Введення основних понять механіки

Зміст

1.Вступ _____________________________________________________    2

2. Введення основних фізичних  понять при вивченні кінематики ____    3

3. Введення основних понять динаміки __________________________    5

4. Введення основних понять  законів збереження __________________  8

5. Ведення основних понять  у розділі «механічні коливання  і хвилі» ___11

6. Список використаної  літератури  ______________________________  16

 

 

 

 

Вступ

При навчанні механіці в  середній школі вирішують певні  освітні , виховні завдання і завдання розвитку учнів .

Освітні завдання визначаються , перш за все , тим , що в механіці вводять основні поняття (маса , сила , імпульс тіла , енергія і т. д.) , які є «інструментом» пізнання в науці - фізиці , У цьому сенсі механіку справедливо вважають фундаментом фізики. У механіці учні знайомляться з фізичної теорією - класичної механікою Ньютона і такими узагальненнями , як закон всесвітнього тяжіння , закони збереження імпульсу та енергії , загальні умови рівноваги механічних систем тощо.

В процесі вивчення механіки школярі знайомляться з одним із основних напрямків сучасного виробництва - механізацією . Учні дізнаються про прості механізми , різних видах передачі руху , закони руху тощо. При проведенні лабораторних робіт вони освоюють деякі практичні вміння у поводженні з вимірювальними інструментами та приладами. Ознайомлення школярів з законами механіки , з їх практичним додатком та аналізом механічних явищ в техніці , з виконанням творчих експериментальних завдань сприяє розвитку науково - технічного мислення.

Основні висновки , до яких призводить теорія механіки і які повинні  бути засвоєні учнями , наступні.

1 ) Стан ізольованої системи  матеріальних точок для деякого  моменту часу цілком визначається  їх координатами та імпульсом.

2 ) Матеріальні точки діють  одна на одну з силами , що змінюють їх імпульси.

3 ) Стан механічної системи  в увесь наступний  час однозначно випливає з її початкового стану і визначається рівняннями Ньютона .

4 ) Взаємодія між фізичними тілами передається миттєво ( принцип дальнодії ) . Механіка Ньютона не розглядає природу сил.

У програмі загальноосвітньої школи - механіка представлена ​​чотирма підрозділами : основи кінематики , основи динаміки , закони збереження   та механічні коливання і хвилі. Отож розглянемо основні особливості викладання цих розділів.

 

Введення основних фізичних  понять при вивченні кінематики

Введення понять координати, переміщення та матеріальної точки визначає і спосіб введення понять швидкості і прискорення . Розглядати ці характеристики як похідну переміщення першого і другого порядку за часом у 8 класі не є можливим , так як у восьмикласників немає необхідної математичної підготовки. Тому вводити поняття швидкості потрібно  як  шлях що проходить тіло за одиницю часу. При повторенні в 10 класі можна показати , що поняття миттєвої швидкості має сенс для будь-якого руху , в тому числі і рівномірного . Цей метод виключає можливість утворення у школярів неправильного уявлення про те , що існує кілька понять швидкості. Швидкість у 10 класі це поняття вводять як векторну величину для прямолінійного і криволінійного рухів. Векторний характер швидкості безпосередньо випливає з вводу переміщення як векторної величини.

З початку при повторенні рівномірного і прямолінійного руху виділяють основні його ознаки : матеріальна точка в будь які рівні проміжки часу здійснює однакові (рівні ) переміщення. Щоб один рівномірний рух відрізнявся від іншого, необхідно ввести його характеристику - швидкість – величину - яку визначають відношенням вектора переміщення до часу , протягом якого це переміщення відбулося. Введення швидкості обов'язково має супроводжуватися експериментом.

Після повторення поняття  швидкості рівномірного і прямо лінійного руху вводять поняття середньої швидкості нерівномірного руху і підкреслюють , що для визначення середньої швидкості нерівномірного руху необхідно знайти відношення шляху , пройденого матеріальною точкою , до часу її руху. Учні нерідко намагаються визначати середню швидкість як середнє арифметичне початкової та кінцевої швидкостей . Це справедливо тільки у випадку лінійної залежності швидкості від часу , тобто в рівноприскореному русі . Слід мати на увазі , що про середню швидкість як про вектор говорять тоді , коли визначають її через ставлення вектора переміщення до проміжку часу , за який це переміщення вчинено. Цей методичний підхід до розкриття середній швидкості використовують , наприклад , при визначенні похідної . У житті про середню швидкість говорять як про величину шляху , пройденого за одиницю часу. Саме це слід відпрацьовувати з учнями на практичних заняттях . Доцільно вирішити завдання типу :

1 ) Першу третину шляху  тіло пройшло зі швидкістю  80 км / год , весь ширший шлях - зі швидкістю 20 км / ч. Визначте середню швидкість.

2 ) Три чверті всього  часу руху швидкість тіла була 48 км / год , решту часу - 96 км / ч. Визначте середню швидкість.

Дуже корисно для засвоєння  поняття швидкості і розуміння  практичного застосування цієї характеристики ознайомити учнів з різними значеннями швидкостей руху тіл у навколишньому нас життя , техніці , військовій справі, використовуючи для цієї мети таблиці, запропоновані в підручнику . Доцільна тут же і робота з довідником.

Працюючи з таблицями , слід домагатися від десятикласників розуміння фізичного змісту поняття швидкості. Для цього , називаючи швидкість того чи іншого тіла , відшукуючи в таблиці найбільшу і найменшу швидкість і порівнюючи їх , учень кожен раз повинен відповідати на питання: «Що означає названа ним величина ? » Наприклад , автомобіль « Волга » розвиває швидкість до 145 км / год. Що це означає ? Ця робота почалася у VIIІ класі , але як показує досвід , її необхідно продовжити і в X класі.

Наступною ланкою в ланцюжку формування основних кінематичних характеристик є розгляд миттєвої швидкості. Труднощі введення цього поняття пов'язана з необхідністю введення граничного переходу , ще невідомого учням . По суті  при введенні цього поняття в школі використовують поняття не математичного , а фізичного граничного переходу : замість нескінченно малої величини розглядають дуже малий , але кінцевий проміжок часу - фізичну малу величину. Розгляд миттєвої швидкості обов'язково супроводжують експериментом : це може бути досвід з електросекундоміром і датчиками або досвід зі стробоскопом , де роблять стробоскопічні знімки одного і того ж нерівномірного руху з різною частотою спалахів. При досить малих проміжках часу , в межах якого зміна швидкості практично не сприймається. Подальше зменшення проміжки часу втрачає сенс , і середню швидкість за такий малий проміжок можна прийняти за миттєву з тим ступенем точності , яка має практичний сенс . Аналогічно вводять поняття швидкості і в криволінійному русі.

Для міцного засвоєння  школярами поняття миттєвої швидкості доцільно запропонувати питання типу : про яку швидкості йде мова в наступних випадках : 1 ) пасажирський поїзд проїхав повз світлофора зі швидкістю 25 км / год; 2 ) швидкість кур'єрського потяга , що курсує між Москвою і Ленінградом , 100 км / год; 3 ) на малюнку зображено знак , що обмежує швидкість руху  автомобілів в Києві - 60 км / год ?

Для з'ясування поняття прискорення рівноприскореного прямолінійного руху доцільно розглянути питання такого типу : «Прискорення рухомого тіла дорівнює 0,2 м / с. Що це означає ? » І звичайно , корисна робота з таблицею прискорень .

Введення основних понять динаміки

Перший закон динаміки в загальноосвітньому курсі фізики формулюють так : існують такі системи  відліку , відносно яких тіло що рухається поступально зберігає свою швидкість постійною , якщо на нього не впливають інші тіла. Системи відліку, щодо яких тіла рухаються рівномірно і прямолінійно , називають інерційними. Безпосередньо на досвіді на Землі перевірити це важко , так як не можна ізолювати тіло що рухається від впливу на нього інших тіл . У цьому сенсі закон є ідеалізацією , так само як і поняття системи відліку. Отже , одна з дидактичних завдань , яка постає перед учителем при розгляді цього закону , - роз'яснити школярам , що жоден досвід не може абсолютно точно підтвердити закон інерції , так як не існує в природі абсолютно вільних тіл. Ці методичні труднощі можна вирішити , розглядаючи уявні досліди ( розглядаючи рух без опорів ), тобто наближаючись в дослідах до ідеальних умов. Традиційним досвідом , який допомагає учням осмислити перший закон Ньютона , є досвід з жолобом Галілея. У досліді по жолобу , встановленому на демонстраційному столі , скочується кулька : 1 ) спочатку в купку піску , що знаходиться біля основи похилій площині , 2) потім на шорстку поверхню (наприклад , на сукно ) , 3 ) на гладку поверхню (наприклад , скло). Звертають увагу школярів на те , що в міру зменшення опору, рух кульки збільшується в часі. У аналогічних досвіді можна показати , що напрямок руху кульки можна змінити , розташувавши , наприклад , трохи збоку магніт. На підставі цих дослідів роблять висновок: чим менше взаємодія , тим повільніше змінюється швидкість .

        Методика формування поняття маси у 8класі

Умовно виділимо основні  етапи вивчення поняття маси у 8 класі.

I етап - повторення всіх  основних положень про масу  .

II е т а п - експериментальне  обгрунтування поняття маси як  кількісної характеристики інертних властивостей тіла. Проводять експеримент: на ручний відцентрової машині встановлюють стрижень з двома тілами , пов'язаними ниткою , маси яких находяться в співвідношенні 1 : 3 . У ході доліду показують , що ці тіла не зісковзують з стрижня і рухаються по колах , радіуси яких знаходяться в співвідношенні 3:1 , тобто 

 

Слід мати на увазі , що кількісну  оцінку маси в цьому досліді проводять на приватному прикладі .

III етап - узагальнення результатів  досвіду і введення визначення маси як міри інертних властивостей тіла , механічної системи .

На основі дослідних фактів встановлюють : 1) Для двох взаємодіючих тіл відношення прискорень ,отриманих в результаті взаємодії , - величина постійна. Залежно від характеру взаємодії для кожного з цих тіл прискорення можуть бути різними , але відношення цих прискорень величина постійна : 2 ) Розкривають властивість інертності і основний зміст цього поняття : не можна змінити швидкість тіла миттєво ( для зміни швидкості необхідно час, який для різних тіл різне) . Далі дають визначення маси : маса тіла - фізична величина, що характеризує його інертність. Вона визначає відношення прискорення еталона до прискорення тіла при їх взаємодії ( ае / а = m / mе ) . Побічно вимір маси можна провести і в досліді з взаємодіючими візками , встановленими на горизонтальній поверхні. Візки взаємодіють за допомогою стиснутої пружини . Відстані , на які зміщуються візки, залежать від сили тертя і кінетичної енергії.

IV етап - визначення одиниць  вимірювання маси . Основна з одиниця ( 1 кг). Уточнюють , що ця одиниця - міжнародна , прийнята на Міжнародному конгресі 1889 р. як еталон . Цей еталон виготовлений зі сплаву платини та іридію і зберігається в бюро мір і ваг ( у Франції). У СРСР , як і в деяких інших країнах , є копія цього еталона. Важливо уточнити , що це одиниця СІ . По суті , паралельно з введенням одиниць вимірювання маси можна почати і введення поняття про систему механічних одиниць , тобто ознайомити з міжнародною системою одиниць і її основними механічними величинами: довжиною , масою , часом.

V етап - обговорення способів  вимірювання маси : 1) за взаємодією тіл (тіло призводять у взаємодію з іншим , маса якого відома , і порівнюють придбані ними прискорення ) , 2 ) зважування на важільних вагах.

Другий спосіб із зазначених вище , по суті , є практичні способом вимірювання маси , який широко використовують. Але зважуванням на важільних терезах не можна виміряти масу планет, зірок і інших небесних тіл , а також виміряти дуже малі маси (маси атомів і елементарних частинок) . У цих випадках користуються першим способом вимірювання маси.

 

Перше уявлення про  силу учні отримують з повсякденного життя як про м'язовому зусиллі . Формування поняття сили як фізичної величини починають у 7 і 8 класі. Воно вводиться як міра взаємодії між тілами.

У методиці формування поняття  сили в курсі фізики 10 класу можна умовно виділити наступні етапи .

I етап - повторення основних  положень про силу , отриманих  в курсі фізики 7 класу.

II етап - визначення поняття  сили як кількісної характеристики  дії одного тіла на інше. Цей етап формування поняття сили тісно пов'язаний з вивченням другого закону Ньютона . На цьому етапі можна виділити такі моменти :

1 ) Роз'яснюють визначення  поняття сили . У результаті взаємодії тіло отримує прискорення ( змінюється вектор швидкості). Величину, що характеризує дію одного тіла на інше , яке викликає це прискорення , називають силою . Це положення обов'язково потрібно експериментально обгрунтувати . Досліди можна використовувати ті ж , що і при розгляді поняття маси , але акцент в них роблять на те , що одержувані в результаті взаємодії, прискорення залежать від умов і характеру взаємодії ( в дослідах з взаємодіючими візками це може бути по різному стиснута пружина ) . Прискорення взаємодіючих тіл залежать від умов і характеру взаємодії , а відношення їх (що було істотно при введенні поняття маси ) від цього не залежить.

2 ) Ставлять експеримент  з визначення сили (однієї і  тієї ж силою впливають на  тіла різної маси і вимірюють  їх прискорення ) .

III етап - розгляд понять  «дія » і « протидія  ». Цей етап пов'язаний з вивченням третього закону Ньютона . При вивченні цього закону підкреслюють , що дія тіл носить взаємний характер. У третьому законі на відміну від другого в рівній мірі розглядають обидва тіла. Терміни « дія» і «протидія » - умовні і взаємозамінні. При взаємодії двох тіл дію першого тіла на друге можна назвати « дією» (F12 ) , а другий на перше « протидією » ( F21 ) , і навпаки. Важливо довести до розуміння учнів той факт , що ці сили не можна складати і не слід їх плутати з врівноваженими силами. Засвоєнню третього закону сприяє і аналіз таких прикладів , як рух людини по Землі , коні , запряжений у віз , тепловоза і т. д. У методичному відношенні дуже важливо в цих випадках розчленовування всієї системи взаємодіючих тіл на пари , в яких тіла безпосередньо діють одне на друге : 1 ) людина - Земля , 2 ) кінь - віз , кінь - Земля , віз - Земля , 3 ) тепловоз - вагон , вагон - Земля , тепловоз - Земля і т. д. на провідні колеса тепловоза діє з боку залізничного полотна (Землі ) сила тертя , спрямована по руху . Якщо ця сила тертя виявиться менше максималь ної сили тертя спокою між провідними колесами і залізнодорожнім полотном  то тепловоз не зрушить з місця.

IV етап - розгляд прояви  взаємодій слідуючих видів сил : тяжіння , пружності , тертя.

 

Введення основних понять законів збереження

При вивченні закону збереження імпульсу вводять ряд нових фізичних понять. Засвоєння деяких з них  дуже важливо для вивчення всього розділу. До числа цих понять слід віднести такі : механічна система , замкнута механічна система , зовнішні сили , внутрішні сили , консервативні сили .

Поняття « замкнута механічна система » є ідеалізацією . Дуже важливо тому при розгляді конкретних завдань обумовлювати , як рухаються тіла фізичної системи і чи діють на них зовнішні сили. Якщо ці сили відсутні (тобто ними можна знехтувати ) , то потрібно застосовувати закон збереження імпульсу; якщо зовнішні сили діють , то сумарний їм ¬ пульс сили , що діє на систему , дорівнює сумарному з ¬ трансформаційних змін імпульсу системи .