3. Равновесие сил и равенство работ на рычаге.

По обе стороны от точки опоры подвешивают к рычагу на проволочных петельках грузы так, чтобы рычаг остался в равновесии. Затем определяют величину, направление и плечо каждой силы. Результаты измерений записывают на доске.

Опыт повторяют несколько раз, изменяя величины сил и их плечи. Анализируя результаты опытов, устанавливают, что у такого рычага силы действуют в одном направлении; точки приложения сил расположены по обе стороны относительно опоры; рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам: l₁/l₂=F₂/F₁. Демонстрируют равновесие сил на рычаге другого рода.

Опыт также повторяют несколько раз, изменяя вес грузов и точки приложения сил. В результате устанавливают, что у этого рычага силы приложены по одну сторону от опоры и направлены в противоположные стороны, но при равновесии действующие силы обратно пропорциональны их плечам, как у первого рычага.

Далее демонстрируют равенство работ применительно к рычагу. Берут рычаг, как в первом опыте, и уравновешивают его в горизонтальном положении. С помощью демонстрационного метра фиксируют начальное положение точек, к которым приложены силы. При этом начальную высоту расположения рычага над крышкой стола желательно подобрать так, чтобы точки приложения сил располагались на одном уровне с чертой, отмечающей одно из дециметровых делений шкалы метра.

Затем отклоняют рычаг на некоторый угол в вертикальной плоскости и измеряют расстояния, на которые сместились точки приложения сил. Вычисляют работы, совершенные обеими силами, и убеждаются в равенстве этих работ. Опыт повторяют, изменив угол наклона рычага. В результате убеждаются, что рычаг не дает выигрыша в работе; пользуясь рычагом, можно выиграть в силе или в расстоянии, причем, во сколько раз выигрывают в силе, во столько же раз проигрывают в расстоянии. Это правило, имеющее большое значение в технике, называют «золотым правилом» механики.

4. Нма «тепловые явления»

Формирование понятия внутренней энергии можно провести идеей о том, что работа совершается в процессе изменения, превращения энергии и что работа представляет собой меру этого изменения или превращения энергии. Другими словами, если тело может совершать или совершает работу, то оно обладает энергией. Начальные опыты должны иллюстрировать наличие внутренней энергии у тел до нагревания их и совершения над ними работы. Можно отнести опыт с картофельным пистолетом, помещенным под колокол воздушного насоса. При создании разрежения под колоколом картофельная пробка выбрасывается из пробирки. Делают вывод: работу совершил воздух, находящийся в пробирке, следовательно, он обладал энергией. В отличие от механической энергии эту энергию называют внутренней энергией тела. Это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Микрочастицы, из которых состоят тела (молекулы, атомы), взаимодействуют между собой (притягиваются и отталкиваются), следовательно, они обладают потенциальной энергией. В жидкостях и твердых телах молекулы и атомы совершают колебательное движение, поэтому они обладают кинетической и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия хаотического (теплового) движения атомов и молекул вместе с потенциальной энергией их взаимодействия составляют часть внутренней энергии тела и характеризуют состояние тела в данный момент. Далее нужно разъяснить учащимся отличие внутренней энергии от механической энергии тел. Механическая энергия зависит от скорости движения и массы тела, а также от расположения данного тела относительно других тел. Внутренняя же энергия не зависит от скорости движения тела в целом. Она определяется скоростью движения частиц, из которых состоит тело и их взаимным расположением. Дальше учащихся знакомят со способами изменения внутренней энергии тел, показывают, что она может изменяться при совершении (над телом или самим телом) механической работы и при теплопередаче. Надо рассмотреть с учащимися и противоположные процессы, результат которых — уменьшение внутренней энергии тела. Так, при теплообмене нагретого утюга с окружающим воздухом его внутренняя энергия уменьшается, о чем можно судить по понижению температуры утюга с течением времени. Подобное явление происходит со всеми телами, начальная температура которых была выше окружающих тел.

Процессы, происходящие в опытах по изменению мехонической работы, требуют тщательного анализа на основе молекулярно-кинетических представлений.

Молекулы воздуха и водяного пара, находясь в непрерывном беспорядочном движении, бомбардируют стенки сосуда, в который они заключены. Чем выше температура газа, тем быстрее молекулы движутся. Если одна из стенок сосуда, в котором находится воздух, подвижна (в опытах это пробка),то она движется под ударами молекул. Энергия молекул при этом расходуется на совершение механической работы В результате внутренняя энергия воздуха уменьшается. Учащиеся приходят к выводу: внутренняя энергия тела может изменяться (увеличиваться или уменьшаться) со временем при теплообмене данного тела с окружающими телами и при совершении механической работы. Меру изменения внутренней энергии путем совершения механической работы назвали количеством работы или просто работой, а меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи —- количеством теплоты. Количество теплоты зависит от изменения температуры тела. Количество теплоты зависит также от второй физической величины — массы тела. В самом деле, на спиртовке мы сможем за определенное время вскипятить воду в пробирке и не сделаем это с чайником, наполненным водой. Объясняется это тем, что количество теплоты за какой-то промежуток времени будет достаточным для нагревания и кипения воды в пробирке и недостаточным для массы воды в чайнике. Чем больше масса воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания на одну и ту же разность температур. То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела и разности температур тела в начале и в конце теплообмена. Единицами измерения внутренней энергии служат джоуль. Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но различных веществ и получают, что изменение теплового состояния тела при теплопередаче зависит и от рода вещества. Эту зависимость характеризуют особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества. Для перехода к понятию об удельной теплоемкости проводят ряд опытов. (прибор Тиндаля).

Когда Уч-ся уясняют смысл удельной теплоемкости и характер зависимости Q от удельной теплоемкости с, массы тела и разности температур, вводят формулу Q=cm(t₂ – t₁). Для её закрепления решают задачи.