Введение
Глава 1. Значение механики в системе общего физического образования
1.1. Особенности раздела «Механика»
1.2. Содержание и структура раздела
Глава 2. Методы и организационные формы обучения при изучении сил в механике
1.3. Средства обучения
1.4. Методы обучения
Глава 2. Методические подходы в описании движения в механике. Методика введения основных характеристик движения
Глава 3. Методические подходы и физические эксперименты при изучении законов динамики
Глава 4. Физические эксперименты при изучении темы «Механические колебания и волны»
Заключение
Список литературы
Введение
В любой области своей деятельности, будь то наука или техника, промышленность или сельское хозяйство, космонавтика или медицина, человеку постоянно приходится сталкиваться с необходимостью, измерить ту или иную величину – температуру воздуха или высоту горы, объем тела или возраст археологических находок…
Иногда необходимые измерения можно выполнить специально для того предназначенными приборами или инструментами (линейкой, термометром, весами…). Однако значительно чаще всего вместо непосредственного определения интересующей нас величины приходится измерять совсем другие, а нужную величину – вычислять затем по соответствующим формулам. Такие практические навыки, так необходимые в жизни каждого человека, ребята приобретают на уроках физики.
Преподавание физики невозможно себе представить без физического эксперимента. Без хорошо поставленных демонстрационных опытов, фронтальных и лабораторных работ невозможно обеспечить понимание и усвоение учебного материала по физике, приобретение жизненно значимых умений и навыков.
Следуя из сказанного, можно сделать вывод о том, что физический эксперимент при изучении сил в механике в курсе физики основной школы является немаловажным. Его значимость заключается в том, что при сообщении учащимся новых знаний через ощущения учеников он формирует первоначальные представления об изучаемых явлениях, создает чувственные образы, лежащие в основе многих физических понятий, например, таких как механическое движение, траектория и т.д. Познание реальной действительности происходит на основе ощущений. Развитие образной стороны мышления — существенная часть формирования интеллекта учащихся. И в этом важная роль принадлежит эксперименту.
Глава 1. Значение механики в системе общего физического образования
При обучении механике в средней школе решают определенные образовательные, воспитательные задачи и задачи развития учащихся.
Образовательные задачи определяются, прежде всего, тем, что в механике вводят основные понятия (масса, сила, импульс тела, энергия и т. д.), являющиеся «инструментом» познания в науке – физике. В этом смысле механику справедливо считают фундаментом физики. В механике учащиеся знакомятся с физической теорией – классической механикой Ньютона и такими обобщениями, как закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса и энергии, общие условия равновесия механических систем и др.
Воспитательные задачи (формирование марксистско-ленинского мировоззрения) решаются путем формирования диалектико-материалистического взгляда на природу и ее познание, фор¬мирования политехнических знаний и умений (знания научных основ современной механизации производства, на транспорте и в сельском хозяйстве), идейно-политического воспитания на уроках физики (раскрытие основных направлений развития и ускорения в современном производстве), воспитания пролетарского интернационализма и советского патриотизма (раскрытие интернацио¬нального характера науки, вклада русских и советских ученых в развитие механики и использования ее достижений на практи¬ке), трудового воспитания.
Основа трудового воспитания на уроках физики при изучении механики – политехническое обучение, в процессе которого школьников знакомят с одним из основных направлений современного производства – механизацией. Учащиеся узнают о простых механизмах, различных видах передачи движения, законах движения и др. При проведении лабораторных работ они осваивают некоторые практические умения в обращении с измерительными инструментами. Трудолюбие воспитывают и на примерах работы ученых и изобретателей, показывая, какую огромную роль в их научных открытиях играл труд. И. Ньютон говорил: «Поверьте мне, если мои исследования и принесли несколько полезных результатов, то они обязаны труду и терпению».
При изучении реактивного движения целесообразно специально остановиться на развитии отечественной космонавтики, на роли К.Э. Циолковского, впервые создавшего теорию ракет на жидком топливе, показать, что начало практическому развитию реактивной техники, положено группой советских ученых под руководством Ф.А. Цандера, создавших прототипы первых советских ракет на жидком топливе и реактивных двигателей. Особо следует отметить вклад в отечественное ракетостроение академика С.П. Королева, под руководством которого в Советском Союзе были созданы и испытаны первые управляемые ракеты дальнего действия, многоступенчатые межконтинентальные ракеты, с помощью которых были выведены на орбиту первые искусственные спутники Земли, осветить последние достижения советской космонавтики. Эта работа будет способствовать и воспитанию пролетарского интернационализма и советского патриотизма.
Решение задач развивающего обучения при изучении ме¬ханики направлено на развитие логического, теоретического, на¬учно-технического, диалектического мышления учащихся и, сле¬довательно, на развитие их интеллекта и творческих способностей. Действительно, стройная логика механики, широкая опора в механической теории на такие общие методы познания, как анализ и синтез, индукция и дедукция, способствуют развитию логиче¬ского мышления школьников.
Наличие научных обобщений в механике способствует форми-рованию теоретического мышления, особенность которого состоит в умении выделять в явлениях, объектах, связях материального мира главное, отражаемое в абстракции, и извлекать из последних конкретные выводы, переходя от общего к частному. В механике школьники встречаются с большим числом абстрактных понятий – материальная точка, система отсчета, равномерное и равно¬ускоренное движения и др. При рассмотрении этих понятий уча¬щихся учат выделять существенные признаки явлений и объектов, отбрасывать несущественные, показывают, как возникает идеали¬зация в науке, как происходит абстрагирование.
Ознакомление школьников с законами механики, с их практическим приложением, с анализом механических явлений в технике, с выполнением творческих экспериментальных заданий способствует развитию научно-технического мышления.
Обращение к физической теории (классической механике Ньютона) способствует формированию у школьников представле¬ний о физической картине мира – одной из наиболее общих форм отражения природы физической наукой и одной из компонент на¬учного мировоззрения, показывает диалектику развития взглядов на физическую картину мира и место механической теории в этом развитии. При изучении основных обобщений в механике (закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса и энергии, общие условия равновесия и др.) разъясняют учащимся, что объективность научных обобщений подтверждается применением последних в практической деятельности людей (механика космических полетов, движение машин и их частей, реализация условий равновесия в технических сооружениях и конструкциях и т. д.). Изучение причин изменения скорости движения и деформации способствует раскрытию причинно-следственных связей. Определение границ применимости классической механики помогает про¬иллюстрировать познаваемость природы и безграничность про¬цесса познания. Все это способствует формированию диалектического мышления.
1.1. Особенности раздела «Механика»
Первая особенность этого раздела заключается в том, что именно с механики начинают изучение курса физики IX–XI классов. Это объясняется тем, что механические процессы являются формой движения, наиболее доступной для наблюдения. К тому же моделирование физических систем в классической физике связано с созданием механических образов. Это определяет место механики в общеобразовательном курсе физики и требует от учи¬теля внимания к прочному усвоению учащимися материала.
Вторая особенность – в механике достаточно полно представлена физическая теория. (Ни в одном другом разделе школьного курса физики этого нет.) Поэтому учителю предоставляется возможность на примере механики проиллюстрировать структуру физической теории.
В любой физической теории можно условно выделить основа¬ние, ядро и выводы. Основанием механической теории являются идеализированный объект – материальная точка, определенное число экспериментальных фактов (опыты Галилея, Кавендиша и др.), основные физические величины – перемещение, скорость, ускорение, масса материальной точки.
Ядро механической теории содержит систему абстракций (постулаты об однородности и изотропности пространства, об однородности времени, о мгновенном воздействии одного тела на другое без материальных посредников), законы Ньютона, принцип независимости действия сил, формулировку основной задачи механики. Выводы этой теории включают возможность определения положения материальной точки в пространстве в любой момент времени по заданным силе (или векторной сумме сил) и начальным условиям.
Основные выводы, к которым приводит теория механики и которые должны быть усвоены учащимися, следующие.
1) Состояние изолированной системы материальных точек для некоторого момента времени вполне определяется их координатами и импульсом.
2) Материальные точки действуют друг на друга с силами, изменяющими их импульсы.
3) Состояние механической системы во все последующее время однозначно вытекает из ее начального состояния и определяется уравнениями Ньютона.
4) Взаимодействие осуществляется на расстоянии (минуя материальные носители) и передается мгновенно (принцип дальнодействия). Механика Ньютона не рассматривает природу сил.
Третья особенность раздела – использование эксперимента в преподавании механики. Эксперимент является источником позна¬ния и критерием истинности любой теории, поэтому он должен лежать в основе изучения и механики. В механике большое значение приобретают классические опыты, явившиеся поворотным пунктом в развитии науки. Они составляют особую группу опытов. Это опыты по изучению движения падающих тел и опыты с маятниками, опыты Галилея и Ньютона по экспериментальному доказательству равенства инертной и гравитационной масс, опыты Кавендища, Жолли, Рихарца по обнаружению тяготения и измерению гравитационной постоянной и др. Их не всегда можно воспроизвести в школе. В этом случае их можно проиллюстрировать с помощью различных средств наглядности – учебных кинофильмов, моделей, таблиц и др.
Другую группу опытов в механике составляют опыты иллюст-ративного характера, имеющие дидактическое, обучающее значе¬ние. Для этих опытов промышленность выпускает специальные при¬боры по механике для демонстрации и лабораторных работ.
1.2. Содержание и структура раздела
В программе одиннадцатилетней средней школы механика представлена четырьмя подразделами: основы кинематики, основы динамики, законы сохранения, механические колебания и волны.
В кинематике изучают равномерное, равноускоренное прямо-линейное, криволинейное движения и их характеристики. Вводят понятие материальной точки, траектории, перемещения и пути, пройденного телом вдоль траектории, системы отсчета, скорости и ускорения. При формировании понятий перемещения, скорости, ускорения большое внимание уделяют векторному характеру этих величин. В рамках прямолинейного движения усвоение векторного характера скорости и ускорения затруднено (все векторы направ¬лены вдоль одной прямой, и действия над ними можно проводить алгебраически). Завершается раскрытие векторного характера этих величин при рассмотрении криволинейного движения.
Программа одиннадцатилетней общеобразовательной школы ориентирует на введение основных характеристик скорости и ус¬корения как общих характеристик, с помощью которых можно распознавать характер движения, предварительно оговорив систему отсчёта.
В динамике сначала рассматривают первый закон Ньютона, вводят основные динамические характеристики движения – массу и силу, а затем – второй закон Ньютона, в котором представлена связь между силой, ускорением и массой. Чтобы записать второй закон Ньютона для случая действия на тело нескольких сил, рассматривают сложение сил, после этого вводят третий закон Ньютона. Законы Ньютона являются фундаментальными в механике, обобщающими, подтвержденными практикой и экспериментом, поэтому их вначале формулируют, а затем иллюстрируют с помощью эксперимента.
В ходе изучения видов взаимодействия сил в механике (гравитационных, упругости, сопротивления) выявляют зависимость их от взаимного расположения тел и от скорости движения одного тела относительно другого. После введения гравитационных сил изучают закон всемирного тяготения, дают понятие о силе тяжести, центре тяжести и рассматривают движения, в которых изменение скорости происходит в результате действия силы тяжести. Подчеркивают роль начальных условий, проводят расчет первой космической скорости. Далее рассматривают силы упругости и закон Гука. Понятие веса тела вводят как пример силы упругости. Завершают рассмотрение видов сил в механике изучением силы трения, коэффициента трения и изменения скорости движущегося тела в результате действия силы трения. Показывают, что грави¬тационные силы и силы упругости являются функцией расстояния между взаимодействующими телами, а силы трения – функцией относительной скорости.
При изучении видов механических сил большое внимание уде¬ляют практическим работам учащихся. По этим вопросам, про¬граммой предусмотрено четыре фронтальные лабораторные рабо¬ты: «Измерение жесткости пружины», «Измерение коэффициента трения скольжения», «Изучение движения тела, брошенного горизонтально», «Изучение движения тела по окружности при действии сил упругости и тяжести».
Раздел «Статика», традиционно входивший в школьный курс механики, в программе одиннадцатилетней средней школы отсутствует. Однако элементы статики, рассмотренные в VII классе, и понятия сложения сил, центра тяжести, включенные в программу, позволяют сформировать общие условия равновесия.
Группировка материала вокруг законов сохранения импульса и энергии вызвана определяющим значением законов сохранения в современном естествознании. Эти законы связаны со свойствами пространства и времени (закон сохранения энергии связан с од-нородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства). Законы сохранения импульса и энергии справедливы в теории относительности, в квантовой механике и в макро- и микромире.
Идея относительности в механике проходит красной нитью через весь курс механики: относительность механического движения и покоя, траектории, координаты, перемещения, скорости, импульса тела, работы и кинетической энергии и инвариантность време¬ни, расстояния между взаимодействующими телами, ускорения, массы, силы и др. Показывают, что законы механики справедливы для инерциальных систем отсчета, что равномерное прямолинейное движение системы отсчета не влияет на механические про¬цессы, т. е. раскрывают принцип относительности Галилея.
Глава 2. Методы и организационные формы обучения при изучении сил в механике
При проведении занятий используются такие формы организации обучения, как вводные лекции, семинары, практические занятия по выполнению лабораторных работ и решению задач, самостоятельная работа учащихся (коллективная, групповая, индивидуальная), консультации. Учащиеся ищут информацию для подготовки докладов и сообщений, готовят эксперимент, подбирают кино-, видео- и диафильмы, слайды, компьютерные программы.
При выполнении лабораторных работ, как с реальными физическими приборами, так и с компьютерными моделями, организуется исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Учащиеся осуществляют все этапы: постановку задачи, выдвижение гипотезы или гипотез, планирование эксперимента, выбор средств выполнения эксперимента, сборку установки, наблюдения и измерения, фиксацию и анализ результатов эксперимента, выводы. При этом в зависимости от уровня владения учащихся исследовательским методом уровень самостоятельности при её осуществлении и характер помощи со стороны учителя могут быть различными.
Помимо исследовательского метода целесообразно использование частично-поискового, проблемного изложения, а в отдельных случаях информационно-иллюстративного. Последний метод применяется в том случае, когда у учащихся отсутствует база, позволяющая использовать продуктивные методы.
Например, при изучении такой темы элективного курса, как «Мысленный опыт Галилея и закон инерции», имеется возможность не только обсудить роль Галилея в развитии физики как основоположника реального и мысленного эксперимента, суть и значение его мысленных опытов, используя соответствующие оригинальные тексты, но и повторить систему законов Ньютона, ещё раз обсудить роль первого закона Ньютона (закона инерции) в системе законов.
2.1. Средства обучения
Основными средствами обучения являются физические приборы, видеофильмы, графические иллюстрации, дидактические материалы, учебники физики для средней школы, учебные пособия по физике, компьютерные обучающие программы. Однако особого обсуждения заслуживает вопрос применения компьютеров на занятиях элективного курса. Применение персональных компьютеров возможно в нескольких направлениях:
1. Применение компьютерных обучающих программ для моделирования физических экспериментов;
2. Применение компьютеризированных комплексов (датчиков, с помощью специального интерфейса передающих те или иные параметры с натурной экспериментальной установки в компьютер);
3. Поиск информации в интернете;
4. Применение компьютеров как средств представления информации.
Число компьютерных обучающих программ по физике на сегодняшний день достаточно велико. Среди них есть как отечественные, так и зарубежные, предоставляющие учителю и учащимся различные возможности. Хорошими можно считать программы, позволяющие не только наблюдать за ходом эксперимента, но и изменять те или иные его параметры (например, «Открытая физика»).
Особый интерес представляют обучающие программы-конструкторы. Одной из самых мощных и интересных программ такого типа является «Живая физика». Она позволяет не только проводить компьютерные эксперименты, изменяя различные параметры, но и заставляет самостоятельно создать, смоделировать экспериментальную установку. Сделать это в большинстве случаев несложно даже неопытному пользователю, поскольку «Живая физика» имеет достаточно дружественный пользовательский интерфейс. Программа позволяет моделировать такие эксперименты, проведение которых в реальных условиях школьного кабинета физики невозможно (например, опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц).
Полезно проводить параллельно компьютерный и натурный эксперименты, поскольку без натурного эксперимента учащиеся могут лишиться возможности видеть за компьютерными имитациями и анализировать реально происходящие в природе явления и процессы. Лучше, если одни учащиеся проводят натурные эксперименты, а другие – компьютерные, а затем сравнивают полученные результаты и выводы. Например, достаточно интересно провести опыты с маятниками, подобные тем, что проводил Х.Гюйгенс. Легко воспроизвести и на компьютере, и с помощью простого школьного оборудования опыты Галилея с шарами, катящимися по длинному жёлобу.
Применение компьютера на занятиях желательно, но не является необходимым условием.
2.2. Методы обучения
Методы обучения, применяемые в рамках элективного курса, могут и должны быть достаточно разнообразными. Прежде всего это исследовательская работа самих учащихся, а также подготовка ими рефератов и докладов, тематика которых отчасти приведена в программе элективного курса и в тексте учебника. В зависимости от индивидуального плана учитель должен предлагать учащимся подготовленный им перечень тем рефератов.
На занятиях элективного курса учащиеся должны выполнять исследования с использованием физических приборов, компьютерных программ, демонстрировать опыты, осуществлять поиск и отбор информации, конспектировать и реферировать информацию, готовить сообщения и доклады в письменном виде, а также выступать с сообщениями, докладами и участвовать в дискуссии. При выполнении перечисленных видов деятельности учащиеся должны продемонстрировать знание имён учёных, поставивших изученные фундаментальные опыты, даты их жизни, краткие биографические данные, основные научные достижения, а также понимание роли фундаментальных опытов в развитии физики; места фундаментальных опытов в структуре физического знания; цели, схемы, результаты и значения конкретных изученных фундаментальных опытов.
Рассмотрим для примера материалы к уроку, посвящённому опытам и мысленным экспериментам Галилея (два эпизода). Приведённый рассказ может излагаться учителем, однако более целесообразно скомбинировать его с выступлениями учащихся, подготовивших к этому занятию сообщения.
В начале урока учащимся предлагается иллюстрация Пизанского кафедрального собора.
«Пизанский кафедральный собор. С этим собором связано много замечательных страниц мировой истории и культуры. Наиболее часто этот собор вспоминают благодаря архитектурному казусу: падающей Пизанской башне, которая является звонницей собора, его составной частью. Однако не так часто помнят о том, что этот собор сыграл, можно сказать, немалую роль в истории науки. Говоря об этом, конечно же, мы имеем в виду пизанский период жизни и научной деятельности Галилео Галилея. Мы рассмотрим только два небольших эпизода из этого периода».
Далее приводится краткая биографическая справка, относящаяся к пизанскому периоду жизни Галилея. Прежде всего здесь необходимо рассказать о том, что Галилей в этот период внимательно изучил труды Аристотеля, и, усомнившись в верности приведённых там выводов, принял решение проверить их экспериментально.
• Один из эпизодов научной деятельности Галилея легенда связывает с наклонной Пизанской башней. Согласно легенде, Галилей сбрасывал с неё тела разной массы, чтобы убедиться в том, что они одновременно достигнут поверхности Земли.
После этого целесообразно обсудить эти опыты Галилея и их результаты. При этом можно использовать демонстрацию с трубкой Ньютона или опыт с падением двух одинаковых листов бумаги, один из которых смят в комок. Если есть техническая возможность, опыты Галилея можно смоделировать на компьютере (например, с использованием среды «Живая физика»). Использование компьютера позволит проиллюстрировать и мысленный эксперимент Галилея, опровергающий одно из положений Аристотеля «от обратного»: три тела равной массы, будучи сброшенными с одинаковой высоты, согласно Аристотелю, упадут одновременно. Но если скрепить два из этих тел невесомой цепью, то, по Аристотелю, с одной стороны, масса двух скреплённых тел в два раза больше массы третьего тела, и скреплённые друг с другом тела должны падать в два раза быстрее. Но, с другой стороны, поскольку цепь невесома, тела должны падать так же, как будто они не скреплены. Таким образом, применение теории Аристотеля приводит к неразрешимому противоречию.
Далее есть смысл перейти к решению расчётных задач, а затем вновь вернуться к иллюстрации Пизанского собора.
• Галилео Галилей, как и все католики Пизы, ходил в Пизанский собор к мессе. Однако, как можно сделать вывод из воспоминанний его учеников, Галилей не был истово верующим человеком: во время богослужений он позволял себе отвлекаться на посторонние предметы.
Так, однажды, во время мессы, Галилей почему-то стал смотреть вверх – на люстру, массивную люстру, подвешенную к сводам собора. Люстра медленно покачивалась вперёд-назад и вправо-влево, описывая эллипс, – видимо, в соборе был сквозняк. Галилей обратил внимание на то, что люстра совершает каждое полное колебание за одно и то же время независимо от направления. Этот факт он решил немедленно проверить и стал измерять интервалы времени, соответствующие полным колебаниям люстры в продольном и поперечном направлениях. Эти интервалы времени оказались равными.
Каким же образом Галилей, не имея часов, отмечал равные интервалы времени? Согласно одним источникам, он использовал собственный пульс. Согласно другим, Галилей отсчитывал время в такт звучащей органной мессе. Какие из этих источников дают более достоверную информацию?
Хорошо в этот момент предложить учащимся фрагмент органной мессы, например, органной мессы Баха.
Удобно ли отмечать время, отсчитывая такты такой музыки? Но следует иметь в виду ещё один факт: месса как музыкальная часть богослужения в раннем Средневековье была одноголосой и исполнялась a capella (т.е. без аккомпанемента, только голосом). В дальнейшем мессы стали многоголосыми, но также без аккомпанемента. И лишь в исторический период, как раз приходящийся на годы, проведённые Галилеем в Пизе, в католическое богослужение постепенно стала входить органная месса. Таким образом, неизвестно, мог ли Галилей слышать в Пизанском соборе органную мессу. Это необходимо специально выяснить.
Придя домой после мессы, Галилей продолжил изучение колебаний маятников.
Далее разбираются опыты Галилея, в результате которых он пришел к выводу об изохронности маятника, выполняются соответствующие опыты (натурные и по возможности компьютерные) и решаются задачи.
Приведённые материалы к уроку демонстрируют один из вариантов того, каким образом при изучении фундаментальных физических экспериментов можно представить физику в контексте мировой культуры. При этом учащиеся физико-математического профиля строят своеобразный «мостик» от физического предметного материала к материалу из областей истории, литературы и МХК, а учащиеся гуманитарного профиля получают возможность увязать материал из близкой им предметной области с физическим материалом.
Глава 2. Методические подходы в описании движения в механике. Методика введения основных характеристик движения
Запись уравнений движения в сочетании с соответствую¬щими рисунками (схематическим изображением механических процессов) помогает раскрыть физическую сущность вопросов ди¬намики. Выражения законов механики в векторной форме явля¬ются, самыми общими и не зависят от выбора системы отсчета. Поэтому школьникам больше внимания уделяют работе с вектор¬ными величинами, избирают координатный метод описания дви¬жения, т. е. используют второй методический подход.
Координатный метод тесно связан с понятием системы отсчета и представлением об относительности движения. Пользуясь коор¬динатным методом, можно векторные величины (перемещение, скорость, ускорение, силу, импульс тела и др.) спроецировать на координатные оси и свести движение в пространстве или на плос¬кости к одномерному движению или движению вдоль прямых. Координатный метод вырабатывает общий подход к описанию яв¬лений и способствует связи физики с математикой.
Таким образом, изучение механики с применением координатного метода позволяет приблизить трактовку основных понятий и законов к той, которая принята в науке, усилить меж¬предметные связи физики и математики, осуществить общий под¬ход к изучению законов движения и повысить уровень обобщения знаний.
Введение понятий координат и перемещения материальной точки определяет и способ введения понятий скорости и ускоре¬ния. Рассматривать эти характеристики как производные пере¬мещения первого и второго порядка по времени не представляется возможным. При повторении можно показать, что понятие мгновенной скорости имеет смысл для любого движения, в том числе и равномерного. Этот методи-ческий прием исключает возможность образования у школьников неправильного представления о том, что существует несколько по¬нятий скорости.
Скорость. Это понятие вводят как векторную ве¬личину для прямолинейного и криволинейного движений. Вектор¬ный характер скорости непосредственно вытекает из введения пе¬ремещения как векторной величины.
Сначала при повторении равномерного и прямолинейного дви¬жения выделяют основной его признак: материальная точка в лю¬бые равные промежутки времени совершает одинаковые (равные) перемещения. Чтобы одно равномерное движение отличалось от другого, необходимо ввести его характеристику – скорость–вели¬чину, которую определяют отношением вектора перемещения ко времени, в течение которого это перемещение произошло. Введе¬ние скорости обязательно должно сопровождаться экспериментом.
После повторения понятия скорости равномерного и прямоли-нейного движения вводят понятие средней скорости неравномер¬ного движения и подчеркивают, что для определения средней ско¬рости неравномерного движения необходимо найти отношение пу¬ти, пройденного материальной точкой, ко времени ее движения. Учащиеся нередко пытаются определять среднюю скорость как среднее арифметическое начальной и конечной скоростей. Это справедливо только в случае линейной зависимости скорости от времени, т. е. в равноускоренном движении. Следует иметь в виду, что о средней скорости как о векторе говорят тогда, когда определяют ее через отношение вектора перемещения к промежутку времени, за который это перемещение совершено. Этот методический подход к раскрытию средней скорости используют, например, при определении производной. В окружающей нас жизни о средней скорости говорят как о величине, измеряемой отношением пути, пройденного при движении, к промежутку времени, за который этот путь пройден. Именно это следует отрабатывать с учащимися на практических занятиях. Целесообразно решить задачи типа:
1) Первую треть пути тело прошло со скоростью 80 км/ч, осталь¬ной путь – со скоростью 20 км/ч. Определите среднюю скорость.
2) Три четверти всего времени движения скорость тела составля¬ла 48 км/ч, остальное время – 96 км/ч. Определите среднюю ско¬рость.
Очень полезно для усвоения понятия скорости и понимания практического выхода этой характеристики ознакомить учащихся с различными значениями скоростей движения тел в окружающей нас жизни, технике, военном деле, используя для этой цели таб¬лицы, предложенные в учебнике. Целесообразна здесь же и ра¬бота со справочником.
Работая с таблицами, следует добиваться от школьников понимания физического смысла понятия скорости. Для этого, на¬зывая скорость того или иного тела, отыскивая в таблице самую большую и самую малую скорость и сравнивая их, ученик каждый раз должен отвечать на вопрос: «Что означает названная им ве¬личина?» Например, автомобиль «Волга» развивает скорость до 145 км/ч. Что это означает?
Следующим звеном в цепочке формирования основных кине-матических характеристик является рассмотрение мгновенной ско¬рости. Трудность введения этого понятия связана с необходимо¬стью введения предельного перехода, еще неизвестного учащимся. По существу, при введении этого понятия в школе используют понятие не математического, а физического предельного перехода: вместо бесконечно малой величины рассматривают очень малый, но конечный промежуток времени – физическую малую величину.
Рассмотрение мгновенной скорости обязательно сопровождают экспериментом: это может быть опыт с электросекундоме¬ром и датчиками либо опыт со стробоскопом, где делают стробо¬скопические снимки одного и того же неравномерного движения с различной частотой вспышек. При достаточно малых промежутках времени, в пределах которого изменение скорости не улавли¬вают приборы (в первом опыте) и средние скорости на соседних участках практически неразличимы (во втором опыте), ставят как бы естественный предел стремлению получить все более точное определение мгновенной скорости. Дальнейшее уменьшение про¬межутков времени теряет смысл, и среднюю скорость за такой малый промежуток можно принять за мгновенную с той степенью точности, которая имеет практический смысл. Аналогично вводят понятие скорости и в криволинейном движении.
Для прочного усвоения школьниками понятия мгновенной ско¬рости целесообразно предложить вопросы типа: о какой скорости идет речь в следующих случаях: 1) пассажирский поезд проехал мимо светофора со скоростью 25 км/ч; 2) скорость курьерского поезда, курсирующего между Москвой и Ленинградом, 100 км/ч; 3) на рисунке изображен знак, ограничивающий скорость движе¬ния автомобилей в Москве, 60 км/ч?
Для уяснения понятия ускорения равноускоренного прямоли¬нейного движения целесообразно рассмотреть вопросы такого ти¬па: «Ускорение движущегося тела равно 0,2 м/с. Что это озна¬чает?» И конечно, полезна работа с таблицей ускорений.
Глава 3. Методические подходы и физические эксперименты при изучении законов динамики.
От последовательности введения понятий массы и силы зави¬сит и методический подход к изучению законов динамики.
Ньютон сначала вводил силу, количество движения, а затем устанавливал пропорциональность изменения количества движе¬ния приложенной («движущей», как называл ее Ньютон) силе и их одинаковую направленность.
При такой методике основное содержание второго закона ди¬намики – зависимость ускорения (его модуля и направления) от приложенной к телу силы (от ее модуля и направления) – уста¬навливают до введения понятия массы. Сам закон содержит опре¬деление массы. Такой подход имел место в работах Эйлера, Мак¬свелла и других ученых. Для средней школы, по существу, этот подход до последнего времени был традиционным.
Например, традиционным опытом, который помогает учащимся осмыслить первый закон Ньютона, является опыт с желобом Галилея. В опыте по желобу, установленному на демонстрационном столе, скатывается шарик: 1) сначала в кучку песка, находящуюся у основания наклонной плоскости, 2) затем на шероховатую поверхность (например, на сукно), 3) на гладкую поверхность (например, стекло). Обраща¬ют внимание школьников на то, что по мере уменьшения сопро¬тивления движение шарика увеличивается во времени. В анало¬гичном опыте можно показать, что направление движения шарика (стального) можно изменить, расположив, например, несколько сбоку магнит.
На основании этих опытов делают вывод: чем меньше взаимодействие, тем медленнее изменяется скорость. Про¬должая далее рассуждение (на основе уже мысленных опытов) о том, что если бы на движущееся тело не действовали никакие другие тела, подводим учащихся к выводу о сохранении в этих случаях неизменным вектора скорости.
В последнее время стали использовать демонстрации с сухим льдом или с телами, движущимися на воздушной подушке. В этих опытах удается получить скорость практически постоянной.
Глава 4. Физические эксперименты при изучении темы «Механические колебания и волны»
Наибольший интерес при изучении колебаний представляет явление резонанса у вынужденных колебаниях. На установке (рис.1) наблюдают резкое возрастание амплитуды вынужденных колеба¬ний в случае, когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте системы. При совпадении частот она дости¬гает максимума. Такое возрастание амплитуды при совпадении собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы называют резонансом.
Рисунок 1. Установка для наблюдения явления резонанса у вынужденных колебаний
Если на установке продолжать и дальше увеличивать частоту вынуждающей силы, то можно показать, что амплитуда вынужденных колебаний начинает уменьшаться – при очень вы¬соких частотах из-за инертности системы она может стать очень малой.
Как показывает практика преподавания, большие затруднения при изучении волновых процессов вызывает вопрос о периодич¬ности волны – во времени и в пространстве.
Анализ формулы λ=υТ позволяет уяснить характер зависи¬мости между величинами, которые она связывает. Учащиеся мо¬гут выделить здесь величину, не зависящую от двух других, – частоту колебаний (ее задают вибратором), а также скорость волны, определяемую свойствами среды, и длину волны, которая может быть выражена через эти величины.
Эту зависимость проверяют на опыте, например, изменяя ча¬стоту колебаний вибратора в волновой ванне, наблюдают изме¬нение длины волны.
При изучении упругих волн целесообразно показать фрагмен¬ты из кинофильма «Колебания и волны», особенно при изучении образования продольных и поперечных волн.
При рассмотрении акустического резонанса необходимо выде¬лить и подчеркнуть учащимся, что резонанс акустических волн является доказательством волновой природы звука. Это можно продемонстрировать на опытах, например, с двумя камертонами. Обращают внимание школьников на то, что явление резонанса в акустике часто используют и для того, чтобы из периодического негармонического вынужденного колебания выделить гармоническую составляющую.
Заключение
Роль физического эксперимента при изучении сил в механике в курсе основной школы является огромной, так как данная форма проведения занятий вызывает наибольший интерес учащихся. Будучи средством обучения, учебный физический эксперимент направлен на обеспечение достижения целей обучения, поэтому оптимальность его применения предполагает максимум степени достижения целей обучения при минимуме затрачиваемого времени.
Опыты показывают применение физических явлений в реальной жизни. Проведение таких опытов необходимо для подготовки учеников к практической деятельности и иллюстрации связи науки с жизнью. Физический эксперимент убеждает учащихся в материальности окружающего мира, в его познаваемости, вызывает у них чувство сопричастности к получению научных фактов.
Применение физического эксперимента позволяет заинтересовать ребят, активизировать их мышление, способствует формированию более глубоких и прочных знаний по физике, развивает умение самостоятельно делать выводы на основе анализа опыта, развивает у них наблюдательность, образное мышление, умение делать обобщение на основе наблюдений.
В процессе обучения учащиеся приобретают умения, такие как:
— наблюдать и изучать явления, свойства веществ и тел;
— выполнять измерения физических величин;
— выдвигать гипотезы, обсуждать результаты эксперимента,
— обращаться с физическими приборами;
— определять динамику, взаимосвязь физических процессов;
— участвовать в дискуссии и делать выводы.
Список используемой литературы
1. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под ред. С.Е.Каменецкого, Н.С.Пурышевой. М.: “Академия”, 2000.
2. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. Л.А.Горев. М.: “Просвещение”, 1985.
3. Занимательная физика. Я.И. Перельман. М.: “Наука”, 1991.
4. Сборник по методике и технике физического эксперимента. Под ред. Н.В. Алексеева. М.: “Учпедгиз”, 1960.
5. Т.И.Трофимова. “Курс физики”, изд. “Высшая школа”, М., 1999г.
6. Программы для общеобразовательных учреждений. Физика. Составители Ю.И. Дик, В.А. Коровин. — М.: Просвещение, 2007. -112 с.
7. Шилов В.Ф. Домашние экспериментальные задания по физике. 9 — 11 классы. — М.: Знание, 2008. — 96 с.
8. Галлингер И.В. Экспериментальные задания на уроках физики // Физика в школе. — 2008. -№ 2 . — С. 26 — 31.
9. Иванова Л.А. Активизация познавательной деятельности учащихся на уроках физики при изучении нового материала. — М.: Просвещение, 2006. — 492 с.
10. «Фундаментальные эксперименты в физической науке» Н.С.Пурышева, проф. Н.В.Шаронова, Д.А.Исаев