Класс: 10

Тип урока: урок изучения нового материала

Тема: Необратимость процессов природы. Второй закон термодинамики.

Метатема: «…И случай, бог-изобретатель».

Цель темы: изучить физическую суть необратимости.

Метацель: формирование у учащихся целостной картины явления необратимости.

Основные понятия: обратимые и необратимые процессы, замкнутая и незамкнутая системы.

Метапонятия: вероятность, необходимость и случайность, хаос и порядок.

Метапредметные действия: работа с информацией, в том числе средствами ИКТ, обобщение, использование моделей, оценка того, что усвоено и что предстоит усвоить, контроль, коммуникация при взаимодействии, использование речевых средств.

 

Планируемые результаты

Предметные умения:

1. Сформировать представления об обратимых и необратимых процессах.
2. Изучить физическую суть необратимости.
3. Установить диалектическую связь между случайностью и необходимостью, хаосом и порядком.

 

Личностные:

1. Формирование интеллектуальных способностей учащихся.
2. Формирование отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры.
3. Формирование представлений о существовании закономерных связей между явлениями природы, о познаваемости законов природы и объективности научного знания.

 

 

Метапредметные:

1. Коммуникативные: приобретение опыта работы в группе, способность ясно и точно излагать свои мысли, логически обосновывать свою точку зрения, принимать и анализировать мнения собеседника.
2. Познавательные: выработка навыков воспринимать, перерабатывать информацию в соответствии с поставленными задачами.
3. Регулятивные: овладение навыками самостоятельной организации учебной деятельности.

Организация пространства

Межпредметные связи: литература, обществознание, химия, биология.

Формы работы: фронтальная, групповая, индивидуальная.

Ресурсы: опорные конспекты, инструкционные карты, оборудование для проведения экспериментов в группах, презентация, интерактивные модели по физике из «Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов» и «Открытой физики», ноутбуки, экран, проектор, учебник Физика 10.

 

Сценарий урока

(Слайд 1)

…О, сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух!

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений – парадоксов друг!...

 

- А кто процитирует следующую строку этого произведения?

(…И случай, бог-изобретатель…)

 

- Какой великий смысл сокрыт в этой пушкинской строке мы узнаем на уроке «Необратимость процессов природы» (Слайд 2). Вам выданы опорные конспекты по данной теме, но в них есть пробелы. Постарайтесь, пожалуйста, по ходу урока их самостоятельно заполнить.

-Поработаем в группах. Выполните, пожалуйста, задания, предложенные вам на карточках, и назначьте менеджеров групп, которые представят всему классу результаты вашей работы. В вашем распоряжении 3 минуты, время пошло!

- Заслушаем отчёты групп:

Отчёт группы, выполнявшей задание «Маятники» (Слайд 3).

Отчёт группы, выполнявшей задание «Диффузия» Слайд 4).

Отчёт группы, выполнявшей задание «Диффузия газов» (Слайд 4).

Отчёт группы, выполнявшей задание «Тепловое равновесие» (Слайд 5).

Отчёт группы, выполнявшей задание «Сахар и какао» (Слайд 6).

 

-Сделаем первые важные выводы из ваших опытов: маятник, колеблющийся без трения (в вакууме), периодически возвращается в первоначальное состояние сам, без воздействий извне. Такие процессы, в которых тело можно вернуть в первоначальное состояние без изменений в окружающей среде, называются обратимыми.

-Смешанные в процессе диффузии вещества или перемешанные нами сахар и какао, самопроизвольно в первоначальное состояние не возвращаются. Тепло, переданное от горячего тела к холодному, самопроизвольно обратно не возвращается. Эти вещества и тела можно вернуть в первоначальное состояние, но для этого придётся вмешаться извне, и в окружающей среде произойдут и останутся какие-то изменения.

Процессы, в которых при возвращении тела в первоначальное состояние в окружающей среде остаются изменения, называются необратимыми.

Возникает проблема: почему реальные процессы, связанные с огромным числом частиц, необратимы?

Познакомимся с ещё одним опытом: мысленный эксперимент австрийского физика Людовига Больцмана (Слайд 7). Он рассмотрел все возможные распределения восьми частиц по двум половинкам коробки с полупроницаемой перегородкой (далее по слайду).

-Какое распределение наиболее вероятно? (Последнее).

-Почему? (Потому что реализуется самым большим числом способов).

Больцман приходит к выводу: замкнутая система самопроизвольно переходит из упорядоченного неоднородного состояния в беспорядочное однородное (т.к. этот переход наиболее вероятен). Обратный переход не происходит, т.к. вероятность его ничтожно мала. Этот вывод Больцмана и составляет суть второго закона термодинамики. Этот закон имеет ещё несколько формулировок, по смыслу равнозначных данной. Послушайте.

Невозможна самопроизвольная передача тепла от холодного тела к горячему (Клаузиус)

Невозможно построить тепловую машину, которая превращала бы теплоту в работу только за счёт охлаждения одного тела без изменений в окружающих телах (т.е. невозможен вечный двигатель второго рода)

Теперь вы можете объяснить результаты ваших опытов.

-Почему диффузия идёт в одном направлении? (Потому что равномерное распределение частиц по всему объёму наиболее вероятно).

- Почему тепло переходит от горячего тела к холодному, а не наоборот? (Потому что однородное состояние системы с одинаковой температурой во всех её точках наиболее вероятно).

-Эту закономерность можно подтвердить и многочисленными примерами из жизни: ученики на уроке и на перемене (в каких состояниях находятся и почему?). Порядок и беспорядок в комнате (какое состояние наиболее вероятно и почему?).

А теперь представьте себе, что второй закон термодинамики перестал действовать. Исчезло бы трение, сопротивление металлов и т.д. Дорисуйте эту фантастическую картину (учащиеся создают коллективно описание невероятного мира). Вывод: теперь вы понимаете значение второго закона термодинамики в окружающем мире.

-Обратите внимание на то, что эта закономерность выполняется только в замкнутых системах. А что значит – система замкнутая? (изолированная от окружающей среды).

-Подумайте и скажите: справедлива ли данная закономерность для такой системы как живой организм, например, человек? Ведь в нашем теле из хаоса частиц переваренной пищи выстраиваются высокоупорядоченные структуры органических веществ!

Нет. А почему? (Потому что человек – незамкнутая система. Он постоянно сообщается с окружающей средой). Если в замкнутых системах процессы идут в направлении от порядка к хаосу, то в открытых неравновесных системах могут идти в обратном направлении

В незамкнутой системе: хаос самопроизвольно переходит в порядок. Этот переход называется процессом самоорганизации материи.

-Человек давно понял: вначале был хаос. Но постепенно из него образовались упорядоченные структуры, живые организмы и, наконец, он сам. Религия утверждает, что решающую роль в этом сыграл бог. Современная наука отводит эту роль его величеству случаю. Вот он, случай бог-изобретатель! Процесс возникновения порядка из хаоса есть результат самоорганизации материи на основе случайного поиска. Например:

• Что такое облака? (Слайд 8). Облака – это хаос частиц воды. Но в результате их случайных столкновений образуются упорядоченные структуры – симметричные и всегда шестиконечные снежинки.
• (Слайд 9). Случайны столкновения хаотично движущихся частиц реагентов химической реакции. Но результат реакции всегда закономерен: образуются упорядоченные молекулярные структуры нового вещества.
• Случайные мутации в живых организмах вызывают процесс отбора, лежащего в основе эволюции живой природы. (Слайд 10). Некоторые цветки орхидей похожи по окраске и форме на самок шмелей. Шмели их охотно опыляют. Предположим, что произошла мутация, изменившая форму или окраску цветка. Такой цветок останется неопылённым. Отбор забраковал мутацию. Но появилась самоопыляемая орхидея, и её цветы приобрели за счёт случайных мутаций самую разнообразную форму им окраску.

И т.д., и т.д.

Из случайности рождается необходимость, из хаоса возникает порядок.

 

- Проверьте, все ли пробелы в опорных конспектах ликвидированы? Отлично! А сейчас по опорному конспекту расскажите самое главное из того, что вы узнали сегодня на уроке (учащиеся по частям расшифровывают опору)

- В конце опорного конспекта есть приглашение к размышлению: подумайте, какое отношение к теме сегодняшнего урока имеют понятия

• Синергетика
• Метод Монте-Карло
• Идея «тепловой смерти».

Это домашнее задание, о выполнении которого вы расскажете на следующем уроке и §87

И нам остаётся только предсказать, что произойдёт в следующие мгновения? (Прозвенит

звонок, и мы самопроизвольно перейдём из упорядоченного состояния в беспорядочное, однородное). Слайд 11

 

Используемая литература:

• Современная физика в средней школе: библиотека учителя физики/Л.В. Тарасов. – М.: Просвещение, 1990.
• Физика. 10 класс: учебн. для общеобразоват. органзаций: базовый и углублённый уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н. Сотский: под. ред. Н.А. Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2020.

 

Приложения: