Fizyka 2

Temat: Przemiany energii.
Klasa: I Liceum profilowane.
Czas trwania: 3 godziny lekcyjne.
Cel ogólny:
Po lekcji uczeń powinien wiedzieć, na czym polegają przemiany energii.
Cele szczegółowe (po lekcji uczeń powinien):
wiedzieć, na czym polega proces przekształcania i przenoszenia energii oraz powinien
rozumieć różnice pomiędzy tymi dwoma procesami.
znać wady i zalety odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii.
umieć obliczyć koszt eksploatacji energii elektrycznej.
zaproponować metody niwelacji strat energii w mieszkaniach.
Metody:
Podająca – rozmowa dydaktyczna, burza mózgów, drzewko decyzyjne.
Formy organizacyjne:
praca z całym zespołem klasowym,
praca w grupach z komputerem,
Typ lekcji: Lekcja problemowa.
Środki dydaktyczne: podręcznik, komputer, program komputerowy Interactive Physicsc,
dwie kule bilardowe, kolorowe folie, rachunek za energię elektryczną, karty pracy.
Przebieg lekcji:
Powtórzenie wiadomości.
Wstęp.
Sformułowanie tematu lekcji.
Stworzenie sytuacji problemowej.
Rozwinięcie tematu.
Podsumowanie tematu.
Zadanie domowe.
1. Powtórzenie wiadomości.
(Nauczyciel przypomina temat poprzedniej lekcji, zadaje pytania dotyczące jej treści.)
N: Tematem poprzedniej lekcji były rożne formy energii. Pojęcie energia jest używane w
wielu różnych sytuacjach. Opisujemy ludzi jako energicznych, mówimy, że nie możemy
wykonać jakiejś czynności, bo nie mamy energii, zwłaszcza po dużym wysiłku fizycznym.
Baterie w pilocie przestały działać, bo wyczerpały energię, mówimy o wysokoenergetycznych
napojach i wysokoenergetycznym pożywieniu.
Jak można zdefiniować energię i jakie znacie rodzaje energii?
Przypomnijcie, jakie trzy rodzaje energii poznaliśmy na poprzedniej lekcji? (burza
mózgów – na wielkiej planszy uczniowie zapisują mazakami swoje pomysły na rodzaje
energii).
W jaki sposób można zdefiniować trzy rodzaje energii, które zostały omówione na
poprzedniej lekcji?
2. Wstęp.
N: Na poprzedniej lekcji poznaliśmy i omówiliśmy, a dziś jeszcze raz przypomnieliśmy trzy
rodzaje energii. Teraz mówić będziemy natomiast o przemianach energii.
3. Sformułowanie tematu.
N: Proszę zapiszcie sobie temat lekcji: „Przemiany energii”.
4. Stworzenie sytuacji problemowej.
N: Na początek przeprowadzimy dwa doświadczenia. Za pomoca programu komputerowego
Interactive Physicsc przeprowadzimy symulacje jednego z tych doswiadczeń. Na poczatku
będziemy badać ruch wahadła. Przy pomocy naszego programu komputerowego zbudujemy
wahadło i będziemy zastanawiać się nad tym, co dzieje się z energią wahadła podczas jego
ruchu. (ścieżka edukacyjna – technologia informacyjna)
5. Rozwiniecie tematu.
Przemiany energii – część doświadczalna
N: Naszym pierwszym zadaniem na dzisiejszej lekcji będzie zbudowanie wahadła przy
pomocy programu komputerowego. Ale zanim do tego dojdziemy może ktoś z was odpowie
na pytanie jak wyglada wahadło i z czego jest zbudowane?
U: Wahadło jest to ciało zawieszone na nici. Nic musi byc długa i nierozciągliwa.
Doświadczenie 1.
Celem doświadczenia jest odpowiedź na pytanie, co dzieje się z energią wahadła w czasie
jego ruchu?
(Uczniowie uruchamiają program Interactive Physicsc. Po pojawieniu się okna dialogowego
budują model wahadła, postepując zgodnie ze wskazówkami nauczyciela. Dokładny opis –
krok po kroku konstrukcji wahadła i sposób wykorzystania niezbędnych w doświadczeniu
opcji programu, takich jak np. dodanie wykresów znajduje się w podrozdziale: 2.3. Opis
programu Interactive Physics – model wahadła.)
N: Dzięki możliwości dodania wykresów istnieje możliwość obserwowania jak zmienia się
energia kinetyczna i energia potencjału grawitacyjnego w czasie ruchu wahadła. Zwróćcie
szczególna uwagę na to jak wyglądają krzywe na wykresach w momencie, kiedy wahadło jest
najmocniej wychylone i w momencie, kiedy przechodzi ono przez położenie równowagi. Aby
dokładnie uchwycić moment przejścia wahadła przez położenie równowagi, czy tez moment
jego największego wychylenia wystarczy nacisnąć „Stop”.
N: Jakie wnioski możemy wysnuć obserwując wykresy przedstawiające zmiany energii
potencjalnej i grawitacyjnej podczas ruchu wahadła? Co dzieje się z energiami w momencie,
kiedy wahadło przechodzi przez położenie równowagi?
U:
Kiedy wahadło przechodzi obok swego położenia równowagi, to wówczas energia
kinetyczna osiąga największą wartość. Zauważyć można również, że w tym samym punkcie
potencjał grawitacyjny jest najmniejszy. Dzieje się tak wtedy, kiedy wahadło przechodzi obok
położenia równowagi, czyli wtedy, kiedy wahadło jest najmniej wychylone.
N: Co dzieje się z energiami w momencie, kiedy wahadło jest najbardziej wychylone?
U: Kiedy wahadło jest najmocniej wychylone wówczas energia potencjału grawitacyjnego
osiąga maksimum, a energia kinetyczna osiąga minimum. Czyli dzieje się dokładnie na
odwrót, niż w pierwszym przypadku.
N: Zgadza się, ale co to może oznaczać? Przeanalizujcie jeszcze raz oba nasze przypadki i
zastanówcie się na tym.
Rys. 1 Minimalne wychylenie wahadła
Rys. 2 Maksymalne wychylenie wahadła.
N: Na przykładzie wahadła można zaobserwować przekształcanie dwóch rodzajów energii.
Kiedy wahadło jest wychylone ma tylko energie potencjalna, jego energia kinetyczna jest
wówczas równa zero. Kiedy wahadło zaczyna opadać jego energia potencjalna zaczyna
maleć, a energia kinetyczna rośnie, aż do momentu, kiedy wahadło przejdzie przez swoje
położenie równowagi. W tym właśnie punkcie energia kinetyczna osiąga maksimum, a
potencjalna jest równa zero. Po przejściu przez położenie równowagi wahadło zaczyna znowu
się wychylać, rośnie jego energia potencjalna, a maleje kinetyczna. Przeprowadzone przez nas
doświadczenie pozwoliło nam zaobserwować, ze w przypadku wahadła zachodzi ciągle
przekształcanie energii grawitacyjnej w kinetyczna i na odwrót.
Doświadczenie 2.
N: Aby przeprowadzić drugie doświadczenie potrzebne będą nam dwie bilardowe kule o tej
samej wielkości. Jedna kule kładziemy na stole, a druga kule wprawiamy w ruch w taki
sposób, aby toczyła się po stole i uderzyła w kule będąca w spoczynku. Celem naszego
doświadczenia jest obserwacja zderzenia i odpowiedź na pytanie, co stanie się, kiedy tocząca
się kula zderzy się z inna kula bilardowa o tej samej wielkości.
N: Jak sadzicie, co się stanie?
U: Kiedy pierwsza tocząca się kula zderzy się z druga kula będącą w spoczynku, wówczas
pierwsza kula zatrzyma się, a ta, która była jeszcze niedawno w spoczynku zacznie się toczyć.
N: Sprawdźmy czy na pewno tak się stanie. Przeprowadźmy to doświadczenie.
N: Rzeczywiście wasz kolega trafnie przewidział przebieg doświadczenia. W tym wypadku
nie mamy do czynienia z przemianą energii. Tocząca się kula posiada energie kinetyczna,
którą całkowicie w momencie zderzenia przekazuje kuli będącej w spoczynku. W wyniku
przekazania energii kula, która była w spoczynku toczy się dalej a kula, która w nią uderzyła
pozostaje nieruchoma. Mamy tutaj do czynienia z przekazaniem energii. Energia kinetyczna
jednego ciała zostaje w całości przekazana drugiemu ciału.
Zarówno proces przekształcania energii jak i przenoszenia energii możemy nazywać
przemianą energii. Energia ciała może ulec przekształceniu, polega to na tym, że kiedy ilość
jednej postaci energii się zmniejsza, to tym samym zwiększa się ilość innej postaci energii lub
też energia jednego ciała może zostać całkowicie przekazana drugiemu ciału.
Skąd czerpiemy energię?
N: Czy zastanawialiście się kiedyś nad tym skąd czerpiemy energię? Okazuje się, że jest to
także wynikiem przemian energetycznych zachodzących w organiźmie człowieka. [Folia 1]
Energia jest gromadzona jako energia chemiczna w wiązaniach związków chemicznych jak
tłuszcze, węglowodany, białka, które spożywamy. W procesie oddychania komórkowego, do
którego potrzebny jest tlen, niektóre z tych związków są rozkładane w naszych komórkach.
Podczas tego procesu wydzielana jest w postaci ciepła energia. Owocuje to zdolnością
organizmu ludzkiego do wykonania pracy jak i utrzymaniem ciepłoty ciała.
Ciekawostka: Alpiniści muszą mieć w zapasie wysoko energetyczny pokarm np. czekolada,
rodzynki, itp. by w sytuacjach skrajnego wyczerpania i wychłodzenia dostarczyć komórkom
organizmu węglowodanów. Komórki mobilizują się do spalania węglowodanów i wydzielają
energię – ciepło.
(ścieżka edukacyjna – pro zdrowotna)
Inne rodzaje przemian energii
N: Inne rodzaje przemian energii zostały przedstawione na foliach. [Folia 2 + Folia 3]
ciężarowiec
inne przetworniki energii
przemiana energii światła słonecznego w energię lampki elektrycznej
Odnawialne i nie odnawialne źródła energii
N: W dobie dzisiejszej cywilizacji najbardziej pożądaną energią jest energia elektryczna. Jest
wiele metod jej wytwarzania. Które metody są lepsze, które gorsze? Które wydajniejsze? Czy
te wydajniejsze nie niosą za sobą zbyt wielkiego spustoszenia w naturalnym środowisku?
Spróbujmy sklasyfikować źródła energii i porównać ich wady i zalety.
(Uczniowie pracują w grupach. W rozwiązaniu zadania mają im pomóc materiały na temat
odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii, które wcześniej mieli za zadanie wyszukać w
Internecie oraz w innych źródłach.)
(ścieżka edukacyjna – czytelnicza i medialna, ekologiczna)
[karta pracy 1 – drzewko decyzyjne: drzewko podzielono na pół. Jedna połowa to
odnawialne, druga nieodnawialne źródła energii. W gałęzie wpisuje się rodzaje elektrownii –
źródła energii. Każda gałąź ma liście. W liście koloru zielonego uczniowie wpisują zalety
metod pozyskiwania energii. W liście koloru czarnego – wady. Na koniec należy dokonać
podsumowania]
N: Na kolejnych foliach mamy przedstawione porównanie zasobów paliw kopalnych oraz
wydajności alternatywnych i standardowych metod pozysku energii na świecie. [Folia 1 +
Folia 3 + Folia 4]
(ścieżka edukacyjna – europejska)
Ile kosztuje energia elektryczna?
N: Aby obliczyć koszt eksploatacji energii należy skorzystać z następującego wzoru:
E = P ⋅t
[kWh] = [kW ] ⋅ [h]
Koszt _ energii = E ⋅ cena _ za _ 1kW
Obliczymy teraz, jaki będzie tygodniowy koszt eksploatacji suszarki do włosów. Suszarka ma
moc 800 W, a czas jej tygodniowej eksploatacji to 30 min. Co mamy podane w tym zadaniu?
U: W zadaniu podana jest moc suszarki: 800 W równa się 0,8 kW, a 30 min, to 0,5 h. Po
podstawieniu do wzoru otrzymujemy, że tygodniowy koszt eksploatacji suszarki do włosów
wynosi: 0,4 kWh.
N: Przyjrzyjmy się teraz jak wygląda rachunek za energie elektryczną.
[Folia 6 + rachunki za energię elektryczną]
(Nauczyciel przedstawia folię, wyjaśnia jak odczytywać rachunek za energię elektryczną i jak
go interpretować.)
Metody oszczędzania energii
N:
Aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób można zaoszczędzić energie, należy
najpierw zadać dwa inne pytania:
Którędy ucieka ciepło z naszych domów? [Folia 6]
Jak uszczelnić nasze domy?
(ścieżka edukacyjna – ekologiczna)
Oto typowe przykłady dociepleń:
Eliminacja przeciągów [Folia 7] – niestety nie można całkowicie zaniechać wietrzenia
mieszkań gdyż zbiera się w nich wiele szkodliwych dla zdrowia substancji, które są
usuwane podczas wietrzenia pomieszczeń. Wietrzenie niestety powoduje zwiększenie
poboru energii by wyrównać straty ciepła [Folia 6].
Drzwi wejściowe – uszczelnianie progowe [Folia 7].
Okna – taśma uszczelniająca, stosowanie okien z podwójnymi szybami zespolonymi z
przerwą wypełnioną argonem.
Ściany – wewnętrzne ściany z pustaków, zewnętrzne z cegły, pustka powietrzna między
ścianami wypełniona materiałem izolacyjnym, okładanie ścian z zewnątrz styropianem i
pokrywanie warstwą tynku.
Dachy – ociepla się podłogę strychu, lub bezpośrednio kładzie się izolacje pod dachem.
Ciepło ucieka dachem na skutek konwekcji ciepłego powietrza w mieszkaniu.
Podłoga – dywan działa jak izolacja termiczna skutecznie zmniejszając przenoszenie
energii przez przewodnictwo.
6. Podsumowanie tematu.
(Nauczyciel „zbiera” od uczniów najważniejsze informacje, jakie zostały im przekazane
podczas lekcji. Pyta, do jakich wniosków doszli po przeprowadzonych doświadczeniach. Na
czym polegają procesy przemiany i przekazu energii. Uczniowie podają przykłady przemian
energii.)