Методический материал по физике на тему "Прием продуктивной деятельности видения нетрадиционных функций объекта в решении задач на насыщенные пары" (10 класс)

1

ИНФО-урок

«Методическая неделя»

Автор: Аванесян Лариса Григорьевна, учитель физики МБОУ СОШ № 4 имени четырежды героя маршала Г.К. Жукова

пгт. Афипского Северского района Краснодарского края

Прием продуктивной деятельности видения нетрадиционных функций объекта в решении задач на насыщенные пары

Человеческий разум имеет три ключа, которые открывают все: знания, мысль, воображение. (Гюго В.)

Мне, учителю физики с большим педагогическим стажем, приходилось наблюдать ситуации, когда старшеклассники отказывались решать задачи на насыщенный пар, считая их сложными и непонятными. Почему? Видимо, недостаточно часов отведено для изучения этой темы, да и с воображением у учащихся сложно, когда нужно представлять поведение молекул насыщенного пара и жидкости при термодинамическом равновесии. С идеальным газом, конечно, проще и понятнее, так как газовые законы и законы термодинамики изучаются подробно, решается большое количество задач. Но в материалах ЕГЭ есть задачи на насыщенный пар, и их нужно уметь решать. На мой взгляд, обучающимся можно помочь избавиться от неприязни к решению задач на насыщенные пары.

Приемы продуктивной деятельности играют большую роль в преодолении учащимися наиболее трудных переходов при объяснении явлений природы: а) «от фактов – к модели», и б) «от модели – к следствиям» [1].

Важными с точки зрения эффективности естественнонаучного и технического творчества являются следующие приемы продуктивной деятельности.

• Видение новых проблем в привычных ситуациях;

• Перенос знаний (аналогия, моделирование);

• Трансформация умений (комбинирование и преобразование известных субъекту способов действий в соответствии с условием задачи, конструирование);

• Структуирование (разложение объекта исследования во времени, в пространстве на составляющие компоненты);

• Учет альтернатив (анализ и диалектический синтез противоположностей, разнообразные интерпретации сложных физических объектив и процессов, видение нескольких альтернативных, иногда взаимоисключающих решений проблемы);

• Видение нетрадиционных функций объекта;

• Выдвижение субъективно новых идей (оригинальных способов решения задач, вариантов постановки эксперимента, конструкции приборов);

• Фантазирование (применение физических знаний при изучении и объяснении явлений с неожиданных, порою фантастических точек зрения).

Цель разработки: показать возможность применять прием продуктивной деятельности видения нетрадиционных функций объектов при решении задач на использование свойств насыщенного пара.

Актуальность приема в том, что он позволяет использовать нетрадиционные (отличные от знакомых свойств ненасыщенных паров и идеального газа) свойства насыщенных паров в решении непопулярных и трудных для многих учащихся задач различного типа по теме «Насыщенные пары». Знание основ позволяет экономить время решения и использовать алгоритмы, что для многих учащихся значительно облегчает процесс решения задач.

2

Прием видения нетрадиционных функций объекта можно использовать для решения расчетных, качественных и комбинированных на влажность и насыщенный пар.

Основа приема – умение сравнивать свойства ненасыщенного пара (идеального газа) и насыщенного, использование основ в решении задач.

Видение нетрадиционных свойств и функций насыщенного пара позволяет успешно решать задачи достаточно сложные, по мнению многих обучающихся. Для использования данного приема продуктивной деятельности необходимо четко определить основные нетрадиционные свойства и функции насыщенного пара.

Рассмотрим процесс образования насыщенного пара: в сосуд наливаем жидкость и закрываем его. Жидкость в сосуде начинает испаряться и плотность пара над жидкостью в сосуде увеличивается. В результате теплового движения часть молекул возвращается в жидкость. Чем больше водяных паров в сосуде, тем больше число молекул пара возвращается в жидкость [4]. Через некоторое время в сосуде устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и паром: число молекул, покинувших жидкость за какой-то отрезок времени, становится равным числу молекул, возвращающихся в жидкость за такой же отрезок времени.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Давление насыщенного пара это давление пара, при котором  жидкость  находится в равновесии  со своим паром:

р = nkT,

где
n - концентрация молекул пара;
k - постоянная Больцмана;
Т – температура.
Свойства насыщенного пара:
1. Давление и концентрация молекул (плотность)  насыщенного пара  при постоянной температуре не зависят от  занимаемого паром объема.
2. Давление насыщенного пара зависит только от его температуры.
3. Давление насыщенного пара  растет как вследствие  повышения температуры жидкости, так и вследствие увеличения  концентрации молекул пара.

4. Давление насыщенных паров различных жидкостей разное при одинаковой температуре.

5. Давление насыщенного пара с увеличением температуры возрастает быстрее, чем это происходит у ненасыщенного пара.

6. Температура и давление ненасыщенного пара связаны линейной зависимостью.

7. У насыщенного пара температура равна температуре жидкости. Чем выше температура насыщенного пара, тем выше его давление и плотность, ниже плотность жидкости. При достижении критической для вещества температуры плотность жидкости и пара одинаковая. Если температура пара выше критической для вещества температуры, физические различия между жидкостью и насыщенным паром стираются [5].

8. При кипении, когда давление насыщенного больше или равно давлению газа в пузырьках, жидкость испаряется внутрь пузырьков, и они расширяются и поднимаются на поверхность.

9. Жидкости кипят при разных температурах. При условиях вода закипает при температуре 100⁰С. Давление насыщенного пара при 100⁰С равно ~ 10⁵ Па.

10.Отношение парциального давления паров воды к давлению насыщенного определяется по формуле:

φ = р/р_о * 100%.

11.При понижении температуры воздуха концентрация водяных паров в нем повышается, т.е. они становятся более насыщенными. Эта температура называется точной росы.

Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного пара при данной температуре. Давление ненасыщенного пара зависит от его объема: при уменьшении объема давление увеличивается, а при увеличении объема – уменьшается.

3

Из всех свойств насыщенных и ненасыщенных паров мною были выбраны шесть основных, которые наиболее часто встречаются при решении задач старшеклассниками. Была составлена сравнительно-обобщающая таблица, которую мы будем использовать при решении ряда задач на теме «Насыщенный пар. Влажность». В каждой из них использовались одно или несколько свойств.

Сравнительно-обобщающая таблица свойств насыщенного и ненасыщенного паров:

Относительная влажность

φ = р/р_о * 100%

Давление ненасыщенного пара - числитель

Давление насыщенного пара - знаменатель

6

Особые свойства

Применимы газовые законы термодинамики, если к пару (газу) применима модель идеального газа

При 100⁰С давление равно ~ 10⁵ Па.

Задача №1 [2]

В сосуде, объем которого можно изменять при помощи поршня, находится воздух с относительной влажностью 40%. Во сколько раз при неизменной температуре необходимо уменьшить объем сосуда, чтобы водяной пар стал насыщенным?

Решение. Водяной пар станет насыщенным, если относительная его влажность будет 100%. Следовательно, объем нужно уменьшить в 2,5 раза (Использовались свойства 3, 5).

Задача №2 [3]

В сосуде под поршнем находятся только пары аммиака. Поршень медленно и равномерно опускают, уменьшая объем сосуда. Температура в сосуде поддерживается постоянной. На рисунке показан график изменения со временем t концентрации n молекул паров аммиака внутри сосуда. Какие утверждения можно считать правильными?

Из приведенного ниже списка выберите два правильных утверждения и укажите их номера.

1. На участке 1 плотность паров уменьшалась.

2. На участке 2 давление паров аммиака увеличивалось.

3. На участке 1 пар аммиака ненасыщенный, а на участке 2 насыщенный.

4. На участке 1 давление паров аммиака увеличивалось.

5. На участке 2 плотность паров аммиака уменьшалась.

4
Решение. На участке 1 виден линейный рост концентрации паров при постоянной температуре. Давление на участке 1 возрастает согласно р = nkT. Поэтому – это ненасыщенный пар.

На участке 2 концентрация и давление при неизменной температуре не изменяются. Появляется жидкий аммиак. Устанавливается термодинамическое равновесие между жидкостью и паром. Участок 2 соответствует насыщенному пару.

Ответ: 3-4 (Использовались свойства 1, 2, 3, 4).

Задача №3 [6]

Парциальное давление водяных паров, содержащихся в воздухе при температуре 100⁰С, равно 70 кПа. Определите относительную влажность воздуха.

Решение. Относительная влажность воздуха определяется формулой φ = р/р_о * 100%, где р – парциальное давление паров, р₀ – давление насыщенного пара.

Так как при 100⁰С происходит кипение воды, а значит, давление ее насыщенных паров равно атмосферному давлению (при нормальных условиях это значение 10⁵ Па). Подставляем это значение и находим относительную влажность воздуха:

φ = 70/100 * 100% = 70%.

Ответ: φ=70% (Использовалось свойство 5, 6)

Задача №4

В сосуде с подвижным поршнем находятся вода и ее насыщенный пар. Объем пара уменьшили в 3 раза при постоянной температуре. Число молекул пара при этом

1. не изменилось

2. увеличилось в 3 раза

3. уменьшилось в 9 раз

4. уменьшилось в 3 раза

Решение. Пар и жидкость находятся в равновесии, поэтому в сосуде насыщенный пар. Температура не меняется, значит, концентрация молекул пара постоянна, число и масса молекул пропорциональны объему. При уменьшении объема в 3 раза, число молекул также уменьшится в 3 раза.

Ответ: 4 (использовались 3, 4 свойства)

Задача №5

В цилиндре под поршнем находятся жидкость и ее насыщенный пар. Как

будут изменяться давление пара, его масса и концентрация молекул пара при медленном перемещении поршня вниз, если температура остается неизменной?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. увеличится

2. уменьшится

3. не изменится.

Запишите в таблицу цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Используется свойства 3, 4.

Задача №6

В сосуде под поршнем находится водяной пар при температуре 100⁰С и такое же по массе количество воды. Во сколько раз уменьшится давление пара в сосуде при увеличении объема сосуда в 4 раза? Температура остается неизменной.

1. в 8 раз

2. в 2 раза

3. в 3 раза

4. в 4 раза

5

Решение: Так как пар и жидкость в закрытом сосуде находятся в равновесии, то пар

- насыщенный. При увеличении объема вода будет испаряться, и первое время пар будет оставаться насыщенным. Вся вода испарится, и пар будет насыщенным до увеличения объема в 2 раза (так как масса жидкости первоначально равна массе пара). При этом давление не изменится.

При дальнейшем увеличении объема пар перестанет быть насыщенным, процесс будет изотермическим. Поэтому увеличение объема еще в 2 раза приведет к двукратному уменьшению давления.

Ответ: при увеличении объема в 4 раза давление уменьшится в 2 раза (используются 3, 6 свойства)

Задача №7

В цилиндре под поршнем при комнатной температуре долгое время находится только вода и ее пар. Масса жидкости в 2 раза больше массы пара. Первоначальное состояние системы показано точкой на pV-диаграмме. Медленно перемещая поршень, объем V под поршнем изотермически увеличивается от V₀ до 6V₀. Постройте график зависимости давления p в цилиндре от V₀ до 6V₀. Укажите, какими закономерностями вы при этом воспользовались.

Решение: Так как пар и жидкость в закрытом сосуде находятся в равновесии, то пар

- насыщенный. При увеличении объема вода будет испаряться, и первое время пар будет оставаться насыщенным. Вся вода испарится, и пар будет насыщенным до увеличения объема в 3 раза (так как масса жидкости первоначально в 2 раза больше массы пара). При этом давление не изменится.

При дальнейшем увеличении объема пар перестанет быть насыщенным, процесс будет изотермическим. Поэтому увеличение объема еще в 2 раза приведет к двукратному уменьшению объема.

Ответ: при увеличении объема в 6 раз давление уменьшится в 2 раза (используются 3, 6 свойства)

Задача №8

Широкую стеклянную трубку длиной около полуметра, запаянную с одного конца, целиком заполняют водой и устанавливают вертикально открытым концом вниз, погрузив низ трубки на несколько сантиметров в тазик с водой. При комнатной температуре трубка остается целиком заполненной водой. Воду в тазике медленно нагревают. Где установится уровень воды в трубке, когда вода в тазике начнет закипать? Ответ поясните, используя физические закономерности.

Решение: При комнатной температуре вода занимает весь объем трубки и не выливается из нее, потому что давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре очень мало и над водой возникает «торричеллиева пустота», заполненная насыщенным водяным паром, только если высота столба будет примерно 10 метров.

6

С ростом температуры воды давление ее насыщенного пара растет, пока при температуре кипения не сравняется с внешним атмосферным давлением. Когда температура приблизится к температуре кипения, над водой появится область, заполненная насыщенным водяным паром. При дальнейшем повышении температуры, уровень воды в трубке будет понижаться. При температуре кипения достигается равенство давления насыщенного водяного пара в трубке и атмосферного давления, поэтому уровень воды в трубке и в тазике будет одинаков.

Используется 1, 6 свойства.

Задача №9

В закрытом сосуде вместимостью 1 л при температуре 100⁰С находятся в равновесии пары воды и капля воды. Определить массу паров воды в сосуде.

Решение: Так как жидкость и пар находятся в равновесии, в сосуде находится насыщенный пар. При температуре 100⁰С давление насыщенного пара равно нормальному атмосферному давлению. Воспользуемся формулой р = nkT, от которой перейдем к уравнению Менделеева-Клапейрона:

Ответ: m~0,6 г, использовались 3, 4, 6.

Видение нетрадиционных свойств и функций насыщенного пара позволяет успешно решать задачи достаточно сложные, по мнению многих обучающихся. Для использования данного приема продуктивной деятельности необходимо четко определить основные нетрадиционные свойства и функции насыщенного пара.

Четко сформулированные свойства различия ненасыщенного пара (идеального газа) и насыщенного позволяют учащимся использовать имеющие знания при решении задач на насыщенный пар. Но вначале, опираясь на воображение учащихся, используя всю наглядность, построить модель насыщенного пара, рассмотреть изменение его параметров при определенных условиях, обнаружить возможность перехода из насыщенного пара в ненасыщенный и наоборот. Расчет влажности воздуха, который тесно связан с насыщенным паром, имеет большое практическое значение. Поэтому, умение решать задачи на насыщенный пар – это не только подготовка к ЕГЭ, но и формирование необходимых практических навыков социальной адаптации.

Источники информации:

1. Самойлов Е. А. Приемы продуктивной деятельности в познании природы. Самара: СИПКРО, 2002

2. Демидова М.Ю., Грибов В.А., Гиголо А.И. Физика: типовые экзаменационные варианты: Е31 30 вариантов. М: Издательство «Национальное образование», 2020

3. Демидова М. Ю., Грибов Е. В., Гиголо А.И. ЕГЭ 2020. Физика. 14 вариантов. Типовые варианты экзаменационных заданий. М: Издательство «Экзамен», 2020

4. https://infourok.ru/lekciya-isparenie-i-kondensaciya-nasischenniy-par-i-ego-svoystva-vlazhnost-vozduha-3226101.html

5. https://blog.tutoronline.ru/nasyshhennyj-i-nenasyshhennyj-par-prostoe-objasnenie-s-primerami

6. Решение задач с кратким ответом для подготовки к ЕГЭ по физике. Краснодар: «Издательский Дом – Юг», 2014

Краткое описание документа:

Прием продуктивной деятельности позволяет использовать нетрадиционные (отличные от знакомых свойств ненасыщенных паров и идеального газа) свойства насыщенных паров в решении непопулярных и трудных для многих учащихся задач различного типа по теме «Насыщенные пары». Знание основ позволяет экономить время решения и использовать алгоритмы, что для многих учащихся значительно облегчает процесс решения задач. Видение нетрадиционных функций объекта можно использовать для решения расчетных, качественных и комбинированных задач на влажность и насыщенный пар. Основа приема – умение сравнивать свойства ненасыщенного пара (идеального газа) и насыщенного, использование основ в решении задач. Для использования данного приема продуктивной деятельности необходимо четко определить основные нетрадиционные свойства и функции насыщенного пара.