Тема урока: "Закон Гука"

Используемая образовательная технология (элементы): игра “Верите ли вы...”, синквейн технологии развития критического мышления.

Цели занятия: популяризация физики.

Задачи занятия:

• Обучающие: формирование навыков применения знаний к решению практических задач.
• Развивающие: формирование умения анализировать, делать выводы, логически излагать мысли, развивать смекалку и сообразительность.
• Воспитательные: формирование навыков эффективного общения.

Межпредметные связи: история, биология, музыка.

Обеспечение занятия:

1. ТСО

• мультимедийная установка,
• персональный компьютер преподавателя,
• учебная презентация.

2. Раздаточный материал

• текст для работы,
• таблица “Верите ли вы, что...”

Слайд №2

Роберт Гук (1635-1703) - это выдающийся английский ученый, инженер и архитектор. По широте диапазона научных интересов Гука можно сравнить, пожалуй, лишь с Леонардо да Винчи.

Роберт Гук был профессором Лондонского университета и секретарем Лондонского королевского общества, современником и научным конкурентом Ньютона.

Слайд №3

Закон, открытый Гуком, до настоящего времени является базисным в сопротивлении материалов и служит математической основой теории упругости.

Стадия вызова

В жизни мы постоянно встречаемся с явлениями, которые могут быть объяснены с помощью закона Гука, но об этом не задумывается.

А сегодня давайте подумаем.

Вспомните, что вам известно о законе Гука и ответьте на ряд вопросов, которые приведены в таблице.

Все вопросы начинаются со слов “Верите ли вы, что...”.

Ответы на вопросы могут быть только “Да” или “Нет”. Если “Да”- поставьте в колонке “А” + , если “Нет”, поставьте в колонке “А” -.

Работайте в группах или парами, как сидите за партами.

Если ваших знаний мало, руководствуйтесь предположениям, интуицией и жизненным опытом. Можете просто наугад поставить плюсы и минусы, как в лотерее.

Учащиеся заполняют таблицу

Стадия осмысления

Заполняя таблицу, вы опирались на свои знания, жизненный опыт, интуицию и предположения.

Правильные ответы можно найти, прочитав предложенный вам текст, в котором используются материалы из книги английского ученого Джеймса Эдварда Гордона “Конструкции или почему вещи не ломаются” и универсальной электронной научно-популярной энциклопедии Кругосвет.

При чтении текста заполняйте колонку “Б” таблицы.

Учащиеся читают текст и заполняют таблицу.

Понимание того, что любое твердое тело под действием даже небольших нагрузок обязательно деформируется (изменяет свою форму), впервые появилось в 1660 у Роберта Гука. Именно это изменение формы и позволяет твердому телу создавать силу противодействия механическим нагрузкам.

Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещению частиц тела при деформации, называется силой упругости.

Величины деформаций, которые встречаются на практике, могут изменяться в огромных пределах. Так, в растении или куске резины деформации, как правило, велики и их легко заметить, а в случаях, когда мы прикладываем обычные нагрузки к таким твердым веществам, как металл, бетон или кость, деформации оказываются очень малыми. Хотя такие изменения размеров невозможно заметить визуально, они существуют всегда и совершенно реальны, даже если для их измерения требуются специальные приборы.

Большинство твердых тел после снятия нагрузки, вызывавшей деформацию, восстанавливает свою первоначальную форму. Такое поведение называется упругим. Слово "упругий" нередко ассоциируется с бельевой резинкой, но в равной мере оно применимо и к стали, камню и кирпичу, к веществам биологического происхождения, таким, как дерево, кость или сухожилие. Именно в этом более широком смысле его обычно и употребляют инженеры. Между прочим, комариный писк порождается упругими колебаниями его крылышек.

Упругость – свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после ее снятия.

В то же время форма некоторых твердых и "почти твердых" тел, таких, как замазка, пластилин, полностью не восстанавливается, они остаются деформированными и после снятия нагрузки. Такое поведение называется пластическим. Этот термин относится к глине и мягким металлам. Свойствами пластичности обладают сливочное масло и овсяная каша.

Гук проделал множество опытов с разными предметами из самых разных материалов различной геометрической формы. Здесь были и пружины, и куски проволоки, и балки. Последовательно подвешивая на них грузы и измеряя возникающие деформации, Гук показал, что в любой конструкции деформация пропорциональна нагрузке. Так, нагрузка в 100 кгс вызывает деформацию, вдвое больше, чем нагрузка в 50 кгс, и т. д.

В виде уравнения закон Гука записывается в следующей форме:

F = –kx,

где F — сила упругого сопротивления струны;

x — линейное растяжение или сжатие;

k — так называемый коэффициент упругости.

Знак минус в формуле указывает на то, что силы упругости противодействуют деформациям.

Величины деформаций зависят от двух факторов - от размеpa и геометрической формы конструкции и от материала, из которого конструкция сделана. Материалы очень сильно отличаются присущей им жесткостью. Это свойство как раз и учитывает в формуле Гука коэффициент k: чем выше k, тем жестче материал конструкции и тем тяжелее он поддается растяжению или сжатию.

Закон Гука справедлив только в пределах упругих деформаций.

Выводы Гука легли в основу современной теории упругости. Мысль о том, что большая часть материалов и конструкций - не только детали механизмов, мосты и здания, но также и деревья, животные, горы и скалы и "все сущее" вокруг - ведет себя подобно упругим пружинам, сегодня может показаться простой и очевидной. Для Гука этот вывод потребовал долгих размышлений и многих сомнений, что следует из его дневниковых записей. Возможно, это один из самых больших прорывов мысли в истории.

Еще в неолите наши предки изобрели первое дальнобойное оружие – лук и стрелы, используя упругость изогнутой ветки дерева; потом катапульты и баллисты, построенные для метания больших камней, использовали упругость канатов, свитых из растительных волокон или даже из женских длинных волос. Эти примеры доказывают, что проявление упругих свойств было давно известно и давно использовалось людьми.

Одним из важных практических применений закона Гука являются пружинные весы. Это прибор, у которого пружина и стрелка собраны в корпусе, который имеет градуированную шкалу. Эти весы имеют крюк, за который их можно повесить, и еще один крюк, на который помещается тело для взвешивания.

Применение одноосного растяжения мы видим и в музыкальных инструментах. Высота звука, издаваемого натянутой струной, зависит от силы ее натяжения. Струнные инструменты создаются путем натяжения струн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящую жесткую раму, которой может служить гриф скрипки. Незначительно изменяя натяжение струны, мы меняем высоту звука. Именно поэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке.

У древних римлян командир боевой катапульты должен был иметь хороший музыкальный слух, чтобы на слух определять, с какой силой натянуты канаты из сухожилий при подготовке к бою.

Практически все детали современной техники скрепляются между собой с помощью резьбовых соединений, принцип действия которых заключается в том, что при затяжке шпилек, болтов и винтов они упруго деформируются и надежно фиксируют детали, прижимая их друг к другу. Наглядным примером могут служить болты крепления колес автомобиля. Они не имеют фиксирующих гаек с обратной стороны, а надежно крепят колесо за счет упругой деформации стержня болта и силы трения.

Упругие деформации играют важнейшую роль в технике: расчет на прочность авиалайнеров, подводных лодок, танкеров, мостов, туннелей, космических ракет – это, в первую очередь, научный анализ малых упругих деформаций, возникающих в перечисленных объектах под действием эксплуатационных нагрузок.

Все эти расчеты до сих пор базируются на законе, открытом Робертом Гуком.

Стадия рефлексии

Вы второй раз заполнили таблицу, а теперь давайте вместе разберемся, правильно ли вы ответили на все вопросы.

Слайд №4

1. Верите ли вы, что пословица “Кашу маслом не испортишь” является подтверждением закона Гука?

- Каким материалом является масло?

- Каким материалом является каша?

- Для каких деформаций справедлив закон Гука?

Слайд №5

2. Верите ли вы что, глядя на удочку, можно определить, поймали вы сома или плотву?

- Можно определить поймали большую рыбу или маленькую?

Слайд №6

3. Верите ли вы что, в киножурнале “Ералаш” герой Хазанова, школьный учитель, убивая муху на стене из рогатки, демонстрировал практическое применение закона Гука?

Слайд №7

- Как вы думаете, у кого пулька полетит дальше?

Слайд №8

4. Верите ли вы что, Паганини своим мастерством подтверждал закон Гука?

- Кто такой был Паганини?

Слайд №9

- Для чего скрипачи и гитаристы зажимают струны в разных местах на грифе?

(Тон звучания зависит от силы натяжения струны и ее длины. Сила натяжения остается одинаковой, а длина струны изменяется, поэтому изменяется и тон звучания.)

- Распространяется ли закон Гука на рояль?

Слайд №9 (анимация)

- Распространяется ли закон Гука на барабан?

Слайд №10

5. Верите ли вы что, древние римляне назначали командиром боевой катапульты человека с хорошим музыкальным слухом?

- Зачем командиру боевой катапульты нужен был музыкальный слух?

- Почему старались достигнуть одного звучания натянутых сухожилий?

Слайд №11

6. Верите ли вы что, применение закона Гука способствует выработке адреналина в организме человека?

- В каких ситуациях в организме человека выделяется адреналин?

(Выделяется в организме человека в стрессовых ситуациях и увеличивает остроту ощущений.)

- Какие аттракционы способствуют выделению адреналина?

(Многие из вас видели забавы смельчаков, которые прыгают в пропасть с мостов, вышек на резинке.)

- Возможна ли будет такая забава, если резинку заменить прочным канатом?

Слайд №13

7. Верите ли вы что, надоедливый звук комара имеет отношение к закону Гука?

Слайд №14

- Почему звук при полете шмеля отличается от звука полета комара?

Слайд №15

8. Верите ли вы что, Робин Гуд стрелял из лука, применяя закон Гука?

- Кто такой был Робин Гуд?

(Легендарный герой английских баллад - отличный лучник, смелый и благородный человек.)

- Чем руководствовались лучники при выборе лука?

(Практическим опытом, передаваемым из поколения в поколение.)

- Какая деталь лука является упруго-деформируемой?

(И сам лук, и тетива.)

- Влияет ли величина лука на дальность стрельбы?

Слайд №16

9. Верите ли вы что, при замене зимних колес на летние, автослесари используют знание закона Гука?

Слайд №17

10. Верите ли вы что, применяя закон Гука, человек может контролировать свой вес?

- Каким образом человек может контролировать свой вес?

- Какие весы вы знаете?

Слайд №18

Перед вами набор пружинных весов. Все они имеют пружину одинаковой жесткости.

- На каких весах можно взвешивать более тяжелый груз?

- Как вы определили?

(Это наглядная демонстрация применения закона Гука: чем больше сила веса, тем больше упругая деформация пружины. Больший размер шкалы соответствует большему диапазону измерений.)

Итак, мы все вместе не только правильно ответили на вопросы таблицы, но и постарались объяснить их, применяя знание закона Гука.

Давайте теперь подведем итог нашего урока.

Слайд №19

Перед вами пять предложений, в которых я сформулировала основные определения по теме нашего урока. Однако, важные слова в этих предложениях пропущены. У вас есть возможность вставить их и продемонстрировать свои знания.

Учащиеся совместно с учителем вставляют пропущенные слова.

• Все тела под действием механических нагрузок деформируются.
• Деформации бывают упругие и пластические.
• Упругие деформации исчезают после снятия нагрузки.
• Пластические деформации не исчезают после снятия нагрузки.
• Закон Гука справедлив только для упругих деформаций.

Домашнее задание

• Составить синквейн со словом “деформация”.

Организационный момент

1. Гордон, Д. Конструкции или почему не ломаются вещи/перевод к.ф.-м.н. В.Д.Эфроса, под ред. д.т.н., проф.С.Т. Милейко. – М.: Мир, 1980.
2. Заир-Бек, С.И. Развитие критического мышления на уроке: пособие для учителей общеобразоват. учреждений/ С.И. Заир-Бек, И.В. Муштавинская – 2-е изд., дораб. – М.: Просвещение, 2011. – 223 с.
3. Энциклопедия Кругосвет http:/www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika