Методика вивчення теми “ОСНОВИ ДИНАМІКИ”

Лекція 2

Методика вивчення теми “ОСНОВИ ДИНАМІКИ”

1. Науково-методичний аналіз змісту та структури теми

Після вивчення кінематики розпочинається ознайомлення учнів із основами динаміки. У цій темі вивчається взаємодія тіл та рух тіл під час цієї взаємодії. Тема складається із трьох розділів: “Закони Ньютона”, “Сили в механіці” та “Рух тіла під дією кількох сил”. У першому розділі вивчаються перший закон Ньютона, вводиться поняття інерційної системи відліку, маси та сили, вивчається другий закон Ньютона, додавання сил та третій закон Ньютона. У другому розділі вивчаються гравітаційні сили, закон всесвітнього тяжіння, сила тяжіння, рух під дією сили тяжіння, рух штучних супутників та розрахунок першої космічної швидкості. Тут же розглядаються сили пружності, закон Гука, невагомість, сили тертя та коефіцієнт тертя. Третій розділ присвячений розгляду руху тіл під дією кількох сил: рух у горизонтальному та вертикальному напрямках, рух похилою площиною, рух зв’язаних тіл та рух по колу.

Вивчення даної теми передбачає широке використання математичного апарату, демонстраційного експерименту, а також знань, набутих учнями як під час вивчення фізики в основній школі, так і під час вивчення теми “Основи кінематики”. Знання законів динаміки учням необхідне для подальшого вивчення механіки, та інших наступних розділів курсу фізики.

Освітнє та прикладне значення теми полягає в тому, що через вивчення нового розділу механіки, в якому використовується потужний математичний апарат, в учнів формуються наукові знання про матеріальність світу та взаємну обумовленість явищ в природі, Учитель має можливість ознайомити учнів із досягненнями світової науки та внеском у її розвиток вітчизняних вчених, що сприяє формування почуття патріотизму та гуманізму.

2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз

Основними поняттями даної теми є: інерція, інертність, інерціальна система відліку, маса, сила, гравітаційні сили, сили тертя, сили пружності.

Під інерцією в механіці розуміють явище збереження стану спокою чи швидкості в прямолінійному рівномірному русі при скомпенсованих зовнішніх діях. Інерція властива всім матеріальним об’єктам у однаковій мірі.

З поняттям інерції зв’язане поняття, яке описує властивість тіл набувати різних прискорень при однакових зовнішніх діях із боку інших тіл. Інертність властива різним тілам у різній мірі. Мірою інертності тіла при поступальному русі є його маса (при обертальному русі – момент інерції).

Важливим для описання процесів у механіці є поняття інерціальної системи відліку – системи відліку, в якій виконується закон інерції. Будь-яка система відліку, що рухається відносно інерціальної системи відліку поступально, рівномірно та прямолінійно, також є інерціальною системою відліку. Усі інерціальні системи відліку рівноправні, тобто в усіх таких системах закони фізики діють однаково. Враховуючи, що Земля рухається навколо Сонця з незначним прискоренням, систему відліку, пов’язану із Землею, лише наближено можна вважати інерціальною.

Маса є однією з основних фізичних характеристик матерії, яка визначає її інертні та гравітаційні властивості. У класичній механіці маса визначається відношенням сили, що діє на тіло, до прискорення, якого набуває тіло під дією цієї сили. У цьому разі маса називається інертною. Поряд із тим, маса є мірою гравітаційних властивостей тіл. У цьому разі маса називається гравітаційною. При відповідному виборі гравітаційної сталої інертна та гравітаційна маси кожного тіла співпадають. У цьому полягає принцип еквівалентності мас. Маса є адитивною величиною. У класичній механіці маса даного тіла є величиною сталою, незалежною від його стану. У релятивістській механіці маса тіла залежить від швидкості його руху

При малих швидкостях, значно менших за швидкість світла, . За одиницю маси – кілограм – прийнято масу спеціально виготовленого циліндра з платино-іридієвого сплаву, який зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг у місті Севрі під Парижем.

Під силою розуміють міру механічної дії на дане матеріальне тіло з боку інших тіл, внаслідок чого змінюється вектор швидкості цього тіла, і тіло набуває прискорення. Сила є величиною векторною і в кожний момент часу характеризується чис-ловим значенням, напрямком у просторі та точкою прикладання.

Серед сил, які вивчаються в механіці, виділяють сили пружності, тертя та гравітаційні.

Гравітаційні сили – це сили взаємного притягання між усіма тілами; значення цих сил прямо пропорціональне добутку мас тіл та обернено пропорціональне квадрату відстані між ними

Ця залежність називається законом всесвітнього тяжіння, пріоритет у відкритті якого належить І. Ньютону. Числове значення коефіцієнта пропорційності G , який називають гравітаційною сталою, було визначено експериментально в дослідах Кавендіша.

У міжнародній системі (СІ) Нм²/кг²

Одним із випадків сили всесвітнього тяжіння є сила тяжіння, що діє на будь-яку матеріальну точку, яка розташована поблизу земної поверхні. На значення цієї сили впливає добове обертання Землі. Напрямком сили тяжіння є вертикаль у даній точці земної поверхні.

Сила тертя спокою – це сила, яка виникає між двома контактуючими тілами й утримує їх у стані спокою одне відносно іншого при дії на них інших тіл. Ця сила завжди дорівнює за абсолютним значенням і напрямлена протилежно силі, що прикладена до тіла паралельно поверхні стикання його з іншим тілом. Максимальна сила тертя спокою пропорційна силі тиску:

Сила тертя ковзання – це сила, що виникає під час руху одного тіла поверхнею іншого і напрямлена в бік, протилежний рухові тіла. Сила тертя ковзання пропорціональна силі тиску: . Коефіцієнт пропорціональності називають коефіцієнтом тертя. Його значення залежить від виду речовини, з якої виготовлено тіла, а також від стану поверхонь, що стикаються.

Коефіцієнт тертя установлює зв’язок між силою тертя і силою тиску між тілами. Розрізняють коефіцієнт тертя руху і коефіцієнт тертя спокою. Коефіцієнт тертя спокою завжди менший за коефіцієнт руху:

У свою чергу коефіцієнт тертя руху визначається як для відносного ковзання одного тіла по поверхні другого, так і для кочення одного з тіл. Коефіцієнт тертя ковзання суттєво більший за коефіцієнт тертя кочення:

_ков > _коч

3. Навчальний фізичний експеримент

Демонстрації

Прояв інерції [27, c. 56; 9, с. 40]. Порівняння мас тіл [27, c. 66; 27, c. 54; 9, с. 42]. Вимірювання сил [27, c.70; 9, с. 46]. Другий закон Ньютона [27, c. 67; 35, c. 49; 9, с. 43]. Додавання сил, що діють під кутом одна до одної [27, c. 102; 35, c. 44; 9, с. 45]. Третій закон Ньютона [27, c. 72; 35, c. 52; 9, с. 48]. Центр мас тіла [35, c. 55]. Вага тіла при прискореному підніманні та падінні [35, c. 57; 9, с. 58). Залежність дальності польоту від кута кидання [27, c. 91; 9, с. 62-65]. Невагомість [35, c. 58; 9, с. 59]. Залежність сили пружності від деформації [27, c. 75; 35, c. 61]. Сили тертя ковзання і кочення [27, c. 81 ; 9, с. 50; 35, c. 62]. Відцентрові механізми [27, c. 97]. Рівновага тіл під дією декількох сил [27, c. 109; 9, с.78]. Види рівноваги [27, c. 113].

Лабораторні роботи

“Визначення жорсткості пружини”, “Визначення коефіцієнта тертя ковзання”, “Вивчення руху тіла, кинутого горизонтально”, “Вивчення рівноваги тіл під дією декількох сил”.

При поглибленому вивченні фізики додатково виконуються лабораторні роботи: “Визначення швидкості вильоту снаряда з магнітної гармати”, “Вивчення руху тіла по колу під дією сил пружності й тяжіння”, “Розрахунок і вимірювання часу прискореного руху на заданій відстані”, “Розрахунок і вимірювання відстані, пройденої тілом під дією постійно діючої сили за даний час”.