Урок физики в 10-м классе "Законы сохранения в механике"

Тип занятия: Семинар. Урок комплексного применения знаний.

Продолжительность занятия: 1час 20 минут. (2 урока)

Цели занятия: формирование у школьников ключевых компетенций:

1. в познавательной деятельности:

• использование для познания окружающего мира естественнонаучных методов наблюдения, измерения, эксперимента;
• формирование умений применять законы сохранения импульса и энергии при механическом движении систем;
• овладение адекватными способами решения теоретических и экспериментальных задач; приобретение опыта выдвижения гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез.

2. в информационно-коммуникативной деятельности:

• способности понимать точку зрения собеседника и признавать право на иное мнение.

3. в рефлексивной деятельности:

• владение навыками оценки своей деятельности, умением предвидеть возможные результаты своих действий.

Образовательная задача: формирование знания и умения применять законы сохранения импульса и энергии и решать задачу лобового упругого удара для тел произвольной массы.

Развивающая задача: формирование умения наблюдать, логично объяснять явления, проводить анализ и синтез, выдвигать гипотезы и находить решения проблемных вопросов.

Воспитательная задача: формирование умений концентрировать внимание, вести диалог.

Оснащение занятий:

1. Оборудование и материалы: Лаборатория L-микро «Демонстрационный эксперимент по физике. Механика»; выпрямитель универсальный В-24, компьютер, мультимедиапроектор; графопроектор, прозрачные пленки, тестовые задания.
2. Раздаточный материал: Описания эксперимента, таблицы для индивидуальной работы, тесты, вопросы по теме «Законы сохранения импульса и энергии в механических процессах»

План урока

№	Этап урока	1. Приемы обучения 2. Методы обучения	Время (мин)
I	Повторение. Актуализация знаний.	1. Устный и письменный контроль. 2. Беседа. Частично-поисковый. Самостоятельная работа учащихся.	15
II	Подготовка к основному этапу урока.	1. Показ процессов посредством демонстраций. Акцентирование главного и взаимосвязей. 2. Практический. Проблемный. Самостоятельная работа.	10
III	Изучение и отработка нового материала.	1. Наглядный. Постановка опытов с помощью компьютерной программы. 2. Видеометод. Проблемный. Самостоятельная работа.	30
IV	Закрепление новых знаний.	1. Использование абстрактной наглядности. Решение задач. Анализ. 2. Словесный. Частично-поисковый. Самостоятельная работа.	15
V	Подведение итогов. информация о домашнем задании.	1. Устный анализ. 2. Словесный (объяснение).	10

Ход урока

I. Повторение.

1. Организационный момент.

2. Проверка выполнения домашнего задания.

Актуализация знаний.

Учитель. Подведем итог по закреплению основных понятий изучаемой темы «Законы сохранения в механике».

На большом экране с помощью мультимедиапроектора воспроизводятся основные понятия и формулы по изучаемой теме. (Приложение 1)

3. Опрос по теме «Законы сохранения импульса и энергии в механических процессах».

Учащимся предлагается решить качественные задачи, каждая из которых оценена в указанных баллах. Максимальная сумма баллов составляет 200 баллов. Перевод суммы набранных баллов в оценку: «отлично» не менее 170 баллов, «хорошо» - 140 баллов, «удовлетворительно» - 100 баллов.

Работа может быть выполнена как индивидуально, так и в малых группах. (Приложение 2).

Проверку своих результатов учащиеся могут провести сразу, используя подготовленный учителем лист ответов на экране с помощью мультимедиапроектора или после урока, в зависимости от потраченного на выполнение задания времени. (Приложение 2).

Подготовка к основному этапу урока.

Задача 1.

Демонстрируется опыты по взаимодействию стальных шаров одинаковых: массы, объема, подвешенных на одинаковых по длине нитях с помощью установки «Прибор для демонстрации закона сохранения импульса».

Отклоняют один шар от положения равновесия на некоторый угол и отпускают. Шар движется по дуге окружности до столкновения с другими неподвижными шарами. В результате взаимодействия шаров наблюдается отклонение от положения равновесия крайнего с противоположной стороны шара на некоторый угол.

Повторяют опыт с двумя шарами. Результат опыта: в результате взаимодействия шаров наблюдается отклонение от положения равновесия двух крайних с противоположной стороны шаров.

Учитель. Назовите, какой удар наблюдаем в двух опытах? Какой результат взаимодействия шаров, и какие особенности взаимодействия вы можете выделить?

Ответ. Упругий центральный удар. При упругом ударе шаров одинаковых по массе и объему всегда отскакивает столько шаров, сколько налетает.

Учитель. Докажите этот визуальный результат, используя законы сохранения механики.

Решение задачи можно выполнить как совместно с учащимися, так и после их самостоятельного решения, проверить его правильность, отобразив решение на экране. (Приложение 3)

II. Изучение и отработка нового материала.

Учитель. Познакомившись с применением законов сохранения импульса и энергии в механике для упругого удара, решим экспериментальную задачу об упругом взаимодействии

Прежде чем приступить к проведению эксперимента по взаимодействию шаров, рассматриваются особенности взаимодействия шаров в общем виде.

Задача 2. Два шара m₁ и m₂ подвешены на нитях длиной L. Первоначально шары соприкасаются между собой, затем оба шара отклоняют от положения равновесия на угол α =30^о и отпускают. Считая шары упругими, найдите скорости шаров после удара.

Решение.

Совместное применение законов сохранения энергии и импульса для прямого и центрального упругого удара двух шаров позволяет получить следующие соотношения для скоростей движения первого (u₁) и второго (u₂) шаров после соударения:

Экспериментальная задача 3.

Цель экспериментальной задачи: изучение законов сохранения импульса и энергии на примере задачи о соударении шаров.

Эксперимент проводится с помощью «Демонстрационного эксперимента по Физике. Лаборатории L-микро», в котором проводятся измерения, результаты которых обрабатываются и сравниваются количественно с помощью компьютера с выводами, следующими из законов сохранения энергии и импульса, для абсолютно упругого удара металлических шаров различной массы.

Два шара массами m₁ и m₂, подвешены на нитях длиной L. Первоначально шары соприкасаются между собой, затем один шар отклоняют от положения равновесия на угол α =30^о и отпускают. Считая шары упругими: а) массы шаров равны; б) отклоняют шар большей массы; в) отклоняют шар меньшей массы, проведите проверку законов сохранения энергии и импульса при упругом взаимодействии стальных шаров.

Оборудование: платформа с блоком, платформа стартового устройства, блок питания, измерительный блок, оптоэлектрические датчики, блок L-микро, шары 3 штуки, ПК.

В данном эксперименте один из шаров первоначально покоится v₂ = 0, поэтому формулы (3) и (4) упрощаются:

Схема эксперимента показана на (рисунке 1). На металлической классной доске установлена плата держателя шаров, электромагнит и два оптоэлектрических датчика. На осях, вставленных в плату для закрепления шаров, подвешиваются два шара. В исходном положении один из шаров удерживается электромагнитом. При отключении питания электромагнита этот шар отпускается и движется по дуге окружности до столкновения с другим шаром.

Рисунок 1

Следует отметить, что скорость V1 налетающего шара в нижнем положении направлена по горизонтали, а скорость другого шара до столкновения равна нулю: V2 = 0. Нити, на которых подвешены шары, имеют такую длину, что центры шаров находятся на горизонтальной прямой, поэтому соударение шаров можно считать прямым и центральным.

Измерение скорости шаров в данном опыте осуществляется следующим образом.

При движении шара мимо оптоэлектрического датчика луч света на некоторое время перекрывается. Интервал времени ∆t, в течении которого свет был закрыт движущимся шаром, измеряется при помощи компьютерной системы. Для расчета скорости шара V достаточно разделить его диаметр D на ∆t.

∆t - интервалы времени, регистрируемые компьютерной измерительной системой;

v₁ - скорость налетающего шара до столкновения;

D₁ - диаметр налетающего шара;

u₂ - скорость первоначально покоящегося шара после столкновения (/>2~ диаметр этого u₁ - скорость налетающего шара после столкновения в опытах с разными шарами;

W₁ - кинетическая энергия системы до столкновения;

W¹ - кинетическая энергия системы после столкновения;

∆W - изменение кинетической энергии в результате взаимодействия шаров.

Диаметры шаров измеряются заранее с помощью штангенциркуля. Массы шаров m могут быть вычислены, исходя из их плотности ρ_{сталили}= 7.8 10³ кг/м³ и диаметра D шаров; или непосредственно определены взвешиванием.

Шары большего диаметра: D₁ = 6cм; m = 25г; шары меньшего диаметра D₂ = 3 см; m = 4г.

1-й опыт. Столкновение двух шаров одинаковой массы.

Учитель. Проведем сначала эксперимент со стальными шарами одинаковой массы.

Как вы думаете, произойдет взаимодействие шаров в этом опыте?

Ответ. В результате столкновения налетающий шар останавливается, а второй шар начинает движение со скоростью, равной скорости первого шара до удара.

Учитель. Проверим это утверждение, используя установку №1. (Приложение 4)

Массы шаров одинаковы m₁ = m₂ и соотношения (5) и (6) принимают вид как видно из результатов, представленных компьютером (Приложение 5):

u₁ = 0     u₂ = v1

Данные серии опытов заносятся в таблицу.

Таблица 1

Очевидно, что кинетическая энергия системы W₁ до столкновения равна (второй шар в экспериментах первоначально покоится):

W₁ = m₁v₁²/2

а кинетическая энергия системы после взаимодействия W₂ вычисляется по формуле:

W₁= m₂ u₂²/2

Вывод:  W₁ = W¹ , следовательно законы сохранения импульса и энергии выполняется.

2-й опыт. Столкновение двух шаров разной массы.

Заменяется шар, который до удара покоится, шаром меньшей массы. Точки подвеса находятся друг от друга на расстоянии равном сумме радиусов шаров.

Учитель. Опишите движение налетающего шара после столкновения с неподвижным шаром.

Ответ. Налетающий шар после столкновения продолжает движение в том же направлении, но с меньшей скоростью.

Учитель. Проверим это утверждение в следующей серии опытов. (Приложение 6).

Результаты опытов данной серии, представленных компьютером (Приложение 7) внесите в таблицу 2.

Таблица 2

На основе полученных данных рассчитаем кинетическую энергию системы до и после столкновения и сравним полученные значения.

Кинетическая энергия системы W₁ до столкновения равна (второй шар в экспериментах первоначально покоится):

W₁ = m₁v₁²/2

а кинетическая энергия системы после взаимодействия W¹ вычисляется по формуле:

W¹ = m₁ u₁²/2 + m₂ u₂²/2

Вывод: W₁ > W¹

Учитель. Как объяснить уменьшение кинетической энергии системы после соударения (если оно имеет место)?

Ответ. Уменьшение кинетической энергии системы после соударения означает, что в действительности удар не был абсолютно упругим и часть механической энергии перешла в тепловую.

3-й опыт.

Учитель. Поменяем шары местами, так чтобы более легкий шар налетал на покоящийся тяжелый. Каким будет движение шаров после взаимодействия?

Ответ. В этом случае легкий шар в результате столкновения меняет направление движения на противоположное.

Учитель. Проверим это утверждение в следующей серии опытов. (Приложение 8)

Результаты опытов данной серии внесите в таблицу 3.

Таблица 3

На основе полученных данных рассчитаем кинетическую энергию системы до и после столкновения и сравним полученные значения.

Кинетическая энергия системы W₁ до столкновения равна (второй шар в экспериментах первоначально покоится):

W₁ = m₁v₁²/2

а кинетическая энергия системы после взаимодействия W¹ вычисляется по формуле:

W¹ = m₁ u₁²/2 + m₂ u₂²/2

Вывод: W₁ > W¹

В данной серии опытов также наблюдаем, незначительное уменьшение кинетической энергии системы после соударения (если оно имеет место) и это означает, что в действительности удар не был абсолютно упругим ударом и часть механической энергии перешла в тепловую энергию.

Учащимся предлагается сделать общий вывод о проделанных опытах.

Общий вывод. При упругом центральном ударе закон сохранения энергии – выполняется.

Изменение суммарного импульса шаров в результате столкновений вы рассчитаете дома и сделаете вывод. Это будет 1 часть домашнего задания.

Закрепление

Учитель. Как вы понимаете, не все взаимодействия тел носят центральный характер.

Учащимся предлагается решить самостоятельно задачу № 4 и получить оценку, а затем проверить решение на большом экране с помощью мультимедиапроектора.

Задача 4. На покоящийся шар налетает другой такой же шар. Удар абсолютно упругий, нецентральный. Найти угол разлета шаров. Внешними силами пренебречь.

Дано: m₁ = m₂; v₁; v₂ = 0. Найти: α

Закон сохранения импульса для системы из двух шаров до удара и после удара:

mv₁ = mu₁ + mu₂ отсюда следует: v₁ = u₁ + u₂; т.е. векторы составляют треугольник.

Закон сохранения механической энергии для шаров:

mv₁²/2 = mu₁²/2 + mu₂²/2 отсюда следует: v₁² = u₁² + u₂²; треугольник – прямоугольный, следовательно, α = 90^о.

Ответ: α = 90^о

Задача 5. (Эту задачу желательно решать с обсуждением и ответами на вопросы учащихся).

При упругом ударе тела массой m о неподвижную стенку его скорость v меняется лишь по направлению. Определите импульс тела после удара, если стенка движется: а) со скоростью u навстречу телу; б) со скоростью u1< v в направлении движения тела.

Решение.

Задание на дом.

1. Выведите формулы расчета изменения суммарного импульса шаров в результате столкновений на основании полученных в ходе эксперимента данных и сделайте вывод.

2. Решите задачу № 6 (текст задач учащимся выдается).

Задача 6.

Тело массой m налетает на стенку со скоростью v под углом α. Определите импульс тела после упругого удара, если стенка: а) неподвижна; б) движется перпендикулярно самой себе со скоростью u навстречу телу; в) движется, как показано на рисунке.

3. Приведите примеры о применении в технике, спорте, быту упругих и неупругих ударов тел.

4. Дополнительное задание.

Задача 7. Постройте графики зависимости доли переданной энергии при центральных упругих ударах от отношения масс шаров α = m₁/ m₂.

Подведение итогов.

Учитель. Сделайте вывод о результатах проделанных экспериментов.

Ответ. В замкнутой системе при любых взаимодействиях тел выполняются основные законы механики: закон сохранения импульса и закон сохранения энергии.

Выставление оценок за работу на уроке.

Учитель. Спасибо за работу. Урок окончен.