Методика изучения законов Ньютона в средней школе (стр. 3 из 6)

Наиболее распространенной системой является такое построение учебного материала, когда массу и силу стараются определить независимо друг от друга и от второго закона Ньютона: массу путем взвешивания на весах, а силу — статическим методом — с помощью пружинных динамометров, которые градуируют весом гирь. При этом масса иногда трактуется как мера количества вещества в теле. Такой упрощенный, устаревший подход к формированию важнейших понятий динамики для советской школы неприемлем.

В настоящее время многие методисты считают предпочтительной такую систему, при которой сначала вводится понятие силы. При этом сила трактуется как «мера действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения». После этого изучаются способы измерения сил с помощью эталонных пружин или динамометров, и устанавливается зависимость ускорения тел от сил:

«Величину

, равную отношению модуля силы к модулю ускорения, называют массой (точнее, инертной массой)».

Масса тела выступает как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением

,а соотношение выступает как определение массы и второй закон Ньютона. При данном методическом подходе в качестве основной единицы выступает единица силы, что противоречит системе СИ.

Понятие о силе вводится на основе уравнения

, которое одновременно является и определением силы и вторым законом Ньютона. По мнению многих методистов в этом заключается главная трудность этого подхода. Выход из данного положения находится за счет использования других физических законов, определяющих зависимость силы от других величин, например, от координат.

Методика формирования понятия «масса тела»

Первоначальное понятие о массе тел учащиеся получают в начале изучения предмета физика на основе опытов, в которых используются упругие шары, а также шары или тележки, соединенные пружинами. Здесь же вводится понятие о единице массы—килограмме как массе платиноиридиевого эталона. Учащиеся знакомятся также с измерением массы на рычажных весах.

Данные сведения следует восстановить в памяти учащихся в более старших классах. Как показывает опыт, демонстрации упругого взаимодействия тел желательно позже дополнить демонстрациями взаимодействия наэлектризованных тел и взаимодействия тел посредством магнитного поля (рис. 5 а, б).

рис. 5

При постановке опытов следует проанализировать, с какими телами взаимодействуют рассматриваемые тела, в каких случаях действие других тел взаимно компенсируется и в каких не компенсируется и как при этом изменяется движение тел, их скорость. Таким образом, учащиеся подготавливаются к обобщению понятия «взаимодействие тел», получают первое представление «о типах взаимодействий».

Наглядно показывают взаимный характер действия тел друг на друга также следующие опыты:

-Опыт с истечением воды из трубки, согнутойпод прямым углом (рис. 6а). При истечении струи воды трубка отклоняется в противоположную сторону.

2.Опыт по взаимодействию тележек с магнитами (рис. 6 б). Если расположить на платформе магниты так, как показано на рисунке, тележки будут взаимно притягиваться друг к другу, приобретая ускорения, направленные в противоположные стороны. Если магниты рас положить друг к другу одноименными полюсами, тележки будут отталкиваться.

Рис. 6

На основе опытов устанавливают, что:

1) изменение скоростей тел

и а, следовательно, их ускорения и направлены в противоположные стороны;

2)модули величин

и , а, следовательно, и могут принимать различные значения;это качественно видно на глаз. Желательно, однако, подтвердитьэтот вывод и измерениями, тем более что они необходимы для последующего. Следующая задача состоит в том, чтобы показать, что отношение абсолютных значений ускорений двух тел есть величина постоянная, не зависящая от того, как взаимодействовали тела. Данное положение далеко не очевидно и требует специального эксперимента, связанного с измерением ускорений.

Для прямых измерений ускорений необходим прибор — акселерометр.

В технике применяют механические, электромеханические и электрические акселерометры. Ряд конструкций механических акселерометров, доступных для самостоятельного изготовления, описан в методической литературе. Их принцип действия основан на отклонении при ускоренном движении пружинного или тяжелого маятника (рис. 7).

Рис.7

Для пружинного маятника

, а для тяжелого . В опытах акселерометры прикрепляют к ускоренно движущимся телам, например, к тележкам, взаимодействующим с помощью буферной пружины.

Помимо прямых возможны и косвенные измерения ускорений взаимодействующих тел.

В этих целях можно решить следующие экспериментальные задачи:

1. Найти отношение модулей ускорений снарядов, вылетающих из двустороннего баллистического пистолета (рис. 8).

Опыт и расчеты покажут, что при любом сжатиипружины

,

где

и — дальность полета шаров в горизонтальном направлении.

2. Два шарика 1 и 2 с отверстиями связаны нитью и насажены на стержень, по которому они могут скользить с незначительным трением (рис. 9).

Найти на опыте отношение модулей ускорений шариков

и и доказать, что оно остается неизменным для различных длин связывающей их нити.

Рис. 8 Рис.9

Опыты и расчеты покажут, что

. Следовательно, при любых (и поступательных и вращательных) движениях отношение модулей ускорений двух данных взаимодействующих тел есть величина постоянная.

Одни тела, взаимодействуя с избранным, получают ускорения, большие в 2, 3 и т. д. раз, другие — меньшие ускорения. О первых телах говорят, что они менее «инертны», о вторых — более «инертны».

Инертность — это свойство, присущее всем телам. Состоит оно в том, что для изменения скорости тела на заданную величину нужно, чтобы действие на него определенного другого тела длилось некоторое время. Чем это время больше, тем инертнее тело. Из двух взаимодействующих тел то тело более инертно, которое медленнее «набирает» скорость, т. е. приобретает при взаимодействии меньшее ускорение.

Для закрепления понятия об инертности тел полезно решить следующие задачи:

1. На одинаковые нити подвешивают два груза 1 и 2, значительно отличающиеся по массе (рис.10).

Рис. 10

Снизу каждый груз привязывается двумя нитями 3 и 4 к перекладине 5. При резком ударе по перекладине 5 обрывается верхняя нить малого груза и нижние нити большого. Объяснить почему.

Ответ. За одно и то же малое время груз 1, обладающий меньшей инертностью, получил большую скорость, переместился на большее расстояние и оборвал верхнюю нить. Больший же груз переместился незначительно, и верхняя нить осталась целой.

2. В цирке показывают такой аттракцион. Молотами бьют по наковальне, поставленной на грудь человека (рис.11), Почему это безопасно для человека, держащего наковальню?

Инертность тел может быть различной, большей или меньшей, а потому ее можно сравнивать и измерять, как всякую физическую величину.

Инертность выражается определенной величиной, получившей название масса. Естественно приписывать большую массу тому из двух взаимодействующих тел, которое более инертно.

В качестве повторения и закрепления материала здесь полезно решить такую задачу:

Два мальчика на коньках, оттолкнувшись руками друг от друга, поехали в разные стороны со скоростями 5 и 3 м/с. Масса какого мальчика больше и во сколько раз?

.

Масса второго мальчика больше в

раза. Так как

, то