8. Нма «основы динамики»

Первый закон динамики в общеобразовательном курсе физики формулируют так: существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не влияют другие тела (или влияния других тел компенсируются). Системы отсчета, относительно которых тела движутся равномерно и прямолинейно, называют инерциальными, само явление сохранения вектора скорости - инерцией, а закон - законом инерции. Одна из дидактических задач, которая стоит перед учителем при рассмотрении этого закона, - разъяснить школьникам, что ни один опыт не может абсолютно точно подтвердить закон инерции, так как не существует в природе абсолютно свободных, ни с чем не взаимодействующих тел.

Дидактическая задача - показать учащимся особую роль этого закона, его самостоятельность и определяющее место в механике (не было бы первого закона, не было бы и всех остальных). Особое значение первого закона состоит в определении пространства (системы отсчета), для которого справедлива ньютоновская механика. Иногда встречается утверждение, что первый закон есть следствие второго. Оно основано на том, что когда равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю F=0, то ускорение (a-вектор) равно нулю, т. е. тело либо движется равномерно и прямолинейно (v = соnst), либо покоится (v = 0). Следует обратить внимание школьников на то, что нельзя первый закон Ньютона рассматривать как следствие и что приведенное рассуждение свидетельствует о тесной связи между собой законов Ньютона. Масса. Этапы изучения понятия массы в старших классах профильной школы:

I этап - повторение основных знаний о массе, полученных в базовом курсе физики. II этап- экспериментальное обоснование понятия массы как количественной характеристики инертных свойств тела. Проводят эксперимент: на ручной центробежной машине устанавливают стержень с двумя телами, связанными нитью, массы которых находятся в соотношении 1: 3. В ходе опыта показывают, что эти тела не соскальзывают со стержня и движутся по окружностям, радиусы которых находятся в соотношении 3:1

Т.е.

III этап- обобщение результатов опыта и введение определения массы как меры инертных свойств тела, механической системы.

На основании опытных фактов устанавливают: 1. Для двух взаимодействующих тел отношение модулей ускорений, приобретенных в результате взаимодействия, - величина постоянная. 2. Раскрывают основное содержание понятия инертности: нельзя изменить скорость тела мгновенно (для изменения скорости необходимо время, которое для различных тел разное). Далее дают определение массы; масса тела - физическая величина, характеризующая его инертность. Она определяет отношение ускорения эталона к ускорению тела при их взаимодействии. IV-этап-определение единицы массы.Уточняют, что 1кг─ эта единица, принятая на Международном конгрессе в качестве эталона. Этот эталон изготовлен из сплава платины и иридия и хранится в бюро мер и весов (во Франции). Важно уточнить, что это единица СИ. По существу, параллельно с введением единиц массы можно начать и введение понятия о системе механических единиц, т. е. ознакомить учащихся с международной системой единиц, ее основными механическими величинами: длиной, массой, временем и их единицами.V-этап- обсуждение способов измерения массы путем взаимодействия с другим телом и путем взвешивания на рычажных весах Первоначальное представление о силе учащиеся получают из повседневной жизни как о мускульном усилии. Формирование понятия силы как физической величины начинают в базовом курсе физики. На этих уроках выясняют, что вектор скорости тела может изменяться только при взаимодействии этого тела с другими телами. В методике формирования понятия силы в курсе физики старших классов можно условно выделить следующие этапы.

I этап - повторение основных знаний о силе, полученных в курсе физики основной школы. II этап - определение понятия силы как количественной характеристики действия одного тела на другое. Этот этап формирования понятия силы тесно связан с изучением второго закона Ньютона. На этом этапе можно выделить такие моменты:

1. Разъясняют определение понятия силы. В результате взаимодействия тело получает ускорение (меняется вектор скорости).Величину, характеризующую действие одного тела на другое, в результате которого второе тело приобретает ускорение, называют силой. Это положение обязательно нужно экспериментально обосновать. Опыты можно использовать те же, что и при рассмотрении понятия массы, но акцент в них делают на то, что получаемые в результате взаимодействия ускорения зависят от условий и характера взаимодействия. Ускорения взаимодействующих тел зависят от условий и характера взаимодействия, а отношение их от этого не зависит.

2. Ставят эксперимент по определению силы (одной и той же силой воздействуют на тела разной массы и измеряют их ускорения). Так как нерастянутая пружина не действует на прикрепленные к ней тела, следовательно, сила упругости зависит лишь от растяжения (или сжатия) пружины. Используя это свойство силы упругости, на тела разной массы действуют одинаковой силой, добиваясь одного и того же растяжения пружины при различных ускорениях.

Далее показывают опыт, подтверждающий, что при действии на тело постоянной силы величина та одинакова для всех тел.

Опыт проводят на вращающемся диске. Измеряют центростремительное ускорение ( ' ). При заданной массе тела и полученном в опыте ускорении показывают, что силу определяют как произведение массы на ускорение ( ).

III этап- рассмотрение понятии «действие» и «противодействие». Этот этап связан с изучением третьего закона Ньютона. При изучении этого закона подчеркивают, что действие тел носит взаимный характер. В третьем законе в отличие от второго в равной степени рассматривают оба тела. Термины «действие» и, «противодействие» - условны и взаимозаменяемы. При взаимодействии двух тел действие первого тела на второе можно назвать «действием» ( ), а второго на первое «противодействием» ( ), и наоборот. Важно довести до понимания учащихся тот факт, что эти силы нельзя складывать и не следует их путать с уравновешенными силами.

IV этап- рассмотрение проявления взаимодействий следующих видов: тяготения, упругости, трения. Никаких других видов взаимодействия в механике нет, а следовательно, нет никаких других сил. После этого рассматривают гравитационные силы и з-н всемирного тяготения

8. Продемонстрируйте явление взаимодействия тел для раскрытия содержния понятия о массе. Сравнение масс двух тел: оборудование: 1) прибор «тела неравной массы»; 2) центробежная машина; для введения понятия массы может служить прибор, представляющий собой лоток устанавливаемый горизонтально в шпинделе центробежной машины, с двумя сплошными цилиндрами одинаковых размеров изготовленными из стали и алюминия и связанными шнурком. Цилиндры устанавливают по обе стороны от оси вращения сначала на равных расстояниях. Показывают, что при очень медленном вращении цилиндры не остаются на месте, а сдвигаются на край лотка в сторону цилиндра с большей массой. после этого цилиндры располагают на лотке так, чтобы они, описывая окружности разных радиусов, удерживали друг друга и оставались на своих местах. Измерив радиусы вращения, показывают, что для цилиндра с меньшей массой радиус вращения в три раза больше, чем для цилиндра с большей массой. Этот результат служит основанием для введения понятия массы и позволяет сделать вывод о том, что отношения абсолютных значений ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс.

Продемонстрируйте второй закон Ньютона.

1 ) Установите на прибор "Диск вращающийся" желоб с делениями, положите на него один из катков и тесьмой соедините каток с демонстрационным динамометром, укрепленном на раме. На краю диска укрепите тахометр. Диск приведите во вращение с помощью универсального двигателя, регулируя число его оборотов реостатом. Покажите, что при постоянной массе тела центростремительное ускорение прямо пропорционально величине силы. Запишите результаты опыта (значения F, r, a) для разных значений ω. Выделите результаты одного опыта. Взяв другой каток (вдвое большей массы:m₂/m₁=2), покажите, что динамометр покажет ту же силу, если при той же угловой скорости вращения тяжелый каток будет двигаться по окружности вдвое меньше радиуса. Формула связывающая центростремительное ускорение с угловой скоростью: или . Сравнивают ускорения, которые получили разные цилиндры под действием одной и той же силы: . Следовательно, , или . Произведение массы тела на его ускорение выражает силу, действующую на тело: