Урок физики "Механические свойства твердых тел. Запас прочности"

Разделы: Физика

Цели:

  • продолжить изучение механических свойств твердых тел; закреплять знание формул и формировать умение применять их при решении задач;
  • развивать логическое мышление, активизировать познавательный интерес путем введения в изучаемый материал интересных данных о природе и человеке;
  • готовить к сознательному выбору профессии на основе политехнических знаний; продолжить формирование представления о связи физических знаний с природой и человеком.

Оборудование:

  • бруски из поролона,
  • эластичная тесьма,
  • бруски и брусочки из дерева,
  • таблицы с заданиями,
  • плакаты “Дом” и “Человек”.

Оформление доски:

  • слева – недописанные формулы, закрытые плакатом “Человек”,
  • справа – таблица с заданиями (10 вариантов),
  • закрытая таблицей “Дом”.

План урока:

№ Этапы урока Деятельность учителя Деятельность учащихся Время в минутах
1 Оргмомент. Активизация знаний (Беседа по пройденному материалу). Задает вопросы, оценивает ответы Отвечают устно (фронтально) 4
2 Повторение формул Контролирует правильность ответов Пишут в тетради и на доске, объясняют 2
3 Решение задач по таблице Помогает, проверяет Решают задачи в тетради (по вариантам), ответы выписывают на доску 5
4 Изучение новой темы Объясняет, создает проблемную ситуацию Слушают, записывают, участвуют в беседе 6
5 Закрепление новой темы Объясняет ход решения задачи Решают, объясняют свое решение 6
6 Сообщения учащихся Заранее дает задания отдельным учащимся Слушают, записываю интересные сведения, по желанию задают вопросы 5
7 Исследование Создает проблемную ситуацию, направляет ее разрешение Выполняют практическую работу, рассказывают о ее результатах 5
8 Контроль усвоения новой темы: самостоятельная работа Проверяет усвоение новой темы Решают задачи с применением новых знаний 8
9 Подведение итогов Организует проверку и выставляет отметки по итогам работы на уроке Участвуют в оценке результатов работы 2
10 Задание на дом Объясняет содержание и объем домашней работы Записывают задание на дом 1

Всего 45 мин

Ход урока

1 этап урока: беседа по пройденному материалу, активизация знаний.

Вопросы:

  1. Какие виды деформаций вам известны?
  2. Продемонстрируйте известные вам виды деформаций, используя оборудование, имеющееся на ваших столах (бруски из поролона, эластичную тесьму, линейки, пружинки).
  3. Какие части здания испытывают такие деформации? Показать на плакате “Дом”.
  4. Какие деформации испытывают части тела человека? Показать на плакате “Человек”.
  5. Пластические это деформации или упругие?
  6. Какие деформации называют упругими? Приведите другие примеры.
  7. Какие деформации называют пластическими? Приведите примеры
  8. Какие материалы называют хрупкими? Стекло, яичная скорлупа – это хрупкие материалы? Почему же трудно раздавить яйцо, лампочку?
  9. Для чего изготавливают и используют стержни и балки различных сечений? (показываю несколько сечений, вырезанных из бумаги)
  10. Что такое предел прочности?
  11. Что такое предел упругости?

2 этап урока: повторение формул.

Дописать и объяснить формулы:

3 этап урока: решение задач, условия которых заданы в таблице (номер варианта соответствует порядковому номеру учащегося по журналу)

Ученые по скелету животного могут восстановит его облик. Мы по отдельным данным можем составить задачу, решить ее и заполнить пустые клеточки таблицы (материалы по табличному способу задания условий задач - см. “Проложение1”.)

ЗАДАНИЯ

№ Механическое напряжение, Па Сила, Н Площадь поперечного сечения, см2 Модуль Юнга, ГПа Относительное удлинение, % Абсолютное удлинение, мм Длина, м Начальная длина, м
1     400 20     4,004 4
2 1,76 108   5 80   2    
3 7,5 106 1,5 105     0,05     3
4 1,6 109   40   0,8 160    
5   15 106   100   40   16
6   2700   18     300,09 300
7 1,6 107   320     50 50  
8   2,7 103   0,9 2 10    
9 3 107   120   0,06     150
10     25 22   100 100  

ОТВЕТЫ

№ Механическое напряжение, Па Сила, Н Площадь поперечного сечения, см2 Модуль Юнга, ГПа Относительное удлинение, % Абсолютное удлинение, мм Длина, м Начальная длина, м
1 2 107 8 105     0,1 4    
2   8,8 104     0,22   0,912 0,91
3     200 15   1,5 3,0015  
4   6,4 106   200     20,16 20
5 2,5 108   600   0,25   16,04  
6 5,4 106   5   0,03 90    
7   5,1 105   16 0,1     49,95
8 1,8 107   1,5       0,51 0,5
9   3,6 105   50   90 150,09  
10 2,2 107 5,5 104     0,1     99,9

4 этап урока: объяснение новой темы.

Проблемная ситуация. Какой высоты можно построить кирпичную стену, если предел прочности кирпича составляет 1,5 107Па, а плотность кирпича 1800кг/м3?

Расчеты показывают, что высота стены должна быть более 800м. Вопрос: можно ли строить стену такой высоты? Нельзя, т.к. нижние кирпичи начнут разрушаться, как только нагрузка на них достигнет предела прочности. Необходим запас прочности. Записываем новую тему “Запас прочности”.

Для того, чтобы здания, мосты, тросы, трубы были надежными, при их проектировании конструкторы учитывают необходимый запас прочности с таким расчетом, чтобы действительные напряжения не превышали предела упругости. Запас прочности называют еще коэффициентом безопасности. В зависимости от условий эксплуатации объекта запас прочности может быть от 2 до 10. Для нахождения запаса прочности предельное напряжение (предел прочности) делим на действительное напряжение, действующее в том или ином сечении конструкции.

Запасом прочности очевидно обладают и стволы деревьев, и кости скелета животных и человека.

5 этап урока: закрепление новых знаний.

Задача. В процессе вытяжения бедренной кости с наружным диаметром 30мм и толщиной стенок 4мм она удлинилась на 0,53мм под действием нагрузки в 900кг. Определить первоначальную длину кости, если модуль Юнга для костной ткани составляет 22,5 103кПа. Найти запас прочности кости, если она может выдержать вес автомобиля “Волга”. (Ответ 43,3см)

6 этап урока: сообщения учащихся.

1. “Об измерении океанских глубин”

Средняя глубина океана 4км, но в отдельных местах дно лежит ниже раза в два и больше. Чтобы измерить подобную глубину, нужно опустить лот-линь на проволоке длиной свыше 10 км. Но такая проволока сама имеет значительный вес. Не разорвется ли она под действием собственного веса? Вопрос не праздный, расчет подтверждает его уместность. Предельная длина, при которой проволока разрывается под действием собственного веса для некоторых материалов составляет: свинец – 200 м, цинк – 2,1км, медь – 4,4 км, железо – 7,5 км, сталь – 25 км. Казалось бы, сталь вполне подойдет для нашего случая. Но практически нельзя пользоваться отвесом такой длины, - это значило бы – подвергать его недопустимым (предельным) нагрузкам. Необходимый запас прочности для стали равен4. В случае погружения в воду допустимая с учетом запаса прочности длина отвеса увеличивается за счет действия Архимедовой силы на 1/8 первоначального значения. Тогда длина стального отвеса может составлять примерно 8,8км, но глубочайшее место океана лежит еще ниже. Приходится, поэтому, брать меньший запас прочности и крайне осторожно обращаться с лот-линем, чтобы достичь самых глубоких мест океана.

2. “Почему деревья не растут до неба?”

“Природа позаботилась о том, чтобы деревья не росли до неба” - гласит немецкая пословица. Пользуясь законами физики, можно объяснить, почему же деревья действительно не могут расти сколь угодно высоко.

Ясно, что при увеличении высоты дерево, если только оно остается подобным самому себе геометрически, должно в некоторый момент собственным весом раздробить свое основанное (Вспомните кирпичную стену высотой 800м). Чтобы уцелеть, высокое дерево должно быть непропорционально толще низкого. Но увеличении толщины в свою очередь увеличивает вес дерева, а, значит, и нагрузку на его основание.

нас поражает прочность соломины, достигающей, например, у ржи 1,5м высоты при ничтожной толщине в 3мм. Самое стройное сооружение строительного искусства – труба, достигающая высоты 140м, имеет поперечник 5,5м. Расчет показывает, что если бы природе понадобилось создать ствол в 140м по типу ржаной соломины, то поперечник его должен был бы быть 3м, только тогда он обладал бы прочностью стебля ржи. Это мало отличается от того, что достигнуто человеческой техникой.

7 этап урока: практическая исследовательская работа.

Тема исследования: от чего зависит прочность?

Цель исследования: найти способ увеличения прочности конструкции

Оборудование: бруски, брусочки, лист бумаги.

Ход исследования: возьмите два бруска – опоры, поставьте их на небольшом расстоянии друг от друга и положите на них лист бумаги, а сверху один брусочек. Какой вид деформации испытывает бумага? Предложите способ увеличения прочности конструкции. Можно сдвигать и раздвигать опоры, изменять форму листа, но нельзя использовать другое оборудование. (Бумагу нужно сложить гармошкой, можно сблизить опоры, можно сложить лист бумаги в несколько слоев)

Помещая на усовершенствованную конструкцию несколько одинаковых брусочков, попытайтесь найти ее запас прочности.

Защита изобретений может быть перенесена на следующий урок, тогда можно продолжить работу дома.

8 этап урока: самостоятельная работа.

Вариант 1. Каков запас прочности конструкции, предел прочности которой составляет 7,2 107Па, а нагрузка – 900 тонн на м2? Ответ: 8.

Вариант 2. Какая сила действует на каждый квадратный метр сечения конструкции, предел прочности которой составляет 4,8 106Па при запасе прочности 6? Ответ: 800кН.

9 этап урока: подведение итогов.

Каждый верный ответ в течение всего урока фиксировался каждым учеником на личном листе учета. Подсчитайте баллы и сдайте листы.

Объявление отметок за урок.

10 этап урока: задание на дом.

Готовиться к лабораторной работе “Определение модуля Юнга для резины”.

Уяснить цель лабораторной работы, знать, каким оборудованием будем пользоваться при измерениях, повторить формулы.

Литература:

  1. Физика 10:Учеб. пособие; Под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 1993.
  2. Журнал “Физика в школе”: №№3,5 1987г., №4 1988г., №3 2000г.
  3. Перельман Я.И. “Занимательная физика”, “Занимательная механика”, “Знаете ли вы физику?”
  4. Приложение можно получить у автора.