Педагогические науки. Проблемы подготовки специалистов

Мымрина Н.В.Магистрант Искалиева А.У, к.ф-м.н. Кузьмичева А.Е,

 

 

Западно – Казахстанский государственный университет им. М. Утемисова, Казахстан

Понятие температуры в процессе обучения и контроля

 

Физика, как наука и как предмет изучения, опирается на основные понятия. В процессе обучения физике понятие температуры как физической величины является  одним из наиболее сложных. В тоже время это понятие используется не только во многих разделах физики (молекулярная физика, термодинамика, электричество и магнетизм, ядерная физика, физика элементарных частиц и др.), в космологии, но и в различных сферах деятельности человека. Оно развивается от простейших понятий «тепло», «холодно» до сложного понимания – в современной физике. Поэтому при подготовке специалистов, в том числе учителей физики, должно быть обращено внимание на широту и глубину этого понятия, его непрерывное развитие в соответствии с развитием физики как науки.

         Температура – это физическая величина, то есть понятие, имеющее количественную характеристику. Понимание содержания терминов «температура» и единицы ее измерения «градус» в физике восходит к  истории возникновения этих терминов в медицине. В термодинамике понятие температуры связано с состоянием равновесия, а процесс измерения температуры термометром, является следствием свойства транзитивности температуры.

         Температура, как физическая величина, отражает состояние макросистемы. Для ее измерения нельзя ввести эталоны подобные эталонам массы, длины, времени. Измеряют температуру по какому – либо параметру состояния системы. Первые термометры основаны на изменении давления и объема физической системы (термометрического тела).

         При текущем контроле  в форме коллоквиума обсуждаются вопросы:

ü     Возникновение понятий «температура» и «градус»;

ü     Зависимость характеристик системы от температуры;

ü     Термометрическое тело (вещество);

ü     Термометрическая величина;

ü     Температурная шкала;

ü     Первые термометры (Галилея и др.).

С точки зрения молекулярно – кинетической теории параметры состояния системы определяются движением и взаимодействием молекул. В результате возникло понятие температуры как характеристики средней скорости движения молекул, и последующее уточнение – характеристика средней кинетической энергии поступательного движения молекул. На обсуждение и контроль выносятся такие вопросы:

ü     Скорость молекул макросистемы, как случайная величина;

ü     Температура и средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул;

ü     Кельвин и Джоуль, как единицы измерения температуры.

Дальнейшее развитие понятия температуры связано с особенностями закона распределения энергии как случайной величины. Отсюда температура  - характеристика распределения частиц по энергетическим состояниям: чем выше вероятность заполнения состояний с более высокой энергией, тем выше температура.

На значимость температуры в природе и технике можно обратить, внимание, выделив в отдельный вопрос «особые» температуры. Их условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся «особые» температуры связанные с физическими процессами.

ü     Температура плавления (кристаллизации);

ü     Температура парообразования (конденсации);

ü     Точка росы;

ü     Температура инверсии в процессе расширения реального газа в область с пониженным давлением;

ü     Критическая температура, которая определяет возможность сжижения газа в процессе сжатия;

ü     Критическая температура перехода жидкости в сверхтекучее состояние.

В квантовой статистике к таким температурам относится:

ü     Температура конденсации бозе – газа.

Эти вопросы рассматриваются в курсе молекулярной физики и термодинамики. 

В курсе электричества и магнетизма вводится понятие:

ü     Температура Кюри сегнетоэлектриков и ферромагнетиков.

         Анализируя эти понятия, следует обратить внимание на то, как свойства тел зависят от температуры, рассмотреть роль соотношения между кинетической энергией молекул, определяющей температуру, и потенциальной энергией взаимодействия, зависящей от расстояния между частицами. Указанные температуры имеют определенные значения для каждой системы. При переходе через эту границу свойства систем резко изменяются  (скачком).

         Ко второй группе температур относятся характеристические температуры  типа:

ü     Характеристическая температура в квантовой теории теплоемкости;

ü     Температура вырождения идеальных газов в квантовой статистике.

Эти температуры не определяют резкого скачка в поведении систем. Их используют в виде: если , то ……; если  , то …..

Такая особенность является результатом того, что волновыми свойствами обладают, все частицы. Проявление этих свойств зависит от условий, в конечном счете, от соотношения между кинетической и потенциальной энергиями частиц.

         В обыденной жизни, в процессе обучения в СОШ, мы пользуемся термометрами, в которых термометрическое тело – жидкость или газ, а термометрическая величина объем и давление. Но в науке и производстве используются и другие способы измерения температуры. При этом используются специфические названия температуры. Некоторые примеры:

ü     Температура – характеристика равновесной системы. Такая система

подчиняется распределению частиц по скоростям и энергиям (распределение Максвелла). Это дает способ определения температуры по особенностям распределения частиц по скоростям и энергиям. Определенная таким методом температура называется кинетической.

ü     В системе из разного вида частиц, равновесие вначале устанавливается

в подсистемах частиц каждого вида. Например, в плазме различают ионную и электронную температуру. В плазме солнечного ветра – электронная и протонная температура.

ü     Газ можно ионизировать различными способами. Один из способов

ударная ионизация при столкновении частиц. При высокой энергии частицы могут при столкновении выбивать друг у друга электроны. В газе всегда есть некоторое количество высокоэнергичных частиц. С повышением температуры количество таких частиц возрастает. При некоторой температуре ионизация газа становится заметной, такая температура называется ионизационной. Она определяется формулой Саха.

ü     Специальные методы разработаны для измерения высоких температур,

в том числе удаленных объектов, например, звезд. Температура таких объектов измеряется по их излучению. Законы, используемые для определения температур, установлены для абсолютно черного тела.  Излучающие объекты не являются абсолютно черными телами. Поэтому температуры, измеренные разными методами, оказываются различными. Температура, измеренная по интегральному закону Стефана – Больцмана, называется эффективной (радиационной).

ü     Температура абсолютно черного тела, у которого относительное

распределение энергии в некотором участке спектра такое же, как и у данного тела, называется цветовой температурой. Цветовой называют также температуру, определенную по закону смещения Вина.

ü     Температура такого абсолютно черного тела, каждая единица

поверхности, которой в некоторой длине волны излучает такой же поток энергии, как и данное тело, называют яркостной. Она определяется формулой Планка.

При измерении температуры пользуются различными шкалами. Одна из них абсолютная термодинамическая шкала. В этой шкале минимальная температура системы соответствует значению 0К – абсолютный нуль. В обычных системах не возможно состояние с температурами . То есть, невозможны состояния с отрицательными абсолютными температурами. Однако в «необычных» системах, возможно, такое распределение частиц по энергетическим состояниям, которое соответствует отрицательным абсолютным температурам. Формирование представлений о таких системах и значимости отрицательных температур достаточно сложно для обучаемых. Оно начинается при изучении молекулярной физики на 1 курсе и завершается в статистической физике на 4 курсе.

         Опыт работы со студентами и учащимися показывает, насколько важно для глубокого понимания физических процессов, явлений понимание особенностей смысла температуры в различных макросистемах. Поэтому, при кредитной системе обучения в содержании СРСП, СРС нами разрабатывается определенная система контроля поэтапного формирования понятия температуры и ее роли в характере протекания процессов. Кроме, текущего, устного и тестового контроля разрабатывается контроль методом тематических конференций на всех курсах обучения. На первом курсе при изучении молекулярной физики и термодинамики проводится тематическая конференция на тему «Температура, как свойство материи». В программу этой конференции включаются вопросы: формирование, развитие понятия температуры в физике, понятие высоких и низких температур, связь температуры, энтропии и беспорядка.

На втором и третьем курсах при изучении электричества и магнетизма, оптики и астрономии в содержание тематических конференций входит актуализация вопросов предыдущих курсов. Дополнительно при изучении электричества и магнетизма ставятся вопросы:

ü     Влияние температуры на поляризацию диэлектриков;

ü     Влияние температуры на намагничивание магнетиков;

ü     Температура Кюри;

ü     Влияние температуры на сопротивление проводников и полупроводников, сверхпроводимость;

ü     Тепловые эффекты электричества;

ü     Низкие и высокие температуры в природе;

ü     Методы измерения температуры звезд и других небесных объектов;

ü     Роль температуры в физических процессах космоса.

На четвертом курсе при изучении статистической физики и основ физической кинетики:

ü     Температура, как модуль канонического распределения Гиббса;

ü     Характеристическая температура в теории теплоемкости;

ü     Температура вырождения в квантовой статистике;

ü     Приближение к абсолютному нулю;

ü     Приближение к бесконечно высоким температурам;

ü     Отрицательная температура.

         В элективных курсах «Физическая картина мира» и «Астрофизика»

ü     Температура на различных этапах развития Вселенной;

ü     Планковская температура.

Анализ роли температуры во многих физических процессах, проблемы ее измерения показывает необходимость и целесообразность разработки методических рекомендаций по изучению и использованию понятия температуры в различных разделах физики и включения этого вопроса как отдельного в программу государственного экзамена.

 

 

 

Литература:

1.     П.И. Бакулин, Э.В.Кононович, В.И. Мороз «Курс общей астрономии», Издательство «Наука», М., 1983г.

2.     М. Земанский «Температуры очень низкие  очень высокие», Издательство «Мир», М., 1968г.

3.     «Физический энциклопедический словарь», Издательство «Современная энциклопедия», М., 1982г.