9. Нма «законы сохранения в механике»

Для простоты рассуждений рассмотрение закона сохранения импульса целесообразно начинать для замкнутой системы, состоящей из двух сталкивающихся тел, массы которых одинаковы, а скорости различны. Выводят этот закон на основе второго и третьего законов динамики.

Доказывают, что изменение импульсов этих двух сталкивающихся тел одинаково по модулю, но противоположно по знаку. Далее формулируют закон: геометрическая сумма импульсов; тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Могут быть показаны следующие опыты: с взаимодействующими тележками поставленными на рельсы, с маятником, с заводной игрушкой и картонной платформой, поставленной на параллельные друг другу одинакового размера ролики. Первые задачи целесообразно решить графически, с тем чтобы; учащиеся уяснили, что в законе речь идет о геометрической (векторной) сумме импульсов. Внимание учащихся обращают на то, что импульс - величина относительная, а закон сохранения импульса справедлив во всех инерциальных системах отсчета. Если закон сохранения импульса выполняется при движении тел относительно одной системы отсчета, то он выполняется относительно любой другой системы отсчета, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно, т. е. закон сохранения импульса выполняется в любой инерциальной системе отсчета. В базовом курсе физики учащиеся получили представление об энергии: если тело или несколько взаимодействующих между собой тел способны совершить работу, то они обладают механической энергией. В старших классах общеобразовательной школы это представление необходимо развить и оформить в понятие: энергия - это физическая величина, которая зависит от состояния тела (системы тел), ее изменение при переходе из одного состояния в другое определяют совершенной работой.

Наиболее простым видом механической энергии является кинетическая энергия, так как во всех случаях (для материальной точки) она определяется произведением массы тела на квадрат его скорости относительно других тел (тел отсчета) и зависит от того, взаимодействует это тело с другими телами или нет. Поэтому целесообразнее начинать формировать понятие энергии в механике с рассмотрения кинетической энергии. Используя определение работы и второй закон Ньютона, нетрудно показать, что работа любой силы, действующей на материальную точку, равна изменению величины зависящей от скорости, т. е. А=ΔЕ_к. Для кинетической энергии совершенно не важно, о каком виде сил идет речь. Это может быть сила тяготения, упругости или трения. Если работа силы положительна (А > 0), кинетическая энергия возрастает (ΔЕ_к > 0), если отрицательна (А < 0) кинетическая энергия убывает (ΔЕ_к < 0), работа тормозящей силы - максимальна (тело остановилось, конечная скорость равна нулю), само тело совершило положительную работу, действуя с силой F=F_Tорм на тела, тормозящие его движение (кинетическая энергия была полностью израсходована). Таким образом, кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью v, равна работе, которую должна совершить сила действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость. Кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетических энергий тел, входящих в эту механическую систему. Кинетическая энергия, как и работа силы, зависит от выбора системы отсчета. Потенциальная энергия. При изучении этого вида механической энергии очень важно, чтобы школьники усвоили, что потенциальная энергия в механике - это энергия взаимодействия по крайней мере двух тел, понятие потенциальной энергии относится к системе тел, а не к одному («изолированному») телу. Это основная задача, которую учитель должен решить при формировании понятия потенциальной энергии. Вторая задача - расширить представления о потенциальной энергии, полученные учащимися в базовом курсе физики: надо показать, что потенциальной энергией обладают не только тела, поднятые над Землей, но и упруго деформированные тела, и дать количественное выражение для потенциальной энергии упруго деформированных тел. Третья задача - показать, что выбор нулевого уровня состояния системы (нулевого уровня потенциальной энергии) произволен, так как разность энергий инвариантна относительно этого выбора, хотя потенциальная энергия и зависит от этого выбора. Если в системе имеется несколько тел, то потенциальная энергия системы равна сумме потенциальных энергий всех пар взаимодействующих тел (либо тело взаимодействует с каждым из остальных).

Обычно при выводе формулы, связывающей изменение потенциальной энергии с работой сил, одно из тел системы принимают за неподвижное. Например, при рассмотрении падения груза на Землю под действием силы тяжести смещением Земли можно пренебречь. Поэтому работу сил взаимодействия между Землей и грузом сводят к работе только одной силы, действующей на груз. При рассмотрении сжатия или растяжения пружины не учитывают смещения Земли. Работу в этом случае совершает лишь сила упругости деформированной пружины, приложенная к телу. Из-за этого потенциальную энергию системы двух тел учащиеся привыкают рассматривать как энергию одного тела. Это осложняет процесс формирования понятия об этом виде энергии. Чтобы избежать указанных осложнений, правильнее во всех случаях раскрывать следующее положение: изменение потенциальной энергии двух тел, взаимодействующих с силами, зависящими только от расстояния между телами, равно работе этих сил, взятой с противоположным знаком. Методика введения понятия о нулевом уровне потенциальной энергии: 1. определяют не саму потен-ю эн-ю, а её изменение: ΔЕ_р=mgh₂-mgh₁; 2. часто за нулевой уровень потен-й эн-й выбирают такое состояние сис-мы, при котором потенц-я энергия минимальна.

Из рассмотрения того, что при совершении работы увеличений кинетической энергии сопровождается убылью потенциальной энергии (и наоборот), формулируют закон сохранения энергии для замкнутых систем.

Специально следует остановиться на рассмотрении закона сохранения энергии при наличии трения. В этом случае работа сил трения ведет к убыли кинетической энергии системы. Но при этом под действием сил трения потенциальная энергия не увеличивается, как это происходит в случае действия сил тяготения и сил упругости (консервативных сил). Это является следствием того, что силы трения не зависят от расстояния между взаимодействующими телами, а зависят от их относительных скоростей. Работа этих сил зависит от формы траектории, а не от начального и конечного положений тел в пространстве.

9 . Маятник Максвелла подвешивают на непрерывной нити к металлическому стержню с двумя отверстиями. При этом соблюдают строгую горизонтальность оси маятника и стержня, на котором он подвешен. Чтобы сохранить горизонтальность, в одно из отверстий вставляют деревянный колышек (заточенную спичку) и тем самым зажимают нить.

После этого вращают равномерно обеими руками ось маятника и накручивают на нее нити в один слой до тех пор, пока Маятник не поднимется до стержня. Затем опускают маятник. Опускаясь вниз, он вращается и раскручивает нити. По мере опускания потенциальная энергия маятника уменьшается, а кинетическая энергия возрастает. В крайнем нижнем положении кинетическая энергия достигает наибольшего значения, поэтому маятник не останавливается, а, продолжая вращаться по инерции, снова поднимается вверх, закручивая нити на оси. При этом кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную. Поднявшись вверх, маятник снова начинает опускаться вниз и т. д. до полной остановки.

10. СТР-РА «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» НМА «ЭЛЕКТРОСТАТИКА»

ОПЫТ «ЗАКОН КУЛОНА»

Раздел «Электродинамика»—один из наиболее сложных разделов школьного курса, где изучают электрические, магнитные явления, электромагнитные колебания и волны, вопросы волновой оптики и элементы специальной теории относительности. В данном разделе должно быть введено основное для современной физики понятие электромагнитного поля, а также физические понятия: электрический заряд, электромагнитные колебания, электромагнитная волна и ее скорость. Учащихся на доступном им уровне знакомят с фундаментальной физической теорией—теорией макроскопической электродинамики, основателем которой был Дж.К.Максвелл. Теперь встречаются со вторым (особым) видом материи - электромагнитным полем, познают его отличие от вещества. В программе общеобразовательной средней школы раздел «Электродинамика» следует после «Молекулярной физики». В 8-м классе первонач понятие об электричестве и магнетизме уч-ся получают из раздела эл явления. В 10-м кл раздел наз «основы электродинамики» в нем изучается эл. стат.поле, маг. поле, эл-маг поле, переменное эл-маг поле. Под электродинамикой понимается наука о св-в и закономерностях поведения особого вида материи - эл. маг. поля. В логической структуре «Электродинамики» выделяют: формирование понятия эл.п. и эл. заряда; изучение взаимодействия поля и вещества, электрических и магн. Св-в вещества; изучение законов тока и электрических цепей; знакомство с элементами СТО; показ основных технических применений электродинам.

Логическая структура раздела «Электростатика»: 1)эл заряд и его св-ва;2) взаимодействие зарядов, з-н Кулона;3)эл. поле, напряженность эл. поля; 4) работа эл. стат.п. при перемещении эл.заряда;5)потенциал, разность потенциалов, напряжение; 6)проводники и диэлектрики в эл.п.; 7)электроемкость, конденсаторы; 8) энергия заряженного конденсатора; 9)энергия Эл.п.

При рассмотрении эл. заряд уч-ся необходимо понять: 1) заряд и эл. маг. взаимодействие (налич заряда у тела проявляется в особом взаимод для неподвижно заряженных тел, взаимод несет кулоновский храктер (сила взаимод обратно пропорцион квадрату расстояния м/у ними) в случае движущ-ся заряда сила взаимодействия зависит от модуля и направления относительно скорости. Соответственно эл маг взаимод включает и электрическое и магнитное). 2) измерение заряда: сущ различ методы измер заряда, в которых применяется различ случаи эл. маг взаимодействия. 3) дискретность заряда. Сущ элементарный заряд явл неотъемлемым свойством ряда элемент частиц электронов, протонов и т.д. доказательство дискретности:опыт Милликена, электролиза исследования элементарн. частиц 4) закон сохранен эл заряда. Док-во: а) одновременное появлен противополож по знаку но равных по модулю заряда при контактн электризации тел. в) появление двух заряж частиц в проц рождения электронно-позитронной пары а т.ж. превращения эл-позитр пары в фотоны б) сведение любых проц электризац тел разделению равных по значению зарядов противополож знаков.5) инвариантность зарядов. т.е. независимость от скорости движения заряж частиц и от сист отсчёта. Закон Кулона 1) неподвижность взаимодейств зарядов взаимодействие в закон не входит а входит только расстояние.2) точечность зарядов. 3) поле заряж плоскости не подчиняется закону обратных квадратов оно однородно и его действия от расстоян не зависит. 4) если имеются металлич заряж шары расстояние м/у ими нельзя считаль большим по сравнению с радиусом т.е. зак Кулона не применим. 5) если заряды нельзя считать тачечными то делим тело на отдельные элемент частицы. 6) границы применимости (до расстоян в несколько км). Потенциальн хар-р Эл-стат поля определить потенц энерг заряда в однород поле и установив зависимость работы эл-сат сил от формы траектории. Проанализируем аналог проблему для поля образованного точеч зарядами. Это позволяет выявить к каким эл-стат поля обязан его потенц хар-р и показать связь потенц поля с фактом сущ источника поля т.е. заряда. Потенциал 1)устанавлив факт независимости работы поля от формы троектории при перемещении заряда. 2) зафиксировав одну из точ характериз остальные точки поля работай по перемещ единич заряда из исслед точки в нулевую. Эта харак-ка потенциала имеет смысл потенц энергии единич положит заряда помещ в данную точку поля. 3) модуль и знак потенциала определяют выборам нулевого уровня. 4) при выборе нулевого уровня бесконч удолен точки простр-ва потенц всех остальных точек поля создоваемого «+» зарядом имеет «+» значение а «–« зарядом «-«. 5) если имеем поле совокупн зарядов то потенц поля равен алгебр сумме потенц всех зарядов. 6) под действием поля «+» свободн заряды движ-ся в сторону уменьшения поля а «-« в сторону увелич потенциала. Энергия эл-стат поля носителем энерг явл сомо эл поле. Налич эн поля можно проверить при рассмотрен изменения полей, применяется методич подход эл зарядов в поле приобретает эн-я которая может превращаться в кинечич эн-ю движ-ся заряда. Закон Кулона 1) неподвижность взаимодействующ зарядов. Необходимо разьяснить Уч-ся смысл этого условия т.к. взаимод зарядов осущ-ся эл.маг.п. котор можно распространить в простр-ве с канечн ск-тью. Время в з-н не входит, а вход. расстояние. Всякое смещение одного из зарядов скажутся на другом через некоторое время, поэ-му взаимодействие м/у зарядами не может определяться лишь расстоянием м/у ими т.е з-н Кул. Справедлив для неподвижных зарядов. 2) точечность зарядов. Уместно провести аналогию с з-м всемирного тяготения. 3) поле заряжен. Пл-ти не подчин-ся з-м обратных квадратов оно однородно и его действие от рас-ния вообще не зависит. 4) если имеем металлич. Заряж шары. Рас-ние м/у ними нельзя считать большим в сравнении с радиусом т.е. з-н Кул непременим. 5) если заряды нельзя считать точечн. То мысленно раздел-ся на отдельные и расматрив как точечные. 6) косвенные данные позволяют считать з-н верным до нескольких км, но прямых эксперимент данных не существует. 10. Продемонстрируйте опыт, иллюстрирующий справедливость закона Кулона. 1). Покажите, что сила взаимодействия точечных зарядов зависит от величины произведения взаимодействия этих зарядов.

В этой установке в качестве взаимодействующих сил используйте имеющиеся в комплекте два металлических шарика на изолирующих стержнях. Один шарик укрепите в держатель прибора, а другой в изолирующем штативе. С помощью уравнительного винта приведите весы в равновесие и расположите в горизонтальном положении линейку, фиксирующую расстояние между центрами обоих шариков. Зарядите оба шарика от преобразователя высоковольтного "Разряд-1" (или электрофорной машины) и установите заряженный шарик на изолирующей подставке на таком же расстоянии от заряженного шарика, подвешенного к чувствительным весам, на каком он находился до сообщения телом электрических зарядов. Покажите, что в этом случае нарушается равновесие весов. Подберите соответствующий рейтер и, перемещая его вдоль стрелки, установите равновесие весов. Определите модуль силы взаимодействия весов F₁ (или длину плеча рейтера ₁). Уменьшите заряд шарика на изолирующей подставке в два раза, не меняя расстояния между центрами взаимодействующих шаров. Уравновешивая весы, определите силу F₂ (плечо ₂). Проведенные наблюдения дают основание сделать вывод, что сила взаимодействия пропорциональна величине заряда (F ~ q₁). Повторите опыт, меняя аналогично величину заряда другого шарика, и убедитесь, что сила взаимодействия пропорциональна величине второго заряда. 2). Покажите, что сила взаимодействия между точечными зарядами зависит от расстояния между ними. Для этого вновь хорошо зарядите оба шарика, увеличьте расстояние между ними в два раза и измерьте силу взаимодействия F₃ (плечо ₃). Затем увеличьте расстояние между шариками в три раза, по сравнению с первоначальным расстоянием, и измерьте силу взаимодействия F₄ (плечо ₄). Убедитесь, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, т.е. .