3.3 Практические занятия

Различные виды самостоятельной работы позволяют сделать процесс обучения на практических занятиях более интересным и поднять активность значительной части студентов в группе.

На практических занятиях по Физической химии не менее 1 часа из двух (50 % времени) отводится на самостоятельное решение задач.

Практические занятия строятся следующим образом:

– вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены);

– беглый опрос студентов;

– решение 1-2 типовых задач у доски;

– самостоятельное решение задач;

– разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).

Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию производится в ходе экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в течение 5, максимум – 10 минут. Таким образом, при интенсивной работе каждому студенту на каждом занятии можно получить, по крайней мере, две оценки.

Качество освоения теоретического материала и курса «Физическая химия» в целом в немалой степени определяется уровнем и эффективностью практических занятий, выполняемых, как совместно в аудитории, так и обязательной самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям по решению наиболее характерных задач по рекомендации преподавателя.

Одна из основных задач любых дисциплин, тем более фундаментальных, к которым на полном основании можно отнести физику твердого тела является выработка умений и навыков решения конкретных задач из различных разделов теоретического курса, позволяющие в дальнейшем решать научные и инженерные, т.е. практические задачи. В процессе решения задач отрабатывается способность применения общих теоретических закономерностей к отдельным конкретным практическим вопросам, что способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемой дисциплины.

Для практических занятий рекомендуется пользоваться следующими задачниками:

1. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: методические указания к лабораторным работам Ч.1 /сост. Э.М. Гильдебрандт, Л.Г. Болдина – Красноярск: ГУЦМиЗ, 2004. – 52 с.

2. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: методические указания к лабораторным работам. Ч. 2. Красноярск, 2006. – 60 с.

3. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: метод. указания к лабораторным работам/сост. Э.М. Гильдебрандт, Л.Г. Болдина, М.Н. Васильева. –Красноярск: ИПК СФУ, 2009. – 36 с.

Во время аудиторных практических занятий с подробным анализом решаются 1-2 задачи с постепенно возрастающей сложностью. В качестве домашних заданий предлагаются одна – две задачи среднего уровня трудности из указанных выше сборников.

Основу домашних заданий составляют «задачи для самостоятельного решения», приведенные в методическом пособии по циклу практических занятий, к примеру:

Задача: Рассчитать работу, которую можно получить в результате реакции 46 г натрия с водой в закрытом и открытом сосудах при температуре 298 К.

Задача: В начальной системе содержится 1 моль СО и 4 моля Н₂О, в равновесной системе 0,8 молей СО₂, определить, сколько молей остальных газов будет в равновесной системе.

Задача: Сколько граммов азотной кислоты содержится в 300 мл 0,2 М раствора?

Задача: В литейном цехе алюминиевого завода производится сплав Al-B с содержанием бора 0,01 масс. %. Для его производства используется лигатура Al-B с содержанием бора 1,6 масс. %. Какое количество лигатуры и Аl потребуется для получения 10 т сплава?

Задача: Значения поверхностного натяжения воды при различных температурах приведены в таблице:

Т, К	278	288	298	308
, мДж/м2	74,90	73,64	71,96	70,35

Построить график этой зависимости, вычислить температурный коэффициент поверхностного натяжения, записать уравнение зависимости  = f(T) и по нему рассчитать поверхностное натяжение 333 К.

Задача: Ниже приведены результаты изучения скорости реакции между веществами А и В

Концентрация, моль/л		Скорость реакции, моль/л·мин
вещество А	Вещество В
0,1	0,1	0,004
0,2	0,1	0,016
0,2	0,2	0,016

Выразить результаты исследования в виде кинетического уравнения.

Задача: Эквивалентная электропроводность расплавленного KCl при 1100 К равна 114,9 Ом^-1см²г-экв^-1. Определить удельную электропроводность, если плотность расплава 1,4945 г/см³.

Задачи для самостоятельного решения выдаются преподавателем на практических занятиях, а на последующих занятиях проверяется правильность их решения. Решение задач имеет цель на практических занятиях продемонстрировать алгоритм решения задачи, а затем, в результате самостоятельного решения подобных задач дома добиться точного выполнения элементов показанных действий и формирования соответствующих умений. Основные методы решения задач следующие: метод анализа физической ситуации, метод дифференцирования и интегрирования, метод упрощения и усложнения описаны в отдельном пособии для практических занятий. Регулярное, в течение семестра решение задач позволяет поддерживать сформированные навыки и умения на достаточно высоком уровне.

Для тех студентов, которые по разным причинам не успели в срок отчитаться по решениям задач, предусмотрены контрольные работы, они включают задачи и вопросы теоретического курса. Успешное выполнения контрольного задания предоставляет студенту возможность получить дополнительные баллы, которые могут существенно улучшить его оценку. В качестве литературы при выполнении контрольных заданий могут быть рекомендованы специальные монографии и учебные пособия, приведенные в списке литературных источников настоящих методических указаний.

Пример контрольной работы:

1. Объясните различия между понятиями теплота и работа.

2. Почему и как зависит тепловой эффект от температуры?

3. Что называют химическим сродством? Какой функцией оценивают химическое сродство?

4. Растворенный в воде фенол адсорбируется на поверхности активированного угля. По какому уравнению можно рассчитать адсорбцию? Каков физический смысл постоянных, входящих в это уравнение?

5. Удельная электрическая проводимость, ее размерность, от чего она зависит? Физический смысл постоянной сосуда.

Перед началом выполнения задачи преподаватель дает лишь общие методические указания (общий порядок решения, точность и единицы измерения определенных величин, имеющиеся справочные материалы и т.п.).

Приступать к решению задач необходимо после достаточно тщательного изучения теоретического лекционного материала соответствующего раздела. Решение домашних заданий предопределяет не только знание теоретических разделов и физических законов, но и специальных методических приемов, принципов решения общих для группы задач из определенного раздела. При решении задач необходимо пользоваться некоторыми правилами методического характера:

– записать краткое условие задачи и выяснить необходимые табличные константы. Осмыслить данные и искомые величины, а также связь между ними;

– выполнить анализ задачи, вскрыв логический путь поиска искомой величины с отражением всех необходимых закономерностей, используемых для решения;

– выполнить графическое отображение (эскиз) условий задачи, а при необходимости и решения задачи в соответствующей диаграмме (P, V; T, S; i, s; i, d и т. д.);

– выполнить решение задачи в общем виде, сопровождая расчетные зависимости пояснениями.

Любая задача курса физики твердого тела выражает какое-либо физическое явление (или группу явлений). Соотношения между искомыми и известными физическими величинами содержатся внутри этого явления. Для того чтобы найти эти соотношения (которые должны составить замкнутую систему уравнений), необходимо не только знать сущность данного явления, систему его физических параметров, законов и границ его применения, но и уметь выделить все эти элементы в данной задаче. Практически физический анализ задачи сводится в основном к выделению и анализу физического явления.

Как известно, физическое явление содержит качественную и количественную стороны. Поэтому сначала определяют качественную характеристику явления (чем это явление отличается от других, какова его сущность, как оно происходит и т.д.). Затем устанавливают количественные связи и соотношения между различными величинами, характеризующими данное явление. Далее, применяя соответствующие законы, получают систему уравнений.

Составными частями метода упрощения и усложнения являются два взаимосвязанных и противоположных процесса: процесс упрощения (идеализация, оценка и отбрасывание второстепенных явлений, пренебрежение несущественными деталями и т.д.) и процесс усложнения (учет и рассмотрение ранее отброшенных объектов, явлений, деталей, усложнение физической системы, связей и т.д.). Материальную основу этих процессов составляет метод оценки.

Этот метод часто используют при анализе любой физической ситуации, производя оценку физических величин или оценку физических явлений. Оценка физической величины заключается, во-первых, в арифметическом (числовом) расчете порядка самой величины (оценка порядка) и, во-вторых, в сравнении однородных величин по их порядкам (сравнение по порядку).

При проведении анализа методом постановки задачи необходимо выяснить, какие можно ввести упрощения, чем можно пренебречь, какие можно ввести дополнительные условия и т.д. Ранее этот процесс был назван процессом идеализации. После разумной идеализации задачи необходимо выяснить, какие данные могут быть известны, что можно взять из справочников, таблиц и т.д. Некоторые данные впоследствии могут оказаться лишними, а некоторых может недоставать. Это выяснится только после решения задачи в общем виде.

По-видимому, не существует метода (алгоритма) проведения процесса идеализации задачи – это творческий процесс. После проведения процесса идеализации формулируется задача: при таких-то условиях дано конкретно что-то, требуется найти нечто. На этом первый этап и решения, и постановки задачи заканчивается. Задача поставлена.

Далее идет уже известный этап – решение поставленной задачи:

– необходимо вторично провести анализ явления (теперь это делается уже значительно быстрее), составить замкнутую систему уравнений и решить ее в общем виде;

– оценить правильность полученного решения проверкой размерности, полным использованием исходных данных;

– произвести численный расчет с учетом необходимой точности решения.

Прежде чем приступить к числовому расчету, надо убедиться в том, что все данные для этого имеются. Если их нет, то недостающие данные необходимо дополнительно добавить к первоначально заданным или взять из таблиц, справочников и т.д. Только после введения этих дополнительных данных, обеспечивающих однозначное решение поставленной задачи, можно считать, что задача поставлена. Затем идет арифметический расчет, на котором и заканчивается решение задачи.

В основном все системы физических уравнений решаются с помощью универсальных методов дифференцирования и интегрирования, которые являются необходимыми как при изучении теории, так и в особенности при решении задач. В курсе физики твердого тела с помощью этих методов производят вычисление параметров, характеризующих электронное строение и свойства материалов.

Математическую основу метода составляют дифференцирование и интегрирование функций. Поэтому рассматриваемые методы позволяют практически осуществить межпредметную связь при изучении курсов ФТТ и высшей математики, а также оценить логическую целесообразность полученной в расчете величины.