5.2.Методика введення фізичних величин в шкільному курсі фізики

Поняття фізичної величини є основним структурним елементом шкільного курсу фізики. І перед тим, як ознайомлювати учнів з цим поняттям варто вчителю самому з’ясувати що ж це таке.

Державний стандарт України «Метрологія» дає таке визначення:

«Фізична величина – властивість спільна в якісному відношенні у багатьох матеріальних об’єктах та індивідуальна в кількісному відношенні у кожного з них». Іншими словами, фізична величина – властивість тіл, явищ, систем тіл, яку можна виміряти.

За програмою, учні знайомляться з поняттям фізичної величини на початку 7 класу. Так, як властивість тіла не може існувати без самого тіла, то перед введенням цього поняття учні мають бути знайомі з поняттям фізичне тіло. Вчитель розказує, що в природі об’єктивно існують предмети, тобто фізичні тіла. Кожне тіло має багато різних властивостей (тобто, те, що відрізняє його від інших тіл), які теж реально існують.

Прикладами властивостей: колір, температура.

(Після цього вчитель може запропонувати перелічити властивості шкільної дошки.) Вчитель зазначає, що є властивості, які можна виміряти (температура), і які виміряти не можна (колір).

(Вчитель просить з перелічених властивостей дошки визначити ті, які, на думку учня, можна виміряти і ті, які виміряти не можна).

Вчитель наголошує, що властивості, які можна виміряти називають фізичними величинами. Учні роблять запис в зошиті.

Фізичні величини можна поділити на дві групи: постійні і змінні. Постійні розділяються на коефіцієнти, фундаментальні сталі. При введенні змінних фізичних величин доцільно дотримуватися певної послідовності.

Перша фізична величина, з якою знайомляться учні – це маса тіла.

Для будь-якої фізичної величини можна скласти план введення.

Узагальнений план введення фізичних величин

1. Демонстрація тіла або явища і розповідь про нього.

2. Показати на досліді нову для учнів властивість і описати її.

3. Показати, що таку властивість мають і інші об’єкти.

4. Ввести назву цієї властивості.

5. Показати спосіб вимірювання цієї властивості.

5.3. До стелі ліфта, що рухається вертикально вгору з прискоренням 0,98 м/с2 , прикріплено пружний динамометр, на якому висить тягарець масою 1 кг. Яку силу показує стрілка динамометра?

Дано:

a= 0,98 м/с²

m= 1 кг

F - ?

Будемо розглядати це тіло, в системі відліку пов’язаною з Землею. Виберемо вісь Ох, так як система є інерціальною, то можна застосувати ІІ закон Ньютона = ;

+

Ox: F = mg = mg

F = ma+mg=m(a+g)

F= 1 (0,98+9,8) =10,78 (H)

[F]=

6.1.Основні поняття термодинаміки. Макроскопічні величини. Термодинамічна рівновага. Температура. Внутрішня енергія термодинамічної системи. Кількість теплоти. Робота. Рівняння стану термодинамічної системи.

Термодинаміка – розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.

Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру.

Термодинаміка вивчає макроскопічні системи, тобто системи, що складаються з великої кількості частин.

Всі макроскопічні ознаки, що характеризують макроскопічні системи та їх відношення до оточуючих тіл називаються макроскопічними властивостями. Властивості, які можна охарактеризувати числом називається макроскопічними величинами.

Макроскопічні величини :змінні(можуть змінюватися за умовою задачі) та параметри(за ум. розгл. задачі не змінюються)

Внутрішня енергія тіла (позначається як E або U) — повна енергія цього тіла за винятком кінетичної енергії тіла як цілого і потенціальної енергії тіла в зовнішньому полі сил. Отже, внутрішня енергія складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенціальної енергії взаємодії між ними і внутрішньомолекулярної енергії.

Внутрішня енергія є однозначною функцією стану системи. Це означає, що всякий раз, коли система опиняється в даному стані, її внутрішня енергія приймає властиве цьому стану значення, незалежно від передісторії системи. Отже, зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший буде завжди рівна різниці значень в цих станах, незалежно від шляху, по якому здійснювався перехід. Внутрішню енергію тіла не можна виміряти напряму. Можна визначити тільки зміну внутрішньої енергії:

Для квазістатичних процесів виконується співвідношення:

Існує два способи зміни внутрішньої енергії системи: виконати над системою роботу або надати системі певну к-сть теплоти.

Термодинамічна рівновага – стан термодинамічної системи, коли не відбуваються жодні макроскопічні переходи (напр., речовини, тепла) і параметри системи (напр., темп., тиск) не змінюються в часі.

Температура - фізична величина, яка окреслює здатність макроскопічної системи (тіла), що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, до теплопередачі. В стані рівноваги температура має однакове значення для всіх макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову температуру, то між ними не відбувається передачі кінетичної енергії часток (тепла). Якщо існує різниця температур, то тепло переходить від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою.

Енергія, передана системою з зміною її зовнішніх параметрів називається роботою.

Енергія, передана системі без змін її зовнішніх параметрів називається кількістю теплоти. Робота – процес взаємодії одної термодинамічної системи з іншими термодинамічними системами, в результаті чого змінюється механічний рух структурних частинок або їх положення по відношенню до початкового стану.

Кількість теплоти або кількість тепла – фізична величина, яка характеризує процеси обміну енергії між тілами. Позначається зазвичай літерою Q, має розмірність енергії. В системі СІ вимірюється в Джоулях, проте доволі популярною залишається позасистемна одиниця вимірювання – калорія.

Кількість теплоти, яка передається тілу, або відбирається від тіла в зворотних рівноважних процесах, можна визначити із першого закону термодинаміки:

В статистичній фізиці кількість теплоти, отриманої тілом при переході між двома близькими макроскопічними станами, визначається, як

Рівняння стану термодинамічної системи - рівняння, що описує стан термодинамічної системи, тобто пов'язує температуру Т, зовнішні параметри а_і і внутрішні в_і .

Рівняння стану термічні і калоричне. Якщо внутрішнім параметром в_к є внутрішня енергія U, то рівняння називається калоричним рівнянням. Якщо внутрішнім параметром в_к є узагальнена сила R, то рівняння називається термічним рівнянням.

6.2. Формування поняття температури в школі.

Поняття температури тіла вводиться за старою програмою на початку 8 класу при вивченні теми „Теплові явища”. Початкове уявлення про температуру тіла учні отримують у 5-6 класах на уроках природознавства.

У 8 класі учням дається метод вимірювання температури тіла термометром і одиниці температури С. В побуті ми постійно говоримо, що „це гаряче”, „це холодне” цей предмет холодніший ніж той. Але якщо ми зануримо праву руку в холодну воду, а ліву – в гарячу, а після того одночасно обидві руки зануримо у теплу воду , то правій руці ця вода буде гарячою, а лівій холодною. Отже людина не може об’єктивно оцінити температуру того чи іншого тіла. Тому, для визначення температури ми користуємось термометром.

Далі вчитель розказує про різні види термометрів і про різні шкали цих приладів. Зазначає, що одна з шкал – шкала Цельсія і розказує про побудову цієї температурної шкали. Одиницею вимірювання такої шкали є градус Цельсія. Далі розповідають про шкалу Кельвіна. Одиницею вимірювання температури тіла в системі СІ є Кельвін.

Через декілька уроків зазначається, що температура тіла визначається швидкістю руху молекул. Чим вища Т тіла, тим більша швидкість руху його атомів і молекул і навпаки, тобто тим вища Е_к молекул і атомів цього тіла. Температуру тіла може мати лише макроскопічне тіло, що складається з великої кількості частинок.

У 10 класі дається наукове поняття температури. Спочатку розглядається поняття теплової рівноваги. Температура характеризує стан теплової рівноваги. При цьому зазначається, що тиск, об’єм, кількість молекул може бути різною для тіл, що входять у систему, яка перебуває в тепловій рівновазі, але температура у всіх цих тілах буде однаковою.

Бажано провести такий дослід: У посудину, в якій знаходиться лід при t=0 С занурюють три посудини різних форм, різного об’єму з різним газом всередині. Кожна посудина з’єднана з манометром. Чекаємо, доки система буде в тепловій рівновазі. І стверджуємо, що температура всієї системи і кожного газу 0 С.Вимірюємо P, V ю Визначаємо N-кількість молекул для кожного з газів. Маємо: Знайдемо ,що . Отже, при тепловій рівновазі середня кінетична енергія молекул всіх газів однакова.

Дослідним шляхом можна встановити, що при збільшенні температури,θ також збільшується. Крім того, θ залежить лише від температури . Так ми вивели зв'язок між t і середньою Е_к молекул тіла.

Чим більша температура, тим більша середня кінетична енергія молекул тіла. Тобто Т визначає Е_к молекул.

6.3.Задача

У повітрі з однакової висоти падають дві кульки з однакового матеріалу і однакового радіуса. Одна кулька має внутрішню порожнину. Яка з кульок: суцільна чи з порожниною впала на землю раніше, якщо вони падають з однакової висоти?

Дано:

ρ₁=ρ₂

R₁=R₂=R

h₁=h₂=h

m₁>m₂

?

m_1> m₂

F_ст = , η-коефіцієнт в’язкості .Р-ння руху:

m₁+ =

m₁g - F_cт1=

m₂+=

m₂g - F_cт2=

. На початку руху F_cт = - 6 Пη R =