Содержание
Введение
Глава 1. Аспекты создания анимационных программ по физике
1.1Обучающие программы
1.2Классическая теория теплоемкости твердых тел (кристаллов)
1.3Тепловые свойства твердых тел
Вывод
Глава 2. Реализация анимационной обучающей программы для определения удельной теплоемкости твердых тел (проверка выполнимости закона Дюлонга и Пти)
2.1Алгоритм программы
2.2Блок – схема
2.3Листинг программы
2.4Результаты работы программы
Заключение
Литература
Введение
В настоящее время информационные технологии проникают во все новые сферы жизнедеятельности человека. Особенно бурное развития информационные технологии получают в сфере образования. Применение компьютерной техники в образовательной процессе дает неоспоримое преимущество позволяя получить всесторонние знания по данному предмету.
Последние достижения в вычислительной технике и программном обеспечении позволяют перевести физические опыты из практической (материальной) сферы в виртуальную, реализованную на компьютере. Сейчас уже известны программы, моделирующие различные физические процессы и явление которые моделируются с помощью математических и физических моделей.
На основании этого вычислительна техника становится незаменимым инструментом в образовательном процессе позволяя создавать компьютерные модели приборов и физических явлений, проводить различные опыты, а также получать результаты опытов.
Дополнительный преимуществом таких программ является применение анимации, что делает весь эксперимент наглядным и позволяет совмещать в одном интерфейсе графическую, текстовую и звуковую информацию, тем самым позволяя рассмотреть явление в различных ракурсах.
Также значительным преимуществом является, то что реальные физические эксперименты требуют дорогостоящего оборудование и материалов, а иногда они не безопасны для здоровья. При использовании же обучающих анимационных программ эти недостатки устраняются.
На основании этого вытекает востребованность программ подобного класса, а из востребованности вытекает актуальность задачи.
Глава 1. Аспекты создания анимационных программа по физике
1.1 Обучающие программы
Общие требования к созданию анимационно–обучающей программе.
Основной показатель высокого качества обучающей программы - эффективность обучения. Богатейшие демонстрационные возможности и высокая степень интерактивности системы само по себе не могут служить основанием для того, чтобы считать обучающую программу полезной. Эффективность программы целиком и полностью определяется тем, насколько она обеспечивает предусмотренные цели обучения, как ближайшие, так и отдаленные. При решении любого вопроса, начиная с использования графики и кончая индивидуализацией обучения, во главу угла должны быть поставлены учебные цели. Богатейшие возможности компьютера должны быть проанализированы с точки зрения психологии и дидактики и использованы тогда, когда это необходимо с педагогической точки зрения. Не следует гнаться за внешним эффектом, обучающая система должна быть не эффектной, а эффективной.
Вопрос о том, насколько эффективна обучающая программа, может быть решен только после ее апробации. Тем не менее можно наметить ряд психолога - педагогических требований, которым должна удовлетворять обучающая программа.
Обучающая система должна:
Позволять строить содержание учебной деятельности с учетом основных принципов педагогической психологии и дидактики;
Допускать реализацию любого способа управления учебной деятельностью, выбор которого обусловлен, с одной стороны, теоретическими воззрениями разработчиков обучающей программы, а с другой — целями обучения;
Стимулировать все виды познавательной активности учащихся, включая, естественно и продуктивную, которые необходимы для достижения основных учебных целей – как ближайших, так и отдаленных;
Учитывать в содержании учебного материала и ученых задач уже приобретенные знания, умения и навыки учащихся;
Стимулировать высокую мотивацию учащихся к учению, причем оно не должно идти за счет интереса к самому компьютеру. Необходимо обеспечить учебные мотивы, интересы учащихся к познанию;
Обеспечивать диалог как внешний, так и внутренний, причем диалог должен выполнять следующие функции:
· активизировать познавательную деятельность учащихся путем включения их в процесс рассуждения;
· моделировать совместную (субъект субъектную) деятельность;
· способствовать пониманию текста;
· содержание учебного предмета и трудность учебных задач должны соответствовать возрастным возможностям и строиться с учетом индивидуальных особенностей учащихся;
· обратная связь должна быть педагогически оправданной.
1.2 Классическая теория теплоемкости твердых тел (кристаллов)
Простейшей моделью кристалла является правильно построенная кристаллическая решетка, в узлах которой помещаются атомы, принимаемые за материальные точки. Атомы совершают тепловые колебания около положений равновесия. Если колебания малы, то они будут гармоническими. Энергия каждого – атома слагается из кинетической и потенциальной. На каждую степень свободы приходится в среднем кинетическая энергия 1/2kT. Как было показано в параграфе 63, при гармонических колебаниях на одну степень свободы приходится в среднем такая же потенциальная энергия, т. е. 1/2kT. Таким образом, среднее значение полной энергии, приходящейся на одну колебательную степень свободы, равно
εкол = εкин + εпот = kT. (1.1)
Теперь легко рассчитать теплоемкость кристаллической решетки. Для простоты будем считать, что все атомы одинаковы. Каждый атом обладает тремя колебательными степенями свободы, а потому на него приходится средняя энергия 3kT. Умножив эту величину на число Авогадро N, найдем внутреннюю энергию грамм – атома твердого тела U = N * 3kT = 3kT. Теплоемкость одного грамм – атома называется атомной теплоемкостью. Для нее получаем
Cν = dU/dt = 3R ≈ 24.9 Дж / (К * моль) ≈ 6 кал/(К * моль). (1.2)
Еще в 1819 г. Дюлонг (1785 - 1838) и Пти (1791 - 1820) установили эмпирическое правило, согласно которому произведение удельной теплоемкости химического элемента в твердом состоянии на его атомный вес приблизительно одинаково для всех элементов и составляет около 6 кал/(град * моль). Мы видим, что правило Дюлонга и Пти находит простое объяснение в классической теории теплоемкостей. Вывод показывает, что в правиле Дюлонга и Пти речь идет об атомной теплоемкости при постоянном объеме. В табл. 1 приведены атомные теплоемкости некоторых элементов в твердом состоянии в температурном интервале от 15 до 100 0С.
Таблица 1.1.
| Элемент | CV, Кал / (К * моль) | Элемент | CV, Кал / (К * моль) |
| С B Al Ca Ag | 1,44 2,44 5,51 5,60 6,11 | Pt Au Pb U | 6,11 5,99 5,94 6,47 |
2. Пусть теперь твердое тело является химическим соединением, например, NaCl. Его кристаллическая решетка построена из атомов различных типов. Молекулярной или молярной теплоемкостью называется теплоемкость одного моля химического соединения; она равна произведению удельной теплоемкости на молекулярный вес. Очевидно, молекулярный вес химического соединения равен сумме атомных весов всех атомов, из которых состоит молекула этого соединения. Для применимости теоремы о равномерном распределении энергии по степеням свободы не имеет значения, одинаковы или различны атомы. Каждый атом обладает тремя колебательными степенями свободы, и на него в среднем приходится энергия 3kT. Если в молекуле n атомов, то на молекулу придется в среднем энергия 3nkT. Молекулярная теплоемкость будет 3nkN = 3nR, т. е. она равна атомной теплоемкости, умноженной на число атомов в молекуле. Иными словами, молекулярная теплоемкость твердого соединения равна сумме – атомных теплоемкостей элементов из которых оно состоит. Это правило было найдено эмпирически и называется законом Джоуля и Коппа. Джоуль высказал – его в 1844 г. Но только в 1864 г. закон был окончательно сформулирован Коппов и подтвержден громадным множеством фактов, полученных самим Коппом. Заметим, что закон Джоуля – Коппа в приведенной выше формулировке: «Молекулярная теплоемкость твердого соединения приблизительно равна сумме атомных теплоемкостей» – обладает большей общностью, чем правило Дюлонга и Пти. Правило Дюлонга и Пти может нарушаться, т. е. атомные теплоемкости химических элементов, входящих в соединение, могут отличаться друг от друга, но тем не менее закон Джоуля и Коппа может оставаться справедливым. Именно это и было установлено Коппом.
Недостаточность классической теории теплоемкостей.
Понятие о квантовой теории – (качественное рассмотрение).
1.Сравнение классической теории теплоемкости с опытом показывает, что она в основном правильно описывает определенный круг явлений. Однако многие явления она не объясняет. Ряд опытных фактов находится в резком противоречии с этой теорией.
Прежде всего, классическая теория не дает объяснения зависимости теплоемкости тел от температуры. В табл. 2 приведены для примера молярные теплоемкости газообразного водорода при различных температурах.
Таблица 2.2.
| т. К | CV, Кал / (К * моль) | т, к | CV, Кал / (К * моль) |
| 35 100 290 600 800 1000 | 2,98 3,10 4,90 5,08 5,22 5,36 | 1200 1600 1800 2000 2500 | 5,49 5,76 5,92 6,06 6,40 |
Можно было бы попытаться объяснить зависимость теплоемкости от температуры не гармоничностью колебательных степеней свободы при больших амплитудах колебаний. Например, в случае молекулы водорода взаимодействие атомов приводит к их колебаниям вдоль оси YY. Для не гармонических колебаний средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы, уже не равна соответствующей средней потенциальной энергии. Соотношение между ними зависит от амплитуды колебаний, т. е. в конце концов от температуры газа. При высоких температурах учет колебаний улучшает дело, поскольку теплоемкость, связанная с колебательной степенью свободы, меняется с изменением температуры. Однако эти соображения теряют силу при низких температурах, где расхождения классической теории с опытом проявляются особенно резко. При низких температурах, согласно представлениям классической теории, амплитуды колебаний малы, а потому сами колебания могут считаться гармоническими. В этом случае для теплоемкости CV по классической теории мы получили бы 7 кал / (К * моль) вместо экспериментального значения 3 кал / (К * моль). Опыт показывает, что ниже 100 К водород начинает вести себя как одноатомный газ. К этому следует добавить экспериментально установленный факт, что при приближении к абсолютному нулю теплоемкости CV и СP всех тел стремятся к нулю.