Е.А.ОЛЬХОВСКАЯ,
школа № 1370, г. Москва

Основы динамики. Законы движения

Конспект открытого урока решения качественных задач. 10-й класс

 

Оборудование

• Демонстрационное: тележка легкоподвижная, 2 демонстрационных динамометра, гиря массой 1 кг, рычаг (линейка демонстрационная, стеклянный толстостенный стакан вместимостью 100 мл и высотой 90 мм, пружина от комплекта «ведёрко Архимеда», груз массой 100 г), магнит круглый диаметром 5–7 см, железная пластина диаметром 5–10 см, 3 штатива, 3 муфты, 4 воздушных шарика, нить № 10, самодельное оборудование – корабль со съёмным парусом и креплением для воздушного шарика, крепление для подвешивания стакана к рычагу, самодельные плакаты.

• Лабораторное (по комплекту на парту): штатив с лапкой и муфтой, пара металлических цилиндров (стальных, алюминиевых, латунных) из набора тел для калориметра, нить длиной 50–60 см с петлями на концах, весы учебные без разновесов.

Литература

Анциферова Л.И., Пищиков И.М. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. – М.: Просвещение, 1984.

Буров В.А., Никифоров Г.Г. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7–11 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 1996.

Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я. и др. Сборник задач по элементарной физике. – М.: Наука, ГР ФМЛ, 1987.

Бытько Н.Д. Физика. – М.: Высшая школа, 1972.

Гладкова Р.А., Добронравов В.Е., Жданов Л.С., Цодиков Ф.С. Сборник вопросов и задач по физике для средних специальных учебных заведений. – М.: Наука, ГР ФМЛ, 1975.

Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. – М.: Наука, ГР ФМЛ, 1988.

Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Просвещение, 1985.

Демкович В.П. Сборник вопросов и задач по физике. – М.: Просвещение, 1965.

Зинковский В.И., Демидова М.Ю. (сост.). Методический справочник учителя физики: Материалы к августовской конференции. – М.: УМЛ физики МИПКРО, 2000.

Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-10. – М.: Просвещение, 1992.

Рымкевич А.П. Сборник задач для 9–11 кл. – М.: Дрофа, 1999.

Степанова Г.Н. Физика-7–9: Программа и методический комментарий. – СПб: Валери СП, 1999.

Шилов В.Ф. Техника безопасности в кабинете физики. – М.: Школьная пресса, 2002.

Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С.Ландсберга. т. 1. – М.: Наука, 1995.

Перед началом урока на каждую парту ставится в собранном виде штатив с муфтой и лапкой (лапка зажата, держатель параллельно земле), весы учебные (заранее уравновешены), по два цилиндра, связанных нитью (через парту ставятся цилиндры равной и различной массы); кладутся таблицы и сертификаты (на каждого ученика). Установки для демонстрационных опытов находятся внизу, за кафедрой. На доске записываются тема урока и эпиграф к уроку, чертится таблица (см. с. 14).

Ход урока

1. Организационный этап

Учитель. Здравствуйте! Меня зовут Елена Александровна. Я рада вас приветствовать сегодня на уроке. Думаю, что он покажется интересным для всех. Давайте поработаем сегодня вместе.

У вас на столах стоит различное оборудование, лежат таблицы – их мы пока не трогаем. А вот в оценочные сертификаты, на жёлтую полосу в центре, впишите свои имя и фамилию. Я буду рада в конце урока проставить вам отметки, и, думаю, плохие среди них вряд ли встретятся. Вписали? Теперь отложите сертификаты на край парты.

Итак, тема сегодняшнего урока: «Решение задач на законы Ньютона». А эпиграф: «Истина – это то, что выдерживает проверку опытом».

2. Актуализация опорных знаний

Слова эпиграфа принадлежат А.Эйнштейну. Поэтому сомнений по их поводу не возникает. А как бы вы отнеслись к этим словам, если бы автор был неизвестен? Почему? (Ответы учащихся.) Действительно, закон – это устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. И если возникают какие-то исключения, закон неточен.

Вы уже познакомились с законами Ньютона. Цель нашего сегодняшнего урока – их экспериментальная проверка. Физика – наука экспериментальная, и в наших силах провести несколько опытов и посмотреть, действительно ли выполняются законы Ньютона.

Вспомним, как они формулируются. (После ответов учащихся учитель вывешивает соответствующие плакаты.) Итак:

– Первый закон Ньютона?

– Второй закон Ньютона?

– Третий закон Ньютона?

Какова центральная идея этих законов? (Изменение состояния движения, т.е. скорости, тел вызывается их взаимным действием друг на друга.)

Кстати, это не так уж и очевидно. Начиная с Аристотеля, на протяжении почти двадцати веков все были убеждены, что движение с постоянной скоростью надо непрерывно поддерживать. Нам говорит об этом и повседневный опыт. Ведь так? (Ответы учеников.) Конечно, нет. В действительности, если сумма сил равна нулю, тело движется по инерции, а прилагать усилие нам обычно требуется, т.к. действует сила сопротивления.

И последнее, что нам осталось вспомнить для грамотной и качественной работы сегодня, это:

– Что такое сила? (Количественная мера взаимодействия.)

– Что такое равнодействующая сила?

– Какие силы вам известны?

– Со стороны чего они действуют на тело?

(Названные силы записываются в столбик. Учащиеся в тетради рядом указывают взаимодействующие тела – заполняют первые две колонки.) Проверяем вслух. (Проверка.)

Но, по третьему закону Ньютона, тела взаимодействуют, т.е. и тело, в свою очередь, действует на… что? (Проговариваем, заполняя вторую половину таблицы.)

В результате на доске и в тетради:

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

(Напоминаю, что понятие силы было введено для удобства описания процессов, так же как и названия сил. Можно пользоваться обозначениями F₁, F₂, но нам удобнее называть силы «именами».)

Итак, мы повторили законы, вспомнили силы и договорились о принятых обозначениях.

3. Закрепление и систематизация знаний

Обратимся к практике. Про то, что тела в жидкости становятся легче (т.е. жидкость действует на тело), мы знаем из повседневной жизни. А вот, что тело давит на жидкость…

Рассмотрим такую ситуацию. На рычаге уравновешены стакан с жидкостью и груз на пружине. Нарушится ли равновесие весов, если опустить груз в жидкость полностью, не касаясь его стенок? Если опустить груз на дно стакана?

(В процессе обсуждения выдвигается гипотеза, затем следует демонстрационный опыт: равновесие не нарушается ни в одном случае. Учащиеся объясняют.)

Итак, силы, действующие на левое плечо рычага, приложены в одной точке – это вес стакана с жидкостью и груза на пружине. Если поместить груз в жидкость, не касаясь дна и стенок сосуда, вес груза уменьшится на архимедову силу. Но, по третьему закону Ньютона, груз действует на жидкость с силой, равной по величине архимедовой и направленной в противоположную сторону, – на сколько уменьшился вес груза, на столько же увеличился вес стакана с жидкостью. Суммарный результат воздействия на рычаг не изменился.

Что же, с этим вопросом мы справились! Теперь перейдём к обсуждению взаимодействия Земли и тела. То, что Земля притяги вает к себе все тела, для нас очевидно. Но нам странно говорить о нашем действии на Землю. Мы не видим проявления этой силы, но это вовсе не значит, что её нет.

Человек стоит на стуле. Со стороны Земли на него действует сила, допустим, 600 Н. По третьему закону Ньютона, на Землю со стороны человека тоже действует сила 600 Н. Почему же Земля не падает на человека?

С точки зрения теории:

• по третьему закону Ньютона: F₁ = F₂;

• по второму закону Ньютона: m₁a₁ = m₂a₂; m₁/m₂ = a₂/a₁.

ВЫВОД: чем больше масса, тем меньше ускорение тела, т.е. изменение его скорости.

Оценим опытным путём, так ли это (учитель говорит и одновременно показывает).

Перед вами на столе штатив с муфтой и лапкой. Лапка закреплена так, что её держатель строго параллелен земной поверхности. Рядом находятся уравновешенные весы. На основании штатива стоят два связанных цилиндра. Возьмите их и подвесьте на лапке так, чтобы длины нитей были одинаковы. Пронаблюдаем взаимодействие этих тел. Чтобы условия были равными, будем отклонять цилиндры на одинаковое расстояние от положения равновесия и отпускать.

Внимание! Ваша задача: проследить, на какой угол будет отклоняться каждый цилиндр после взаимодействия, сравнить эти углы и сравнить массы цилиндров, взвешивая их на весах. Опыт проводим не менее трёх раз. (Учащиеся выполняют, учитель ходит и наблюдает.)

Итак, какие результаты вы получили? (Тела равной массы – углы равны; чем больше масса, тем меньше угол отклонения, хотя времена взаимодействия одинаковы.)

Итак, цилиндры в результате взаимодействия приобрели разные по модулю скорости, а следовательно, и разные по модулю ускорения: у цилиндра с меньшей массой ускорение больше. В случае равных масс ускорения одинаковы. Мы действительно убедились в том, что, чем больше масса, тем меньше ускорение.

А вот теперь и объясните, что же происходит в случае взаимодействия Земли и человека? (По мере обсуждения на доске ведутся записи. Если позволяет время, учащиеся переписывают их в тетрадь.)

Масса Земли 6 • 10²⁴ кг.

Масса человека 60 кг.

Ускорение человека

(ускорение свободного падения) 9,8 м/с².

m₁/m₂ = a₂/a₁ a₂ = a₁ • m₁/m₂.

a₂ = 9,8 м/с² • 60 кг/(6 • 10²⁴ кг) = 9,8 • 10^–23 м/с².

Ускорение планеты ничтожно по сравнению с ускорением человека. Поэтому и перемещение Земли ничтожно по сравнению с перемещением человека.

Теперь попробуйте мысленно представить, что соотношение масс цилиндров такое же, как у Земли и человека. Как бы в этом случае выглядел результат опыта?

Задание на оценку «4»

Задачи на законы Ньютона подсказывает сама жизнь. Вот мы вчера смотрели с ребёнком мультфильм «Ну, погоди!». Там был такой эпизод: волк хочет догнать корабль с зайцем, садится в парусную лодку и заставляет лодку двигаться, дуя в парус (рисунок на доске).

Скажите, соответствует ли эта ситуация тому, что мы с вами сегодня на уроке видели и установили? (Обсуждение.) Так как физика  – наука опытная, вспомним эпиграф, проверим это:

• Направляем воздух из шарика на парус – лодка не двигается. По третьему закону Ньютона, выходящий из «волка» воздух действует на него с той же по модулю силой, с какой волк воздух выдыхает. И именно с этой силой воздух действует на парус. Но волк и лодка с парусом – единое целое. Силы оказываются приложенными не к разным телам, а к одному. Эти силы равны по модулю и противополож ны по направлению. Их равнодействующая равна нулю. А по первому закону Ньютона, скорость тела при этом – величина постоянная, в данном случае нуль. Что мы и наблюдаем.

• Можно ли изменить ситуацию и заставить лодку двигаться? Да, если дуть в другую сторону! (Демонстрация.) Кто может сказать, как называется такое движение? (Реактивное.)

(Далее можно обсудить:

– как Мюнхгаузен тащил себя из болота (мог бы вытянуть, если бы косичку перекинул через сук);

– как движутся ракеты и космонавты в открытом космосе;

– как делается цирковой номер с гирями: гимнаст отпускает их в верхней точке полёта;

– как «отдаёт» в плечо при стрельбе из винтовки, зачем делают тяжелыми пушки и лафеты (станки, на которых закреплено орудие);

– вариант полёта на Луну, предложенный Сирано де Бержераком (встать на железный лист и подкидывать магнит – магнит тянет лист за собой, и человек поднимается в воздух).

Дополнительные задания:

– Лошадь везёт сани (рисунок на таблице). Почему? Ведь, по третьему закону Ньютона, сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой, с какой лошадь тянет сани вперёд? (Надо учесть силы трения. Лошадь и сани взаимодействуют с дорогой. Со стороны дороги на них действует сила трения, направленная для лошади вперёд, а для саней – назад. Если сила трения, действующая на лошадь, больше силы трения, действующей на сани, лошадь может передвигать груз – лошадь упирается в дорогу, а сани скользят.)

– Перетягивание каната: выигрывает тот, кто сильнее упрётся. А сила взаимодействия одинакова.

– Демонстрация модели вечного двигателя, взаимодействия железной пластины и магнита, закреплённых на демонстрационных динамометрах.

4. Подведение итогов занятия

Целью нашего сегодняшнего урока была экспериментальная проверка справедливости законов Ньютона. Как формулируются эти законы? (Ответы.) На качественном уровне, выполняя различные эксперименты, мы убедились, что законы эти верны, что они «выдержали проверку опытом».

А теперь я оценю результаты вашей работы. У вас на столах лежат оценочные сертификаты. Сейчас я пройду по классу и проставлю отметки.

– Сколько пятёрок? четвёрок? троек? Молодцы! Вы хорошо поработали и научились применять законы Ньютона для объяснения различных опытов и явлений. Задание на дом: решить задачи, которые вы сейчас получите на карточке.

– В каком случае вертолёт действует на Землю с большей силой: когда он неподвижно стоит на горизонтальной поверхности Земли или когда он неподвижно висит над Землёй на небольшой высоте?

(Ответ. Одинаково в обоих случаях: подъёмная сила, действующая на вертолёт, равна его весу, с которым он действует на воздух, а тот, в свою очередь, на Землю.)

– На одной чашке чувствительных весов находится бутылка. В бутылке – муха. Пока муха спит, весы уравновешены. Нарушится ли равновесие весов, когда проснувшаяся муха оторвётся от стенки бутылки и полетит сначала в горизонтальном направлении, а затем вверх с ускорением а?

(Ответ. При движении крыльев воздух под ними сжимается, а над ними – разрежается. В результате деформации воздуха возникает подъёмная сила F. По второму закону Ньютона, ma = F – mg. Отсюда F = ma + mg. По третьему закону, крылья мухи действуют на воздух с силой, равной по модулю F и направленной вниз. Когда муха сидит, её вес по модулю равен mg. Когда муха полетит, ускоряясь, вверх, чашка весов, на которой стоит бутылка с мухой, станет опускаться.)

Сертификаты, пожалуйста, передайте мне. Спасибо за вашу замечательную работу. До свидания!

Елена Александровна Ольховская окончила физфак МПГУ им. В.И.Ленина в 1992 г., педагогический стаж 16 лет, учитель физики I квалификационной категории. Победитель окружного этапа конкурса «Учитель года-2005», лауреат конкурса «Грант Москвы» в области наук и технологий в сфере образования. Имеет печатные работы по методике преподавания физики и воспитанию детей в газете «Физика» («ПС»), журналах «Материнство», «Наш малыш», в сборнике «Мы идём к детям». Педагог-экспериментатор. На каждом уроке, испо льзуя разнообразные методы и средства, вовлекает детей в творческую деятельность, которая стимулирует их стремление к познанию. Увлечённость учителя захватывает детей и даёт каждому возможность испытать радость открытия. Педагогическое кредо: научить детей думать. Поэтому ставит на уроках проблемные опыты, организует проблемные ситуации, учит критически воспринимать информацию из различных источников. Под её руководством ученики собирают библиотеку физических нелепостей по материалам телевизионной рекламы, кинофильмов и мультфильмов. Ученики постоянно принимают участие в олимпиадах, занимают и призовые места. Выпускники поступают в технические вузы – МИФИ, СТАНКИН, МГТУ им. Н.Э.Баумана, МТУСИ. Дети буквально влюблены в учителя, т.к. с Еленой Александровной всегда интересно. Будучи с 1984 г. членом Донузлавской археологической экспедиции Института археологии РАН, Елена Александровна ведёт краеведческую работу в школе, увлекается геологией, фотографией и музыкой. В семье растут две дочери, которые разделяют мамины увлечения и страсть к познанию мира.