Методика изучения законов сохранения импульса, момент импульса, энергии.

Группировка материала вокруг законов сохранения импульса и энергии вызвана определяющим значением законов сохранения в современном естествознании. Эти законы связаны со свойствами пространства и времени (закон сохранения энергии связан с од​нородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства). Законы сохранения импульса и энергии справедливы в теории относительности, в квантовой механике и в макро- и микромире.

При изучении закона сохранения импульса вводят ряд новых физических понятий. Усвоение некоторых из них очень важно для изучения всего раздела. К числу этих понятий следует отнести такие: механическая система, замкнутая механическая система, внешние силы, внутренние силы, консервативные силы.

Для простоты рассуждений рассмотрение закона сохранения импульса целесообразно начинать для замкнутой системы, состоящей из двух сталкивающихся тел, массы которых одинаковы, а скорости различны. Выводят этот закон на основе второго и третьего законов динамики. Доказывают, что изменение импульсов этих двух сталкиваю​щихся тел одинаково по модулю, но противоположно по знаку. Далее формулируют закон: геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Первые задачи целесообразно решить графически, с тем чтобы учащиеся уяснили, что в законе речь идет о геометрической (векторной) сумме импульсов.

Чтобы показать справедливость закона сохранения импульса в любой инерциальной системе отсчета, проводят мысленный опыт: надо запимать ЗСИ в системе связанной с Землей и, например, с платформой. Вывод: если закон сохранения импульса выполняется при движении относительно одной системы отсчета, то он выполняется и отно​сительно любой другой системы отсчета, движущейся относитель​но первой равномерно и прямолинейно, т. е. закон сохранения им​пульса выполняется в любой инерциальной системе отсчета.

Следует также указать, что при релятивистских скоростях сумма релятивистских импульсов, образующих замкнутую систему, также остается постоянной при любых взаимодействиях между телами.

На факультативных и внеклассных занятиях по физике (в ин​дивидуальной работе с учащимися) можно более детально и обос​нованно обсудить указанные проблемы, рассмотрев при этом и такие вопросы, как движение с переменной массой, реактивная сила, более точный расчет максимальной скорости ракеты, о мно​гоступенчатости ракет и др.

Материал этой темы благодатен и для воспитательной работы. Здесь следует остановиться на значении работ К. Э. Циолковского, С. П. Королева и других советских ученых в развитии космонав​тики, на достижениях нашей страны в области освоения космоса.

Эту работу целесообразно проводить как на уроке, так и вне его (специальные стенды, журналы, рассказывающие о достижениях советской космонавтики; подбор литературы для чтения учащими​ся; тематические конференции с докладами и рефератами уча​щихся и т. д.).

Целесообразно также рассмотреть границы применимости механики Ньютона.

Завершают изучение закона сохранения импульса рассмотрением реактивного движения. В рамках основного курса достаточно рассмотреть применение закона сохранения импульса для объяснения движения ракеты, для определения ее скорости.

Традиционно в школьном курсе физики изучают два закона сохранения – импульса и энергии. Закон сохранения момента импульса в общеобразовательных классах несправедливо замалчивают, очевидно, по причине математических сложностей, связанных введением понятия момента импульса. Тем не менее, изучение этого закона предусмотрено программами профильного обучения. В учебнике Г.Я. Мякишева для профильных классов вопрос сохранения момента импульса не рассматривается вообще, не смотря на то, что программа профильной школы под редакцией этого автора предусматривает его изучение.

В учебнике под редакцией А.А. Пинского вводится понятие момента импульса тела с закрепленной осью вращения путем преобразования основного закона динамики вращательного движения. О моменте импульса материальной точки не говорится, закон сохранения момента импульса рассматривается на примере одного изолированного тела. Отсутствует понятие момента импульса системы тел, а ведь свойством сохранения обладает именно полный импульс замкнутой системы тел, а не одного тела в отдельности. В пособии С.М. Козела для учащихся и абитуриентов момент импульса вводится формально: назовем моментом импульса произведение момента инерции тела на его угловую скорость. Сохранение момента импульса рассматривается опять же на примере одного тела, затем проводится обобщение на случай замкнутой системы тел.

Необходимость рассмотрения закона сохранения момента импульса в курсе механики обусловлена рядом причин:

1.​ формирование целостной картины мира у учащихся;

2.​ использование понятия момента импульса в квантовой и ядерной физике (первый постулат Бора, спин элементарной частицы, строение многоэлектронных атомов).

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы тел относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени. Если момент внешних сил относительно неподвижной оси вращения тождественно равен нулю, то момент импульса относительно этой оси не изменяется в процессе движения.
Момент импульса и для незамкнутых систем постоянен, если результирующий момент внешних сил, приложенных к системе, равен нулю.

Закон сохранения энергии для замкнутых систем формулируют из рассмотрения того, что при совершении работы увеличение кинетической энергии сопровождается убылью потенциальной энергии (и наоборот).

Специально следует остановиться на рассмотрении закона сохранения энергии при наличии трения.

Завершая рассмотрение закона сохранения энергии, следует рассказать учащимся о научных воззрениях М.В.Ломоносова по вопросу сохранения материи и движения, явившихся гениальным предвидением закона сохранения и превращения энергии (который был открыт лишь только через 100 лет) и других законов сохранения.

Заканчивая изучение темы, следует рассмотреть применение закона сохранения энергии к анализу работы простых механизмов, при этом показать невозможность построения вечного двигателя; вывести закон Бернулли на основании закона сохранения энергии, объяснить возникновение подъемной силы крыла самолета.

Изложение целесообразно сопровождать демонстрацией опытов.

21.Опишите методику изучения основных вопросов раздела «Равновесие в жидкостях и газах» (законы Паскаля, Архимеда, условия плавания тел…)

Раздел «Давление твердых тел, жидкостей и газов» изучается в 7 классе учебник Перышкин. В 7 классе дети изучают основ вопросы:Давление. Ед давления. Закон Паскаля. Сообщающиеся сосуды. Вес воздуха. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Барометр – анероид. Манометры. Поршневой насос. Гидравлический пресс. Архимедова сила. Плавание тел. Плавание судов. Воздухоплавание. Только вопрос о давлении газа изучается в 10 классе.

В тему давление входят след:давление твердых тел, жидкостей и газов, т.е по сути продолжается изучение взаимодействия тел.

Учебный материал этой темы расположен в следующей последовательности:

1)давление твердого тела на твердое 2)передача давления жидкостью и газом (закон Паскаля)

3)давление жидкости, обусловленное притяжением Земли(весовое давление). Здесь вводят формулу для расчета давления жидкости на данном уровне (p=pgh) и рассм. свойство сообщающихся сосудов;

4)давление газа, обусловленное притяжением Земли (весовое давление). Здесь вводят понятие «атмосферное давление», рассматривают способы измерения давления газов;

5)выталкивающее действие жидкости и газа на погруженное в них тело (вводят понятие «архимедова сила» и формулу для расчета ее значения (F_a=p_жgh); рассматривают условия плавания тел ).

Эта тема хороша для реализации возможности для обучения учащихся эмпирическому методу познания. Для этого везде где это, возможно, следует организовать поисковую деят-сть.

Давление. Формирование этого понятия можно начать с рассм. примеров, хорошо известных учащимся из их жизненного опыта (хождение по снегу без лыж и на лыжах). При анализе этих примеров необходимо подвести учащихся к выводу: результат действия силы зависит от модуля силы и площади той поверхности, перпендикулярно которой эта сила действует. Этот вывод целесообразно подтвердить экспериментально.

Давление газа. При рассм. этого вопроса необходимо обратить внимание шк-ков на то, что газ оказывает на стенки сосуда, в кот он находится, одинаковое давление. Это очень хар-но для газа и явл. следствием беспорядочного движения молекул. А здесь просто сообщают, что давление газа зависит от объема и от температуры, что проверяют экспериментально.

Закон Паскаля. Этот з-н явл. теорет. основой для изучения практически всех вопросов, связанных с давлением в жидкостях и газах. Его вводят вначале на основе мысленного эксперимента. С учащимися разбирают вопрос о распределении частиц газа при изменении его объема. Для этого рассматривают сосуд с газом (или жидкостью). Первоначально частицы газа (жидкости) распределены по всему объему сосуда равномерно. Обсуждают с ребятами, какие изменения произойдут в расположении частиц, если объем сосуда уменьшить (сдвинуть например поршень). Благодаря подвижности частицы будут перемещаться по всем направлениям, вследствие чего возникшее в первый момент при сжатии неравномерное расположение частиц вновь станет неравномерным, но более плотным. Следовательно, давление газа (жидкости) на стенки сосуда должно возрасти. Это рассуждение подготавливает к формулировке закона Паскаля: «Давление, производимое на жидкость (газ) извне, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа». Хорошей иллюстрацией практического применения закона Паскаля являются гидравлические и пневматические машины и инструменты.

Закон Архимеда. Приступая к изучению этой темы должны быть четко выделены следующие моменты: архимедова сила действует на тела и в жидкости, и в газе; сила направлена вверх; сила равна весу жидкости или газа в объеме тела, если оно погружено целиком; сила равна весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела, если тело погружено частично.

Поэтому желательнее более общая формулировка, например: «Тело, находящееся в жидкости (или газе), теряет в своем весе столько, столько весит жидкость (или газ) в объеме, вытесненном телом».

Учитель должен помнить, что на жидкость или газ в соответствии с третьим законом Ньютона действует такая же по значению сила, как и на тело, но направленная в противоположную сторону. Этот факт полезно рассмотреть при решении ряда задач, так же как и вопрос об отсутствии выталкивающей силы в состоянии невесомости.

При изучении архимедовой силы возможны два основных подхода: 1) архимедову силу устанавливают с помощью опытов и затем объясняют теоретически на основе закона Паскаля и весового давления жидкости; 2) архимедову силу выводят теоретически и потом подтверждают с помощью эксперимента.

Второй способ изложения материала труднее, поэтому в ряде случаев можно использовать первый или некоторый средний путь: использование жизненного опыта учащихся для постановки проблемы; обнаружение выталкивающей силы на опыте; качественное объяснение причины возникновения выталкивающей силы на основе давления, обусловленного весом столба жидкости, и закона Паскаля; измерение архимедовой силы; решение задач. Теоретический вывод архимедовой силы можно дать при решении задач или повторении материала.

Наконец, заслуживает внимания вопрос об исторических сведениях при изучении данного материала. Многие учителя в начале урока, посвященного архимедовой силе, заинтересовывают учащихся ярким рассказом об Архимеде − этом величайшем ученом древности, жизнь которого связана со многими легендами. Рассказ об Архимеде можно поручить и ученикам.

Если такого сообщения на уроке не будет, то полезно его сделать на вечере физики, а учащимся рекомендовать чтение дополнительных глав об Архимеде в учебнике или иных пособиях.

Условие плавание тел. С целью активизации мышления учащихся следует, прежде всего, четко определить проблему, которая должна быть решена. Для этого можно, например, опустить в аквариум или стеклянный большой сосуд три тела, одно из которых тонет, другое плавает, а третье всплывает, и поставить перед школьниками вопрос: «Почему одни тела в жидкости тонут, другие плавают, а третьи всплывают?» В сильных по успеваемости классах условие плавания тел в жидкости можно вывести теоретически как результат действия двух противоположно направленных сил: силы тяжести и выталкивающей силы, а затем вывод подтвердить опытом, поставив лабораторную работу на тему «Выяснение условия плавания тел в жидкости». Для работы необходимо иметь пробирки с пробками (вместо пробирок можно использовать бутылочки) и дробь или сухой песок, который используют в качестве балласта.

Изучение условий плавания тела можно провести и по-другому. Вначале проводят 20−25-минутную лабораторную работу, из которой учащиеся устанавливают, при каких условиях тело плавает, тонет и всплывает. Затем проводят беседу, обращая особое внимание на случай, когда сила, выталкивающая тело из жидкости и направленная вертикально вверх, больше силы, направленной вниз. Всплывающее тело достигает поверхности жидкости. При дальнейшем перемещении его вверх выталкивающая сила начинает уменьшаться, так как уменьшается объем погруженной в жидкость части тела. Тело приходит в равновесие, когда выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела, станет равной действующей на тело силе тяжести. Полезно решить экспериментальные задачи:

«Внешне одинаковые (окрашенные) деревянный и пробковый бруски равных размеров помещают в аквариум с водой. Укажите, какой из плавающих брусков деревянный и какой пробковый. Ответ обоснуйте.

Используя масштабную линейку, определите подъемную силу деревянного бруска известной плотности. Решение проверьте на опыте.»

Очень хорошо этот вопрос показан в фильме «Условия плавания тел», который следует продемонстрировать на уроке, объяснив учащимся, что такое ватерлиния, грузоподъемность судов, обратив внимание на различную осадку судов в морской и речной воде.

Дата добавления: 2015-09-06