Методика изучения динамики твердого тела в курсе физики профильной средней школы (стр. 3 из 5)

б) от распределения массы относительно оси вращения при неизменном моменте сил.

3.3. Вывод основного уравнения динамики вращательного движения на основе применения представления о твёрдом теле как совокупности материальных точек, движение каждой из которых можно описать вторым законом Ньютона; введения понятия момента инерции тела как скалярной физической величины, характеризующей распределение массы относительно оси вращения (слайды 13-14).

3.4. Компьютерный лабораторный эксперимент с моделью «Момент инерции» (слайд 15).

Цель эксперимента: убедиться в зависимости момента инерции системы тел от положения шаров на спице и положения оси вращения, которая может проходить как через центр спицы, так и через её концы.

3.5. Анализ способов расчёта моментов инерции твёрдых тел относительно разных осей. Работа с таблицей «Моменты инерции некоторых тел» (для симметричных тел относительно оси, проходящей через центр масс тела). Теорема Штейнера для вычисления момента инерции относительно произвольной оси (слайды 16-17).

3.6. Закрепление изученного материала. Решение задач о качении симметричных тел по наклонной плоскости на основе применения основного уравнения динамики вращательного движения и на сравнение движений скатывающегося и скользящего с наклонной плоскости твёрдых тел. Организация работы: работа в малых группах с проверкой решения задач с помощью интерактивной доски. (В презентации имеется слайд с решением задачи о качении шара и сплошного цилиндра с наклонной плоскости с общим выводом о зависимости ускорения центра масс, а, значит, и его скорости в конце наклонной плоскости от момента инерции тела) (слайды 18-21).

4. Работа с информационным блоком 3«Закон сохранения момента импульса» (слайды 22-42). Этапы деятельности.

4.1. Введение понятия момента импульса как векторной характеристики вращающегося твёрдого тела по аналогии с импульсом поступательно движущегося тела. Формула для вычисления, единица измерения (слайд 23).

4.2. Закон сохранения момента импульса как важнейший закон природы: вывод математической записи закона из основного уравнения динамики вращательного движения, разъяснение, почему закон сохранения момента импульса следует считать фундаментальным законом природы наряду с законами сохранения линейного импульса и энергии. Анализ различий в применении закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса, имеющих сходную алгебраическую форму записи, к одному телу (слайды 24-25).

4.3. Демонстрация сохранения момента импульса с легко вращающимся стулом (аналогом скамьи Жуковского) и деревянной пирамидкой. Анализ опытов со скамьёй Жуковского (слайды 26-29) и опытов по неупругому вращательному столкновению двух дисков, насажанных на общую ось (слайд 30).

4.4. Учёт и использование закона сохранения момента импульса на практике. Анализ примеров (слайды 31-40).

4.5. Второй закон Кеплера как частный случай закона сохранения момента импульса (слайды 41-42).

Виртуальный эксперимент с моделью «Законы Кеплера».

Цель эксперимента: проиллюстрировать второй закон Кеплера на примере движения спутников Земли, меняя параметры их движения.

5. Работа с информационным блоком 4«Кинетическая энергия вращающегося тела» (слайды 43-49). Этапы деятельности.

5.1. Вывод формулы кинетической энергии вращающегося тела. Кинетическая энергия твёрдого тела в плоском движении (слайды 44-46).

5.2. Применение закона сохранения механической энергии к вращательному движению (слайд 47).

5.3. Использование кинетической энергии вращательного движения на практике (слайды 48-49).

6. Заключение (слайды 50-53).

Аналогия как метод познания окружающего мира: физические системы или явления могут быть аналогичны как по своему поведению, так и по их математическому описанию. Часто при изучении других разделов физики можно найти механические аналогии процессов и явлений, но иногда можно найти немеханическую аналогию механическим процессам. Методом аналогии решаются задачи, выводятся уравнения. Метод аналогий не только способствует более глубокому пониманию учебного материала из разных разделов физики, но и свидетельствует о единстве материального мира.

Проверка и оценивание знаний, умений и навыков: Нет

Рефлексия деятельности на уроке:

Саморефлексия деятельности, процесса усвоения и психологического состояния на уроке в процессе работы над отдельными частями лекции.

Работа с рефлексивным экраном в конце урока (слайд 54) (выскажитесь одним предложением). Продолжите мысль:

- сегодня я узнал…

- было интересно…

- было трудно…

- я выполнял задания…

- учебные проблемы…

Домашнее задание

§ 6, 9, 10 (часть). Анализ примеров решения задач к § 6, 9. Творческое задание: подготовить по наиболее заинтересовавшему информационному блоку презентацию, интерактивный плакат или другой мультимедиа продукт. Вариант: тест или видеозадачник.

Дополнительная необходимая информация

Для подборки заданий использовать:

- Уокер Дж. Физический фейерверк. М.: Мир, 1988.

- Ресурсы Интернет.

Обоснование, почему данную тему оптимально изучать с использованием медиа-, мультимедиа, каким образом осуществить:

Учебный материал представлен в интересной, визуализированной, интерактивной и максимально понятной для обучающихся форме. Предусмотрен компьютерный эксперимент, выполняемый с интерактивными моделями (Открытая физика. 2.6), и решение задач с последующей проверкой с помощью интерактивной доски InterWrite. Имеется система подсказок-гиперссылок, помогающих решению задач. Презентация содержит гиперссылки на отдельные ресурсы Интернета (например, статьи электронной версии журнала «Квант»), которые можно просмотреть в режиме on-line, а также использовать для подготовки творческого задания. Для актуализации знаний служит подготовленная при изучении кинематики движения материальной точки презентация «Кинематика вращательного движения материальной точки».

Осуществляется компетентностный подход к организации учебного процесса, обеспечивается высокая мотивация учебной деятельности.

Советы по логическому переходу от данного урока к последующим:

В рамках блочно-зачётной системы с использованием методики укрупнения дидактических единиц усвоения данный урок является первым; предусмотрены уроки коррекции, закрепления знаний и зачётный урок с использованием дифференцированного по уровню сложности тестового задания. В зависимости от качества выполнения домашнего творческого задания возможно проведение в рамках изучения блока «Вращательное движение твёрдого тела»

Для закрепления знаний в классах с углубленный изучением физики при проведении практикума в конце года можно предложить следующую лабораторную работу «Изучение законов вращательного движения твердого тела на крестообразном маятнике Обербека»

1. Введение

Явления природы очень сложны. Даже такое обычное явление как движение тела, на самом деле оказывается совсем не простым. Чтобы понять главное и физическом явлении, не отвлекаясь на второстепенные летали, физики прибегают к моделированию, т.е. к выбору или построению упрощенной схемы явления. Вместо реального явления (или тела) изучают более простое фиктивное (несуществующее) явление, похожее на действительное в главных чертах. Такое фиктивное явление (тело) называют моделью.

Одной из важнейших моделей, с которой имеют дело в механике, является абсолютно твердое тело. В природе нет недеформируемых тел. Всякое тело пол действием приложенных к нему сил деформируется в большей или меньшей степени. Однако, в тех случаях, когда деформация тела мала и не влияет на его движение, рассматривают модель, называемую абсолютно твердым телом. Можно сказать, что абсолютно твердое тело - это система материальных точек, расстояние между которыми остается неизменным во время движения.

Одним из простых видов движения твердого тела является его вращение относительно неподвижной оси. Изучению законов вращательного движения твердого тела и посвящена настоящая лабораторная работа.

Напомним, что вращениетвердого тела вокруг неподвижной оси описывается уравнением моментов

(1)

Здесь

- момент инерции тела относительно оси вращения, - угловая скорость вращения. Mx- сумма проекций моментов внешних сил на ось вращения OZ. Это уравнение по виду напоминает уравнение второго закона Ньютона:

.

Роль массы т играет момент инерции T, роль ускорения

играет угловое ускорение , а роль силы играет момент сил Mx.

Уравнение (1) является прямым следствием законов Ньютона, поэтому его экспериментальная проверка является в то же время проверкой основных положений механики.

Как уже отмечалось, в работе изучается динамика вращательного движения твердого тела. В частности, экспериментально проверяется уравнение(1) - уравнение моментов для вращения твердого тела вокруг неподвижной оси.

2. Экспериментальная установка. Методика эксперимента.

Экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.1, известна как маятник Обербека. Хотя на маятник эта установкасовсем непохожа, мы по традиции и для краткости будем называть ее маятником.

Маятник Обербека состоит из четырех спиц, укрепленных на втулке под прямым углом друг к другу. На той же втулке имеется шкив радиусом r. Вся эта система может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси. Момент инерции системы можно менять, передвигая грузы то вдоль спиц.