Методика изучения законов Ньютона в средней школе (стр. 2 из 6)

С помощью мысленных или реально поставленных на демонстрационном столе экспериментов устанавливают, что движение тел, например шара по горизонтальной поверхности стола, будет изменяться тем меньше, чем меньше сопротивление его движению, в данном случае сила трения.

Отсюда для предельного случая, когда силами трения можно пренебречь, делается вывод, что если на тело не действуют другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли. Далее в некоторых пособиях уточняется, что закон инерции выполняется практически точно в гелиоцентрической системе. Таким образом, закон инерции по существу формулируется так же, как и у Ньютона для предельного случая, когда тела достаточно удалены от всех других тел. Вначале на конкретных примерах вводится понятие о «компенсации действия тел» и применительно к некоторым конкретным системам отсчета, прежде всего к Земле, показывается справедливость закона инерции.

На основе конкретных примеров первый закон Ньютона формулируется в следующем виде: существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной; если на них не действуют другие тела, или действие других тел компенсируется. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Данная формулировка закона инерции по сравнению с приведенными выше является наиболее полной. Она охватывает и предельные, и реально имеющие место в окружающей жизни случаи. Кроме того, в ней указывается на справедливость закона только в определенных, инерциальных системах отсчета.

Однако данный методический подход также не лишен недостатков и трудностей:

1)вводится дополнительное, притом недостаточно с физической точки зрения определенное понятие о «компенсации действия тел»;

2) в данной формулировке на первом плане оказывается мысль о существовании инерциальных систем, а не о явлении инерции;

3)не говорится в явном виде о прямолинейности движения тел по инерции;

4)данная формулировка из-за того, что несет большую информацию,сложнее предыдущей. Для устранения указанных выше трудностей необходимо максимально использовать знания учащихся из курса физики, пройденного ранее и формировать весь комплекс понятий о законе инерции по частям.

Крайне желательно, чтобы учащиеся предварительно самостоятельно повторили соответствующий материал по учебнику и восстановили в своей памяти определение: явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называют инерцией. Соответствующие примеры всегда приведут сами учащиеся. Здесь уместно также рассказать об опытах Галилея с наклонной плоскостью, интересных не только своими выводами, но и примером сочетания логического абстрактного мышления с реальным физическим экспериментом. Затем можно также сказать о взгляде древних и неправильном бытовом представлении людей, незнакомых с физикой, о том, что движение есть результат взаимодействия тел. После этого повторения и исторического введения можно перейти к более детальному и обстоятельному рассмотрению инерции с учетом реально существующих взаимодействий тел.

Вначале следует рассмотреть приведенный в учебнике пример с находящимся в состоянии покоя шаром, подвешенным на пружине или резиновом шнуре. При этом, как показывает опыт преподавания, можно не только говорить в общих выражениях о том, что «действия на шар двух тел — шнура и Земли компенсируют (иногда говорят уравновешивают) друг друга», но и указать на чертеже в явном виде действующие на тело силы: силу тяжести F_т и силу упругости (рис. 1).

рис. 1

Понятие «сила» в данном случае не расширяется и не углубляется. Оно используется как синоним выражения «действие одного тела на другое», которое, как известно из курса физики VI класса, может быть измерено динамометром и выражено в ньютонах.

В качестве упражнения и закрепления полученных понятий можно дать учащимся задание самостоятельно указать и изобразить графически силы, действующие на гирю, помещенную на пружину (рис. 2 а) и на шайбу, которая лежит на льду (рис. 2 б).

рис.2

На основе данных и аналогичных примеров делают вывод, что если на тело действуют равные по модулю, но противоположно направленные силы, то тело может находиться в состоянии покоя. Иначе можно сказать, что действие тел в этом случае компенсируется.

Затем переходят к рассмотрению наиболее важного и сложного случая — движения тела по инерции, используя описанный в учебнике пример с шайбой. Полезно еще раз изобразить шайбу и действующие на нее силы, включая небольшую силу трения F_тр (рис. 3 а), а также вектор скорости V. Как опытный факт констатируем, что после удара шайба движется прямолинейно и ее скорость изменяется незначительно. Естественно предположить, как это делалось уже раньше при рассмотрении опыта Галилея, что скорость тела не изменилась бы совсем, если бы сил трения не было вовсе.

Этот вывод желательно подкрепить выразительными опытами с движением по инерции с крайне малым трением дисков из сухого льда или же тел на воздушной подушке.

Далее высказывается мысль, что силу трения можно компенсировать. Последнее легко осуществить, равномерно перемещая шайбу, например, с помощью клюшки, непрерывно подталкивающей ее с силой

, равной и противоположно направленной силе трения (рис. 3 б).

рис. 3

Простейшим наглядным примером равномерного движения, легко осуществимого на опыте, является движение шарика или бруска по наклонной плоскости, которой придан такой уклон, чтобы сила трения компенсировалась равнодействующей силы реакции желоба и силы тяжести.

Обобщая пройденное, делают вывод, с которым учащиеся уже знакомились: материал о сложении сил, направленных по одной прямой: «Тело под действием двух равных и противоположно направленных сил будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно».

Наконец, должно быть сформировано первоначальное понятие об инерциальных системах отсчета. До сих пор во всех опытах и примерах за систему отсчета, в которой оказывался справедливым закон инерции, принималась Земля. На конкретных примерах следует показать, что закон инерции выполняется также в системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно Земли.

Все опыты по инерции, рассмотренные выше, с равным успехом и теми же результатами можно провести, например, в равномерно движущихся поезде, теплоходе или самолете.

В результате проделанной работы учащиеся должны усвоить, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного поступательного движения в инерциальных системах отсчета, если на него не действуют другие тела или если силы, с которыми они действуют, уравновешиваются.

Для закрепления и углубления полученных понятий в классе и дома учащиеся решают в основном качественные задачи-вопросы. Желательно, однако, и решение несложных экспериментальных задач, например, такой:

Объяснить, какие уравновешенные силы действуют на движущийся равномерно вниз шарик в стеклянной трубке с водой (рис. 4 а); на поднимающийся равномерно вверх пузырек воздуха (рис. 4 б).

Рис. 4

Необходимо также решение задач политехнического содержания:

Плуг равномерно движется по борозде. Можно ли сказать, что он движется по инерции?

Интересна задача «Самый легкий способ путешествовать», составленная по материалам «Занимательной физики» Я.И. Перельмана.

Второй закон Ньютона

Опыт и логика подсказывают, что если действующие на тело силы не уравновешиваются, то его движение должно изменяться. Существующую при этом количественную закономерность удалось впервые сформулировать в своих «Началах» И. Ньютону в виде следующей аксиомы или закона движения: Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Математическизаконвыражается формулой

Все величины, входящие в эту формулу: сила , масса m, количество движения и время t, у Ньютона независимые.

В настоящее время в учебниках физики второй закон Ньютона чаще всего записывается в виде.

(Впервые выражение силы, как величины, равной массе, умноженной на ускорение, дается в «Механике» Эйлера; 1736 г.) Следует, однако, иметь в виду, что зависимость. не эквивалентна полностью формуле Она верна только при условии m =const, что практически имеет место при скоростях, далеких от скорости света, когда зависимостью массы от скорости можно пренебречь.

Из сказанного выше следует, что для изучения второго закона Ньютона в форме

предварительно требуется ввести понятия массы, силы и ускорения. Различные методические системы изучения второго закона Ньютона отличаются в основном тем, как вводятся данные фундаментальные физические понятия.