Урок–исследование в 9-м классе по теме "Решение задач на закон сохранения механической энергии"

Разделы: Физика

Цели урока:

  • Исследовать выполнение закона сохранения энергии в различных механических процессах.
  • Развивать навыки исследовательской работы, научить делать выводы, анализировать полученный результат.
  • Воспитывать внимание, чувство коллективизма, интерес к предмету физики.

Оборудование урока:

  • Для повторения материала к уроку использование ИКТ (ноутбук, проектор, экран).
  • Выполнение фронтального эксперимента: А) штатив с муфтой и лапкой; Б) набор грузов; В) динамометр; Г) набор по механике (направляющая рейка, секундомер, два датчика, каретка).

План урока:

  1. Оргмомент.
  2. Постановка целей исследовательской работы.
  3. Вопросы к повторению материала по теме «Закон сохранения энергии».
  4. Мотивация проверки закона сохранения энергии (компьютерные задачи – идеальный процесс).
  5. Решение исследовательских задач.
  6. Сформулировать выводы исследовательской работы.
  7. Подвести итоги урока. Рефлексия участников.

ХОД УРОКА

– Сегодня мы с вами, ребята, будем исследовать условия выполнения закона сохранения механической энергии.
Впервые вопрос о существовании энергии возник ещё в середине XVIII века, Ученые долго не могли понять, почему «живая сила», так называли ученые в то время механическую энергию, способна сохраняться.
Уверенность в справедливости этого закона основана на том, что он является итогом многовекового развития физической науки, итогом, к которому шла физика трудным, длинным путем. Не отдельные опыты ученых, и не логические построения, а вся история развития физики обосновывает справедливость этого закона.

– Сегодня на уроке мы исследуем вопрос: всегда ли выполняется закон сохранения энергии? Есть ли такие случаи в механике, когда этот закон не выполняется?
Для этого вы, как молодые ученые-экспериментаторы выполните работу и решите экспериментальные задачи, подтвердив или опровергнув закон сохранения энергии. Само главное правило у экспериментаторов – терпение, возможно многократное повторение опытов, не отчаиваться, если не получается сразу, искать новые пути решения. Обобщение результатов опытов, умение проанализировать результат – вот главная цель нашего урока.

– Давайте, ребята, вспомним, что вы уже знаете о законе сохранения энергии в механике. Повторение-разминку проведем в виде игры «Вопрос – ответ». Первый ряд задает вопрос, второй отвечает, второй ряд задает вопрос, третий отвечает и т.д.
Ребята, многие задачи, которые вы решали, протекали в идеальных условиях. Как вы думаете, что я подразумеваю под этим словом?
Ответ: В условиях задач говорится не учитывать потери энергии на трение или просто потерями энергии пренебречь.
Вопрос: Как вы думаете, возможны ли такие упрощения в реальных условиях?
Ответ: В реальных условиях необходимо учитывать сопротивление воздуха, силы трения, взаимодействие тел при неупругом ударе. Во всех случаях происходит превращение части механической энергии в теплоту.
Вопрос: Можно ли сказать, что в реальных условиях закон сохранения механической энергии не выполняется? Посмотрим задачи в анимации (Физикон, версия 2003 г., видеофрагмент «Закон сохранения энергии»).
Очень наглядно нам утверждают, что закон сохранения энергии выполняется в любых условиях. Но мы выразим сомнение и проверим этот закон сами в экспериментальных задачах.
Раздать готовые бланки для выполнения работы (Приложение 2).

Исследовательские задачи

I. Исследовать превращение потенциальной энергии тела, поднятого над нулевым уровнем в потенциальную энергию деформированной пружины.

Цель эксперимента: выяснить выполнение закона сохранения механической энергии и возможные погрешности вычисления.

Порядок выполнения работы:

  1. Груз из набора по механике прочно укрепите на крючке динамометра.
  2. Поднимите рукой груз, разгружая пружину, и установите фиксатор внизу у скобы.
  3. Отпустите груз. Падая, груз растянет пружину. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение х пружины.
  4. Повторите опыт пять раз.
  5. Подсчитайте Е1ср=  mghср и Е2ср = kx2ср /2.
  6. Результаты занесите в таблицу:
Номер опыта хmax, м хср = hср Е1ср, Дж Е2ср, Дж Е1ср / Е2ср
           
  1. Сравните отношение Е1ср / Е2ср с единицей и сделайте вывод о погрешности, с которой был проверен закон сохранения энергии.

II. Исследовать работу силы трения и выполнение общего закона сохранения энергии в механических процессах .

Цель эксперимента: сравнить работу силы трения и изменение механической энергии тела, выяснить условия выполнения общего закона сохранения энергии.

Теоретическое обоснование:

Порядок выполнения работы:

  1. Установить направляющую рейку под углом к = 30° к поверхности стола. Установить на ней датчики и подключить секундомер.
  2. Положить на ее начало каретку, пронаблюдать движение.
  3. Измерить расстояние между датчиками.
  4. Измерить время движения с помощью секундомера.
  5. Измерить силу тяжести каретки динамометром. Найти массу груза.
  6. Найти силу трения скольжения каретки по рейке, равномерно перемещая её при помощи динамометра (держать горизонтально).
  7. Рассчитать значение конечной скорости, найти кинетическую энергию тела.
  8. Найти высоту положения тела над нулевым уровнем.
  9. Найти потенциальную энергию тела, поднятого над нулевым уровнем.
  10. Заполнить таблицу
S, м m, кг Fтр, Н Атр, Дж t, с , м/с Ек, Дж h, Дж Ер, Дж
                 
  1. Проверить равенство закона сохранения энергии
Атр = Ер - Ек
  1. Сделать выводы из проделанного опыта. Определить относительную погрешность измерения

6. Сформулировать общий вывод о проделанной исследовательской работе. Заполнить бланк ответов.

Возможные ответы:

– В проделанных опытах выполняются равенства, выражающие закон сохранения энергии приближенно. Мы не учитывали все виды трения, возникающие в опыте. Мы не учитывали начальную кинетическую энергию каретки. Закон сохранения энергии с учетом этих погрешностей измерений должен выполняться точно.

– Сделать вывод о границе применимости закона сохранения энергии в условиях эксперимента.

– В чем заключается главная цель исследовательской работы?

7. Подведение итогов. Рефлексия

– Что было положительного, что понравилось на данном уроке, можно ли использовать данную форму урока в дальнейшем?

– Что сделать не удалось? Что бы вы сделали по-другому?

– Получили ли вы положительные эмоции и активно ли вы участвовали на уроке?

Приложение 1