ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ В ЕДИНСТВЕ УРОЧНОЙ И ВНЕУРОЧНОЙ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
Инфоурок Физика Рабочие программыОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ В ЕДИНСТВЕ УРОЧНОЙ И ВНЕУРОЧНОЙ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ

ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ В ЕДИНСТВЕ УРОЧНОЙ И ВНЕУРОЧНОЙ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ

Скачать материал

Сравнение изменения потенциальной энергии растянутой пружины с изменением кинетической энергии тела

Цель работы: экспериментально проверить выполнение закона сохранения механической энергии системы тел.

Ход эксперимента: шарик, прикрепленный к пружине динамометра, отводят назад и отпускают. За счет упругости пружины он улетает вперед и падает со штатива на стол (см. схему эксперимента). Длина нити и высота падения шарика подбирается таким образом, чтобы нить не влияла на движение шарика при падении (считаем, что шарик свободно падает в поле силы тяжести).

Ударяясь о копировальную бумагу шарик оставляет точку на месте приземления. Проведя все необходимые измерения, сравните величину потенциальной энергии растянутой пружины динамометра с величиной кинетической энергии, полученной металлическим шариком.

 

Вопросы для допуска к практикуму:

1)    Сформулируйте закон сохранения энергии для системы тел. Когда он не выполняется?

Ответ: Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих с помощью консервативных сил, остается неизменной. Не выполняется он в случае работы неконсервативных сил – например, трения.

Ученик должен четко представлять в данной работе, что энергия внутри этой замкнутой системы тел «шарик+пружина» не исчезает. Изначально она запасена в виде потенциальной энергии пружины, затем она переходит в кинетическую энергию шарика (который уже обладал потенциальной энергией, будучи поднятым над столом). Этот и следующий вопросы играют роль актуализации знаний о теме «Законы сохранения в механике» и на них ученик должен отвечать максимально самостоятельно.

2)    Запишите выражение для потенциальной энергии упруго деформированного тела (пружины).

Ответ:    где  – потенциальная энергия пружины [Дж];

 k – жесткость пружины [Н/м];

                                       – удлинение пружины [м].

3)    Запишите законы для равномерного и равноускоренного прямолинейного движения тел.

Ответ: законы движения в векторном виде:

В виде проекций:

Ученик может написать эти законы как в векторном виде, так и в виде проекций. Во втором случае стоит задать ему вопросы о знаке величин x, v0x и ax. Он должен уверенно пояснить, что знаки зависят от условий задачи (т.е. направления векторов относительно оси x).

Данные вопросы играют роль актуализации знаний о кинематических законах движения. Ученик должен знать их наизусть и свободно ориентироваться без помощи преподавателя.

4)    Решите задачу в общем виде и выразите искомые величины:

Тело брошено с земли под углом α к горизонтали с начальной скоростью . Найдите: время полета, максимальную высоту подъема и дальность полета.

Ответ:

Ниже решена эта задача:

Дано:

,

α

Найти:

, h, L

Решение:

Тело брошено с известной скоростью под углом α с поверхности земли, упало на том же уровне.

Начертим рисунок и запишем законы движения для тела:

 

Для нахождения времени полета рассмотрим точку падения. В ней координата y равна нулю:

 

Максимальная высота подъема находится при помощи рассмотрения верхней точки траектории. В ней вертикальная проекция скорости зануляется, чем мы и воспользуемся при нахождении времени подъема:

(в условиях данной задачи время подъема можно найти и как половину времени полета). Подставим время подъема в уравнение для координаты по оси y и получим величину максимального подъема:

Для нахождения максимальной дальности полета L мы должны подставить время полета в закон движения по оси x:

 

Ответ:

Данное задание предназначается для контроля успеваемости учеников по теме «тело, брошенное под углом к горизонту». Так как ученики в данных группах должны обладать хорошим уровнем знаний, а вопросы очень стандартные, то школьники должны справляться сами или с минимальной помощью, а так же уметь быстро проверять свои ответы по размерности. Не ответившие на эти вопросы должны быть тщательно опрошены по теме «кинематика».

5)    По какой траектории движутся тела, брошенные под углом к горизонту? Всегда ли она одинакова? От чего зависит вид траектории?

Ответ: Тела, брошенные под углом к горизонту, всегда движутся по параболе. То, по какой части параболы летит тело – по параболе целиком или же по одной ветви, пролетая вершину или нет – зависит от начальных условий. Нужно попросить учащихся описать случаи: тело брошено горизонтально – траекторией тела является половина параболы; тело брошено с начальной скоростью под углом вниз – полет происходит по одной ветви; вершина параболы всегда совпадает с нулевой вертикальной составляющей скорости). Эти вопросы нацелены на контроль знаний учащихся и следует вести дискуссию под руководством учителя посредством наводящих вопросов.

6)    Запишите формулу для силы упругости.

Ответ:

где  – сила упругости [Н];

kжесткость пружины [Н/м];

 – удлинение пружины [м].

Учащийся должен уверенно владеть этой информацией, а так же выводить единицы измерения величин. Можно спросить какой природы сила упругости (электромагнитной). Этот вопрос имеет цель контроля знаний учащихся.

7)    Опишите ход эксперимента. Какие физические величины неизменны в ходе опыта, какие изменяются? Какие прямые и косвенные измерения можем провести?

Ответ: Ход эксперимента учащиеся должны описать устно или краткими тезисами письменно. Он может быть описан следующими пунктами:

1.     Закрепляем штатив с динамометром, на определенной высоте h и измеряем её.

2.     Горизонтально к динамометру прикрепляем нить с шариком, растягиваем пружину на . Измеряем удлинение и силу упругости.

3.     Проверяем не мешает ли нить свободному падению шарика.

4.     Отпускаем пружину и шарик приводится в свободное падение с некоторой начальной скоростью.

5.     Измеряем дальность полета шарика.

Неизменными остаются: жесткость пружины, ускорение свободного падения, масса шарика.

Можно изменять: высоту падения шарика, растяжение пружины.

Меняется в результате: начальная скорость шарика, дальность полета шарика.

Школьники должны подробно рассказать о будущем эксперименте. Для них это вероятнее всего будет непростой задачей, поэтому рассказ должен сопровождаться наводящими вопросами и помощью преподавателя. Они должны полностью представить эксперимент и осознавать что именно меняет экспериментатор, что изменить нельзя в условиях данного эксперимента и что будет меняться из-за функциональных зависимостей.

8)    Выведите величины кинетической энергии шарика и потенциальной энергии пружины (не пользуясь законом сохранения энергии). Если в выводе используются данные, которые невозможно померить в рамках данного эксперимента, замените их на более подходящие или разработайте методику их измерения, пользуясь только предоставленным оборудованием.

Ответ:                                   

   (как ответ на типичную задачу);

Значит

 

Для нахождения потенциальной энергии растянутой пружины необходимо измерить деформацию пружины линейкой. Жесткость пружины нам неизвестна и можно в последствии обойтись без нее. Однако ее можно найти, используя шкалу динамометра (этот вопрос стоит задать дополнительно, если учащиеся сами не обратят внимание на отсутствие k).

         Для вычисления кинетической энергии шарика нужно знать начальную скорость шарика. Ее можно найти, зная дальность полета и высоту, с которой бросили шарик.

         Этот вопрос - самый важный в работе. Данный практикум должен обобщить и систематизировать знания о кинематике, динамике и законах сохранения и научить использовать свои знания на практике в нестандартных ситуациях. Главная сложность этой работы – придумать как именно найти энергии, используя только предоставленным оборудование. Нужно дать ученикам возможность подумать и самостоятельно предложить свой метод решения поставленной задачи (возможно с помощью наводящих вопросов). Нельзя давать им готовые ответы на этом этапе, так как это перечеркнет смысл практикума.

9)    Какое количество повторений целесообразно сделать для решения поставленной задачи и учете погрешностей?

Ответ: целесообразно провести не менее пяти, но не более десяти измерений.

10)                       Начертите таблицу для результатов эксперимента.

№ опыта

Fупр, Н

x, м

Eпруж, Дж

m, кг

h, м

S, м

Eк

 

 

 

 

 

 

 

 

Учащиеся, ответившие на предыдущие вопросы верно, уже должны иметь представление о том, какие измерения надо произвести. Поэтому они смогут составить таблицу для своих измерений без подсказок.

11)                       По всем правилам вычисления погрешностей выведите формулы для относительной и абсолютной погрешностей обеих величин ( и ).

Найдем погрешность измерения потенциальной энергии деформированной пружины:

Относительная погрешность будет вычисляться так:

Погрешность измерения кинетической энергии шарика:

Можно пренебречь относительными погрешностями измерения массы, ускорения свободного падения и высоты по сравнению с погрешностью измерения дальности полета . Поэтому:

В условиях данного эксперимента можно утверждать, что отклонения результатов отдельных измерений дальности полета от среднего значения будут больше, чем систематическая погрешность. Поэтому систематической погрешностью можно пренебречь.

Граница случайной погрешности среднего арифметического находится по формуле:

 – среднее квадратичное отклонение, вычисляется по следующей формуле

Значит:

Этот вопрос для школьников будет одним из самых трудоёмких, так как мало в какой школе хорошо объясняют обработку результатов эксперимента. У них определенно будет недоставать опыта, поэтому можно этот вопрос обозначить как решаемый с помощью учителя. Методику можно отметить как эвристическую или даже частично-репродуктивную.

 

Задание 1 (надо проделать опыт и написать реальный отчет-образец в качестве комментария к первому заданию):

·        Соблюдая нормы оформления отчета, запишите цель, оборудование, начертите чертеж с указанием всех наглядных измеряемых величин.

·        Опишите ход эксперимента. Что вы измеряете? Каким образом и при помощи какого оборудования? С какой целью?

·        Изложите вывод необходимых формул с указанием используемых законов.

·        Занесите измерения в таблицу (проводя достаточное количество повторений).

·        Вычислите изменение кинетической энергии шарика и изменение потенциальной энергии пружины. Занесите в таблицу.

·        Запишите вывод формул для вычисления погрешностей косвенных измерений (см. предыдущий пункт).

·        Вычислите погрешности прямых и косвенных измерений. Оцените границы погрешностей измерений обеих видов энергии.

·        Сделайте вывод: о выполнении закона сохранения энергии, проверив, пересекаются ли доверительные интервалы  и . Объясните полученные результаты.

Задание 2:

·        Подумайте и обоснуйте ответ на вопрос: как в данном эксперименте добиться максимально точного выполнения закона сохранения механической энергии?

Ответ: Для максимально точного выполнения закона сохранения энергии можно предложить следующие модификации:

·        Проводить его в вакууме для исключения трения о воздух.

·        Найти наиболее упругую пружину, для которой формула о потенциальной энергии упруго деформированного тела будет выполняться наиболее точно.

·        Сделать шарик максимально маленьким для уменьшения трения о воздух и точнее отмечать место падения.

·        С помощью уровня точнее отмерять горизонталь от пружины до шарика.

·        Сделать нить невесомой.

Это задание заставляет практикующихся мыслить творчески в пределах данной физической ситуации и придумывать возможные улучшения конструкции и метода проведения опыта. Метод обучения в данном задании – проблемный и исследовательский.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Пожаловаться на материал
Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

также Вы можете выбрать тип материала:

Проверен экспертом

Общая информация

Учебник: «Физика (базовый уровень)», Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Скачать материал

Похожие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.