обзорные лекции / лекция2

Анализ научного содержания и методика изучения кинематики в курсе физики основной и средней школы. Модель урока «Мгновенная скорость».

Кинематические характеристики в основной школе рассматриваются в разделе «Движение и взаимодействие тел» (Громов, Родина), «Механические явления» (Пурышева, Важеевская) или «Взаимодействие тел» (Перышкин). Из соображений доступности описание движения вводится с помощью пути (как функции времени), пройденного материальной точкой вдоль траектории. Для этого первоначально рассматриваются понятия «механическое движение», «материальная точка», «траектория», «путь». В тоже время начинают формирование понятия относительности движения на качественном уровне, рассматривая движение одного тела относительно другого. Большинство авторов в курсе физики основной школы рассматривают два вида движения: равномерное прямолинейное и неравномерное. При рассмотрении этих видов движения вводится понятие «скорость», способ ее определения, единицы измерения скорости. Скорость вводится сначала как скалярная величина, а затем ей приписывают направление. Изучая неравномерное движение, вводят понятие средней скорости и способа ее определения. Учебная программа основной школы Важеевской и Пурышевой, Грачева и некоторых др. предполагает рассмотрение равноускоренного движения и введение понятия ускорения в 7 классе в то время как остальные авторы рассматривают этот вид движения в 8 (Громов, Родина) и 9 (Перышкин) классах. На этих этапах изучения кинематики в основной школе используются векторные величины, вводя понятие перемещения и координатный метод рассмотрения видов движения. Для этого вводят понятия: системы отсчета и координаты точки. Изучают движение материальной точки на плоскости. При рассмотрении равноускоренного движения вводят понятие ускорения свободного падения и рассматриваю равноускоренное движение тела по вертикали вверх и вниз. В качестве примера криволинейного движения в основной школе рассматривает равномерное движение тела по окружности.

В средней школе изучение раздела кинематика начинают с повторения основных понятий, рассмотренных в основной школе, и углубляю эти знания. Рассматривая проекции векторов перемещения и скорости на координатные оси, используют тригонометрические функции. В изучении криволинейного движения к равномерному движению тела по окружности добавляется движение тела под действием силы тяжести, когда начальная скорость направлена горизонтально и под углом к горизонту. В средней школе продолжается формирование идеи относительности движения: относительности механического движения и покоя, относительности траекторий движения; понятие системы отсчета; относительность перемещений, координат, скорости, закон (преобразование) сложения перемещений и скоростей; инвариантность ускорений для систем отсчета, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

Методика введения основных кинематических характеристик.

1. Вводят понятие скорости равномерного движения. Введение понятия скорости сопровождается экспериментом. Демонстрируется в основной школе, что тело за равные промежутки времени проходит одинаковые пути и скорость вводят как отношение пути ко времени, т.е. как скалярную величину, характеризующую быстроту движения тела. В старших классах скорость рассматривается как векторная величина, характеризующая быстроту перемещения тела в единицу времени.

2. Рассматривая неравномерное движение, вводят понятие средней скорости как отношение всего пройденного телом пути ко всему времени его движения. Целесообразно продемонстрировать на примере решения задачи, что средняя скорость не совпадает со значением среднего арифметического скоростей неравномерного движения.

3. Мгновенная скорость. Трудность введения этого понятия связана с необходимостью введения предельно малой величины. Рассматривают очень малый, но конечный промежуток времени движения тела. Введение понятия мгновенной скорости обязательно сопровождают экспериментом.

4 Ускорение. В школе рассматривают простейший случай неравномерного движения – равнопеременное движение. Ускорение вводят как физическую величину, характеризующую быстроту изменения скорости движения тела. На этом этапе важно определить направление ускорения тела. Для этого учащие должны владеть правилами вычитания векторов. При рассмотрении равномерного движения тела по окружности вводится понятие центростремительного ускорения, его величина и направление.

5. Характеристики движения тела по окружности: период и частота обращения.

Модель урока:

1. Авторы учебной программы.

2. Класс.

3. Цель урока: образовательная, развивающая, воспитательная.

4. Оборудование.

5. Ход урока: выделить этапы урока, содержание теоретического материала, содержание и место демонстрационного эксперимента.

6. Материал для закрепления (вопросы, задачи).

7. Домашнее задание.

Анализ научного содержания и методика изучения понятий массы, силы и взаимодействия в курсе физики основной школы. Модель урока «Масса».

Анализ научного содержания и методика изучения понятия массы в курсе физики средней школы. Модель урока «Инертность тел. Масса».

Анализ научного содержания и методика изучения понятий силы и взаимодействия в курсе физики средней школы. Модель урока «Взаимодействие тел. Сила».

Анализ научного содержания и методика изучения динамики Ньютона в курсе физики средней школы. Модель урока «Второй закон Ньютона».

Научно-методический анализ понятий масса и сила

Понятие массы – одно из наиболее сложных и фундаментальных в науке. Это понятие используют как для объектов макромира (вещественных и полевых), так и для объектов микромира (частиц вещества и частиц поля).

Сложность восприятия понятия массы состоит в том, что оно характеризует различные свойства материи – инертные и гравитационные. В большой группе физических процессов, где важно учесть то или иное количество вещества, масса выступает как величина, пропорциональная количеству вещества. Подтвердим это примерами. При рассмотрении законов Ньютона, закона сохранения импульса масса выступает как мера инертных свойств, в законе всемирного тяготения масса – мера гравитационных свойств. В эмпирических законах калориметрии и при рассмотрении молекулярно-кинетической теории идеального газа масса пропорциональна количеству вещества, а при изучении взаимосвязи массы и энергии – мера энергии. Из-за различных проявлений массы трудно определить это понятие однозначно, исчерпывающе. При рассмотрении понятия массы вопрос осложняется еще и тем, что различные ее проявления рассматривают в разных частях курса физики, поэтому задача учителя – в процессе изучения физики в школе ознакомить школьников с различными проявлениями этого понятия, с разными его сторонами.

Понятие силы тесно связано с понятием о фундаментальных взаимодействиях. Все явления и закономерности, изучаемые в той или иной мере в школьном курсе физики, связаны со свойствами фундаментальных взаимодействий. Поэтому, начиная разговор о формировании понятия силы, остановимся на вопросе о фундаментальных взаимодействиях и проследим по курсу, как в связи с этим «работает» понятие силы.

В современной физике считают независимыми (не сводящимися друг к другу) четыре вида взаимодействий (электромагнитные, гравитационные, ядерные – сильные и слабые), которые называют фундаментальными. Они различаются радиусом действия и относительной интенсивностью (т. е. передаваемой в процессе этих взаимодействий энергией), а также законами сохранения ряда величин. Сфера проявления различных взаимодействий определяется пространственным диапазоном и связана с тем или иным структурным уровнем деления материи. На макроскопическом уровне не проявляются короткодействующие сильные и слабые взаимодействия: для макромира характерны электромагнитные и гравитационные взаимодействия. На макроскопическом уровне применяют «силовое» описание движения и взаимодействия, речь идет о гравитационных силах и поле и об электромагнитных силах и поле.

1. Масса. Понятие массы – одно из наиболее сложных и фундаментальных в науке. Понятие массы характеризует различные свойства материи – инертные и гравитационные. Как мера инертных свойств тела масса выступает при рассмотрении законов Ньютона, закона сохранения импульса. При рассмотрении же закона всемирного тяготения масса характеризует гравитационные свойства. Различные проявления свойств массы рассматриваются в различных разделах курса физики, поэтому основной задачей учителя является ознакомление учащихся с различными проявлениями понятия массы.

Начинают рассмотрение понятия массы с инертного ее проявления в курсе физики основной школы, вводя понятие массы как меры инертности тела на качественном уровне. Рассматривают единицы измерения массы и способ ее измерения – взвешивание. Умение определять массу тела взвешиванием закрепляется при проведении лабораторного опыта. Этим понятием пользуются при изучении законов Ньютона, законов сохранения импульса и энергии в основной и средней школе.

Масса как мера гравитационных свойств тела рассматривается при изучении закона всемирного тяготения, который изучается в средней школе.

Можно выделить несколько этапов формирования понятия «масса» в средней школе:

1 этап – повторение основных знаний о массе, полученных в базовом курсе физики.

2 этап – экспериментальное обоснование понятия массы как количественной характеристики инертных свойств тела. Это соотношение устанавливают на опыте с центробежной машиной и вращающимися на ней телами, массы которых относятся как 1 : 3 - .

3 этап – обобщение результатов опыта и введение понятия массы как меры инертных свойств тела механической системы.

4 этап – определение единиц массы. Кроме известной из базового курса физики единицы измерения – кг, рассматривают кратные и дольные единицы массы и осуществляют их взаимный перевод.

5 этап – способы измерения массы тела:

• путем взвешивания (известно из базового курса физики);

• по взаимодействию тел (сравнение ускорений, приобретенных телами в процессе взаимодействия).

При изучении молекулярно-кинетической теории идеального газа в средней школе масса пропорциональна количества вещества. Чуть позже, изучая взаимосвязь массы и энергии, определяют массу как меру энергии частицы.

2. Взаимодействие тел. Сила. Первоначальное представление о силе учащиеся получают из повседневной жизни. Формирование понятия силы как физической величины начинается в базовом курсе физики. Понятие силы тесно связано с понятием взаимодействия тел. В первую очередь рассматривают явление инерции и выясняют, что скорость тела может изменяться в результате взаимодействия его с другими телами. Далее вводится понятие силы как меры взаимодействия тел. Объясняют векторный характер силы и рассматривают сложение сил, направленных вдоль одной прямой.

В школьном курсе физики представлены все четыре вида фундаментальных взаимодействий – электромагнитные, гравитационные, сильны и слабые. Шире всего представлены электромагнитные взаимодействия (в механике – силы упругости и трения; тепловые явления – силы межмолекулярного взаимодействия; электродинамика – сила Кулона, Ампера, Лоренца и т. д.). Начинают изучение взаимодействий при изучении динамики, где рассматривают гравитационные и электромагнитные взаимодействия, которые затем переходят в молекулярную физику и электродинамику. При изучении физики атома и атомного ядра вводят сильные и слабые взаимодействия.

Например, в механике (IX класс) при рассмотрении электромагнитных сил (силы упругости, силы трения и силы сопротивления среды) и при изучении свойств агрегатных состояний вещества (X класс) представлены межмолекулярные взаимодействия. «Основы электродинамики» (X класс) содержат: взаимодействие двух точечных зарядов (закон взаимодействия – закон Кулона, кулоновские силы), взаимодействие нейтральных атомов (молекул) при взаимодействии электрических диполей, свойства электрического и магнитного полей и их действия на электрически заряженную частицу (сила взаимодействия – сила Лоренца), взаимодействие проводников с током посредством магнитного поля (закон взаимодействия – закон Био-Савара-Лапласа), магнитные свойства вещества. Это относится к области стационарного электромагнитного поля. В XI классе продолжают рассматривать основы электродинамики и изучают свойства нестационарного электромагнитного поля и двойственность проявления его свойств: электромагнитное поле '(в зависимости от условий) ведет себя либо как волна, либо как поток частиц – фотонов. Таким образом, в X и XI классах формируют знания о взаимодействии вещества (макротел и частиц) с электромагнитным полем и посредством него.

Завершают формирование электромагнитных взаимодействий в XI классе рассмотрением особенностей внутриатомного взаимодействия, объяснение которых осуществляют введением, элементов квантовой механики. Понятие силы в этом случае утрачивает свой точный смысл (силу не измеряют количественно по формуле: F= та). Термин «сила» употребляют лишь для обозначения взаимодействия, приводящего к связанным состояниям (или разрушающего эти состояния). Например, мы говорим, что электромагнитные силы удерживают электрон в атоме, обеспечивают химическую связь, создают поверхностное натяжение и т. д. (или ионизируют атом, приводят к распаду ядра).

Электромагнитные взаимодействия возможны и в микромире на расстояниях, меньших 10^-10 м. Однако в микромире, начиная с этих расстояний, проявляются сильные взаимодействия (притяжение – устойчивые связанные состояния в ядре и отталкивание– взаимные превращения элементарных частиц – неустойчивые связанные состояния). Наряду с сильными взаимодействиями, начиная с расстояния 10^-12 м, проявляются и слабые взаимодействия (например, процессы бета-распада или превращение нейтрона и протон). Именно сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия обусловливают строение и свойства атомных ядер и элементарных частиц, и здесь термин «сила» утрачивает свой точный, первоначальный смысл.

При изучении динамики начинается процесс формирования представлений о фундаментальных взаимодействиях, в частности начинают рассматривать гравитационные и электромагнитные взаимодействия. Понятие силы раскрывают как физическую величину, являющуюся количественной характеристикой этих взаимодействий, в результате которых меняются вектора скоростей взаимодействующих тел.

Из третьего закона Ньютона следует, что в классической механике (в механике инерциальных систем отсчета): 1) нет сил вне материальных тел – действие всегда оказывает другое конкретное тело (его всегда можно указать); 2) никогда не наблюдается действие только одной силы – все силы одновременно возникают и исчезают парами; 3) равенство сил (действие и противодействие).

В методике формирования понятия силы в старших классах выделяют следующие этапы:

1 этап – повторение основных знаний о взаимодействии тел и силе, полученных в базовом курсе физики.

2 этап – определение понятия силы как количественной характеристики взаимодействия тел:

• формулируют первый закон Ньютона, показывающий, что без взаимодействия скорость движения тела остается постоянной в ИСО;

• определяют зависимость ускорения тела от силы взаимодействия на опыте (диск вращающийся) и формулируют второй закон Ньютона.

3 этап – введение понятий «действие» и «противодействие». Этот этап связан с изучением третьего закона Ньютона.

4 этап – рассматривают проявление взаимодействия: тяготение, упругость, трение.

5 этап – рассматривают движение тела под действием нескольких сил: по горизонтали, наклонной плоскости, вращающегося тела, движение связанных тел.

Завершают изучение динамики обсуждение принципа относительности Галилея.