Логическая структура учебного материала по теме исследования.

Логическая структура учебного материала по теме исследования.

Содержание учебного материала по теме исследования (текст и внетекстовые компоненты).

Планирование учебно-методического процесса.

Формы и методы изучения разрабатываемого материала.

Средства обучения, используемые при изучении разрабатываемого материала.

Система контроля за учебно-методическим процессом.

Система учебных физических задач по разрабатываемой теме.

Система демонстрационного физического эксперимента по разрабатываемой теме.

Система лабораторного физического эксперимента по разрабатываемой теме.

Учебные материалы нетрадиционного характера по разрабатываемой теме.

 

 

Система педагогических задач при изучении динамики

В процессе изучения динамики необходимо достичь двуединой цели: изучить основы механического взаимодействия тел и создать предпосылки для формирования научного мировоззрения.

Для достижения этих целей необходимо решить следующие конкретные педагогические задачи:

 

1. Завершить первый этап формирования таких фундаментальных понятий механики, какими, несомненно, являются понятия массы и силы.

2. Изучить законы механического взаимодействия и движения тел со скоростями, значительно меньшими скорости света (законы Ньютона и закон независимости действия сил).

3. Изучить, с опорой на законы Ньютона:

—закон всемирного тяготения,

—принцип относительности Галилея.

4. Разъяснить физическое содержание и ввести в научный обиход учащихся следующие понятия и величины: инертность, центр масс, инерциальная система отсчета, реакция связей, сила тяжести, перегрузка, невесомость, силы трения и сопротивления, силы упругости, первая космическая скорость, физические основы космических полетов.

5. Научить учащихся применять полученные знания для решения практических задач.

Если все намеченные педагогические задачи будут решены, изучение раздела «Динамика» послужит еще одним доводом в пользу материалистического миропонимания.

 

Логическая структура учебного материала по разделу «Динамика»

Содержание учебного материала

Понятия силы и массы в науке

Несмотря на то, что понятия силы и массы являются основными не только в механике, но и во всей физике, вокруг этих понятий идут давние споры это связано с тем, что это два очень сложных понятия, исчерпывающее определение которых, по-видимому, невозможно дать в рамках классической механики.

Далеко не случайно оба эти понятия были введены Ньютоном как констатация имеющихся представлений через определения.

В справедливости этого предположения убеждает то, что «исчерпывающее» определение силы пытались дать многие физики (Кирхгоф, Андрат и др.), но их попытки не увенчались успехом. Другие физики, видя неудачу первых, пытались создать механику без понятия силы (Герц). Все это привело Р.Фейнмана к выводу: «...свойства сил не описал полностью ни Ньютон, ни кто другой» и далее: «...сколько бы вы ни пытались дать точное определение силы, вы его никогда не получите!» (Фейнмановские лекции по физике-Т. 1. — С. 210). Справедливости ради надо отметить, что значительно раньше к такому выводу пришел французский ученый Л.Пуанкаре в своей работе «Наука и гипотеза», в которой он писал: «Не важно знать, что такое сила, а важно знать, как ее измерить» (Пуанкаре А. О науке. — М.: Наука, 1973. — С. 73).

Понятие массы (как и понятие силы) введено Ньютоном в механику через определение: «Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее». Есть основания предположить, что Ньютон, будучи атомистом, под плотностью понимал число частиц в единичном объеме вещества (об этом более подробно сказано в кн. Тюлина И.А. История и методология механики. — МГУ, 1979). Способа независимого определения массы Ньютон не указал. Это, так же как и в случае силы, породило споры вокруг этого понятия. На страницах журнала «Успехи физических наук» в 50-е годы была проведена дискуссия но понятию «масса».

В настоящее время в физике под термином силы понимают векторную меру механического действия на тело других тел, а под массой — скалярную физическую величину, характеризующую инертные, гравитационные и энергетические характеристики объектов.

Цели и задачи изучения темы

Цель изучения материала этой темы заключается в обобщении и расширении знаний учащихся о силе и массе тел.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

1. Ввести понятие «сила» и единицы ее измерения.

2. Показать принципиальную возможность измерения сил.

3. Объяснить способ сложения сил.

4. Ввести понятие равнодействующей.

5. Дать четкое определение силы.

6. Ввести понятие массы и напомнить учащимся единицу измерения массы.

7. Объяснить способ сложения масс (аддитивность).

8. Ввести понятие центра масс.

9.Дать четкое описание массы как меры инертности.

О ВВЕДЕНИИ ПОНЯТИЯ СИЛА

А.Эйнштейн в своей статье «Эволюция физики» писал: «Что такое сила? Интуитивно мы чувствуем, что именно обозначается этим термином. Это понятие возникает из усилий, которые мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного усилия, которое сопровождает все эти действия» (Эйнштейн А. Собр. научных трудов. — М., 1967. — С. 365). Введение понятия «сила» не составит труда, если опираться на те интуитивные представления о силе, которые учащиеся имеют из жизненного опыта. Но введение термина — лишь отправная точка в длительном пути формирования физических представлении о силе. (пример)

Следующий этап связан с установлением способа измерения силы. В учебнике это сделано на доступном для учащихся уровне строгости. Экспериментально установлено, что под действием подвешиваемых к пружине грузов удлинение пружины пропорционально силе тяжести этих грузов. На основании этих опытов делается вывод, что удлинение пружины может служить мерой действующей на нее силы.

Измерение любой физической величины в конечном итоге связано со сравнением данной величины с однородной с ней величиной, принятой за единицу. Выбор единицы в принципе произволен, но для измерения необходимо выбрать эталон, принятый за единицу.

О СЛОЖЕНИИ СИЛ

В результате изучения учебного материала о силах учащиеся должны усвоить, что:

—силы — величины векторные;

—в твердом теле силы можно переносить по линии их действия;

— сложение сил производится геометрически.

После изучения третьего закона Ньютона к перечисленным выше трем свойствам добавится четвертое: силы всегда появляются парами. При слове «сила» у учащихся всегда должно возникать представление о двух силах, приложенных к взаимодействующим телам.

Oб ИНЕРТНОСТИ ТЕЛ

В школьных учебниках физики было широко распространено следующее определение инертности.

«Инертность — это свойство, присущее всем телам. Состоит оно в том, что для изменения скорости тела требуется некоторое время. Чем больше времени требуется для изменения скорости на заданное значение, тем инер­тнее тело». В этом определении допущена ошибка; надо указать: «под действием одной и той же силы» или, что одно и то же, «в процессе взаимодействия этих тел». Ибо под действием разных сил тела могут приобрести любые ускорения, в том числе и такие, что тело большей массы приобретет большее ускорение.

 

Глава ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ

Содержание законов движения

Общепризнано, что законы движения, сформулированные Ньютоном 3 00 лет тому назад, лежат не только в основе динамики, но и в основе всей классической механики. Однако их трактовка неоднозначна.

Существует, например, точка зрения, что первый закон Ньютона не имеет самостоятельного значения, а является следствием второго закона. В свою очередь существуют две точки зрения и на второй закон Ньютона. Первая состоит втом, что соотношение a = F/m рассматривается в качестве фундаментального закона классической (ньютоновой) механики. Вторая считает, что это соотношение является фундаментальным определением силы.

Споры эти идут давно, и спорящие не смогли прийти к единому мнению. Поскольку эти вопросы не имеют сколько-нибудь важного значения для специалистов-механиков, но имеют исключительно важное значение для учителей физики, остановимся на них более подробно.

Первый же закон Ньютон сформулировал, так: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем первоначальном состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается прило­женными силами изменить это состояние».

При этом по определению Ньютона: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».

Из формулировки Ньютона и из последующих данных им разъяснений следует, что любое свободное тело, т.е. тело, не подверженное действию других тел, либо находится в покое относительно выбранной системы отсчета, либо движется прямолинейно и равномерно. Движение свободного тела принято называть движением по инерции.

Но при объяснении первого закона (несмотря на его кажущуюся простоту) нас поджидают, по меньшей мере, две трудности. Первая связана с тем, что свободных тел, строго говоря, не существует. Это физическая абстракция трудность состоит в том, что мы не имеем способа убедиться, что тело не подвержено внешним воздействиям. На тело всегда действуют внешние гравитационные и электромагнитные поля.

Чтобы избежать этих трудностей, прибегают к идеали­зации и допускают, что существуют абсолютно свободные тела и абсолютно неподвижная или абсолютно равномерно движущаяся система отсчета, получившая название инерциальной системы отсчета. Таким образом, первый закон Ньютона, являясь обобщением опытных фактов, идеализирует действительно наблюдаемые явления, исключая из рассмотрения несущественные внешние воздействия на тела.

В теоретической механике свободное тело заменили понятием материальной точки, а первый закон Ньютона утверждением о существовании (теоретическом) инерциальных систем отсчета, в которых соблюдается этот закон.

Все сказанное выше дает основание утверждать, что первый закон Ньютона является независимым законом.

Соотношение между массой тела, силой, на него действующей, и получаемым ускорением было найдено в ре­зультате обобщения опытных фактов. В этом соотношении для всех трех величин, в него входящих, имеются способы их независимого определения. Поэтому соотношение a=F/m является не определением силы, а утверждением, что при любых значениях F и mих отношение равно ускорению. Ввиду важности этого утверждения оно является законом. А.Эйнштейн в статье «К 200-летию со дня смерти Ньютона», оценивая второй закон динамики, писал: «это фундамент всей механики и, пожалуй, всей тер. Физики.

Если бы не было независимых способов измерения силы, массы и ускорения, это соотношение можно было бы рассматривать как определение силы, и то при условии, что был бы известен способ измерения массы (подробнее об этом можно прочитать в кн.: Хайкин С.Э. Силы инерции и невесомость. — М., 1967).

Третий закон Ньютона интересен тем, что он справед­лив независимо оттого, покоятся или движутся взаимодей­ствующие тела.

Цели и задачи изучения темы

Цели:

1. Изучить законы динамики, описывающие взаимодействие тел.

2. Научить учащихся применять законы динамики к решению конкретных задач.

3. Показать примеры использования законов динамики в технике.

Задачи:

1. Показать, что законы динамики — результат теоре­тического обобщения опытных фактов.

2. На примере движения тел по инерции обратить внимание учащихся на то, что оно — одно из доказательств, что движение — неотъемлемое свойство материи.

3. Изучить первый закон динамики и на его основе ввести понятие инерциальной системы.

4. Рассмотреть вопрос об инерциальности земной системы отсчета.

5. Изучить второй закон динамики и на его основе дать определение единице силы в Международной системе единиц

6. Изучить третий закон динамики и на его основе ввести понятие о связи и реакции связи.

7. Провести лабораторную работу по определению жесткости пружины.

8. Раскрыть глубокий физический смысл принципа Галилея и на его основе ввести представления об инвариантных величинах.

9. Объяснить учащимся принцип суперпозиции.

10. Научить учащихся решать задачи на применение законов движения.

Масса тела

Плотность вещества

Второй закон Ньютона

Определение понятий «инертная масса тела», «плотность вещества», модели равноускоренного прямолинейного и равномерного по окружности движений под действием равнодействующей силы, второй закон Ньютона (формулировка и уравнение), формула связи массы и объема вещества

Третий закон Ньютона

Формулировка третьего закона Ньютона и модели ситуаций взаимодействия для сил тяготения, упругости, трения

Перечень знаний по теме «Виды сил в механике»

Сила упругости

Определения понятий «деформация, абсолютная деформация, сила упругости, сила реакции опоры», модель воздействия опоры и подвеса, модель воздействия опоры и подвеса, формулировка закона Гука и его уравнение

Сила трения

Определения понятий «сила трения, коэффициент трения», модель воздействия поверхности при движении по ней, формулировка закона трения скольжения (качения) и его уравнение

Логическая структура учебного материала по теме исследования.

Содержание учебного материала по теме исследования (текст и внетекстовые компоненты).

Планирование учебно-методического процесса.

Формы и методы изучения разрабатываемого материала.