Эксперимент

Введение понятия мощности

В.В.МАЙЕР <varaksina_ei@list.ru>,
Е.С.МАМАЕВА,
ГОУ ВПО ГГПИ им. В.Г.Короленко,
г. Глазов, Удмуртская Республика

Введение понятия мощности

Методика введения понятия. 7-й класс

В основной школе понятие мощности традиционно вводят после изучения работы силы «с помощью примеров, показывающих, что люди или различные машины могут выполнять за одно и то же время различную работу» [1, с. 220]. Закрепляют понятие, рассматривая примеры, связанные с мощностью двигателей тракторов, автомобилей, электровозов, ракет [2–6]. В результате физическое понятие мощности в сознании школьников оказывается неразрывно связанным с работой людей и различного рода механизмов. Такой результат вряд ли можно считать удовлетворительным.

В школьном курсе физики есть и другие неудачно сформированные понятия. К ним относится, например, понятие амплитуды колебаний, которое школьниками отождествляется с понятием амплитуды смещения маятника. Это доставляет немалые трудности при изучении акустических явлений, переменного тока и волновой оптики.

В «Физическом энциклопедическом словаре» мощность определена как физическая величина, измеряемая отношением работы к промежутку времени, в течение которого она произведена, а в общем случае мощность – это элементарная работа за элементарный промежуток времени [7, с. 440]. В «Словаре-справочнике по элементарной физике» авторы, определяя мощность как скалярную физическую величину, характеризующую воздействие силы на движение точки, используют термин «мощность силы» [8, с. 82–83]. В «Пособии для учащихся физико-математических школ» при введении понятия мощности также применяется термин «мощность силы» [9, с. 181–184]. На начальном этапе формирования обобщённого понятия мощности полагаем целесообразным введение понятия «мощности силы» по аналогии с понятием «работа силы».

Обосновать необходимость использования этой физической величины можно на примере простого эксперимента. Для проведения опыта изготавливают специальное тело, на которое в воде действует сила Архимеда, несколько меньшая по модулю силы тяжести. В качестве такого тела можно взять небольшой закрытый с обеих сторон резиновыми пробками отрезок резиновой трубки или стеклянный пузырёк с пробкой, частично заполненные водой или песком, кусок пенопласта с ввёрнутым в него шурупом подходящего размера и т.п. Мы использовали все перечисленные тела, но фотографии к статье сделаны для тела, которое представляет собой отрезок парафиновой свечи с ввёрнутым в него стальным шурупом.

Далее готовят цилиндрический сосуд с водой высотой примерно 30 см, динамометр или иной измеритель силы тяжести, метроном или секундомер и кольцевой керамический магнит. Серию опытов демонстрируют в такой последовательности.

Вначале динамометром определяют силу тяжести F, действующую на тело. После этого располагают тело снаружи сосуда с водой, рядом с его верхним краем, и отпускают (рис. 1). Учащиеся видят, что тело падает вниз и под действием силы тяжести проходит путь, равный высоте сосуда. Предлагают школьникам определить работу силы тяжести при движении тела. Для этого линейкой измеряют высоту сосуда s и вычисляют работу по формуле А = Fs.

Затем выполняют второй эксперимент, в котором тело с той же высоты отпускают в сосуд с водой (рис.  2). Вновь предлагают вычислить работу силы тяжести и вместе со школьниками убеждаются, что она равна прежней величине А = Fs. Но что изменилось во втором опыте по сравнению с первым?

Учащиеся уверенно отвечают, что время падения тела во втором опыте t₂ больше, чем в первом t₁. Значит, одну и ту же работу сила тяжести совершила за разное время. Отсюда следует необходимость введения новой физической величины, характеризующей быстроту совершения работы силой.

Говорят, что быстрота, с которой сила совершает работу над телом, является важной характеристикой механического процесса и называется мощностью силы. В системе единиц СИ мощность выражается в ваттах: 1 Вт =1 Дж/1 с.

После введения понятия мощности оценивают мощность силы тяжести в двух проделанных опытах.

Например, учитель использует тело массой m = 10 г, на которое действует сила тяжести F = mg = 0,1 Н. Время падения тела в воздухе с высоты s = 0,3 м вычисляют по формуле

Тогда мощность силы тяжести в первом опыте:

N₁ = fs/t₁ = 0,12 Вт.

Чтобы повторить второй опыт, с помощью магнита, касающегося стенки сосуда, достают из воды тело. Запускают метроном или секундомер, располагают тело над поверхностью воды и в нужный момент времени вновь отпускают тело в воду. Учащиеся определяют время падения тела в воде под действием силы тяжести. Допустим, что это время составило t₂ = 5 с. Тогда мощность силы тяжести во втором опыте равна
N₂ = fs/t₂ = 0,006 Вт, т.е. в 20 раз меньше, чем в первом опыте.

Вслед за этим учитель поясняет, что механическую работу человека, животных, машин и механизмов также удобно сравнивать по мощности.

Предложенная методика позволяет естественным образом ввести понятия мощности звука, электрического тока, излучения и т.д. Экспериментальная проверка в школе показала, что, выполнив совместно с учителем описанные эксперименты, учащиеся 7-го класса быстро и прочно усваивают понятие мощности силы.

Литература

1. Усова А.В., Орехов В.П., Каменецкий С.Е. и др. Методика преподавания физики в 7–8 классах средней школы: Пособие для учителя: Под ред. А.В.Усовой. – М.: Просвещение, 1990.

2. Пёрышкин А.В. Физика-7: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.

3. Разумовский В.Г., Орлов В.А., Дик Ю.И., Никифоров Г.Г., Шилов В.Ф. Физика-8: Учеб. для общеобразоват. учреждений: Под ред. В.Г.Разумовского, В.А.Орлова. – М.: Владос, 2003.

4. Громов С.В., Родина Н.А. Физика-7: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2000.

5. Пинский А.А., Разумовский В.Г., Дик Ю.И. и др. Физика и астрономия-7: Учеб. для образоват. учреждений: Под ред. А.А.Пинского, В.Г.Разумовского. – М.: Просвещение, 2000.

6. Хижнякова Л.С., Синявина А.А. Физика: Механика. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. для 7–8 кл. общеобразоват. учрежд. – М.: ВитаПресс, 2000.

7. Физический энциклопедический словарь: Гл. ред. А.М.Прохоров. – М.: Советская энциклопедия, 1984.

8. Елютин П.В., Чижов Г.А. Словарь-справочник по элементарной физике. Ч. 1. Основные положения. Механика. – М., 1994.

9. Коренев Г.В., Колесов Ю.И., Пиголкина Т.С. Механика: Пособие для учащихся физико-математических школ: Под ред. Г.В.Коренева. – М.: Просвещение, 1972.