Курс методики физики

Формування понять: механічний рух та його відносність, система відліку,
матеріальна точка, траєкторія, шлях
 Изучение темы начинается вводным уроком. На этом  уроке  главное  внимание
уделяется вопросам мировоззренческого характера, дополнению и уточнению  тех
первоначальных сведений о механическом движении, которые  учащиеся  получили
из курса физики VI класса. Опираясь на известные факты,  учитель  разъясняет
философское понятие материи и  движения,  раскрывает  понятие  механического
движения и смысл основной задачи механики.
 Учащихся VIII класса подводят к определению: изменение  положения  тела  в
пространстве  относительно  других  тел  с  течением   времени   называется
механическим движением. Ученики сами могут  привести  примеры  механических
движений (падение тел, движение поезда, самолета, автомашины, человека и т.
д.). Разъясняя смысл этого определения, следует подчеркнуть:
 а) механическое движение — это простейшая форма движения материи;
 б) механическое движение  всегда  относительно.  Покой  тоже  относителен.
Движение всегда  рассматривается  по  отношению  к  другим  телам,  которые
условно принимаются за неподвижные;
 в) нет «абсолютного» пространства, т.  е.  пространства  без  материальных
тел;
 г) важным  в  этом  определении  является  и  добавление  слов  «стечением
времени»; они указывают на необходимость измерения промежутка времени между
событиями.
      Пользуясь прямой —  осью  времени,  нужно  показать  различие  понятий
«момент времени» и «промежуток времени». Последовательность точек  на  этой
прямой соответствует последовательности моментов  времени.  Отсчет  времени
ведется от некоторого  начального  момента.  За  начальный  момент  времени
принимают момент, с которого  началось  наблюдение  за  движением.  Каждому
моменту времени соответствует точка на  числовой  оси  времени.  Промежуток
времени  всегда  положительное  число,  моменты  времени  могут  быть   как
положительными, так и отрицательными. Для измерения времени применяют часы,
секундомеры, хронометры, кварцевые и атомные часы.
 Далее  разъясняют,  что  изучением  механических  движений  и  их  законов
занимается механика.
 Одной из основных задач механики является  определение  положения  тела  в
любой момент времени.
 Твердое   тело   может   совершать   различные   механические    движения:
поступательное, вращательное, колебательное и  др.  В  курсе  механики  VIII
класса подробно изучается лишь поступательное движение, понятие о котором  и
должно быть раскрыто на первом уроке. С этой целью анализируют его  наиболее
существенные признаки, позволяющие выделить  поступательное  движение  среди
других движений. Вначале обращают внимание учащихся на тот  очевидный  факт,
что в общем случае различные точки движущегося  тела  движутся  неодинаково.
Линия, которую описывает точка при  движении  тела,  называется  траекторией
точки. Наиболее простым,  но  практически  важным  является  такое  движение
твердого  тела,  при  котором  все  точки  тела   движутся   по   одинаковым
траекториям. Так движутся пила при пилке дров, кузов  автомобиля  по  дороге
без поворотов и т. д. Движение твердого тела,  при  котором  все  его  точки
движутся  одинаково  (т.   е.   по   одинаковым   траекториям),   называется
поступательным. Для такого  движения  характерно  следующее:  любая  прямая,
мысленно проведенная  через  любую  точку  тела,  во  время  поступательного
движения   остается   параллельной   своему   первоначальному   направлению.
Поступательное  движение   обладает   следующим   замечательным   свойством:
траектории   всех   точек   твердого   тела,   движущегося    поступательно,
конгруэнтны, т. е. их можно совместить  путем  простого  перемещения.  Таким
образом, учащихся подводят к выводу: для изучения  поступательного  движения
нет необходимости рассматривать все его  точки,  достаточно  знать  характер
движения одной  точки.  Последнее  чрезвычайно  упрощает  многие  расчеты  в
задачах на движение тел.
 Далее переходят к рассмотрению  другого  важного  понятия  —  материальная
точка. С  понятием  материальной  точки  учащиеся  VIII  класса  встречаются
впервые, и оно требует  тщательного  разъяснения.  Остановимся  на  методике
изучения этого вопроса. Понятие материальной точки  условное  и  применяется
для упрощения задачи изучения движения тел или частиц. Разъясняя  смысл  его
на  примерах  движения,  учитель  акцентирует  внимание  учащихся  на   двух
случаях,  когда  можно  пренебречь  размерами  (и  формой)   тела,   т.   е.
рассматривать его движение как движение точки. А именно:  а)  когда  размеры
тела малы по сравнению с проходимым телом расстоянием  и  б)  когда  размеры
тела много меньше расстояния от данного тела до другого тела.  Дополнительно
можно отметить следующее обстоятельство: любые измерения возможны  только  с
определенной степенью точности; если пренебрежение линейными размерами  тела
приводит к  погрешностям,  соизмеримым  с  погрешностью  измерений,  то  нет
смысла  учитывать  размеры   этого   тела.   Таким   образом,   теоретически
оправдывается введение понятия материальной  точки.  В  связи  с  этим  даем
определение материальной точки. Тело,  размерами  и  формой  которого  можно
пренебречь в данных условиях движения, называется  материальной  точкой.  На
примерах поясняем, что в зависимости от условия задачи одно и то же  тело  в
одних случаях может быть принято за материальную  точку,  в  других  —  нет.
Например, при рассмотрении движения Земли вокруг Солнца Землю можно  считать
материальной точкой, так как ее размеры много меньше расстояния от Земли  до
Солнца. При изучении же движения на Земле  ее  нельзя  считать  материальной
точкой. Движение корабля в море есть движение  материальной  точки.  Но  при
изучении  качки  корабля  приходится   учитывать   взаимодействие   волн   с
поверхностью корабля; в этом случае корабль не есть материальная точка.  При
этом  важно  подчеркнуть,  что  если  физические  тела  можно  принимать  за
материальные  точки,  то  значительно  упрощается  задача   по   определению
расстояний между ними и в связи с  этим  упрощаются  формулы  для  выражения
соответствующих законов физики. В поступательном  движении  все  точки  тела
движутся одинаково. Поэтому, как уже было сказано,  в  таком  движение  тело
можно принять за точку. Но понятие материальной точки относится и  к  другим
видам движения,
 Необходимо также разъяснить, что  понятие  «материальная  точка»  является
своеобразной  абстракцией,  или  Моделью  тела.  Материальная   точка   есть
идеальный (вымышленный) объект,  которым  можно  заменить  реальный  объект,
если в условиях данной задачи можно не учитывав его форму и  размеры.  Здесь
же  надо  отметить,  что  по  определению  материальная  точка  «наделяется»
массой, равной массе тела. (С понятием массы учащиеся знакомы  из  курса  VI
класса.) Только в кинематике масса  материальной  точки  не  принимается  во
внимание. Вполне оправданно говорить о траектории материальной точки.
  Система отсчета — важнейшее понятие физики; изучению его в  школе  должно
быть  уделено  большое  внимание.  Необходимость  введения   этого   понятия
обосновывается  в  самом  начале  кинематики.  Без  выбора  системы  отсчета
невозможно наблюдать и изучать движение материальной точки или  тела.  Более
того, учитель должен иметь в виду, что  в  дальнейшем  правильное  понимание
физического и философского содержания принципа  относительности  и  уяснение
основ  специальной  теории  относительности  возможно  при   условии,   если
учащиеся  овладеют  понятием  системы  отсчета.  Поэтому  изучению   системы
отсчета в курсе механики должно уделяться серьезное внимание
 С понятием системы координат учащиеся знакомились  в  курсе  математики  и
пользовались системой  координат  при  решении  задач.  Понятие  о  системе
отсчета для учащихся VIII  класса  является  новым  и  сложным.  Оно  легче
усваивается, если в самом начале тщательно проанализировать его содержание.
 Система отсчета включает следующие элементы:
 а) тело отсчета;
 б) систему координат, скрепленную с телом отсчета;
 в) начало отсчета времени;
 г) начало отсчета расстояний (координат);
 д) способ измерения времени;
 е) способ измерения расстояний. Кратко это выражено в приведенной выше
формулировке.
 Таким образом, нужно четко различать понятия система отсчета, тело отсчета
и система координат. Недостаточно перечислить основные элементы системы
отсчета, необходимо их обосновать, показав их необходимость.
 Выбор тела отсчета еще не  дает  возможности  полностью  описать  движение
материальной точки,  фиксировать  ее  положение  в  любой  момент  времени,
недостаточно условиться рассматривать его движение относительно,  например,
Земли; необходимо указать способ фиксации его положения относительно нее  в
любой момент времени. Для  этого  пользуются  системой  координат.  Система
координат связывается жестко с телом отсчета. Очень важно уяснить, что  для
изучения движения материальной точки нужно выбрать, кроме  тела  отсчета  и
системы координат, способ отсчета времени.
 Если применяются обычные часы, то измерение времени сводится к определению
расположения  стрелок  часов  в  то  мгновение,  когда  материальная  точка
попадает в интересующее нас место пространства. При  исследовании  движения
тел в  механике  полагают,  что  время  течет  равномерно.  Наконец,  чтобы
измерения времени и  расстояний  стали  определенными,  надо  условиться  о
начале их отсчета.  Началом  отсчета  времени  движения  самолета  является
момент начала движения его при взлете. Началом  отсчета  расстояния  служит
начало системы координат, скрепленной с телом отсчета.
 Весьма важно  научить  учащихся  выбирать  систему  отсчета  в  конкретных
 случаях. Сам выбор системы отсчета произвольный и  диктуется  соображениями
 удобства в расчетах.
 О состоянии движения тела мы можем  говорить  определенно,  только  указав
 систему отсчета.
 Чтобы ученики осознали значение системы отсчета  для  физики  и  научились
оперировать этим понятием, необходимо  применять  его  на  протяжении  всего
курса.
 Уже в начале  изучения  кинематики  показывают,  что  траектория  движения
одного и того же тела зависит от выбора системы отсчета и в разных  системах
отсчета различна

Формування поняття "фізична величина" у середній школі
Физическая  величина  –  это  характеристика  определенных  свойств  объекта
(тело,  система  тел,  состояние  процессов,  и  явлений)   в   качественном
соотношении одинаковые для всех объектов, а в  количественном  индивидуальны
для каждого объекта.
Например, физическая величина  ускорение  характеризует  быстроту  изменения
скорости со временем и это  ее  качественная  характеристика  одинакова  для
всех  объектов.  Однако  для  различных  тел  ее  количественное   отношение
различно. (если ускоряется поезд и самолет, то их ускорение различны).
Термин «величина» применяется к характеристикам и свойствам  в  том  случае,
если   их   можно   количественно   определить,   т.е.    измерить.    Такие
характеристики,  как  цвет,  запах,  вкус  в  настоящее  время  не  подлежат
измерению, поэтому их нельзя назвать величинами, а  только  характеристиками
или свойствами. ГОСТ не рекомендует использовать словосочетание  :  величина
скорости,  сила  по  величине  и  направлению,  величина   давления;   слово
«величина» в этих словосочетаниях лишнее, т.к.  скорость,  сила  и  давление
есть величинами.  Вместо  термина  физическая  величина  можно  использовать
термин величина только в том случае, если из  контекста  следует,  что  речь
идет о физической  величине,  а  не  о  математической.  Можно  использовать
термин размер величины и значение физической величины.
Единица физической величины –  это  физическая  величина,  фиксированная  по
размеру и принятая в качестве основы для  количественной  оценки  конкретной
физической величины.
Значение физической величины –  это  количественное  содержание   в  объекте
конкретной физической величины, выраженное в виде некоторого числа  принятых
для нее единиц.
Например:
l=2м
2м – значение физической величины
2 – числовое значение физической величины
м – единица физической величины
Иногда   для   определения   физической   величины   используют   термин   –
«называется».  Например:  Электроемкость  проводника   называется   величина
равная отношению заряда сообщенному проводнику к его потенциалу.
Т.к. определение физической величины должно полностью раскрывать  понятие  о
физической величине, то лучше давать  такое  определение:  Электроемкость  –
это  физическая  величина,  которая  характеризует  электрические   свойства
проводника, она измеряется отношением заряда  q,  сообщенному  проводнику  к
его потенциалу (.
Законы физики устанавливают  количественные  соотношения  между  физическими
величинами, поэтому нужно уметь измерять физические величины.
Измерить физическую величину (например скорость) – это значит сравнить ее  с
величиной того же вида (скоростью) принятой за единицу.
Существуют основные системы  единиц,  которые  отличаются  выбором  основных
единиц. Те системы единиц, у которых в  качестве  основных  выбраны  единицы
длины,  массы  и  времени  называются  абсолютными.  В  качестве    основной
системы единиц ГОСТом выбрана международная система единиц: СИ.
Основные единицы:
 - единица  длины – метр (м)
 - единица массы – килограмм (кг)
 - единица времени – секунда (с)
 - единица силы тока – ампер (А)
 - единица количества вещества – моль (моль)
кроме основных есть еще производные единицы  :  м/с,  В;  и  дополнительные:
единица плоского угла – радиан, единица телесного угла – стерадиан (ср).
размерность  физической  величины  –  это  соотношение,   показывающее   как
изменяется единица какой то величины при изменении основной величины.
Размерность физической величины: [(], в ГОСТах – dim (.
Для размерностей основных величин используют такие обозначения:
 - размерность длины – L
 - размерность массы – М
 - размерность времени – Т
 - размерность термодинамической температуры – (
 - размерность силы тока - (
[l]=L размерность длины – l
[m]=M
[t]=T
проверка  размерности,  например:v=(S/(t.    [V]=[(S]/[(t]=L/T=LT-1   –  это
формула размерности.
Ek=ma2t2/2        1кг(1*м2/с2)1с2=1кгм2/с2=1(кгм/с)м=1Н1м=1Дж
Основные элементы рассказа ученикам о физической величине:
  1. название величины
  2. какое тело или явление описывает
  3. условное обозначание величины (E,F)
  4. основное определяющее уравнение v=S/t, C=q/(
  5.  физический  смысл  определяющего   уравнения   R=U/I         значение
     напряжения численно равно напряжению на проводнике при силе тока в 1А.
     v=S/t  - значение скорости численно равно пути, которое проходит  тело
     за единицу времени.
  6. Название единицы величины:
  7. Ом – единица сопротивления. (ГОСТы не  разрешают  использовать  термин
     «единица измерения»)
  8. Условное обозначение единицы величины: Ом, м, Н.
  9. Определение единицы величины.
 10. Прибор для прямого измерения единицы величины.
 11. Примеры значения величины которые встречаются в природе или технике.

Формування понять: миттєва швидкість, переміщення, прискорення, середня
швидкість
 Важной характеристикой переменного движения является мгновенная  скорость,
или скорость в данный момент, в данной  точке  траектории.  Для  обоснования
необходимости  введения  ее  проводят  такое  рассуждение.  Знание   средней
скорости  хотя  и  необходимо,  но  недостаточно  для  изучения  переменного
движения. С помощью средней скорости нельзя решить основную задачу  механики
для случая переменного движения.
 Как известно, мгновенной скоростью называют предел, к  которому  стремится
средняя скорость Vср=(S/(t  при (t(0.
 В учебнике понятие о мгновенной скорости введено на основании разъяснения
физически бесконечно малого промежутка времени и предельного перехода. При
этом определение мгновенной скорости основывается на идее непрерывности, а
разъяснение о векторном характере ее опирается на использование понятия
векторной средней скорости. Таким образом, векторная средняя скорость
является вспомогательным понятием, необходимым для введения векторной
мгновенной скорости. При изложении этого вопроса нужно обратить внимание на
следующее. Произвольное движение можно рассматривать как ряд
последовательных равномерных и прямолинейных движений за малые промежутки
времени (t. Скорость в течение каждого такого промежутка времени можно
считать постоянной и равной средней скорости. Эта скорость определяется
формулой Vсрi=(Si/(t  . Утверждение о постоянстве скорости в очень малом
промежутке времени основано на предположении о том, что при делении этого
промежутка времени на две равные части модуль разности перемещений
движущейся точки за время (t  пренебрежимо мал в сравнении с модулями самих
перемещений. Это значит, что при дальнейшем уменьшении промежутка времени
(t изменения модуля и столь незначительны, что уже нельзя их обнаружить.
 Перемещение.Основная задача урока — обосновать необходимость введения
понятия перемещение в кинематике.
 В VI  классе  давалось  первоначальное  понятие  пути,  а  также  скорости
равномерного движения и средней скорости неравномерного движения.  Возникает
вопрос: достаточно ли этих знаний  для  решения  основной  задачи  механики?
Этот вопрос следует пояснить подробнее. Если скорость равномерного  движения
известна,  то  можно  вычислить  пройденный  путь  за  заданный   промежуток
времени: l=vt. Отложив пройденный путь на известной траектории от  начальной
точки в сторону движения, можно указать,  в  каком  месте  будет  находиться
точка в конце данного промежутка времени. Это значит, что система  начальных
кинематических понятий, изучаемых в VI классе, позволяет в  принципе  решать
основную задачу механики (нахождение  положения  движущейся  точки  в  любой
момент  времени)  в  простейшем  случае  равномерного  движения   точки   по
известной траектории. Если же траектория неизвестна, то  знания  пройденного
пути недостаточно для того, чтобы указать новое положение движущейся  точки.
Более общая постановка основной задачи механики как раз  и  состоит  в  том,
чтобы находить положение движущейся точки в любой момент  времени,  не  зная
заранее, по какой траектории происходит ее движение.
 Необходимо обратить внимание учащихся на различие понятий перемещения и
пути. Здесь же показывают отличие их от координаты точки. Путь, пройденный
точкой, равен длине отрезка траектории, которая описывается за данный
промежуток времени при движении точки из одного положения в другое. Таким
образом, путь l — это длина траектории, описанной при движении точки за
время t. Обращают внимание учащихся на то, что путь — это скалярная
величина. Перемещение — это отрезок прямой, соединяющий предыдущую точку
траектории с последующей и направленный в сторону последующей. Перемещение
— это векторная величина. Если движущаяся точка в некоторый момент времени
находилась в точке A и за время t перешла в точку B, то перемещение ее
равно вектору АВ. Точкой A, например, может быть начало движения, а точкой
В — конец движения.
 При  этом  перемещением  является  направленный  отрезок,  проведенный  из
начальной точки в конечную. Если  точка  при  своем  движении  переходит  из
точки A в точку В, затем в точку С,  то  ее  первое  перемещение  будет  АВ,
второе перемещение ВС. Результирующее  перемещение  выражается  направленным
отрезком  АС  (АС  —  замыкающая  двух  составляющих  перемещений)  —  равна
диагонали  параллелограмма,  построенного  на   составляющих   перемещениях.
Перемещение — одна из векторных кинематических величин.  Вектор  перемещения
обозначается s, а модуль его (длина) |s|.
 Путь всегда положительная величина.  Рисунок  наглядно  иллюстрирует,  что
пути между двумя точками A и В могут быть различными, а  перемещение  всегда
одно и то же. В случае прямолинейного движения точки перемещение  по  модулю
может совпадать с длиной пути лишь тогда, когда движение  не  меняет  своего
направления. В случае же, когда точка движется сначала  в  одну  сторону,  а
затем в противоположную, перемещение и путь различные. Рассмотрев понятие  о
векторе  перемещения,  необходимо  разъяснить  понятие  о  проекций  вектора
перемещения на оси координат. Это  потребуется  для  определения  координаты
положения движущейся точки и  для  записи  уравнения  движения  в  скалярной
форме вектора S на ось х: Sх= 0В.
 В общем случае, сколь бы запутанной ни была траектория при движении
материальной точки путь может только возрастать.
 Координаты же точки могут, как возрастать, так и убывать Перемещение и
начальные координаты точки вполне определяет ее положение в любой момент
времени.
 Средняя скорость. В курсе физики VI класса средняя скорость получалась при
делении пройденного пути на время движения. В VIII классе можно,  исходя  из
этого, подчеркнуть, что в данном случае мы определяли среднюю  скорость  как
скалярную величину. Такое понятие существует и  используется  в  основном  в
задачах практического характера  (приводятся  примеры  о  походах  туристов,
движении  транспорта  и  т.  п.).   Однако   в   физике   средняя   скорость
рассматривается  и   как   векторная   величина,   определяемая   отношением
перемещения к промежутку времени,  за  которое  это  перемещение  произошло:
Vср=S/t
 УСКОРЕНИЕ.
 Ускорение — одно из важнейших кинематических понятий. Оно является
совершенно новым для учащихся VIII класса и должно быть подробно
разъяснено. Учащиеся уже знают, что равномерное движение характеризуется
векторной величиной — скоростью, которая остается неизменной по модулю и
направлению во все время движения. В неравномерном же движении скорость
изменяется о течением времени, в разных точках траектории значения скорости
будут различны.
 В разных случаях  неравномерного  движения  скорость  с  течением  времени
меняется по-разному. Поэтому для сравнения переменных  движений  находят  не
просто  изменение  скорости,  а  изменение  скорости  за   единицу   времени
(ускорение).
  Можно начать изучение понятия ускорения с анализа, записанного  во  время
опыта графика неравномерного движения, обратив внимание учащихся на то,  что
значение скорости за каждый последующий промежуток времени  возрастает,  так
как возрастают модули перемещений|(S1|, |(S2|,  |(S3|  и  т.  д.  за  каждую
последующую единицу времени, а значит, и скорости  в  эти  отрезки  времени:
Vcp1=(s1/(t; Vcp2=(s2/(t  и т. д. Далее  определяют  разности  скоростей  за
(t=1 с: (V1=V2-V1; (V2=V3-V2 и т.  д.  И  убеждаются,  что  они  одинаковые.
Теперь можно сообщить учащимся:  чтобы  узнать  ускорение,  надо  определить
изменение вектора скорости, за единицу времени (v-v0)/t Обозначив  ускорение
буквой  а,  записываем  формулу  a=(v-v0)/t.  Здесь  имеется  в   виду   так
называемое среднее ускорение acp=(v/(t. Мгновенное  ускорение  находится  по
тому же способу, как и мгновенная скорость. Имея в виду  среднее  ускорение,
мы часто его будем называть просто ускорением.  В  равноускоренном  движении
ускорение постоянно.
      Далее выясняем, как  направлено  ускорение  движения  тела.  При  этом
особое внимание нужно обратить на тот случай, когда v
1  2  3  4  5  6