний интерес у учащихся и сопереживание герою. Эмоционально окрашенный стиль рассказа, пронизанный тонким юмором, способствует глубокому восприятию художественного произведения и имеет воспитательное значение, поскольку приводит школьников к заключению – современный человек должен быть образованным, нужно учиться, чтобы не допускать досадных ошибок, как Моня Квасов.

Тема «Вечные двигатели»

Образовательные задачи:

обеспечить усвоение первого закона термодинамики;

подчеркнуть всеобщность закона сохранения энергии;

обосновать на основе первого закона термодинамики невозможность создания вечного двигателя.

Воспитательные задачи:

содействовать формированию мировоззренческой идеи материалистического познания природы;

продолжить формирование интереса к знаниям на основе привлечения литературного и научно-популярного материала.

Ход урока

I. Постановка задачи перед учащимися:

на основе первого закона термодинамики обосновать невозможность создания вечного двигателя.

II. Выясним, что учащимся уже известно о проблеме создания вечного двигателя (в форме беседы).

III. Краткое вступление в тему.

Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин. С помощью машин человек обрабатывает землю, собирает урожай, добывает нефть, уголь, руду, строит дома, дороги, совершает поездки по земле, по воздуху, по воде.

Основным общим свойством всех этих машин является их способность совершать работу. Многие изобретатели в прошлом пытались построить машину, способную совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Машину с такими свойствами называют вечным двигателем (по латыни perpetuum mobile). Такого механизма никто построить не смог, хотя в прежнее время, особенно в средние века, люди ломали головы над этой задачей и потратили на это много времени и труда. Были придуманы сотни «вечных двигателей», но ни один не двигался. В каждом случае изобретатель упускал из виду какое-нибудь обстоятельство, которое и разрушало все планы. Теперь доказано непреложно, что нельзя построить механизм, который вечно двигался бы сам собой, выполняя при этом еще какую-нибудь работу. Совершенно безнадежно трудиться над такой задачей.

Однако до сих пор находятся чудаки, которые наперекор всем законам механики пытаются изобрести perpetuum mobile. Об одном из таких людей мы сейчас узнаем из рассказа В.М.Шукшина «Упорный».

IV. Выборочное чтение рассказа В.М.Шукшина «Упорный».

Примечание:

– сокращение текста автора;

(…) – сокращения учителя.

Все началось с того, что Моня Квасов прочитал в какой-то книжке, что вечный двигатель невозможен. По тем-то и тем-то причинам – потому хотя бы, что существует трение. Моня… Тут, между прочим, надо объяснить, почему Моня. Его звали Митька, Дмитрий, но бабка звала его Митрий, а ласково – Мотька, Мотя. А уж дружки переделали в Моню – так проще, кроме того, непоседливому Митьке имя это, Моня, как-то больше шло, выделяло его среди других, подчеркивало как раз его непоседливость и строптивый характер.

Прочитал Моня, что вечный двигатель невозможен… Прочитал, что многие и многие пытались все же изобрести такой двигатель… Посмотрел внимательно рисунки тех вечных двигателей, какие – в разные времена – предполагались. И задумался. Что трение там, законы механики – он все это пропустил, а сразу с головой ушел в изобретение такого вечного двигателя, какого еще не было. Он почему-то не поверил, что такой двигатель невозможен. Он с пренебрежением отмахивался и думал свое: «Да, ладно будут тут мне… Что значит невозможен?»

Моня окончил семилетку в деревне, поучился в сельскохозяйственном техникуме полтора года, не понравилось, бросил, до армии работал в колхозе, отслужил в армии, приобрел там специальность шофера и теперь работал в колхозе шофером.

Вот уж что у него было, так это было: если ему влетела в лоб какая-то идея, то идея эта подчиняла себе всего Моню: больше он не мог ни о чем думать. Так и тут, с этим двигателем: Моня перестал видеть и понимать все вокруг, весь отдался великой изобретательской задаче. Он набросал уже несколько десятков вариантов двигателя, но сам же и браковал их один за одним. Мысль работала судорожно. Моня вскакивал ночами, чертил какое-нибудь очередное колесо… В своих догадках он все время топтался вокруг колеса, сразу с колеса начал и продолжал искать новые и новые способы – как заставить колесо постоянно вертеться.

И наконец способ был найден. Вот он: берется колесо, например велосипедное, закрепляется на вертикальной оси. К ободу колеса жестко крепится в наклонном положении (под углом 45 градусов к плоскости колеса) желоб – так, чтоб по желобу свободно мог скользить какой-нибудь груз, допустим килограммовая гирька. Теперь, если к оси, на которой закреплено колесо, жестко же прикрепить (приварить) железный стерженек так, чтобы свободный конец этого стерженька проходил над желобом, где скользит груз… То есть если груз, стремясь вниз по желобу, упрется в этот стерженек, то он же будет его толкать, ну не толкать – давить на него будет, на стерженек-то! А стерженек соединен с осью, ось закрутится, закрутится и колесо. Таким образом, колесо само себя будет крутить.

Моня придумал это ночью… Вскочил, начертил колесо, желоб, стерженек, грузик… И даже не испытал особой радости, только удивился: чего они столько времени головы-то ломали! Он походил по горнице в трусах, глубоко гордый и спокойный, сел на подоконник, закурил.

Покой, могучий покой объял душу Мони. Он лег на кровать, но до утра не заснул. Двигатель он больше не трогал – там все ясно, а лежал поверх одеяла, смотрел через окно на звезды.

(Утром после завтрака Моня пошел в гараж. Но по дороге решил зайти к инженеру РТС Андрею Николаевичу Голубеву, молодому специалисту. Он был человек приезжий, толковый и нравился Моне.)

Инженер был в ограде, возился с мотоциклом.

– Здравствуй, – сказал Моня.

– Здравствуй! – не сразу откликнулся инженер. И глянул на Моню неодобрительно: наверно, не понравилось, что с ним на «ты».

«Переживешь, – подумал Моня. – Молодой еще».

– Зашел сказать свое «фэ», – продолжал Моня, входя в ограду.

Инженер опять посмотрел на него.

– Что еще за «фэ»?

– Как ученые думают насчет вечного двигателя? – сразу начал Моня. Сел на бревно, достал папиросы… И смотрел на инженера снизу. – А?

– Что за вечный двигатель?

– Ну этот – перпетуум мобиле. Нормальный вечный двигатель, который никак не могли придумать…

– Ну? И что?

– Как сейчас насчет этого думают?

– Да кто думает-то? – стал раздражаться инженер.

– Ученый мир… Вообще. Что, сняли, что ли, эту проблему?

– Никак не думают. Делать, что ли, нечего больше, как об этом думать?

– Значит, сняли проблему?

Инженер снова склонился к мотоциклу.

– Сняли.

– Не рано? – не давал ему уйти от разговора Моня.

– Что «не рано»? – оглянулся опять инженер.

– Сняли-то. Проблему-то.

Инженер внимательно посмотрел на Моню.

– Что, изобрел вечный двигатель, что ли?

И Моня тоже внимательно посмотрел на инженера. И всадил в его дипломированную головушку… Как палку в муравейник всадил:

– Изобрел.

Инженер не без ехидства сказал:

– Поздравляю.

Моня обеспокоился. Не то что он усомнился вдруг в своем двигателе, а то обеспокоило, до каких же, оказывается, глубин вошло в сознание людей, что вечный двигатель невозможен. Этак и выдумываешь его, а они будут твердить: невозможен. Спорить с людьми – это тяжко, грустно.

– А что дальше? – спросил Моня.

– В каком смысле?

– Ну ты поздравил… А дальше?

– Дальше – пускай его по инстанции, добивайся… Ты его сделал уже? Или только придумал?

– Придумал.

– Ну вот… – инженер усмехнулся, качнул головой. – Вот и двигай теперь… Пиши, что ли, я не знаю.

Моня помолчал, задетый за больное усмешкой инженера.

– Ну а что ж ты даже не поинтересуешься: что за двигатель? Узнал бы хоть принцип работы… Ты же инженер. Неужели тебе неинтересно?

– Нет, – жестко сказал инженер. – Неинтересно.

– Почему?

Инженер оставил мотоцикл, вытер руки тряпкой, бросил тряпку на бревна, полез в карман за сигаретами. Посмотрел на Моню сверху.

– Парень… ты же говорил, что в техникуме сколько-то учился…

– Полтора года.

– Вот видишь… Чего же ты такую бредятину несешь сидишь? Сам шофер, с техникой знаком… Что, неужели веришь в этот свой двигатель?

– Ты же даже не узнал принцип его работы, а сразу – бредятина! – изумился Моня.

– И узнавать не хочу.

– Потому что это глупость.

– Ну а вдруг не глупость?

– Проверь. Проверь, а потом уж приходи… с принципом работы. Но если хочешь мой совет: не трать время и на проверку.

– Спасибо за совет. – Моня встал. – Вообще за добрые слова…

– Ну вот… И не тронь вас. Ну а чего же уж такая… самодеятельность-то тоже! – воскликнул инженер. – Почти девять лет учился – и на тебе: вечный двигатель. Что же уж?.. Надо же понимать хоть какие-то вещи. Как ты думаешь: если бы вечный двигатель был возможен, неужели бы его до сих пор не изобрели?

– Да вот так вот все рассуждают: невозможен, и все. И все махнули рукой…

– Да не махнули рукой, а доказали давно: невозможен! Ладно, было бы у человека четыре класса, а то… Ты же восемь с половиной лет учился! Ну… Что же ты восемь с половиной лет делал?

– Смолил и к стенке становил, – тоже зло сказал Моня. И тоже поглядел в глаза инженеру. – Чего красуешься-то? Я тебя никуда выдвигать не собираюсь.

– Вот видишь… – чуть растерялся инженер от встречной напористой злости. – Умеешь же говорить… Значит, не такой уж темный. Не хрена тогда и с вечным двигателем носиться… Людей смешить. – Инженер бросил сигарету и пошел заводить мотоцикл. Моня двинулся из ограды.

Оглушил его этот инженер. И стыдно было, что отчитали. Но ужасно, что явилось сомнение в вечном двигателе. Стыдно было своей беспечности, безмятежности, довольства. Надо было все же хорошенько все проверить.

(Далее Моня пришел домой, еще раз проанализировал свой двигатель и опять не мог понять, почему колесо не должно крутиться.)

Моня не знал, что делать. Делать что-то надо было – иначе сердце лопнет от всего этого. Кожа треснет от напряжения. Моня взял чертеж и пошел из дома, сам пока не зная куда.

(Моня пошел опять к инженеру. Инженера дома не было, но была дома его жена, учительница математики. Он попросил ее посмотреть чертеж и спросил ее мнение.)

– Не будет колесо вращаться, – сказала учительница.

– Не знаю пока… Это надо рассчитать. Оно не должно вращаться.

Моня крепко стукнул себя кулаком по колену… Встал и начал ходить по комнате.

– Ну, ребята!.. – заговорил он. – Я не понимаю: или вы заучились, или… Почему не будет-то?

Моня остановился, глядя в упор на женщину.

Женщина немножко даже испугалась.

– А вам нужно, чтобы оно вращалось? – спросила она.

– Почему оно не будет вращаться?

(Далее жена инженера предлагает Моне обратиться за разъяснением к учителю физики, и они вместе идут к нему, так как учительнице тоже стало интересно.)

Учитель физики, очень добрый человек, с улыбкой слушал возбужденного Моню… Смотрел в чертеж. Выслушал.

(И затем объясняет Моне его ошибку.)

– Груз лежит на желобе и давит на стержень. Груз так же одинаково давит и на стержень, и на желоб. Ни на что – чуть-чуть меньше, ни на что – чуть-чуть больше. Колесо стоит.

Это показалось Моне чудовищным.

– Да как же?! – вскинулся он. – Вы что? По желобу он только скользит – желоб можно еще круче поставить, – а на стержень падает. И это одинаково?! – Моня свирепо смотрел на учителя. Но того все не оставляла странная радость.

– Да! – тоже воскликнул он, улыбаясь.

Наверно, его так радовала незыблемость законов механики. – Одинаково! Эта неравномерность – эта кажущаяся неравномерность, здесь абсолютное равенство…

– Да горите вы синим огнем с вашим равенством! – горько сказал Моня. Сгреб чертеж и пошел домой.

Это походило на какой-то заговор. Это черт знает что!.. Как сговорились. Ведь ясно же, ребенку ясно: колесо не может не вертеться! Нет, оно, видите ли, НЕ ДОЛЖНО вертеться. Ну что это?!

Моня приколбасил домой, написал записку, что он себя неважно чувствует, нашел бабку на огороде, велел ей отнести записку в совхозную контору, не стал больше ничего говорить бабке, а ушел в сарай и начал делать вечный двигатель.

…И он его сделал. Весь день пластался, дотемна. Доделывал уже с фонарем. Разорил велосипед (колесо взял), желоб сделал из старого оцинкованного ведра, стержень не приварил, а скрепил с осью болтами… Все было сделано, как и задумалось.

Моня подвесил фонарь повыше, сел на чурбак рядом с колесом, закурил… И без волнения толкнул колесо ногой. Почему-то охота было начать вечное движение непременно ногой. И привалился спиной к стене. И стал снисходительно смотреть, как крутится колесо. Колесо покрутилось-покрутилось и стало. Моня потом его раскручивал уже руками… Подолгу – с изумлением, враждебно – смотрел на сверкающий спицами светлый круг колеса. Оно останавливалось. Моня хотел изломать его, но раздумал… Посидел еще немного, встал и с пустой душой медленно пошел куда-нибудь.

Моня не страдал. Ему даже понравилось, что вот один он здесь, все над ним надсмеялись и дальше будут смеяться: хоть и бывают редкие глупости, но вечный двигатель в селе еще никто не изобретал. Этого хватит месяца на два – говорить. Пусть. Надо и посмеяться людям. Они много работают, развлечений тут особых нет – пусть посмеются, ничего.

(Далее Моня опять встречает инженера, обманывает его, что колесо крутится со вчерашнего вечера, ведет к себе, желая увидеть реакцию инженера. Потом признается, приглашает инженера в дом, и они дружески беседуют.)

– Весь день вчера угробил… Дело не в этом, – заговорил Моня, и заговорил без мелкого сожаления и горя, а с глубоким, искренним любопытством, – дело в том, что я все же не понимаю: почему оно не крутится? Оно же должно крутиться.

– Не должно, – сказал инженер. – В этом все дело.

Они посмотрели друг на друга… Инженер улыбнулся, и ясно стало, что вовсе он не злой человек.

– Учиться надо, дружок, – посоветовал инженер. – Тогда все будет понятно.

Инженер вышел из горницы.

Моня сидел, смотрел в окно. Верхняя часть окна уже занялась красным – всходило солнце. Село пробудилось: хлопали ворота, мычали коровы, собираясь в табун. Переговаривались люди, уже где-то и покрикивали друг на друга… Все как положено. Слава Богу, хоть тут-то все ясно, думал Моня. Солнце всходит и заходит, всходит и заходит – недосягаемое, неистощимое, вечное…

V. Обсуждение рассказа.

Правильно ли поступил Моня Квасов, пропустив в книге те места, где на основе законов механики объяснялась невозможность создания вечного двигателя?

Какие черты героя рассказа вам симпатизируют, а какие нет?

Какие чувства вызывает у вас Моня Квасов: жалость, уважение, сочувствие, смех? Можно ли позавидовать его настойчивости?

Разделяете ли вы мнение о том, что лишь благодаря упорству, научной смелости и даже самоотверженности многие открытия и изобретения совершались после всеобщего признания их несбыточности?

Какой совет дал инженер в заключение Моне Квасову? Считаете ли вы это справедливым?

А теперь объясним причину неудачи литературного героя.

VI. Доказательство невозможности создания вечного двигателя.

Учащимся предлагается сделать это самостоятельно, без помощи учителя. В случае затруднения предлагается еще раз прочитать данный материал в учебнике. Из сказанного делается вывод, который можно записать в тетради.

Вечный двигатель (по латыни perpetuum mobile) – это воображаемый механизм, который безостановочно совершает полезную работу без потребления энергии извне, без затрат топлива и без каких-либо изменений внутри самой машины.

Невозможность создания вечного двигателя подтверждает первый закон термодинамики. Согласно первому закону термодинамики работа А’, произведенная машиной, равна:

А’ = Q – D/U.

Любая машина может совершать работу над внешними телами только за счет получения извне некоторого количества теплоты или уменьшения ее внутренней энергии.

Если к системе не поступает теплота (Q = 0), то работа А’ может быть совершена только за счет убыли внутренней энергии. А’ = -D/U.

После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

VII. Знакомство с некоторыми проектами «вечного двигателя».

На доске вывешивается плакат с рисунками, на которых изображены различные проекты вечных двигателей (можно демонстрировать через графопроектор).

Затем класс делится на группы, каждая из которых выбирает себе модель и пытается найти ошибку автора проекта. (Карточки прилагаются).

После обсуждения представитель каждой группы у доски приводит рассуждения о том, почему данный двигатель работать не будет.

Если на уроке осталось свободное время, полезно рассказать учащимся о машине Орфиреуса (см. книгу «Занимательная физика» Я.И.Перельмана, «Вечный двигатель» времен Петра I).

VIII. Домашнее задание.

Для желающих предлагается сделать попытку изобрести свой вечный двигатель.

Модель №1

Двигатель представляет собой колесо, снабженное откидными стержнями с грузами на концах. По мысли изобретателя колесо должно непрерывно вращаться по часовой стрелке, так как грузы на правой стороне будут все время откинуты дальше от центра, чем грузы на левой стороне.

Почему расчет изобретателя не оправдывается?

Ответ

Хотя грузы на правой стороне всегда расположены дальше от центра, их число всегда меньше, чем на левой стороне. В результате оказывается, что сумма моментов грузов, стремящихся повернуть колесо по часовой стрелке, всегда равна сумме моментов грузов, стремящихся повернуть его против часовой стрелки. Поэтому вся система уравновешивается.

Модель №2

Двигатель представляет собой колесо с перекатывающимися в нем тяжелыми шариками. Изобретатель воображал, что шары на одной стороне колеса, находясь всегда ближе к краю, своим весом заставят колесо вертеться.

В чем ошибка автора проекта?

Колесо не будет вертеться по той же причине, как и с колесом модели №1.

Модель №3

Двигатель состоит из двух частично заполненных ртутью трубок, накрест соединенных между собой и закрепленных на валу. По мысли изобретателя, когда трубка, приняв горизонтальное положение, наклоняется затем влево, ртуть из правого колена переливается в левое, которое перетягивает и поворачивает колесо. То же происходит и с другой трубкой и т.д. В чем ошибка автора проекта?

Когда трубки расположатся под углом 4500 к горизонту, ртуть перельется в их нижние колена, причем правое колено будет уравновешивать левое.

Модель №4

Двигатель состоит из бака, в стенке которого сделан вырез, плотно закрытый деревянным валом. На погруженную в воду левую часть вала действует выталкивающая сила Архимеда, которая должна вращать колесо.

Указать ошибку в этому рассуждении.

Все силы давления воды на вал направлены перпендикулярно его поверхности, т.е. по радиусам вала. Поэтому моменты этих сил относительно оси вала равны нулю и вал не будет вращаться.

Модель №5

Двигатель представляет собой бесконечную цепь с поплавками. Правая сторона цепи проходит через сосуд с водой. По мысли автора поплавки, стремясь всплыть, будут вращать колесо В, через которое переброшена цепь, и машина будет работать без затраты энергии.

Найти ошибку в этом рассуждении.

Сила гидростатического давления, действующая вниз на поплавок А, больше выталкивающей силы, приложенной к остальным поплавкам, находящимся в сосуде. Действительно, первая из них равна весу воды в объеме столба KLMN, вторая – весу воды в объеме поплавков, который меньше объема KLMN. Следовательно, поплавки будут двигаться вниз за счет уменьшения потенциальной энергии столбиков воды, находящихся между ними. При этом часть воды будет периодически захватываться поплавками, проходящими через трубку В, и выливаться наружу. Для пополнения сосуда водой придется затрачивать энергию.

Модель №6

Двигатель представляет собой бесконечную цепь с нанизанными на ней грузами, перекинутую через призматическое тело. Изобретатель полагал, что грузы на левой наклонной плоскости, которых больше, чем на правой, будут перетягивать и цепь будет вечно двигаться против часовой стрелки.

Обозначим вес одного метра цепи с грузами через р, а длины боковых граней призмы через L и l. Общая весовая нагрузка на левую грань призмы будет равна pL, а на правую pl. Составляющие этих сил, действующие вдоль граней, равны между собой, т.е. pLsinL = pLsinb, так как Lsina = lsinb = h. Следовательно, части цепи, лежащие на гранях, будут уравновешиваться, и она останется в покое.

* Любопытно, что поиски вечного двигателя привели голландского ученого Стивена (ХVI – ХVII вв.) к открытию закона равновесия сил на наклонной плоскости. Этот закон он открыл единственно лишь с помощью чертежа (модель №6). Суть закона: два груза, связанные шнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если их веса пропорциональны длинам этих плоскостей.

Любовь Филимонцева, учитель физики пурпейской СШ №3, Ямало-Ненецкий АО, участник конкурса «Сто друзей-2004»