Методика вивчення динаміки твердого тіла у курсі фізики профільної середньої школи
Конспект уроку на тему «Обертальний рух тіл»
Однією з основних особливостей сучасного періоду реформування шкільної освіти є орієнтація шкільної освіти на широку диференціацію навчання, що дозволяє задовольнити потреби кожного учня, у тому числі й тих, хто виявляє особливий інтерес та здібності до предмета.
Для учнів це означає, що вибір фізико-математичного профілю навчання повинен гарантувати такий рівень навчання, який дозволяв би задовольнити головну потребу цієї групи учнів - продовження навчання у вищих навчальних закладах відповідного профілю. Випускник середньої школи, який вирішив продовжити освіту у вузах фізичного та технічного профілів, повинен мати поглиблену підготовку з фізики. Вона є необхідною базою навчання у цих вузах.
При вивченні кінематики обертального руху формуються поняття кутових характеристик (кутове переміщення, кутова швидкість, кутове прискорення), показується їх зв'язок один з одним та з лінійними характеристиками руху. Під час вивчення динаміки обертального руху формуються поняття «момент інерції», «момент імпульсу», відбувається поглиблення поняття «момент сили». Особливу важливість представляють вивчення основного закону динаміки обертального руху, закону збереження моменту імпульсу, теореми Гюйгенса-Штейнера про обчислення моменту інерції при перенесенні осі обертання, обчислення кінетичної енергії тіла, що обертається.
Знання кінематичних і динамічних характеристик і законів обертального руху необхідні поглибленого вивчення як механіки, а й інших розділів фізики. Теорія обертального руху,що передбачає на перший погляд, «вузьку» область використання, має велике значення для подальшого вивчення небесної механіки, теорії коливань фізичного маятника, теорій теплоємності речовин та поляризації діелектриків, руху заряджених частинок у магнітному полі, магнітних властивостей речовин, класичної та квантової моделей атома.
Аналіз змісту завдань, запропонованих абітурієнтам на вступних іспитах з фізики у провідних фізико-технічних вишах країни, також показує, що знання з теорії обертального руху сприяють успішному виконанню таких завдань.
Існуючий рівень професійно-методичної підготовленості більшості вчителів фізики до викладання теорії обертального руху в умовах профільного навчання недостатній, багато вчителів не мають повного розуміння ролі теорії обертального руху у вивченні шкільного курсу фізики. Тому необхідна глибша професійно-методична підготовка, яка б вчителю максимально використати дидактичні можливості на вирішення завдань профільного навчання.
Відсутність у діючих програмах педвузів з теорії та методики викладання фізики розділу «Науково-методичний аналіз і методика вивчення теорії обертального руху» призводить до того, що випускники педвузів також виявляються недостатньо підготовленими до вирішення професійних завдань, що стоять перед ними, в процесі викладання теорії обертального руху в профільних. класи.
Таким чином, актуальність дослідження визначається: протиріччям між вимогами, що висуваються шкільними профільними програмами для поглибленого вивчення фізики до рівня знань учнів з теорії обертального руху та реальним рівнем знань учнів; протиріччям між завданнями, що стоятьперед учителем у процесі викладання теорії обертального руху в класах з поглибленим вивченням фізики та рівнем його відповідної професійно-методичної підготовки.
Проблемою дослідження є пошук ефективних методів викладання теорії обертального руху у профільних класах із поглибленим вивченням фізики.
Мета дослідження полягає у розробці ефективних методів викладання теорії обертального руху, що сприяють підвищенню рівня знань учнів, необхідних для глибокого засвоєння шкільного курсу фізики, та змісту відповідної професійно-методичної підготовки вчителя.
Об'єктом дослідження є навчання фізиці учнів класів з поглибленим вивченням предмета.
Предметом дослідження є методика викладання теорії обертального руху та інших розділів у класах із поглибленим вивченням фізики.
Гіпотеза дослідження: Якщо розробити методику викладання кінематики та динаміки обертального руху, це дозволить підвищити рівень знань учнів як по теорії обертального руху, а й у інших розділах шкільного курсу фізики, де використовуються елементи цієї теорії.
обертальний рух фізика тіло
Вивчення динаміки обертального руху твердого тіла має на меті: познайомити учнів із законами руху тіл під дією моментів докладених до них сил. І тому необхідно запровадити поняття моменту сили, моменту імпульсу, моменту інерції, вивчити закон збереження моменту імпульсу щодо нерухомої осі.
Вивчення обертального руху твердого тіла доцільно розпочати вивчення руху матеріальної точки по окружности. У цьому випадку легко ввести поняття моменту сил щодо осі обертання таотримати рівняння обертального руху. Необхідно зауважити, що ця тема є складною для засвоєння, тому для кращого розуміння та запам'ятовування основних співвідношень рекомендується проводити зіставлення з формулами для поступального руху. Учням відомо, що динаміка поступального руху вивчає причини виникнення прискорення тіл і дозволяє обчислити їх напрями та величину. Другий закон Ньютона встановлює залежність величини та напрями прискорення від чинної сили та маси тіла. Динаміка обертального руху вивчає причину появи кутового прискорення. Основне рівняння обертального руху встановлює залежність кутового прискорення від моменту сили та моменту інерції тіла.
Далі, розглядаючи тверде тіло як систему матеріальних точок, що обертаються по колу, центри яких лежать на осі обертання твердого тіла, легко отримати рівняння руху абсолютно твердого тіла навколо нерухомої осі. Складність розв'язування рівняння полягає у необхідності обчислення моменту інерції тіла щодо його осі обертання. Якщо немає можливості ознайомити учнів з методами обчислення моментів інерції, наприклад, через їх недостатню математичну підготовку, можна без висновку дати значення моментів інерції таких тіл як кулю, диск. Як показує досвід, учні важко засвоюють поняття про векторний характер кутової швидкості, моменту сили і моменту імпульсу. Тому необхідно виділити якомога більший час для вивчення цього розділу, розглянути більше прикладів і завдань (або робити це на позакласних заняттях).
Продовжуючи аналогію з поступальним рухом, розгляньте закон збереження моменту імпульсу. Під час вивчення динаміки поступального руху зазначалося, що результаті дії сили змінюється імпульс тіла.При обертальному русі змінюється момент імпульсу під впливом моменту сили. Якщо момент зовнішніх сил дорівнює нулю, момент імпульсу зберігається.
Раніше зазначалося, що внутрішні сили що неспроможні змінювати швидкість поступального руху центру мас системи тел. Якщо ж під дією внутрішніх сил змінити розташування окремих частин тіла, що обертається, то зберігається загальний момент імпульсу, а кутова швидкість системи змінюється.
Для демонстрації цього ефекту можна скористатися установкою, в якій дві шайби надягають на стрижень, скріплений із відцентровою машиною. Шайби з'єднані ниткою (рис. 10). Вся система обертається з деякою кутовою швидкістю. Коли нитку перепалюють, вантажі розбігаються, момент інерції збільшується, а кутова швидкість зменшується.
Приклад вирішення завдання закон збереження моменту імпульсу. Горизонтальна платформа масою M та радіусом R обертається з кутовою швидкістю. На краю платформи стоїть людина масою m. З якою кутовою швидкістю обертатиметься платформа, якщо людина перейде від краю платформи до її центру? Людину можна як матеріальну точку.