Методика вивчення теми “ОСНОВИ КІНЕМАТИКИ”

Лекція 1.

Методика вивчення теми “ОСНОВИ КІНЕМАТИКИ”

1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми

Вивчення механіки в старшій школі традиційно розпочинається з кінематики. У цьому розділі механіки розглядається механічний рух тіл без урахування їх взаємодії з іншими тілами. У змісті даної теми можна виділити три розділи: “Основні поняття кінематики”, “Прямолінійний нерівномірний рух” та “Криволінійний рух” (див. табл. 1). При вивченні першої частини розділу передбачається формування в школярів понять матеріальної точки, механічного руху, системи відліку. Уводяться фізичні величини, які характеризують механічний рух: шлях, траєкторія, переміщення, швидкість. Тут формулюється основна задача механіки та знаходиться її розв’язок для випадку прямолінійного рівномірного руху.

У другій частині “Кінематики” вивчається прямолінійний нерівномірний рух, з’ясовується питання про швидкість при такому русі, вводяться поняття середньої та миттєвої швидкостей, прискорення, виводиться формула для знаходження переміщення при рівноприскореному русі. Як приклад рівноприскореного руху розглядається вільне падіння тіл та прискорення вільного падіння.

Завершується вивчення теми розглядом питання про криволінійний рух, в якому розглядаються питання про переміщення, швидкість та прискорення при такому русі. Як частинний випадок криволінійного руху вивчається рух по колу, вводиться поняття доцентрового прискорення, періоду та частоти обертання тіла, а також зв’язок між цими величинами.

Характерною особливістю розділу є широке застосування графічного методу при з’ясуванні залежностей між фізичними величинами, які описують механічний рух.

При організації навчального процесу вивчення розділу потрібно враховувати, що в курсі фізики основної школи учні вже вивчали механічний рух та деякі його характеристики, а глибоке розуміння кінематики необхідне як для подальшого вивчення механіки, так і для вивчення наступних розділів фізики в старшій школі.

2. Основні поняття теми та їх науковометодичний аналіз

Основними поняттями даної теми є: механічний рух, поступальний рух, матеріальна точка, система відліку, траєкторія, переміщення, шлях, швидкість, прискорення.

Під механічним рухом тіла розуміють зміну з часом його положення в просторі відносно інших тіл. Із означення механічного руху витікає, що не можна говорити про рух відокремленого тіла – рух завжди відбувається відносно якихось інших тіл. Причому, відносно одних тіл дане тіло може рухатись, а відносно інших – перебувати в спокої.

Одним із видів механічного руху є поступальний рух – такий рух, під час якого всі точки тіла рухаються однаково. При такому русі пряма, проведена через дві довільні точки тіла, залишається паралельною сама собі. Оскільки під час поступального руху тіла всі його точки рухаються однаково, то немає потреби описувати рух кожної з них – достатньо описати рух якої-небудь однієї точки цього тіла.

Матеріальною точкою вважають тіло, розміри та форма якого з точки зору класичної механіки несуттєві в даному випадку. Введення поняття матеріальної точки дає можливість при вивченні поступального руху тіла розглядати рух лише однієї точки.

Під системою відліку розуміють систему координат, тіло відліку, з яким вона пов’язана, та спосіб вимірювання часу.

Траєкторією руху тіла називають геометричне місце точок, у яких перебувало тіло під час свого руху. Виходячи із геометричної форми траєкторії руху, визначають вид цього руху (прямолінійний чи криволінійний).

Переміщенням тіла називається напрямлений відрізок, що сполучає початкове положення тіла з його наступним положенням. Отже, переміщенням точки задається вектор, який називається вектором переміщення. Вектор переміщення зазвичай позначають . Модуль (довжину) вектора переміщення позначають або ж s. Вимірюють довжину переміщення в метрах.

Шляхом називається довжина траєкторії тіла. Він є скалярною величиною, вимірюється в метрах і одним з його позначень є буква . Шлях, пройдений тілом, не менший за модуль його переміщення. Якщо рух прямолінійний, і тіло здійснювало переміщення лише в одному напрямку, то шлях і модуль переміщення однакові; в усіх інших випадках шлях більший за модуль переміщення.

Під швидкістю прямолінійного рівномірного руху розуміють фізичну величину, що характеризує механічний рух і чисельно дорівнює відношенню переміщення тіла до проміжку часу, протягом якого відбулося це переміщення. Швидкість є векторною величиною, її напрям співпадає з напрямом переміщення. Позначають швидкість . Тоді .

У окремих випадках при вивченні нерівномірного руху користуються середньою швидкістю, яка показує, чому дорівнює переміщення, що його тіло здійснює в середньому за одиницю часу: . Часто, розглядаючи середню швидкість, мають на увазі не вектор, а скалярну величину, що визначається довжиною шляху, пройденого тілом у середньому за одиницю часу: .

Введення поняття середньої швидкості не дає можливості розв’язати основну задачу механіки. Тому користуються поняттям миттєвої швидкості (швидкості тіла в даний момент часу або в даній точці траєкторії), яка дорівнює відношенню досить малого переміщення на ділянці траєкторії, що прилягає до цієї точки, до інтервалу часу, який прямує до нуля.

Одним із видів нерівномірних рухів тіл є рівноприскорений – такий рух, під час якого швидкість зміни швидкості залишається сталою. Розгляд такого руху вимагає введення поняття прискорення – фізичної величини, що характеризує прискорений рух і чисельно дорівнює відношенню зміни швидкості тіла до інтервалу часу, протягом якого ця зміна відбулася:

Таке означення прискорення використовується й при розгляді інших видів нерівномірних рухів тіл. Прискорення є векторною величиною, але його напрям не завжди співпадає з напрямом переміщення чи швидкості тіла.

3. Навчальний фізичний експеримент

Демонстрації. Відносність руху [27, c. 26; 9, с. 26). Прямолінійний і криволінійний рух [27, c. 25; 27, c. 50]. Додавання переміщень [27, c. 23; 9, с.28). Падіння тіл у повітрі та розрідженому просторі [27, c. 42; 9, с. 33). Напрям швидкості при русі по колу [27, c. 50; 9, с.37) .

Лабораторні роботи: передбачається виконання лабораторної роботи “Визначення прискорення тіла при рівноприскореному русі”.