1. Методические особенности изучения темы «Давление твердых тел, жидкостей
и газов»
Изучение этой темы является продолжением темы «Взаимодействие тел» в 7
классе. Здесь рассматривается случай, когда твердые, жидкие и газообразные
тела соприкасаются друг с другом по некоторой поверхности и находятся
относительно друг друга в покое. В этом случае оба взаимодействующих тела
деформированы по всей поверхности соприкосновения.
В качестве меры напряженного состояния тел, используют физическую величину
– давление.
Формирование этого понятия можно начинать с рассмотрения примеров из
повседневной жизни, хождение по снегу на лыжах и без и т.д. На основе
примеров можно сделать вывод: результат действия силы зависит не только от
ее модуля, но и от площади той поверхности, перпендикулярно которой она
действует. Здесь можно предложить учащимся опыт, описанный в учебнике
(песок, гвозди, груз).
При введении понятий давления, можно создать проблемную ситуацию, ставя
перед учениками следующие задачи:
1. Мальчик стоит на снегу на лыжах, а потом без. В каком случае снег
деформируется больше.
2. На лыжах стояли сначала папа, а потом его 5-ти летний сын.
3. На лыжах стояли папа и сын, длина лыж у папы 2,70 м, а у сына 1,10 м.
На 3-й вопрос ученики затрудняются ответить, следовательно возникает
необходимость уравнять условия, рассматривать силу, действующую на единицу
поверхности. Это новую величину называют давлением.
Далее даем опережение:
Величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно к площади этой
поверхности, называется давлением.
Авторы учебника испытывают, так называемой мнемонический прием: [pic] ,
давление – p, сила – F, площадь – S.
Очень важно для закрепления данного понятия решать задачи не только
количественного, но и экспериментального характера.
Далее рассматривается вопрос о давлении газа. Подчеркивается, что давление
газа на стенки сосуда обусловлено ударами молнии и зависит от их числа
(плотность газа) и скорости движения (температуры). Это положение
подтверждается опытом.
Рассмотрим закон Паскаля. Этот закон является основным законом
аэрогидродинамики и является теоретической основой для изучения практически
всех вопросов, связанных с движением в жидкостях и газах. Авторы учебника
предлагают изучать этот закон с мысленного эксперимента. (равномерно
распределенный газ – сжатие газа, промежуточный этап – неравномерное
распределение, снова равномерное распределение).
На основе мысленного эксперимента формулируется закон Паскаля:
Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в
каждую точку жидкости или газа.
Демонстрируется опыт с шаром Паскаля. Необходимо подчеркнуть, что закон
Паскаля – количественный закон, но на первом этапе его изучения нельзя
показать учащимся количественный вывод но, так как они не знают устройство
и принцип действия манометра. Следовательно после изучения манометров,
можно вернуться к этому вопросу.
После изучения закона показывают его практическое применение, на примере
гидравлического пресса.
Давление в жидкости и газе.
Когда идет речь о законе Паскаля, там говорится о передаче жидкостью или
газом внешнего давления, но кроме давления, производимого на жидкость из
вне, можно говорить о давлении внутри жидкости, обусловленном его
притяжением к Земле (весовое давление).
При изучении данного вопроса можно организовать поисковую деятельность в
такой последовательности:
а) с помощью опытов разбирают следующие вопросы: "Только ли вода давит на
дно и стенки сосуда"; б) существует ли давление внутри жидкости; в) от чего
оно зависит; г) каково давление внутри жидкости на одном и том же уровне.
С помощью опытов приходим к выводу, что весовое давление зависит от рода
жидкости и глубины погружения. Можно формулу для определения давления
вывести теоретически:
[pic]
Для того, чтобы учащиеся усвоили эту формулу необходимо решать ряд задач.
Сообщающиеся сосуды легко усваиваются учащимися.
Атмосферное давление.
С этим понятием учащиеся уже встречались на уроках геометрии. На уроках
физики они рассматривают физическую сущность атмосферного давления. Его
причины, способы измерения. При изучении данной темы необходимо решить два
вопроса: 1. Показать, что атмосферное давление существует. Это можно
доказать с помощью опытов: поднятие воды под поршнем, фонтан, опыт с
магденбургскими полушариями. Данный материал богат исторически. Близко к
понятию атмосферного давления подошел Галилей, решая задачу, почему насосы
поднимают воду с глубины, не превышающей 10 метров. 2. Способ измерения
атмосферного давления. Опыт Торричелли по измерению атмосферного давления
принадлежит к фундаментальным опытам. Показать этот опыт невозможно,
поэтому о нем рассказывается, используя плакаты (ртуть…)
Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.
К изучению данной темы можно подойти различными способами. Рассмотрим один
из них.
Изучение данной темы можно начать, проделав ряд опытов: 1. При погружении
мяча в аквариум с водой, учащиеся убеждаются, что мяч всплывает. Ответ:
возникает выталкивающая сила со стороны жидкости (газа). 2. Берут
металлический груз из набора гирь, подвязанного на нити, и погружают в
воду, от не всплывает, а погружается на дно. Вопрос: Действует ли в этом
случае выталкивающая сила. Затем переходят к нахождению значения этой силы.
Это можно сделать, используя различные методические приемы: 1. В начале
теоретически находят значение этой силы, а затем на опыте подтверждают. 2.
Рассматривают условие плавания тел, рассматривая 3 случая: Выталкивающая
сила, больше, равна и меньше веса тела.
2. Методика изучения темы «Первоначальные сведения о строении вещества» в 7
классе.
В связи с конкретно-образным мышлением учащихся данного возраста на первых
порах трудно убедить их в объективном существовании атомов, молекул,
электронов – этих чувственно не воспринимаемых частиц вещества. Для
преодоления этой трудности необходимо прежде всего убедить семиклассников в
том, что наши органы чувств при непосредственном восприятии объектов не
всегда дают верную информацию о свойствах этих объектов. Например, глядя на
густое дерево издалека, мы воспринимаем его крону в виде сплошного тела и,
только приблизившись к дереву, начинаем различать отдельные листья.
Поэтому тот факт, что мы видим окружающие нас тела сплошными, еще не
означает, что они таковы на самом деле Необходимы опыты, позволяющие дать
обоснованный ответ на вопрос о строении вещества.
Опытов, подводящих к догадке о дискретном строении вещества, может быть
проделано много, например - уменьшение объема газа при сжатии, расширение
твердых тел, жидкостей, газов при нагревании, уменьшение их объема при
охлаждении, уменьшение суммарного объема воды и спирта при их перемешивании
и др. Обязательными являются опыты, показывающие возможность дробления
вещества на все более и более мелкие кусочки (дробление куска мела,
получение муки, растворение краски в воде и др.), так как молекула вводится
как предел дробимости данного вещества.
В данной теме учащиеся по существу впервые встречаются с такими малыми
размерами, как размеры молекул, и осознать, образно представить частицы
столь малых размеров они не в состоянии. Поэтому не имеет смысла приводить
числовое значение размеров молекул. Лучше сравнить эти размеры с размерами
объектов, хорошо знакомых ребятам из жизненной практики. Например, можно
сказать, что молекула во столько раз меньше яблока среднего размера, во
сколько раз яблоко меньше земного шара, или: если мысленно увеличить
размеры молекулы воды так, чтобы она выглядела шариком радиусом 1 мм, то
при этом молекулы, из которых состоит бумага, выглядели бы как веревка
толщиной 1 см и длиной до 10 м.
Большую роль в формировании правильных представлений о размерах молекул
играет фронтальная лабораторная работа "Измерение размеров малых тел". При
ее выполнении учащиеся знакомятся с методом рядов при определении размеров
малых тел (горошин, крупинок, диаметра проволоки и др.) и самостоятельно
рассчитывают размер молекулы, работая с фотографиями, приведенными в
учебнике. Эти фотографии, сделанные с помощью электронного микроскопа,
должны показать учащимся, что объективное существование молекул и атомов –
в настоящее время твердо установленный факт.
О том, что молекулы движутся, школьники могут догадаться сами, если им
предложить объяснить причину распространения быстро испаряющихся пахучих
веществ. Догадку учитель должен рассматривать как гипотезу, которая может
быть подтверждена или опровергнута опытом. Опыты по диффузии газов и
жидкостей описаны в методической литературе. Об опыте
по диффузии твердых тел рассказывается во фрагменте "Диффузия" кинофильма
"Молекулы и молекулярное движение".
Весьма важным элементом знаний, приобретаемых учащимися при изучении темы
"Первоначальные сведения о строении вещества", является знание о связи
скорости движения молекул с температурой тела. На это положение опираются
при рассмотрении способов изменения внутренней энергии тела (VIII класс).
Догадаться о связи скорости движения молекул и температуры тела учащиеся
тоже могут самостоятельно, наблюдая за образованием разных объемов
окрашенной воды при растворении одинаковых кусочков грифеля химического
карандаша в холодной и теплой воде. Предположение о том, что при более
высокой температуре молекулы движутся быстрее, высказанное учащимися,
следует рассматривать как гипотезу и предложить им придумать дома опыт для
ее проверки.
Семиклассники должны хорошо понимать, что теплая вода состоит из таких же
молекул, что и холодная. Разница заключается лишь в скоростях движения
молекул.
К догадке о взаимном притяжении молекул можно подвести учащихся вопросом:
почему же тела, состоящие из молекул, между которыми есть промежутки, не
рассыпаются? Чтобы заострить внимание на расстоянии, при котором притяжение
между молекулами становится заметным, целесообразно для проверки
предположения, высказанного в ответе на поставленный вопрос, взять сначала
две стеклянные трубочки и показать, что при их сближении они "не
слипаются", а затем то же самое проделать с двумя кусочками пластилина.
Об отталкивании молекул школьники тоже могут догадаться самостоятельно,
если им предложить объяснить опыты, обнаруживающие упругость газов, малую
сжимаемость жидкости, твердых тел и др.
Таким образом, основные знания в этой теме учитель не должен давать в
готовом виде, а, умело создавая проблемные ситуации с помощью эксперимента,
побуждать учащихся искать пути решения проблемы, разрабатывать, планировать
и проводить эксперимент с целью проверки высказанных гипотез, анализировать
его результаты. Только в этом случае семиклассники будут осваивать
эмпирический метод познания.
Вместе с тем в данную тему входят и такие научные факты, экспериментальное
обоснование которых в данном курсе невозможно Это следующие утверждения,
молекулы одного вещества одинаковы, молекулы состоят из атомов, атомы
состоят из элементарных частиц Эти утверждения дают догматически.
Для проверки знаний по данной теме лучше всего воспользоваться заданиями с
выбором ответа, поскольку учащиеся еще не успели научиться свободному
обращению с новой для них физической терминологией и будут затрудняться в
выражении своих мыслей письменно.
Изучение темы целесообразно завершить уроком-конференцией, на которой
семиклассники в коротких выступлениях расскажут о жизни и деятельности М.
В. Ломоносова и его работах по изучению строения вещества.
3. Научно-методический анализ и методика формирования понятий тема:
«Тепловые явления» в 8 классе.
При изучении данной темы учащиеся знакомятся с рядом понятий: теплота,
количество теплоты, теплоемкость, теплопередача, конвекция и т.д. при
изучении данной темы используется политехнический материал, изучается
двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, паровое отопление.
Рассматривая методику изучения некоторых вопросов данной темы:
3.1. Хаотичное, тепловое движение молекул, температура.
Приступая к изучению данного вопроса необходимо повторить с учащимися
основные положения МКТ. Учащиеся вспоминают, что молекулы находятся в
непрерывном хаотическом движении. Такое движение получило название
теплового. Напоминаем, что скорость движения зависит от температуры. Затем,
переходим к температуре. В 8 классе авторы учебника Перышкин, Родина не
дают определения температуры, так как они не вводят понятия теплового
равновесия. Достаточно, если учащиеся воспримут понятие температуры, как о
степени нагретости тел, ознакомятся с устройством и принципом действия
термометра. На опыте объясняется учащимся следующую демонстрацию: берут 3
одинаковых сосуда, в первом – нагретая вода, во втором – комнатной
температуры, в третьем – холодная. Опускаем палец. В субъективности
теплового ощущения ученики убеждаются на этом опыте. Из этого можно сделать
вывод: необходимы специальные приборы – термометры – принцип действия
которых основан на тепловом расширении. Вместе с учащимися выяснить правила
измерения термометром. 1) каждый термометр предназначен для измерения
температуры только в определенных пределах. 2) нельзя пользоваться
термометром, если измеряемая температура выше или ниже установленных для
данного прибора значений. 3) отсчет по термометру нужно производить через
некоторое время. 4) при измерении температуры термометр (кроме
медицинского) не должен извлекаться из среды, температура которой
измеряется. 5) следить за правилами расположения глаза.
Полезно сообщить учащимся некоторые значения температур встречающихся в
природе и технике.
3.2. Внутренняя энергия тел и способы ее измерения
Внутренняя энергия – это одно из фундаментальных понятий в физике. К
формированию этого понятия можно подойти различными путями, например,
авторы учебника формирование этого понятия начинают с опыта о кажущемся
нарушении закона сохранения энергии при соударении неупругих тел. Опыт: шар
падает на спальную плиту. Непонятно, до удара, шар и стальная плита
обладали внутренней энергией. Второй способ: используется идея о том, что
работа представляет собой меру изменчивости или превращения энергии. Если
тело способно совершить работу, то оно обладает энергией. Здесь можно
предложить опыт с картофелем пистолетом (колба закрывается картофельной
пробкой и помещается под колпак воздушного насоса, откачав воздух, пробка
вылетает). Возникает вопрос: Обладал ли воздух в колбе энергией? (Да).
Далее дают определение: Энергия движения и взаимодействия частиц, из
которых состоит тело называется внутренней энергией.
Дальнейшая задача состоит в том. Чтобы ознакомить учащихся со способами
измерения внутренней энергии. Для этого проводится ряд опытов: нитью
натирают цилиндр и резиновая пробка вылетает; в сосуд наливают немного
воды, накачивают в него воздух, пробка вылетает и в сосуде наблюдается пар;
в шарообразную колбу с изогнутым концом, в трубку наливается вода
(капелька) держа колбу в руках капелька будет перемещаться по трубке. На
основе опытов приходим к выводу, что внутреннюю энергию можно изменить
двумя способами: теплообмен и совершение работы.
Далее дают определение: Процесс изменения внутренней энергии при котором
над телом совершается работа, а энергия передается от одних частиц к другим
называют теплопередачей.
Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.
Теплопроводность. Из жизненного опыта ученикам известен процесс передачи
энергии от одного тела другому. Однако, они не подставляют себе различия
тел по теплопроводности. Поэтому необходимо рассмотреть этот вопрос,
используя опыт: берут стальную и медную проволоки, на равных расстояниях
приклеивают парафином (пластилином) спички. Из опыта дел вывод: разные тела
обладают разной теплопроводностью. При изучении вопроса можно сделать
проблемную ситуацию: в картонной коробке кипятят воду.
Полезно также подчеркнуть, что при теплопроводности происходит перенос
энергии, связанной с хаотическим движением микрочастиц, само же вещество не
переносится. Для закрепления материала решают качественные задачи.
Конвекция. При изучении конвекции можно предложить следующие опыты: U
образная трубка с перегородкой в верхней части, заполняется водой, выше
уровня перегородки, затем с одного конца внизу нагревается (в трубки
помещаются марганцовка, в одну трубку к низу, в другую сверху…); в трубку с
двух сторон вставляют пробки с термометрами и начинают ее нагревать
(термометр, находящийся выше покажет большую температуру). При конвекции
происходит перенос вещества.
Для закрепления материала авторы учебника рассматривают образование дневных
и ночных бризов, а в технике – образование тяги в дымоходе, конвекция в
водяном отоплении.
Излучение. Излучение, как вид переноса, связано с излучением и поглощением
частицами вещества электромагнитных волн и поэтому не может быть объяснено
обстоятельно 8-классникам, поэтому при ознакомлении учащихся с этим видом
теплопередачи, следует проводить широко экспериментально. Здесь можно
поставить проблемный опыт. Капля жидкости в трубке термоскопа перемещается
вправо, указывая на расширение воздуха в термоскопе от нагревания.
Формулируют проблему: "Почему капля в термоскопе перемещается и тогда,
когда нагреватель расположен на одном и том же уровне с термоскопом?".
Подчеркивается, что в данном случае тепло передается от нагретого тела с
помощью невидимых глазом лучей – тепловых лучей. Здесь же подчеркивается,
что при излучении наличие среды необязательно, перенос энергии может
происходить и в вакууме (передача энергии от Солнца к Земле).
Количество теплоты. Единицы количества теплоты. Процесс совершения
механической работы и процесс теплопередачи имеют общий признак – изменяют
внутреннюю энергию тела.
Меру изменения внутренней энергии путем совершения работы назвали
количеством работы, а меру изменения внутренней энергии в процессе
теплопередачи назвали количеством теплоты.
Далее выясняют от чего зависит количество теплоты Q полученное или отданное
телом. Для расчета количества теплоты необходимо ввести понятие удельной
теплоемкости. Необходимо выяснить с учащимися, что количество теплоты,
полученное (отданное) телом при теплопередаче зависит от рода вещества. Эту
зависимость характеризую. Особой величиной, называемой удельной
теплоемкостью вещества. Это можно проверить, проводя следующий эксперимент:
используют прибор Тиндаля и замечают, что алюминиевый цилиндр погружается
больше в парафин, затем железный и медный. Делают вывод: тела из разных
веществ, но одной массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на
одну температуру разное количество теплоты.
После этого вводим понятие удельной теплоемкости. Для закрепления
необходимо работать с таблицей удельных теплоемкостей, ставя следующие
вопросы: 1. Что означает, что удельная теплоемкость воды 4200 Дж/ кг К? 2.
Найдите вещество для которого теплоемкость наибольшая и т.п.
Введя понятие удельной теплоемкости, можно рассчитать количество теплоты
необходимое для нагрева тела массой 1 кг на температуру [pic] для случая m
вещества: [pic]. Далее изучается испарение, кипение, находят количество
теплоты необходимое для плавления, для парообразования и т.д. Необходимо
расплавить лед, испарить воду.
AB – процесс нагревания Q1=mcл(T-T1); BC – плавление Q2=?m; CD –
нагревание Q3=mcH2O(T2-To); DE – парообразование Q2=?m
4. Методические особенности изучения темы: «Электрические явления» в 8
классе.
Данная тема представляет собой двух логично завершенных и в то же время
связанных друг с другом частей. В первой части рассматривают начальные
сведения о строении атомов, а во второй – простейшие электрические цепи,
вводят ряд понятий: сила тока, напряжение, сопротивление, работа и мощность
тока, изучается закон Ома для участка цепи, а также понятия об
электрическом и магнитном полях.
При изучении данной темы учащиеся получают ряд практических умений и
навыков: собирать простейшие электрические цепи, измерять силу тока и
напряжение с помощью амперметра и вольтметра.
Законы электрического тока устанавливаются опытным путем, что позволяет
подчеркнуть значение опыта, как источника знания. Здесь же изучаются
элементы электронной теории, которые применяются для объяснения природы
электрического тока.
Рассмотрим некоторые методические аспекты изучения данной темы:
Электрический заряд – является сложным физическим понятием для учащихся. К
этому понятию учащихся подводят на основе опытов по электризации тел. На
основе опытов по электризации различных тел (стекла, эбонита, капрона, и
т.д.) ищут ответ на следующие вопросы: 1. Только ли эбонит при натирании
шерстью электризуется? 2. Обязательно ли натирать тела шерстью? 3.
Электризуются оба или одно из натертых тел? 4. Зависит ли род заряда
накопленного на поверхности тела, от вещества тела соприкасающегося с
данным? И т.д.
На основе этого приводим учащихся к выводу: электрический заряд всегда
связан с материальным носителем – телом, частицей и т.д. и с другой стороны
характеризует свойства материальных носителей "притягивать" к себе другие
тела (то есть способность тел к электромагнитному взаимодействию) –
последнюю фразу учитель не произносит, а с другой стороны является
количественной мерой этого взаимодействия.
Понятие электрического поля вводят как и понятие заряда без определения,
ссылаясь на работы Фарадея и Максвелла учитель утверждает, что в
пространстве где находится электрический заряд, существует электрическое
поле. Взаимосвязь между зарядами осуществляется электрическим полем. На
опыте выясняется, что вблизи заряженных тел действует поле сильнее, а при
удалении от них поле слабее.
Электрон. Строение атома. При введении этого понятия поступают так как и
при введении понятия "молекула". Для этого показывают, что электрический
заряд делим, то есть существует наименьшая заряженная частица. Этот опыт
воспроизводится учащимися, но далее детализировать данные опыта нет
необходимости. Поэтому далее учитель подчеркивает, что с помощью очень
точных экспериментов такая частица была обнаружена и назвали ее электрон.
Напоминают, что тела состоят из атомов и молекул, следовательно электрон
должен быть внутри атомов. Эту гипотезу необходимо проверить
экспериментально, так как опыт Резерфорда исключен из программы 8 класса,
следует в общих чертах рассказать об этом опыте. В результате этого опыта
была дана планетарная модель атома, которая напоминает нашу Солнечную
систему. Для того, чтобы создать у школьников представление о размерах
атомов, целесообразно прибегать к приему сравнения. Если бы атом
увеличивался так, чтобы ядро приняло бы размеры 10 копеечной монеты, то
расстояние между ядром и электроном стало бы равно 1 км.
Учащиеся должны знать порядковый номер в таблице Менделеева характеризует
заряд ядра атома и соответствующее число электронов в атоме. Для
моделирования атома необходимо рассказать, что ближайшая к ядру оболочка
может содержать не более 2, а следующая не более 8 электронов. Можно
предложить учащимся вылепить из цветного пластилина модели атомов Н2 и Не.
С помощью их можно показать появление "+" и "-" ионов.
Учащиеся знают, что тела состоят из молекул, атомов. В металлах часть
электронов слабо связана с ядрами атомов и поэтому они становятся
свободными. Следовательно в узлах кристаллической решетки расположены ионы,
а между ними свободно движутся электроны. Так как в обычных условиях
отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен
положительному заряду всех ионов решетки, то в обычных условиях металлы
электрически нейтральны, но если создать электрическое поле, то электроны
начнут двигаться упорядоченно. Все это позволяет дать следующее
определение: электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное
движение свободных электронов.
Далее рассматривают источники электрического тока. Подчеркивают, что в
любом источнике тока совершается работа по распределению положительных и
отрицательных частиц. Данная работа совершается силами не электрической
природы.
Рассмотрим методику формирования некоторых понятий данной темы:
Сила тока. Амперметр. Действия электрического тока (тепловое, химическое,
магнитное, механическое) могут проявляться в разной степени – сильнее или
слабее. Используя различные опыты, можно показать, что степень действия
электрического тока зависит от заряда, прошедшего по цепи за 1 секунду и
дается определение: электрический заряд, проходящий через поперечное
сечение проводника в единицу времени определяет силу тока в цепи. Таким
образом приходим к следующему определению: Сила тока равна отношению
электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника ко
времени его прохождения.
[pic]
I=q/t. За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких
параллельных проводников в 1 м взаимодействуют с силой 2*10-7 Н, эту
единицу называют ампер.
После введения понятия сила тока рассматривают амперметр и знакомятся с
правилами работы с ним.
Напряжение. Вольтметр. Понятие напряжение с трудом воспринимается
учащимися. В методической литературе имеется описание различных методов
введения этого понятия. Авторы учебника Физика – 8 используют
энергетический подход. Опираясь на знания учащихся о том. Что чем больше
сила тока в цепи, тем интенсивнее его действие, тем большую работу он
совершает, больше его мощность. Можно предложить следующий опыт: подбирают
лампочку на 3,5 В или 6,3 В и включают в цепь, измеряя с помощью силу тока.
Затем берут лампочку на 220 В и включают в цепь, опять измеряя силу тока,
лампочку надо подобрать таким образом, чтобы сила тока была одинаковой.
Лампочка на 220 В дает больше света и тепла, следовательно мощность I
(работа I) зависит не только от I, но и от другой физической величины –
напряжения U. Напряжение – это физическая величина, характеризующая
электрические поле, которое создает ток. Формулу для нахождения напряжения
можно записать следующим образом: U=A/q – более научно. U=P/I, 1 В = 1 Дж /
Кл. Далее знакомят учащихся с вольтметром и правилами работы с ним.
Сопротивление. Введение этого понятия начинают с постановки опытов, в
которых используют источник тока, магазин сопротивлений, амперметр,
вольтметр, ключ. В начале показывается, что сила тока в проводнике прямо
пропорциональна напряжению на концах проводника. Затем ставят вопрос:
Зависит ли сила тока от свойств проводника? Опыт показывает, что сила тока
зависит от свойств проводника. Далее утверждают, что зависимость силы тока
от свойство проводника объясняется тем, что различные проводники обладают
различными сопротивлениями. Следовательно сопротивление проводника не
определяют, а вводят описательно. Далее говорят о единицах применения
сопротивления.
Закон Ома устанавливают экспериментально. Вначале показывают зависимость
силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении. Затем выясняется
зависимость силы тока от сопротивления, при постоянном напряжении, выводят
I = U / R.
На опыте устанавливается от чего зависит сопротивление проводника R=?l/S
5. Методика изучения темы «Световые явления» в 8 классе.
Изучение данной темы имеет большое познавательное политехническое и
воспитательное значение. Мы познаем мир, благодаря свету и нашим зрительным
ощущениям.
На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Данная тема
имеет огромное значение для понимания природы света.
При рассмотрении данной темы решается две проблемы: 1. Как распространяется
свет от источника в однородной среде? 2. Как ведет себя свет на границе
раздела двух сред?
Поэтому и данный материал состоит из трех частей: прямолинейность
распределения света; законы отражения; явления преломления света.
Остальной материла является следствием этих положений. При рассмотрении
данного раздела не изучаются такие вопросы как понятие о скорости и
свойствах, явление разложения белого света в спектр, объяснение цвета тел,
явлений интерференции и дифракции.
При изучении данной темы все время приходится оперировать понятиями
световой луч или луч света. Известно, что световой луч – это линия, вдоль
которой распространяется световой поток. (Это определение в 8 классе не
дается) Но в то же время, необходимо разъяснить школьникам, что световой
луч это идеализация, в действительности имеем дело со световыми пучками.
Необходимо отметить, что в геометрической оптике имеются и другие
идеализации: линия изображения, точечный источник света.
Изучение темы световые явления начинают с напоминания фактов прямолинейного
распространения света. Конечно школьникам это известно из повседневной
жизни, но на уроке необходимо обязательно использовать эксперимент.
Напоминает учащимся о том, что о прямолинейности распространения света.
Писал еще основатель геометрии Евклид за 300 лет до нашей эры и вероятно
понятие о прямой линии возникло из представления прямолинейности
распространения света в однородной среде. Здесь можно показать ряд опытов и
убедить школьников в этом. Рассказать о Солнечных затмениях. Приступая к
изучению законов отражения целесообразно показать явления отражения и
преломления света на границе двух прозрачных сред, показать как они
происходят одновременно. Опыт сопровождаем рисунком (выпуклая линза, с
плоской стороны падает луч, подписываются падающий, отраженный и
преломленный лучи). При демонстрировании опыта с оптическим диском
необходимо обратить внимание учащихся, что при падении пучка света на
границу двух сред (в нашем случае воздух – стекло) пучок раздваивается
первая часть возвращается в среду (явление отражения), в другая проникает
во вторую среду, изменив свое направление (преломление).
Урок по изучению законов отражения можно построить таким образом, чтобы
основные выводы ученики сделали сами, проводя с ними фронтальную
лабораторную работу. На основе опыта формулируется закон отражения:
Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр восстановленный в точке раздела
сред лежит в одной полуплоскости, причем угол падения равен углу отражения.
Затем рассматриваются виды отражения: зеркальное и диффузионное. На основе
законов отражения строят изображение в плоском зеркале. Необходимо сделать
акцент на то, что плоское зеркало это приспособление для изменения хода
лучей света, но не может преобразовывать пучки света. Способность органов
зрения животных видеть предметы только прямолинейно, когда от предмета свет
непосредственно падает в глаз относится к их врожденной способности.
Например, глядя на плоское зеркало мы не смотрим на предмет, находящийся
перед зеркалом, поэтому свет от предмета не посредственно не воздействует
на глаз, а воздействует на него, только после отражения от зеркала, так как
отраженный от зеркала свет распространяется прямолинейно, то благодаря
зрительной привычке, наш кажущейся предмет, находится на прямой линии а
именно за зеркалом, а не там, где он находится на сомом деле. Физически
существует только действительное изображение. Здесь исходят их
энергетических представлений. На месте возникновения действительного
изображения происходит на самом деле концентрация энергии света. Мнимое
изображение не может быть получено на экране так как в данном месте энергия
не концентрируется. При Изучении явления преломления света на опыте
показываем, что падающий, преломленный лучи лежат в одной плоскости. Здесь
же показывается, что происходит с преломленным лучом, если он падает из
менее плотной среды в более плотную и наоборот.
Линзы в 8 классе рассматривают лишь экспериментально, как следствие
преломления. Здесь вводят понятия фокус, оптическая сила линзы. Формула
линзы не дается (хотя в сильном классе можно дать). Перед тем, как изучать
полученное изображение с помощью линзы проводят ряд демонстраций, выявляют
свойства лучей, проходящих через линзу. 1. Лучи параллельные главной
оптической оси после прохождения через линзу пересекаются в фокусе. 2. Луч
проходящий через фокус, после прохождения линзы, становится параллельным
главной оптической оси. 3. Луч проходящий через центр линзы проходит без
изменения. 4. Свойство обратимости луча.
При построении изображения в собирающей линзе рассматривают три случая: 1.
Предмет находится за двойным фокусом рассматриваемой линзы. 2. Предмет
находится между фокусом и двойным фокусом. 3. Предмет находится между
фокусом и линзой. Строят изображение в рассеивающей линзе. В завершение
темы рассматривается вопрос устройства глаза и фотоаппарата.
6. Методические особенности изучения «Волновой оптики».
Темой "Световые волны" начинается изучение вопросов волновой оптики. При
этом совершается переход от формального описания световых явлений методами
геометрической оптики и их объяснению с помощью волновых представлений о
природе света. В этой теме могут быть выделены следующие части: скорость
света в вакууме и в веществе; подтверждение справедливости принципа
Гюгенса; явление отражения,, преломления, дисперсия света, как проявление
его волновых свойств; интерференция и дифракция – прямое доказательство
наличия у света волновых свойств.
В качестве исходного факта, на основании которого можно утверждать, что
свет представляет собой электромагнитную волну, следует использовать факт
совпадения экспериментально найденного значения скорости света со скоростью
электромагнитной волны. Поэтому начинать изучение данной темы с вопроса о
определении скорости света. Обычно знакомят учащихся с одним из
лабораторных способов (опыт Физо) определения скорости света и
астрономического метода (Рюмера). Было бы желательно здесь использовать
историзм, рассматривая идеи Галилея о определении скорости света.
При рассмотрении опытов акцент должен быть сделан не на детальное изучение
опытов, а на идею опытов и на полученный результат.
Доказательство волнового характера исследуемого процесса – наличие для
этого процесса явлений интерференции и дифракции. При рассмотрении
интерференции необходимо напомнить, что устойчивую интерференционную
картину можно наблюдать для когерентных источников колебаний, то есть
равенство частот колебаний, сохранение во времени разности фаз колебаний.
При рассмотрении интерференции волн возникает вопрос: как пользуясь
обычными некогерентными излучениями света создать взаимно когерентные
источники и получить устойчивую интерференционную картину? Ее можно
получить разделением светового пучка от обычного источника света на два,
которые потом сводятся вместе и они интерферируют.
[pic] - разность хода.
[pic], [pic], [pic].
max: [pic], [pic], [pic].
ОПС (нет странички….)
Далее переходим к рассмотрению вопроса о дифракции. Напоминаем основные
условия, при выполнении которых возможно наблюдение дифракции волн: размеры
препятствия должны быть соизмеримы с длинной волны, то есть если длина
волны ? проходимая через отверстие D (ширина дифракционной щели является
размером препятствия), от которого наблюдатель уделен на расстояние L, то
дифракцию наблюдают не только при условии D приближенно равно ?, но и при
более общем условии D2
7. Анализ и изучение основных понятий кинематики (анализ методических
подходов в описании движения в механике, методика введения основных понятий
кинематики).
Раздел Кинематика очень сложен для учащихся, с него начинается изучение
механики, после интересного, нематематизированного курса физики 7-8 классов
происходит резкий скачок. Учащиеся сталкиваются с множеством новых понятий,
формул, усложняется математический аппарат физики.
Кинематика раздел механики, котором решается часть ее основной задачи. Не
пользуясь еще знаниями динамики для нахождения ускорения, а считая его
данным определяют положение тела в любой момент времени по заданным
начальным условиям.
Основное образовательное значение темы заключается в овладении общими
методами решения этой задачи, это требует овладения учащимися рядом
физический понятий и модельных представлений: материальная точка, система
отсчета, перемещение, скорость, ускорение и т.д.
Одна из особенностей изучения данного раздела заключается в том, что в
механике достаточно полно представляется физическая теория. Поэтому учителю
представляется возможность на примере механики проанализировать,
проиллюстрировать структуру физической теории. В любой физической теории в
соответствии с этапами цикла познания в учебном процессе можно условно
выделить три части: основание, ядро, выводы.
Общая схема курса механики: Основание: описание положения материальной
точки в пространстве, ускорение, сила, сила, наблюдение и эксперимент,
подводящие к знанию. Ядро: законы Ньютона, закон всемирного тяготения,
законы сохранения импульса и механической энергии. Выводы: применение
законов Ньютона и сохранения в конкретных случаях движения и равновесия.
На эту схему следует обратить внимание учащихся для того, чтобы в конечном
счете такая схема стала доминирующим алгоритмом в мышлении учащихся.
Необходимо помнить, что основные понятия, формируемые в данной теме
применяются на протяжении значительной части курса физики, поэтому от их
усвоения зависит успешность овладения учащимися всем содержанием
физического образования.
В механике существуют различные способы описания движения: 1) с помощью
пути, как функции времени S = S (t); 2) с помощью радиус – вектора r = r
(t) и его изменение во времени.
Однако описать движение по среднему пути пройденному вдоль траектории, как
функции времени не всегда возможно, так как траектория движения может быть
неизвестна. К тому же при описании движения, пути, пройденного вдоль
траектории, как функции от времени S = S (t), основные кинематические
характеристики (скорость, ускорение) вводят в два этапа: сначала как
скалярные величины, а затем как векторные. При описании движения с помощью
радиус вектора, как функции от времени, основные кинематические величины
вводят сразу, как векторные величины.
При формировании понятий скорости, перемещения, ускорения в 9 классе важно,
чтобы векторный характер этих величин был усвоен учащимися достаточно
хорошо, так как знание векторного характера необходимо для понимания
законов динамики.
Напомним, что движение тела может быть описано полностью, если найден
метод описания положения движущегося тела в пространстве в любой момент
времени, для этого нужно: 1. Тело отсчета, то есть тело относительно
которого рассматривается изменение положения движущегося тела. 2.
Определить положение тела относительно тела отсчета.
Далее вводят понятие материальной точки: тело размерами которого в данных
условиях можно пренебречь, считая при этом, что его масса сосредоточенна в
одной точке. Тело отсчета, связанная с ним система координат и прибор для
отсчета времени образуют систему отсчета. Вектор соединяющий начальное
положение тела с каким0либо последующим его положением называется
перемещением.
8. Анализ и изучение основ кинематики (изучение видов движения и уравнений
движения, идея относительности в кинематике).
Рассмотрим некоторые методы особенности изучения видов движения в
кинематике. В начале изучается равномерное прямолинейное движение. После
вводится понятие скорости для этого вида движения, появляется возможность
показать, как решается основная задача кинематики для прямолинейного
движения. [pic]. Далее строят графики зависимости скорости от времени и
координаты от времени.
Далее рассматривается равноускоренное движение. Дают определение:
Прямолинейное движение, при котором скорости тела за любые равные
промежутки времени изменяются одинаково называется равноускоренным
прямолинейным движением. Быстроту изменения скорости характеризуют
величиной,. Обозначенной a и называемой ускорением. [pic]. Для того, чтобы
решить основную задачу кинематики необходимо найти перемещение при
равноускоренном движении. Имеются различные пути для решения этого вопроса.
Рассмотрим некоторые из них: 1) Автор учебника Никоин предлагает найти
перемещение с помощью графической зависимости V (t) для этого движения:
[pic], зная перемещение решается главная задача механики: [pic]. 2) Из
выражения для определения ускорения находим мгновенную скорость [pic].
Следовательно в равноускоренном движении значение мгновенной скорости,
которую тело имеет через равные промежутки времени образуют такой ряд
чисел, который получается путем прибавления к предыдущему значению a. Это
означает, что рассматриваемое значение мгновенной скорости образует
арифметическую прогрессию. Следовательно скорость прямолинейного
равноускоренного движения может быть найдена следующим образом: [pic],
[pic], [pic], [pic].
Законы кинематики могут быть найдены, используя следующий методический
подход. Используя метод опережающего обучения вначале вводится понятие
средней и мгновенной скорости, среднего и мгновенного ускорения. [pic],
если время устремить к нулю, скорость – производная пути по времени,
ускорение – вторая производная пути по времени.
Затем изучаются законы Ньютона и на основе их решается основная задача
кинематики для каждого вида движения. Согласно первому закону Ньютона, если
равнодействующая сил равна нулю, то тело либо покоится, либо движется
прямолинейно и равномерно, в этом случае средняя скорость равна мгновенной.
[pic].
Согласно второго закона Ньютона [pic], [pic].
[pic] - формула Галилея.
Задачи по кинематическому движению можно условно разбить на три группы:
1. Задачи по кинематическому равномерному движению; 2. Задачи по
кинематическому равноускоренному движению; 3. Графические задачи.
9. Методика изучения основных понятий и законов динамики (Первый закон
Ньютона, масса).
Одним из фундаментальных понятий динамики является масса. Возникает вопрос:
как ввести это понятие в школе? С понятием масса ученики встречались в 7
классе. На основе взаимодействия двух тележек делаем, что если в результате
взаимодействия тележки разошлись на одно и то же расстояние от
первоначального положения, то говорят, что их масса одинакова. Здесь же
рассматривают способы определения массы с помощью рычажных весов.
В 9 классе понятие массы развивается дальше. Возникает вопрос: С какого же
проявления следует ввести понятие массы? Может быть следует ввести понятие
массы, используя формулу Эйнштейна E=mc2, нет, так как это явление серьезно
обобщено и для его осмысления необходимо определенные знания. Если ввести
массу как количество вещества, содержащегося в теле, то тела одинаковой
массы и при одинаковых условиях имеют одинаковое количество частиц, но если
условия разные, то равенство частиц нарушается.
Поэтому вводим понятие инерциальной массы. В начале даем понятие инертность
– свойство, присущее всем телам. Состоит оно в том, что доя изменения
скорости тел требуется некоторое время… Напомним учащимся, что тела после
взаимодействия приобретут ускорения: [pic], после взаимодействия [pic],
[pic]. Затем дают определение: масса тела – это величина, характеризующая
его инертность. Равна отношению ускорения эталона к ускорению тела
(выраженного в кг), полученного ими после взаимодействия.
Первый закон Ньютона формулируется так: Существуют такие системы отсчета
относительно которых поступательно движущиеся тело сохраняет свою скорость
постоянной, если на него не действуют другие тела или действие их
компенсируется. Такие системы отсчета, относительно которых тела движутся
равномерно и прямолинейно или находятся в покое называются инерциальными.
Одна из основных дидактических задач, которая стоит перед учителем
разъяснить, что ни один опыт не может подтвердить закон инерции, так как не
существует в природе свободных, ни с чем не взаимодействующих тел.
Традиционным опытом, который помогает учащимся осмыслить первый закон
Ньютона является опыт с желобом Галилея: а) шар скатывается в кучу песка б)
шар скатывается на шероховатую поверхность в) шар скатывается на гладкую
поверхность. Обращаем внимание, что по мере уменьшения сопротивления
движение шарика увеличивается во времени. Вывод: чем меньше взаимодействие,
тем медленнее изменяется скорость.
Продолжая рассуждения (на основе мысленных экспериментов) приходим к
выводу, что если бы на движущиеся тело не действовали другие тела или
действие других тел компенсировалось бы, то в этих случаях тело находилось
бы в покое или двигалось бы сколь угодно долго.
Другая трудность изучения этого вопроса заключается в том, что первый
закон является следствием второго. В основе классической механики лежит
определенные представления о свойствах пространства и времени. Эти
утверждения справедливы и для классической механики и для СТО. Например,
утверждение об однородности и изотропности пространства относительно
инерциальной системы отсчета. Однородность пространства означает, что в нем
нет выделеных точек, которые отличались бы от других. Изотропность
пространства означает одинаковость его свойств по всем направлениям. Это
значит, что если некоторое тело свободно от внешних воздействий, покоится в
какой-то момент времени относительно ИСО и сохраняет состояние покоя во все
остальные моменты, то пространство однородно относительно этой системы.
10. Методика изучения основных понятий и законов кинематики (Сила, Второй и
Третий законы Ньютона).
При изучении второго закона ньютона можно воспользоваться экспериментом
(существует много вариантов) наиболее приемлемым для учащихся. Опыт
проводим в следующей последовательности: 1. Находим зависимость ускорения
от силы, когда масса постоянна – ускорение прямо пропорционально силе. 2.
Зависимость ускорения от массы при постоянной силе – ускорение прямо
пропорционально силе, но обратно пропорционально массе.
Во втором закон Ньютона идет речь о равнодействующей силе. При изучении
третьего закона Ньютона можно использовать различные методические подходы.
Известно, что тела в результате взаимодействия приобретают ускорения.
Отношение ускорений равно обратному отношению масс.
Два тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной и той
же прямой, равными по модулю и противоположно направлены.
К этому же уравнению можно прийти и на основе эксперимента. Опыты: на
основе двух динамометров.
При изучении третьего закона Ньютона необходимо выяснить особенности сил о
которых идет речь в нем: 1) так как силы приложены к различным телам,
нельзя говорить о их равнодействующей; 2) силы, о которых идет речь в
третьем законе Ньютона, имеют одинаковую природу.
Часто приходится решать задачи когда в условии дается система связанных
тел. Рассмотрим случай, когда тела движутся равномерно без трения. Если при
этом даны массы обеих тел и необходимо найти ускорения тел и силу натяжения
нити, то система уравнений [pic] будет решаться в том случае, если нить
считается нерастяжимой и невесомой. Не растяжимость нити позволяет считать
ускорение одинаковым. Невесомость нити позволяет считать силы равными.
11. Анализ и методика изучения законов сохранения в механике (закон
сохранения импульса и энергии).
Изучение в школе законов сохранения (ЗС) имеет большое познавательное и
мировоззренческое значение. ЗС принадлежат к наиболее общим законам
природы. В отличии, например, от закона Паскаля, который справедлив лишь
для жидкостей и газов и других законов, имеющих ограниченную область
применения. ЗС энергии и импульса выполняется во всех физических процессах.
При изучении темы Законы сохранения в механике вводятся понятия,
определяющие область применимости ЗС импульса и энергии.
Замкнутая система. Физическая система считается замкнутой, если внешние
силы не действуют на эту систему.
Однако, поскольку действие, например, гравитационных сил простирается до
бесконечности, то очевидно понятие замкнутая система является абстракцией.
Это можно пояснить следующими примерами: система тел спутник, движется
вокруг Земли, электрон движется вокруг протона в атоме. В ряде случаев,
когда внешней силой можно пренебречь, систему можно считать замкнутой. В
замкнутой системе действуют силы, которые называются внутренними.
Консервативные силы – это силы работа которых не зависит от длины пути, а
зависит только от положения начальной и конечной точек пути. К
консервативным силам можно отнести нуклоновские силы, силу тяжести, силу
упругости.
Система тел, в которой действует консервативная сила называется
консервативной. Необходимо отметить, что если для применимости закона
сохранения импульса достаточно, чтобы система тел была замкнутой, то доя
применимости закона сохранения энергии, необходимо еще чтобы внутренние
силы, действующие в замкнутой системе были консервативными.
Импульс силы. Импульс тела. Согласно второму закону Ньютона [pic], откуда [pic] (1). Из последнего
выражения видно, что изменение скорости одного и того же тела зависит не
только от силы, приложенной к телу, но и он времени ее действия. Это может
наблюдаться на ряде опытов. При быстром выдергивании листочка бумаги из под
стакана с водой, стакан остается на прежнем месте. Если привязать груз на
нить и резко дернуть нижнюю нить, оторвется нижняя нить. Если в
перечисленных опытах время действия силы увеличить, то даже при существенно
меньших действиях силы стакан и груз получат заметные скорости. Таким
образом учащиеся подводятся к понятию импульса силы – векторная величина,
которая равна произведению силы на время ее действия. Из (1) следует [pic]
(2), из (2) следует, что существует величина, одинаково изменяющаяся у тел
разной массы, если импульс действующих сил одинаков. Эту физическую
величину назвали импульсом или количеством движения. [pic].
Затем переходят к закону сохранения импульса [pic] . Необходимо отметить,
что при выводе формулы ЗС импульса учащимся надо объяснить, что в течение
времени взаимодействия (столкновении) тел модули сил с которыми тела
взаимодействуют, изменяются, оставаясь все время одинаковыми.
Полученный теоретический вывод иллюстрируется на опытах упругого и
неупругого столкновения тел.
Интересен вывод ЗС импульса, основанный на серии опытов, подводящих
учащихся к нему: а) при скатывании шара с наклонного желоба импульс
приобретаемый в конечной точке прямо пропорционален скорости полета. [pic];
б) при упругом соударении шара с таким же шаром, находящимся на
горизонтальной лотке, происходит обмен импульсами (удар центральный); в)
при упругом не центральном ударе направление разлета шаров оказывается
различным. Измерив расстояния и произведя векторные сложения перемещений,
получим ЗС импульса в векторной форме: [pic]. Закон сохранения энергии. На
первой ступени обучения физики учащиеся получили представления об энергии.
Если тело способно совершать работу, то оно обладает энергией. В 9 классе
это представление необходимо развить. Энергия – это физическая величина,
которая зависит от состояния тела (системы тел), ее перехода из одного
состояния в другое определяют величиной совершенной работы. Наиболее
простым видом механической энергии является кинетическая энергия, так как
во всех случаях она определяется mV2/2 и не зависит от того взаимодействует
это тело с другими телами или нет. Потенциальная энергия же энергия
относящаяся к системе взаимодействующих тел, ее рассчитывают в зависимости
от вида сил, обуславливающих существование этого взаимодействия.
Целесообразно начать формирование понятия энергии в механике с рассмотрения
кинетической энергии.
Кинетическая энергия. Используя определения работы и второй ЗН получим:
[pic] - теорема о кинетической энергии. Заметим, что если работа больше
ноля, то энергия возрастает в противном случае убывает. Энергия, как и
работы, является величиной относительной.
Потенциальная энергия. При изучении этого вида механической энергии важно,
чтобы школьники усвоили, что потенциальная энергия в механике – это энергия
взаимодействия по крайне мере двух тел; понятие потенциальной энергии
относится к системе тел, а не к одному телу. Это основная задача, которую
решает учитель при формировании этого понятия. Вторая задача расширить
представление о потенциальной энергии, полученное учащимся на первой
ступени. Необходимо подчеркнуть, что потенциальной энергией обладает не
только тело поднятое над Землей, но и упруго деформирующаяся пружина или
другое деформирующееся тело. Дать понятие и характеристику потенциальной
энергии. Третья задача, показать что нулевой уровень состояния системы
произволен, так как разность энергий инвариантно, относительно этого
выбора, хотя потенциальная энергия и зависит от выбора этого уровня.
При выводе формулы, связывающей изменение потенциальной энергии с работой
сил, одно из тел системы принимается за неподвижное. Поэтому потенциальную
энергию двух тел учащиеся привыкают рассматривать как энергию одного тела.
Это осложняет процесс формирования понятия об этом виде энергии. Чтобы
избежать осложнений, правильнее будет раскрывать следующее положение:
изменение потенциальной энергии двух тел, взаимодействующих с силами,
зависящими только от расстояния между ними, равно работе, взятой с
противоположным знаком. Существует несколько способов вывода ЗС энергии.
Рассмотрим некоторые из них: 1. В учебнике физика 9 Никонин предлагается
следующий методический подход: Рассматривается замкнутая система тел, в
которой действуют только консервативные силы. Опираясь на теорему о
кинетической энергии записываем, что A (например, при падении тела с высоты
h1 на высоту h2) [pic], [pic] - механическая энергия.
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел составляющих замкнутую
систему и взаимодействующих между собой только консервативными силами,
остается постоянной. 2. Выражение полученное для измерения полной
механической энергии под действием внешних сил и внутренних консервативных
сил. В этом случае получим выражение [pic]. Анализируя выражение приходим к
выводу, что сумма кинетической и потенциальной энергии их взаимодействия
остается постоянной, если выполнятся условия: 1) работа внешних сил равна
нулю; 2) работа внутренних сил равна нулю и работа внешних сил равна нулю.
Первое условие выполняется для замкнутой системы, второе требует, чтобы в
рассматриваемой системе тел не действовали неконсервативные силы, то есть
силы от относительных скоростей взаимодействующих тел, силы трения и т.д.
При таком подходе определяется область применимости ЗС механической
энергии.
12. Научно методический анализ понятий «Работа» и «Энергия».
Понятие механическая работа в науке было введено раньше, чем понятие
энергия. Термин механическая работе был введен впервые в науку в 1826 г.
ученым Понселье, а понятие энергия в 1856 г. Т. Юнгом. В школе при
формировании понятия механическая работа встречается ряд трудностей, со
многими физическими понятиями школьники встречаются в повседневной жизни и
на уроках физики, эти понятия углубляются и дается научная трактовка. С
понятием механической работы школьники встречаются впервые; смысл многих
физических величин раскрывается по ходу их изучения. В отличие от этого
математическая структура понятия работа не позволяет дать простую
функциональную интерпретацию (то есть ограничивается формально-
математическим понятием). Механическая работа тесно связана с понятием
энергия. Существует различные методические подходы к трактовке понятия
энергия: 1. Существуют различные виды движения материи. Все эти виды
превращаются друг в друга, в строго определенных количествах. Это положение
лежит в основе следующего определения: энергия – это общая, единая,
количественная мера различных форм движения материи. 2. Каждому
соответствию механической системы соответствует определенная энергия.
Переход из одного состояния в другое сопровождается изменением энергии
системы. Энергия системы – функция ее состояния. 3. В школьном определение
дается следующем виде: Энергия – свойство (способность) тел совершать
работу.
Рассмотрим основные этапы формирования понятия механическая работа в
средней школе. С этим понятием ученики впервые встречаются в 7 классе,
здесь рассматривается лишь частный случай работы, когда направление силы
совпадает с направлением перемещения, угол между ними равен нулю. Для
вычисления работы пользуемся формулой A = F S, где векторные величины F S в
7 классе не рассматриваются. После уточнения этого понятия устанавливается
достаточный и необходимый признак совершения работы. Механическая работа
совершается тогда, когда на тело действует сила и под действием этой силы
тело перемещается. На втором этапе в 9 классе понятие механической работы
расширяется и углубляется. A = F S cos ?.
Таким образом выяснилось, что работа может быть положительно и
отрицательной, а также равной нулю.
Рассмотрим выражение работы для некоторых видов сил. При изучении работы
силы тяжести прежде всего отличают, что сила тяжести и перемещение при
свободном падении направлены в одну и ту же сторону. Далее выясняется, что
работа силы тяжести не зависит от длины и формы пути, прошедшего телом, и
всегда равна произведению силы тяжести на разность вертикальных координат
исходного и конченого положения тела. Работа силы тяжести на любой
замкнутой траектории всегда равна нулю. Таким свойством обладают и другие
силы: давление, сила всемирного тяготения, сила упругости и др.
Все силы работа которых на замкнутой траектории равна нулю получили
название консервативных.
Далее выясняют вопрос о работе силы упругости, формула в учебнике получена
на примере работы, которую производит деформированная пружина при переходе
в недеформированное состояние F = kx . Для упрощения начало координат
совмещается со свободным концом недеформированной пружины. Учитывая, что
сила упругости переменна, то для вычисления работы силы упругости
приходится брать среднее значение силы, а работа равна среднему
арифметическому начального и конечного значения этой системы.
Необходимо раскрыть относительный характер величины работы, то есть
показать, что работа зависит от выбранной СО. Развивая идею относительности
движения, необходимо обратить внимание учащихся на то, что работа является
величиной относительной.
13. Методика изучения темы «Механические колебания и волны»
Эта тема включена в раздел Механика, как завершающая. По мнению методистов,
так как при первоначальном изучении колебаний и волн различной природы, их
целесообразно не объединять вместе, а изучать в соответствующих разделах
механические колебания и волны при изучении механики, а электромагнитные
волны при изучении электродинамики. Основываемся главным образом на
экспериментальное изучение колебаний начинается с введения понятия о
колебательном движении. Учащимся уже известны периодические процессы, то
есть процессы повторяющиеся через равные промежутки времени.
Колебаниями называются такое движение, при котором тело поочередно
отклоняется то в одну, то в другую сторону. В учебниках можно встретить и
другое определение: Процессы, при которых состояние системы с определенной
степенью точности периодически повторяются называются колебаниями. Из этого
определения следует, что главная особенность этого движения состоит в том,
что оно периодическое. В зависимости от природы повторяющихся процессов в
различных колебаниях: механические, эл. магн. автоколебания и т.д.
На основе опытов (пружинный маятник, груз на нити и т.д.) подчеркивают, что
колебательным системам присущ ряд общих свойств: 1. У каждой колебательной
системы есть состояние устойчивого равновесия; 2. После того, как
колебательная система выведена из положения устойчивого равновесия,
появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение; 3.
Возвратившись в устойчивое состояние система колеблющегося тела не может
сразу остановиться, ему мешает его инертность.
Колебания которые происходят без внешних воздействий, после того как тело
выведено из состояния равновесия, называется свободными.
Система тел, которая способна совершать свободные колебания, называется
колебательной системой.
Далее рассматриваются гармонические колебания. Механические колебания
которые происходят под действием силы пропорциональной смещению и
направленные противоположно ему, называют гармоническими колебаниями.
Максимальное смещение тела от положения равновесия называется амплитудой
колебания.
Продолжительность одного полного колебания называется периодом колебаний.
Частота колебаний – это число колебаний в единицу времени. v=1/T
Движение, при котором ускорение прямо пропорционально отклонению точки от
положения равновесия и всегда наплавлена в сторону равновесия называется
гармоническими колебаниями.
Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на
длинной, нерастяжимой и невесомой нити. При отклонении маятника из
положения равновесия, равнодействующая силы упругости и силы тяжести
заставляет маятник совершать колебания. Период колебания маятника [pic]
зависит от длинны нити и не зависит от массы тела, не зависит также от
амплитуды колебаний, поэтому маятник используется для регулировки хода
часов.
Рассмотрим собственные и вынужденные колебания, резонанс. Резкое
возрастание амплитуды вынужденных колебаний при равенстве частот колебаний
вынуждающей силы и собственных колебаний системы называется резонансом.
Рассматривая волны необходимо обратить внимание на следующие моменты:
процесс распространения колебаний в среде называется волной; длинной волны
называется расстояние, на которое распространяется волна за время равное
периоду колебаний частиц; скорость волны определяется из формулы: [pic];
существуют продольные и поперечные – колебания частиц происходят
перпендикулярно распространению волны.
14. Методика изучения главы «Основы МКТ вещества»
Изучение этой темы основывается на знании учащихся, полученных при изучении
курса в 7-8 классах и курса химии в 8-9 классах.
Центральное понятие этой темы – понятие молекулы; сложность его усвоения
школьниками связана с тем, что молекула – объект, непосредственно
ненаблюдаемый. Поэтому учитель должен убедить 9-ков в реальности микромира,
в возможности его познания. В связи с этим большое внимание уделяют
рассмотрению экспериментов, доказывающих существование и движение молекул и
позволяющих вычислить их основные характеристики. Кроме этого,
целесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами определения
характеристик молекул.
Положения МКТ:
1. Все вещества состоят из молекул. 2. Эти молекулы хаотично и непрерывно
движутся. 3. Молекулы взаимодействуют между собой. Правильное объяснение броуновского движения было дано Эйнштейном спустя 80
лет Сухомлинский построил, а Перрен экспериментально подтвердил теорию
броуновского движения. При рассмотрении броуновского движения необходимо
сделать следующие выводы: 1. Движение броуновских частиц вызывается ударами
молекул вещества о стенки сосуда, в котором они взвешены. 2. Броуновское
движение непрерывно и бесконечно. Оно зависит от свойств вещества, в
котором эти частицы взвешены. 3. Движение броуновской частицы позволяет
судить о движении молекулы среды, в котором частицы находятся. 4.
Броуновское движение доказывают существование молнии, их движение которое
носит непрерывный и хаотичный характер этого движения.
Вопрос о взаимодействии молекул школьники уже изучали в 10 классе, знания
поэтому нужно углубить. Необходимо подчеркнуть следующие моменты:
межмолекулярные взаимодействия имеют электромагнитную природу;
межмолекулярные взаимодействие характеризуется силами притяжения и
отталкивания; силы межмолекулярного взаимодействия действуют на расстояниях не больше 2-3 диаметров молекул. На этом расстоянии заметна лишь сила
притяжения, силы отталкивания практически равны нулю; по мере уменьшения
расстояния между молекулами силы взаимодействия увеличиваются. Сила
отталкивания растет быстрее, чем сила притяжения.
Вводят ряд понятий: Относительной молекулярной (атомной) массой называется
отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода.
[pic]. Количество вещества – это отношение числа молекул, содержащихся в
данном теле к числу атомов, которое содержится в 0,012 кг углерода. [pic],
[pic]. Моль – это количество вещества, содержащее в себе столько
структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода.
Молярная масса – масса 1 моля вещества [pic].
Если найдем связь между количеством вещества, массой вещества и
молекулярной массой, получим: [pic].
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. Существует два определения понятия
идеальный газ: термодинамическое и молекулярно-кинетическое. В
термодинамике под идеальным газом понимают газ, у которого при
изотермическом процессе при постоянной массе, давление обратно
пропорционально его объему. Другое определение: Идеальный газ – это газ
состоящий из большого количества молекул, которые представляют собой
материальные точки, не взаимодействующие друг с другом, на расстоянии, но
взаимодействуют при столкновении по закону абсолютно упругого удара.
Принимая молекулу газа за материальную точку, исходят из того, что
суммарный объем меньше объема сосуда и его можно не учитывать.
Следует отметить, что принятая модель идеального газа работает только
тогда, когда газ находится в равновесном состоянии. Эта модель не применима
при высоких давлениях и низких температурах.
[pic]. Доказательство уравнения можно разбить на 4 этапа: 1. Найдем
импульс, приобретенный стенкой при ударе одной молекулы газа. mo – масса
одной молекулы. Разложим силы на составляющие: [pic], [pic]. 2. Найдем
число молекул, которое возможно дойдут до стенки dC. Число молекул в объеме
– половина - [pic]. 3. Общий импульс, полученный стенками сосуда будет
[pic]. Из механики известно, что импульс силы равен изменению импульса тела
[pic], [pic]. 4. [pic], [pic], [pic], проекции скорости на оси равны, так
как все направления равноправны. [pic], [pic] - средняя квадратичная
скорость. [pic] - основное уравнение МКТ. [pic].
Следующим шагом в изучении этого вопроса – введение понятия температура.
Температура характеризует внутреннее состояние изолированной системы тел,
находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Можно встретить
следующее определение температуры: Температурой называют скалярную
физическую величину, характеризующую интенсивность теплового движения
молекул изолированной системы в условиях термодинамического равновесия
пропорциональную средней кинетической энергии поступательного движения
молекул.
Предельная температура, при которой давление идеального газа становится
равным нулю, при постоянном объеме или объем газа становится равным нулю
при определенном давлении, называется абсолютным нулем температур.
Учитывая, что [pic], [pic], [pic], [pic], то есть температура является
мерой средней кинетической энергии движения молекул.
15. Методика изучения газовых законов.
Газовые законы могут изучаться индуктивно, либо дедуктивно. При индуктивном
подходе газовые законы изучаются как эмпирические, полученные при обобщении
данных эксперимента, а затем выводят уравнения состояния идеального газа.
Закон Бойля-Мариота. Открыт экспериментально. Р. Бойль – 1662г. Э. Мариот –
1667г. При постоянной температуре объем данной массы газа обратно
пропорционально давлению. PV = const – изотермический процесс T = const,
[pic]. Для данной массы газа произведение давления на объем постоянно, если
температура постоянна. По оси у – V, по x – P, графическая зависимость –
изотерма.
Закон Гей-Люсака. Открыт экспериментально в 1802г. При постоянном давлении
объем данной массы газа зависит от температуры по линейному закону. [pic],
процесс – изобарный [pic]. Для данной массы газа отношение объема к
температуре постоянно, если давление газа не меняется. По оси х – t, y – V.
График – изобара.
Предположим, что имеем 1 моль газа. Газ характеризуется параметрами [pic],
Ро=101325 Па, Vom=22.4 л = 22,4 10-3 м3. [pic], [pic] - универсальная
газовая постоянная. R = 8.31 Дж/К.
Предположим, что имеем [pic], [pic] - уравнение Менделеева – Клайперона.
Другой вывод уравнения М-К. Известно, что давление газа описывается
согласно основному уравнению МКТ [pic] (4) [pic] (5) [pic], [pic], [pic]
(6) – это соотношение найдено фр. Физиком Клайпероном в 1834г. Он хотя и
связал все параметры, характеризующие состояние газа, но это уравнение не
удобно для практического применения. Дело в том, что в него, помимо P, V, T
входят не измеряемые на опыте число молекул N. В 1874 г. Менделеев
усовершенствовал эту формулу, ввел в нее массу: [pic], [pic], [pic].
Закон Шарля. 1787г. Шарль установил, что давление данной массы газа при
постоянном объеме зависит от температуры по линейному закону. [pic], [pic]
- термический коэффициент давления газа.
16. Научно методический анализ основных понятий раздела электродинамика
(Электрический заряд, электрическое поле).
Электродинамика – раздел физики посвященный изучении электрических и
магнитных явлений, в которых основную роль играет взаимодействия между
телами, элементарный заряд. Взаимодействие осуществляется через
электромагнитное поле, связанное с этими телами или частицами. Основное
понятие является понятие электрического заряда и электрического поля.
Наличие электрического заряда у тела (частицы) проявляется во
взаимодействии с другими заряженными телами (частицами). Электрический
заряд – свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь в
собственном электромагнитном поле. Имеется два вида зарядов: положительный
и отрицательный. Количественно определяется по силовому взаимодействию тел,
обладающих электрическим зарядом.
Авторы Шахмаев и др. На вопрос: Что такое электрический заряд? Отвечают:
понятие заряда в какой-то мере сходно с понятием гравитационной массы.
Подобно тому, как для характеристики гравитационного взаимодействия тел и
частиц было введено понятие массы, так и для характеристики взаимодействия
тел (частиц) введено понятие электрического заряда. Введение понятия массы
позволило изучить явления, связанные с гравитационным взаимодействием
частиц и тел, а введение понятия заряда позволяет изучить электромагнитные
взаимодействия. Опытным путем установлено, что электрический заряд обладает
следующими свойствами: 1. Электрические заряды могут быть двух видов:
положительными и отрицательными; 2. Электрический заряд величина
инвариантная, не зависящая от скорости движения зарядов; 3. Электрический
заряд аддитивен, то есть заряд системы тел равен сумме зарядов тел,
входящих в систему; 4. Все электрические заряды кратны заряду электрона; 5.
Суммарный заряд изолированной системы остается постоянным.
Центральное место в разделе электродинамика при изучении электрических
явлений занимает закон сохранения электрического заряда, который
подтверждается наблюдателями. Для демонстрации закона сохранения заряда
используют следующее оборудование: электролиты с шаровыми кондукторами,
пластинки для электризации (эбонит и из органического стекла), разрядник на
изолированной ручке. Из опыта делается вывод: сумма зарядов замкнутой
системы остается постоянной.
Затем изучается закон Кулона. На основе опыта с крутильными весами.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо
пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату
расстояний между ними.
Два неподвижных точечных заряда находятся в вакууме на расстоянии R друг от
друга и взаимодействуют с силами, направленными по одной прямой,
соединяющей эти заряды, модули этих сил пропорциональны произведению
зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. [pic], к
– коэффициент пропорциональности. [pic], [pic]- электрическая постоянная.
[pic], [pic].
Необходимо напомнить учащимся, что закон Кулона справедлив для точеных
неподвижных заряженных тел. Если размеры тел и расстояния между ними
соизмеримы, то закон Кулона не применим.
Далее формируют понятие об электрическом поле. Самый простой случай
электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящихся
заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле
электростатическое.
На основе опытов: 1) Поднося к электрометру наэлектризованную палочку,
замечаем что стрелка отклоняется еще до того, как палочка коснется
электрометра; 2) Помещаем стрелку из сухого дерева, она займет между шарами
вполне определенное положение. Эти опыты говорят о том, что вокруг
наэлектризованных тел существует материальный передатчик взаимодействия
электрических зарядов, который называем электрическим полем.
Показываем, что электрическое поле, существующее вокруг наэлектризованной
палочки на различных расстояниях от палочки не одинаково. Следовательно, не
обходимо ввести физическую величину, которая характеризует электрические
поле. Для этого можно воспользоваться действием поля на пробный
электрический заряд q. Отношение силы, с которой электрическое поле
действует на пробный заряд к этому заряду будет зависеть от поля, которое
изучается и от положения пробного заряда в нем.
Напряженностью электрического поля называют векторную величину, являющуюся
силовой характеристикой электрического поля в данной точке. Напряженность
равна отношению силы с которой поле действует на точечный положительный
электрический заряд к этому заряду. [pic], [pic]. Если поля создаются n
зарядами и в это поле вводится заряд q, то равнодействующая сила,
действующая на заряд q, равна векторной сумме сил.
Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей
поля каждого из зарядов системы. Этот вывод называется принципом
суперпозиции.
Распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Дается
определение: Непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через
которую они проходят, совпадают с вектором напряженности называются
силовыми линиями электрического поля, либо линиями напряженности.
Опыт: с помощью султанов показывают демонстрации, сначала с одним, затем с
двумя.
17. Научно методический анализ основных понятий раздела электродинамики
(Потенциал, разность потенциалов, отношение между напряженностью поля и
разностью потенциалов).
Работа электрического поля по перемещению заряда [pic], [pic], [pic],
[pic].
Из курса физики 9 класса известно, что если работа не зависит от формы
траектории, то она равна изменению потенциальной энергии, взятой со знаком
минус. Следовательно, введем обозначение [pic] - потенциальная энергия
заряда в положении 2, аналогично для положения 1. Значит потенциальная
энергия заряда в однородном электростатическом поле в общем случае равен
[pic] (3). (эта формула подобна [pic]), но заряд в отличие от массы может
быть положительным и отрицательным. Если поле совершает положительную
работу, то потенциальная энергия заряженного тела уменьшается,
одновременно, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия –
увеличивается, то есть заряд ускоряется в поле.
Физический смысл имеет не сила потенциальной энергии, а разность ее
значений, определенная работой поля при перемещении заряда из начального
положения в конечное.
Отметим, что работа электростатического поля при перемещении заряда из
одной точки в другую не зависит от начального и конечного положений заряда.
На замкнутой траектории положительного заряда. На замкнутой траектории
работа электростатического поля всегда равна нулю.
Из (3) следует, что потенциальная энергия заряда пропорциональна заряду,
следовательно отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от
помещенного в поле заряда. Это позволяет ввести новую характеристику поля –
потенциал.
Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной
энергии заряда в поле к этому заряду. [pic] (4). [pic] - скалярная
величина, энергетическая характеристика поля, определяет потенциальную
энергию заряда q в данной точке поля.
Модуль и знак потенциала определяется выбором нулевого уровня.
Потенциал поля системы зарядов равен арифметической сумме потенциалов,
созданных каждым из зарядов в отдельности.
Работа по перемещению заряда [pic] (6).
Вводим обозначение [pic] - напряжение или разность потенциалов. [pic] (7).
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению
работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому
заряду.
Далее рассматривается вопрос о связи напряженности электростатического поля
и разности потенциалов. Пусть заряд q перемещается в направлении
электрического поля E из 1 в 2. Работа, совершенная полем A будет равна
[pic], [pic]=>[pic] (8) последняя формула позволяет найти напряженность
поля, если известно напряжение между двумя точками, расположенными на
расстоянии ?d. Она также показывает, что чем меньше меняется потенциал на
расстоянии ?d, тем меньше напряженность электростатического поля, если
потенциал не меняется, то напряженность поля равна нулю.
Согласно определения, напряженность [pic], [pic] из (8) [pic]
18. Методика изучения главы «Магнитное поле».
Известно что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы,
определяемые законом Кулона. Однако, между электрическими зарядами могут
существовать и силы иной природы. Обратимся к опыту: ленты из фольги с
наконечниками – 2шт, штатив, источник тока ВС-21М, рассчитанный на 10А.
Если пропустить ток через фольгу в одну и ту же сторону, то наблюдается
притяжение фольги друг к другу, если пропустить ток разного направления, то
они отталкиваются.
Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между
движущимися зарядами называются магнитными. Силы, с которыми проводники с
током действуют друг на друга называются магнитными силами.
В учебнике физики 10 (мяк, Бух) авторы используют аналогию между
электрическими и магнитными полями, отмечая, что подобно тому, как в
пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды возникает
электрическое поле, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи посредством которой
осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными
частицами.
Затем рассматривают свойства магнитного поля:
1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
(опыт Эрстеда, Иоффе, Эйхенвальда)
2. магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).
3. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания.
Действие магнитного поля может быть больше или меньше, имеет определенную
направленность, следовательно должно характеризоваться некоторой величиной
называемой магнитной индукцией В.
При определении модуля В можно использовать следующие методические подходы:
а) силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е,
силовую характеристику магнитного поля можно определить.
Следует учесть что сила с которой действует магнитное поле на пробный ток
зависит не только от силы тока, но и от длины активной части, в которой
этот ток существует, следовательно в качестве силовой характеристики
магнитного поля надо взять отношение силы F, с которой магнитное поле
действует на пробный ток, к силе тока I и длины проводника l.
[pic], В – векторная величина, однако следует отметить, что ее направление
не совпадает с направлением силы, с которой магнитное поле действует на
ток.
Т.о. магнитная индукция – векторная величина, являющаяся силовой
характеристикой магнитного поля.
[B]=Тл, 1Тл= Н / А м
б) В начале изучают закон Ампера. Экспериментально установлено, что сила,
действующая на проводник с током FА, находящийся в магнитном поле, прямо
пропорциональна длине проводника и силе тока в нем, а так же зависит от
угла альфа между направлением тока и линии магнитной индукции в том месте,
где находится проводник. Эта сила также зависит от магнитного поля. Эту
зависимость выражают через В: [pic].
Направление Fa, определяется правилом левой руки: Если расположить левую
руку вдоль проводника, чтобы 4 вытянутых пальца указывали направление тока
в нем, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой
палец будет указывать направление силы Ампера. После этого обращают
внимание, что сила Ампера максимальна когда синус альфа равен 1, то есть
альфа равен 900. [pic].
в) магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током,
помещенного в нем. Это означает, что магнитное поле характеризуется
величиной В.
Опытом показывают, что максимальный момент сил действующих на рамку с током
пропорционален Мmax ~ I S, S – площадь, ограниченная витком и не зависит от
формы контура. Именно поэтому отношение Мmax к I S не зависит от параметров
контура и характеризует магнитное поле в данном месте: [pic].
Направление В, определяют с помощью правила буравчика (правый винт).
Сила Лоренца. Согласно закону Ампера сила, с которой магнитное поле
действует на проводник с током определяется следующим образом [pic]. Сила с
которой магнитное поле действует на движущийся заряд называется силой
Лоренца Fл.
Если на участок проводника длинной l, по которому течет ток I, магнитное
поле с В действует с силой FA, то Fл=FA/N, N – число свободных электронов в
рассматриваемом участке проводника.
N=nV, n – концентрация, N = n S l
[pic], I = n l S, - средняя скорость упорядоченных электронов. I =
q / l, q=ne
[pic].
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки, указательный
вдоль вектора скорости движения положительно заряженной частицы или против
вектора скорости, если частица отрицательно заряжена.
Графически магнитное поле изображается линиями индукции. Линиями магнитной
индукции называются линии, касательные к которым направлены так же как в
вектор магнитной индукции в данной точке. Важная особенность, линии
магнитной индукции замкнуты.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментально
свойство магнитного поля – магнитное поле не имеет источников, магнитных
зарядов подобных электрическим нет. Линии магнитной индукции магнитного
поля реально не существуют.
19. Методика изучения под темы «Законы постоянного тока» в 10 классе.
Классическая электронная теория (разработана в 1900г. Друде, которую развил
Лоренц) предполагает:
1) движение электронов подчиняется законам классической механики;
2) электроны друг с другом не взаимодействуют;
3) электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, это взаимодействие сводится только к соударению;
4) в промежутках между соударениями электрон движется свободно;
5) электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобно идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы этому же закону подчиняется и электронный газ.
Классическая электронная теория хорошо объясняет существование
сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца – зависимость
электропроводимости от температуры и позволяют понять связь теплоты и
электропроводимости металлов.
Однако в некоторых случаях классическая теория приводит к выводам
находящихся в противореции с опытом, например, согласно этой теории
удельное сопротивление с ростом температуры должно возрастать
пропорционально корню из Т. Опыт подтверждает прямую пропорциональную
зависимость [pic]. В классической электронной теории теплоемкость металлов
и явление сверхпроводимости совершенно не объяснимы.
Трудности классической электронной теории связаны с тем, что:
а) электронная проводимость не подчиняется законам статики Максвелла-
Больцмана;
б) не учитывается взаимодействие друг с другом;
в) не учитывается, что электрон движется в периодическом поле
кристаллической решетки;
г) движение электронов описывается по законам классической механики, а не
по законам квантовой механики.
На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых
тел, в которой преодолены трудности классической теории.
Необходимо отметить, что классическую электронную теорию применяют и
сейчас, т.к. она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей
заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие
результаты.
Качественное объяснение некоторых вопросов уже давалось в 8 кл. В 10 классе
этим не ограничиваются, необходимо ввести важные для понимания материала
формулы.
Следует обратить внимание учащихся на:
1) когда и зачем создана эта теория; 2) основные положения и модельные
представления; 3) применение классической электронной теории (какие явления
и факты объясняются данной теорией); 4) трудности классической электронной
теории и причины их возникновения; 5) задачи классической ЭТ.
Электронная проводимость металла была доказана следующими фундаментальными
опытами: Опыт Ринке: В точ. через проводник, состоящий из Cu-Al-Cu
пропустили ток, за это время состав составной проводник прошел огромный
заряд 3,5 106Кл, следовательно переноса вещества не наблюдалось, масса
осталась неизменной, соприкасающиеся поверхности не изменились. Вывод –
перенос заряда в металлах осуществляется частицами, входящими в состав всех
металлов (электроны).
Предлагается школьникам задача: какое изменение произойдет если бы ток
представлял собой движение ионов?
В опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта, Толмена лежала следующая идея –
регистрация инерционного движения электронов.
Закон Ома для участка цепи выводится на основе опыта.
Скорость распространения электрического тока в проводниках – это скорость с
которой распространяется действие электрического поля на заряды в
проводнике. Поле почти мгновенно увлекает электроны в упорядоченное и очень
медленное движение доли мм/сек.
В 10 классе показывают, что средняя скорость упорядоченного движения
электронов под действием электрического поля определяет силу тока в
проводнике.
Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S, за положительное
направление принимают движение слева на право.
Обозначим заряд каждой частицы через q0. Общий заряд, проходящий через
поперечное сечение равно: [pic].
Если частица движется слева на право со средней скоростью V, то за время
дельта t все чстицы, заключающеся в рассмотрении объема пройдут через
поперечное сечение. [pic].
Закон Ома для полной цепи.
Любая замкнутая электрическая цепь состоит из внешних и внутренних
участков, и внешних и внутренних сопротивлений.
Для поддержания в цепи электрического тока в течение длительного времени
необходим источник, внутри которого непрерывно происходило бы разделение
электрических зарядов. В результате чего между полюсами источников
поддерживалась бы разность потенциалов.
ЭДС называют скалярную физическую величину, являющуюся энергетической
характеристикой источника тока.
ЭДС равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении
электрического заряда по замкнутой цепи к этому заряду. E=Aст/q.
Силы в результате действия которых в источнике ток происходят разделения
зарядов, принято называть сторонними.
При выводе закона Ома для замкнутой цепи можно использовать различные
методические подходы:
1) при перемещении по цепи заряда q сторонние силы в источнике совершают работу A=qE. При движении заряда на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником
Aвнеш=qU, U - напряженность на внешнем участке. На внутреннем A2=qUвн.
A=A1+A2, qE=qU+qUвн, E=U+Uвн, U=IR, Uвн=Ir, E=Ir+Ir=I(R+r) или I=E/(R+r)
Таким образом сила тока в цепи равна отношению Еист к сумме сопротивлений цепи.
2) Рассматривается та же цепь. За время дельта t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд дельта q. Работа сторонних сил по перемещению заряда Аст=Е?q=EI?t.
При совершении этой работы на внутренних и внешних участках цепи, сопротивление которых r и R выделяется некоторое количество теплоты
[pic], согласно закону сохранения энергии Аст=Q, следовательно I=E/(R+r).
При R стремящимся к нулю, получается короткое замыкание, т.к. r мало.
Здесь изучается последовательное и параллельное соединение потребителей:
U=U1+U2, Rоб=R1+R2. При параллельном соединении I=I1+I2, 1/Rоб=1/R1+1/R2.
В конце изучается работа и мощность тока, закон Джоуля-Ленца – количество
теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по проводнику
пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения
тока через проводник: [pic].
20. Электромагнитные волны и методика их изучения.
Изучение понятия электромагнитных волн начинается с рассмотрения
взаимосвязи переменных электрических и магнитных полей.
Электромагнитная волна – процесс распространения электромагнитный полей в
пространстве с конечной скоростью.
Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в
1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно
распространятся в вакууме со скоростью света.
Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая
школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя
модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие
наглядность при изучении этого сложного материала.
Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о
существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено
Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла.
В электромагнитной волне вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в
плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает
возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны.
Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются
в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить
графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать
направление скорости.
Совпадения скорости электромагнитной волны со скоростью света дало
Максвеллу возможность предположить, что свет имеет электромагнитную
природу. Это подтвердилось и благодаря этому в истории науки произошло
объединение оптики и электромагнетизма в одно учение.
При начальном объяснении образования и распространения волн надо исходить
из того, что изучено. Можно предположить процесс распространения
электромагнитного поля, т.е. образование электромагнитных волн в свободном
пространстве.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны переносят энергию.
Энергия, переносимая волной количественно характеризуется вектором
плотности потока энергии (вектора Умова-Пойтинга). В школе ограничиваются
констатацией факта переноса волной энергии в направлении распространения
волны, а также выводом, что электромагнитная волна должна обладать
импульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.
При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из
следующих путей: 1. Рассмотрения электромагнитных колебаний, которые
возникают в колебательном контуре. 2. Рассмотрения недостатков закрытого
колебательного контура, как излучателя и постепенного изменения
электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, переходят к открытому
колебательному контуру – вибратору.
Для получения электромагнитных волн Герц использовал устройство, которое
назвал вибратором Герца.
[pic]
Для возбуждения колебаний в нем поступают так: провод разделяют по средине
так, чтобы остался небольшой промежуток, называемый искровым. Обе части
провода заряжаются до высокой разницы потенциалов. Когда разность
потенциалов превышает некоторое предельное значение, проскакивает искра и в
открытом колебательном контуре возникает потенциал. Поля в открытом
колебательном контуре затухают по двум причинам: 1) в следствие наличия у
контура активного сопротивления; 2) вибратор излучает электромагнитные
волны и теряет энергию.
Когда колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до
наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется.
Свойства электромагнитных волн:
Для электромагнитных волн характерны явления отражения, преломления,
интерференции, дифракции, поляризации. Все эти свойства должны быть
продемонстрированы в средней школе для последующего изучения этих явлений
при изучении световых волн.
С помощью генератора с длиной волны 3 см демонстрируют опыты, знакомящие
учащихся со свойствами электромагнитных волн.
Явление интерференции помогает выявить волновой характер процесса. Кроме
того интерференция находит широкое практическое применение. О свойствах
волн приходится судить по косвенным проявлениям, что очень ложно для
начального знакомства с интерференцией.
В начале следует ознакомить с явлением интерференции на примерах упругих
волн, волн на воде, а затем перейти к интерференции самих электромагнитных
волн.
Знакомство с интерференцией начинают с принципа суперпозиций – волны от
разных источников распространяются не зависимо друг от друга.
Обращают внимание на картину в волновой ванне при наложении волн от двух
вибраторов.
Вводят понятие когерентных источников – источников колебаний одинаковой
частоты с постоянной разностью фаз. Записывают условия максимумов [pic]и
минимумов [pic].
Явление дифракции – отклонение от прямолинейного распространения, огибание
препятствий, характерно для любой волны, что можно продемонстрировать на
примере волн на воде.
В поперечности волн можно убедиться из опыта, разместив между приемником и
передатчиком решетки, при ее повороте на 900 прием прекращается.
21. Методика изучения вопроса о световых квантах (Внешний фотоэффект,
эффект Комптона,. Фотон). 22. Методика изучения вопроса о световых квантах
(законы фотоэффекта, двойственность свойств света).
В программе по физике для 11 летней школы один из разделов называется
«Квантовая физики». Этот раздел включает в себя два подраздела: «кванты
света» и «Атом и атомное ядро». Этот материал объединен вокруг стержневой
идеи – квантованности в микромире. На конкретных примерах иллюстрируется
роль эксперимента, как источника знаний. На примере корпускулярно волновой
двойственности свойств света а также частиц вещества раскрывается закон
единства и борьбы противоположностей.
Знакомят с историей развития квантовой физики.
В основе обоснования тезиса о квантовой природе света авторы программы
предлагают изучать явление фотоэффекта. На основе фотоэффекта вводится идея
о дискретности энергии излучения и поглощения кванта энергии:
[pic]
Введению понятию о квантовой природе света предшествует качественный анализ
трудностей электродинамики Максвелла при объяснении законов теплового
излучения. Оказалось, что теория Максвелла, объясняющая излучение
макроскопическими излучениями – антителами электромагнитной волны с большой
длиной волны, оказалась неспособной объяснить излучение коротких
электромагнитных волн микроскопическими излучателями (атомами и
молекулами).
Эту задачу решил Планк в 1900г. путем введения в физику принципиально новой
идеи: он предположил, что энергия атомов меняется отдельными порциями –
квантами. Причем, если собственная частота атома равна ню, то его энергия
изменяется лишь скачком на величину равную или кратную [pic]. Необходимо
заметить, что о квантовании самого излучения Планк ничего не говорил. Идея
о том, что излучение состоит из отдельных порций – квантов излучений
(названных в последствии фотонами) принадлежит Эйнштейну, который пришел к
этой идее в 1905 году, в результате анализа статистических свойств
излучения, а затем применил ее к объяснению ряда явлений, в том числе и к
фотоэффекту.
Учитель ставит проблему: существовали экспериментальные основания для
утверждения дискретности излучения. Ответ- да, такими основаниями служат
явления фотоэффекта. Рассказывает историю открытия фотоэффекта и роль
Столетова в исследовании законов фотоэффекта.
Вырывание электронов с поверхности металла под действием света –
фотоэффект.
Для исследования законов фотоэффекта использовалась установка: стеклянный
сосуд с 2 электродами. С помощью этой схемы использовались ВАХ.
1-й закон фотоэффекта: Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности
излучения, падающего на катод.
Скорость фотоэлектронов можно найти, используя закон сохранения энергии:
[pic], eUз – работа э.п. [pic].
2-й закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света.
3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница
фотоэффекта, т.е. наименьшая частота при которой еще возможен фотоэффект.
При всех частотах меньших это минимальной фотоэффект не произойдет ни при
какой интенсивности волны, падающей на катод.
Для получения количественной зависимости законов для фотоэлектронов, надо
ввести понятие о работе выхода электронов. Это можно сделать качественно на
уровне классической теории, пояснившей что при выходе электрона из металла
в нем образуется индуцированный положительный заряд, который притягивает
электрон к металлу.
Электрон может выйти из металла и удалиться от его поверхности на малые
расстояния: над металлом создается тонкий отрицательно заряженный
электронный слой, который вместе с положительными ионами поверхности
металла образуют своеобразный заряженный конденсатор, поле которого
препятствует выходу новых электронов, поэтому для вырывания электронов из
металла нужно совершить работу против сил, препятствующих выходу электронов
из поверхности металла.
Минимальная дополнительная энергия, которую надо сообщить электрону для его
удаления с поверхности тела в вакууме называется работой выхода.
После ознакомления учащихся с понятиями работы выхода электрона, на основе
закона сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта вводят формулу
Эйнштейна в виде: [pic].
Основываясь на этом уравнении объясняют все три закона фотоэффекта.
Число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу квантов, а не равно,
потому что часть квантов поглощается кристаллической решеткой и их энергия
переходит во внутреннюю энергию металла.
Второй закон очевиден, так как формула Эйнштейна определяет максимальную
энергию электронов, вылетающих с поверхности катода. Электроны, вырываемые
из внутри металла могут потерять часть энергии и скорость окажется меньше
максимальной.
Третий закон выводится так же из формулы Эйнштейна, т.к. кинетическая
энергия не может быть меньше нуля, то фотоэффект могут вызывать лишь
кванты, энергия которых не меньше работы выхода, т.е. [pic].
Фотон является ультрарелятивисткой частицей, имеющей в вакууме скорость
света. Энергию фотона определяет: [pic] или [pic].
Помимо энергии и массы, фотон обладает и импульсом. Часто при изучении
этого вопроса записывают выражение для импульса фотона: [pic].
Более общим является вывод формулы для импульса фотона:
[pic].
Важно подчеркнуть, что импульс фотона является векторной величиной.
Направление импульса совпадает с направлением распространения света. Это
требует дополнительных объяснений. Так, например, импульс можно записать
следующим образом: [pic] , k-волновое число - число длин волн
укладывающихся на 2пи единиц длины.
Вводят следующие обозначения: [pic] , [pic] Постоянная, введенная Дираком,
основоположником квантовой механики. Т.о. фотон, подобно любой движущейся
частице обладает тремя корпускулярными характеристиками: энергией, массой и
импульсом. Все эти характеристики связаны с волновой характеристикой света
- его частотой. В этом находит свое выражение корпускулярно-волновая
двойственность свойств света.
23. Методика изучения строения атома в курсе физики средней школы (явление
радиоактивности, опыт Резерфорда).
Изучение строения атома начинается обычно с опыта Резерфорда и планетарной
модели атома. Однако, учащиеся к этому времени еще не знают ничего о
радиоактивности, поэтому в начале необходимо ознакомить школьников с видами
радиоактивного излучения.
Начать изучение строения атома с явления радиоактивности целесообразно,
т.к. радиоактивность - явление свидетельствующее о сложной структуре атома
и дающее мощный толчок развитию атомной физики.
Рассказывая о радиоактивности, учащиеся знакомятся с основными видами
радиоактивных излучений: [pic].
Более подробно останавливаются на свойствах альфа частиц. Альфа частица
представляет собой дважды ионизированные атомы гелия, их масса 4,002
а.е.м., или 6,6 10-27кг., т.е. в 8 тысяч раз больше массы электрона, заряд
альфа частицы равен 2 зарядам электрона. Скорость при радиоактивном распаде
достигает 2 107м/с.
Желательно предложить школьникам оценить кинетическую энергию альфа частицы
и сравнить ее со средней кинетической энергией молекул при нормальной
температуре. (больше в 108 раз).
Именно поэтому альфа частицы представляют собой естественные "снаряды" для
изучения структуры вещества.
Первая модель атома предложенная Томсоном в 1903 году имеет сейчас лишь
историческое значение. От нее логически переходят к опыту Резерфорда.
При описании результатов опыта Резерфорда главное внимание надо уделять
тому факту, что некоторое (малое) количество альфа частиц отклоняется от
большинства на угол до 1800. Этот результат имел решающее значение для
создания планетарной модели атома. Т.к. он оказался несовместимым с моделью
Томсона: положительный заряд, распределенный по всему объему атома не может
обеспечить силу необходимую для отклонения альфа частиц на такие большие
углы.
Желательно дать учащимся почувствовать как анализ результатов опыта служит
основой для высказывания определенных теоретических предсказаний о
структуре атома.
С этой целью можно решить, например, задачу "Сколько атомов встретит на
своем пути альфа частица, пролетая через тонкую фольгу толщиной 1 мкм".
Т.к. в этом случае интерес представляет порядок величины, а не ее точное
значение, то ограничиваются диаметром атома 10-10м, поэтому число атомов,
будет порядка 104. Т.к. атомы золота расположены близко друг к другу (10-
10м), т.е. доказано, что многие альфа частицы пролетят не взаимодействуя с
ними, следовательно, атом не является сплошным, модель Томсона не
подтверждается.
Результаты опыта Резерфорда позволили сделать вывод, что масса ядра
действительно велика и определяется приблизительно радиусом ядра.
Чтобы альфа частица могла повернуть назад, ее скорость у поверхности
положительно заряженной сферы должна стать равной нулю, поэтому полная
энергия равна потенциальной энергии взаимодействия, т.е. [pic]. Это
уравнение позволило оценить величину положительного заряда атома при
условии, что R=10-8см.
Расчет дает следующий результат Q/e=400000, т.е. заряд ядра в 400000 раз
больше заряда электрона.
Важно отметить, что положительный заряд атома был впервые измерен именно в
опытах по рассеянию альфа частиц. Английский физик Чедвик показал, что для
ряда элементов он приблизительно равен половине атомной массы. Отсюда
возникает гипотеза, что величина заряда ядра равна порядковому номеру
элемента в системе Менделеева, что в 1918 году было подтверждено Мозли,
который с большой точностью измерил заряд ядра для многих атомов.
При описании планетарной модели атома надо обратить внимание на
несовместимость такой модели с законами механики и электродинамики. Во
первых длительное движение электронов по замкнутой траектории вокруг ядра с
точки зрения электродинамики Максвелла невозможно, т.к. из-за потери
энергии на излучение электрон тормозится и должен скоро упасть на ядро,
однако атом исключительно устойчив. Во вторых в следствии непрерывной
потери энергии и значения непрерывного изменения скорости электрона атом
должен излучать непрерывный спектр. Однако атомы излучают линейчатые
спектры. В третьих атом излучает свет не все время, а лишь при определенных
условиях (прохождение через газы, нагретые до высокой температуры).
24. Методика изучения строения атома в курсе средней школы. (Квантовые
постулаты Бора, линейчатые спектры, волновые свойства частиц).
25. Методика изучения главы: "Физика атомного ядра" (Состав ядра атома,
энергетические связи атомных ядер, ядерные силы).
В этой главе учащиеся знакомятся с составом ядра, с взаимным превращением
атомных ядер, знакомятся с ядерными силами и с физическими свойствами
ядерной энергетики. Необходимо отметить, что английский ученый Чедвик в
1932 году открыл нейтрон, который был предсказан Резерфордом. Это дало
возможность ученым Иваненко и Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную
модель ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из p и n. Массовое
число [A=Z+N], Z - количество протонов, N - количество нейтронов [pic].
При знакомстве с p-n моделью ядра необходимо решать задачи по нахождению
числа p и n, входящих в состав ядра.
Необходимо ознакомить учащихся со свойствами частиц, входящих в состав
ядра. О протоне: mp=1,007276 а.е.м., ep=1,6 10-19Кл, частица стабильная, не
смотря на это при получении ротон распадается: [pic].
О нейтроне: mn=1,008665 а.е.м., en=0, частица квазистабильная, время жизни
15 минут. При распаде [pic].
Говоря о совойствах протона и нейтрона необходимо ввести современные
представления о существовании лишь одной ядерной частицы - нуклона,
находящейся в разных зарядовых состояниях: нейтральном (n), заряженном (p),
что дает возможность объяснять механизмы p-распада.
Интересным представляется вопрос об оценке плотности ядерного вещества.
Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера и
расположенных компактно. Если в ядре A - нуклонов, то V ядра - [pic]R0 -
эффективный радиус. R0=(1,4-1,5)10-15м, тогда плотность [pic]..
Плотность ядер веществ всех ядер одинакова.
Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.
Энергия связи, удельная энергия связи - это новые понятия для учащихся,
поэтому им необходимо уделять большое внимание. Для того, что бы учащиеся
лучше поняли вопрос о энергии связи, необходимо повторить следующие
моменты:
потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел (земля - тело,
электрон - ядро).
Существует устойчивая система обладающая энергией связи.
Дают определение: Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая
необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.
На основе закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи
равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных
частиц. Затем выдвигается вопрос: "Как найти энергию связи?"
Обращают внимание, что очное измерение масс ядер показывает, что масса
покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и
нейтронов. [Mя