ТЕРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ УМК ПО
advertisement
I. ТЕРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТОДИКА И ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА» УМК ПО ТЕХНИКА УЧЕБНОЙ УЧЕБНОГО 1.1 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 7» 1.1.1 Механическое движение и взаимодействие тел Относительность движения Изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называют механическим движением. В природе не существует тел, которые были бы абсолютно неподвижны, т. е. не изменяли бы своего положения относительно других тел. Механическое движение и покой относительны. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Равнодействующая сил, направленных по одной прямой Сила, которая оказывает на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называют равнодействующей этих сил. Проведем такой опыт. К нижнему крючку динамометра подвесим груз весом Р1 = F1 = 3 Н, а на столик поместим груз весом Р2 = F2 = 1 Н (рисунок 1.1, a). Динамометр показывает действие на него силы F = 4 Н. Но ведь это сумма весов нижнего и верхнего грузов. Эти силы направлены вертикально вниз. Заменим эти два груза одним весом 4 Н и подвесим его к динамометру (рисунок 1.1, б). По показанию динамометра видно, что один груз оказывает такое же действие, как два груза весом Р1 = 3 Н и Р2 = 1 Н. Значит, сила F = 4 Н есть равнодействующая двух сил, приложенных к динамометру. Равнодействующая сил, действующих на тело в одну сторону по одной прямой, равна их сумме и действует в том же направлении. а б Рисунок 1.1 Рисунок 1.2 Видоизменим опыт: подействуем на динамометр вверх силой F2 = 5 Н (рисунок 1.2). Теперь приложенные к динамометру силы направлены в противоположные стороны. Если силу F1 считать положительной, то силу F2 следует считать отрицательной (можно наоборот). Динамометр показывает силу F = 2 Н. Это и есть равнодействующая двух сил. Она направлена вверх, что подтверждает изменение направления поворота стрелки динамометра. Значит, действие двух противоположно направленных сил можно заменить одной силой, модуль которой равен разности модулей двух приложенных сил и которая направлена в сторону большей силы. Если равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю, тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Если равнодействующая сила не равна нулю, скорость тела изменяется. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Силы трения покоя, скольжения, качения Проведем опыт. К бруску прикрепим динамометр. Будем равномерно перемещать брусок по горизонтальной поверхности стола (рисунок 1.3). Динамометр показывает, что на брусок действует сила тяги, но скорость движения бруска не изменяется. Значит, на брусок действует компенсирующая сила, равная по модулю силе тяги. Этой силой является сила трения Fтр. Равнодействующая сил Fтяги и Fтр равна нулю. Обратите внимание, что сила трения равна силе тяги только в случае равномерного прямолинейного движения. Если же сила тяги больше силы трения, то скорость движения тела будет возрастать. А если Fтяги меньше Fтр, – убывать. Рисунок 1.3 Сила трения возникает при движении (скольжении) одного тела по поверхности другого и направлена в сторону, противоположную движению. Рассмотрим следующий опыт. Будем равномерно перемещать брусок сначала по шероховатой, затем по обработанной поверхности доски. Сила тяги больше в случае движения по шероховатой поверхности. Значит, и равная ей по модулю сила трения будет тем больше, чем больше шероховатая, неровная поверхность. При хорошо отполированных поверхностях расстояние между поверхностями тел или их участками при движении тел так мало, что станут заметными силы притяжения молекул одного тела к молекулам другого. Эти силы будут тормозить движение тел. Итак, шероховатость поверхностей и силы притяжения между молекулами соприкасающихся поверхностей – причины возникновения сил трения. Поставим теперь на брусок гирю и сравним силы трения при равномерном движении ненагруженного бруска и бруска с гирей. Во втором случае сила тяги, а значит, и сила трения увеличились. Но брусок с гирей с большей силой давит на поверхность, с которой соприкасается. Следовательно, сила трения тем больше, чем больше сила, прижимающая тело (брусок) к поверхности. Измерение силы трения качения Для уменьшения силы трения есть два пути. Первый – заменить трение скольжения трением качения. Проделаем такой опыт. Будем равномерно передвигать металлическую тележку по столу скольжением (рисунок 1.4, а) и качением (рисунок 1.4, б). Сила трения во втором случае значительно меньше, хотя материал поверхностей и прижимающая сила не изменяются. Значит, трение качения меньше трения скольжения. а б БГ П У Рисунок 1.4 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 1.1.2 Работа и мощность. Энергия. Простые механизмы Работа сил при перемещении тела Механическую работу определяют как физическую величину, пропорциональную действующей на тело силе и пройденному под действием этой силы пути. Обозначим работу буквой А. Если направление силы совпадает с направлением движения тела: работа = сила · путь, или A = Fs. (1.1) Единицей работы в СИ является 1 джоуль (1 Дж). Названа она в честь известного английского физика Дж. П. Джоуля. Один джоуль – это работа, производимая силой 1 Н на пути 1 м. 1 джоуль = 1 ньютон · 1 метр. Из формулы следует, что если есть силы, но нет движения, – нет и работы. Устройство и действие рычагов. Правило моментов Рычагом является любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной оси или опоры. Существует два вида рычагов: первого рода, где силы расположены по разные стороны от опоры, и второго рода, где силы приложены по одну сторону от опоры. Расстояние от точки опоры до прямой, вдоль которой действует сила, называют плечом этой силы. Чем больше плечо, тем меньше сила, с помощью которой можно поднять груз, лежащий на противоположной от опоры части рычага. Произведение модуля силы на ее плечо, называют моментом силы (обозначают М): М = Fl. (1.2) Измеряют момент силы в ньютон-метрах (Н·м). Условием равновесия рычага является равенство моментов сил: М1 = М2. Наглядно запишем это условие для случая двух сил, создающих моменты, в виде: откуда: . или F1l1 = F2l2, БГ П У СИЛА1·плечо1 = сила2· ПЛЕЧО2, (1.3) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Рычаг находится в равновесии при условии, что приложенные к нему силы обратно пропорциональны длинам их плеч. Сила F1 поворачивает рычаг против часовой стрелки, сила же F2 – по часовой стрелке. Сформулируем условие равновесия рычага при действии на него только двух создающих моменты сил F1 и F2. Рычаг под действием двух создающих моменты сил находится в равновесии в том случае, если момент силы, вращающей рычаг по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей рычаг против часовой стрелки: М1 = М2. (1.4) Все сделанные выводы справедливы и для рычага II рода. Устройство и действие неподвижного и подвижного блоков Если ось блока закреплена (рисунок 1.5, а), блок называеют неподвижным. Поворот блока осуществляется вокруг оси, проходящей через точку О. Определим выигрыш в силе, который дает блок. Проведем опыт. Груз весом Р подвесим к одному концу перекинутой через блок нити (рисунок 1.5, а), а к другому прикрепим динамометр. При равномерном подъеме груза динамометр покажет силу, равную весу груза: F = 3 Н. Изобразим схематически силы, действующие на блок (рисунок 1.5, б): сила упругости нити F1, равная весу груза Р; сила упругости нити F2, равная приложенной к динамометру силе F; сила тяжести, действующая на блок Fт, а БГ П У и сила упругости Fупр оси блока. Плечи сил Fупр и Fт и их моменты равны нулю. Плечи сил F1 и F2 равны между собой как радиусы блока: l1=l2=R. В состоянии равновесия блока моменты сил F1 и F2 должны быть равны: F1R = F2R. Следовательно, F1 = F2, т. е. прилагаемая сила равна весу груза (рисунок 1.5, а), таким образом, блок не дает выигрыша в силе, а лишь меняет ее направление. б РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Рисунок 1.5 Рассмотрим подвижный блок, т. е. блок, ось которого при подъеме груза движется вместе с грузом (рисунок 1.6, а). Подвесим к блоку груз весом Р = 4 Н. Один конец перекинутой через блок нити закрепим, а за другой будем равномерно поднимать груз. Динамометр показывает, что прилагаемая к концу веревки сила F ≈ 2 Н в два раза меньше веса груза (рисунок 1.6, а). Значит, подвижный блок дает выигрыш в силе примерно в 2 раза. Объясним этот результат. б а Рисунок 1.6 На блок (рисунок 1.6, б) действуют вес груза Р, силы упругости нити F1, F2 (сила F2 равна силе F, поднимающей груз) и сила тяжести блока Fт. Сила тяжести блока, как правило, намного меньше веса груза, и ею можно пренебречь. При движении груза подвижный блок поворачивается относительно точки D. Следовательно, подвижный блок – это рычаг II рода. Условие равновесия: М1 = М2. Из рисунка 1.6, б видно, что М1 = РR, М2 = F22R, но F2 = F, тогда РR = F2R, или F = . Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза. Еще больший выигрыш можно получить, используя сочетание нескольких подвижных и неподвижных блоков – полиспаст. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 1.1.3 Давление твердых тел, газов и жидкостей Давление воздуха в резиновом шаре В газах среднее число ударов хаотически движущихся молекул на единицу площади поверхности стенки по всем направлениям одинаково. Значит, и среднее давление по всем направлениям одинаково. Подтвердим это опытом. Под стеклянный колокол поместим завязанный резиновый шар, в котором находится газ (рисунок 1.7). Будем откачивать воздух из-под колокола. Объем шара по мере откачки воздуха из-под колокола увеличивается. Это связано с тем, что давление газа под колоколом становится меньше, чем внутри шара. Рисунок 1.7 Форма оболочки в виде шара – доказательство того, что давление газа по всем направлениям одинаково. Передача внешнего давления жидкостями и газами Сходство свойств жидкостей и газов приводит к тому, что некоторые законы для жидкостей и газов одинаковы. Рассмотрим один из них. Проведем такой опыт. Шар с отверстиями заполним порошком и присоединим к трубке с поршнем. Порошок с имеющимся в шаре воздухом займет весь объем шара. Будем перемещать поршень вниз. Из всех отверстий начнут вытекать струйки порошка (рисунок 1.8, а). Подвижность частиц порошка и молекул воздуха приводит к тому, что они распределяются равномерно по всему объему. Сталкиваясь со стенками шара, молекулы и частицы порошка действуют на стенки, создавая давление. Сжимая воздух с порошком, уменьшаем объем и тем самым увеличиваем вначале давление непосредственно под поршнем. Благодаря подвижности молекул давление передается во все точки шара, и газ вытекает из отверстий во всех направлениях. Такой же эффект достигается в случае, когда в шаре будет только воздух. Порошок делает видимыми вытекающие струйки. а б Рисунок 1.8 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Аналогичный опыт можно провести с жидкостью, например с водой. При нажатии на поршень струйки воды через отверстия шара будут вытекать по всем направлениям. Проведем еще один опыт. Через пробку в банку с водой вставим четыре трубки (рисунок 1.8, б). Через трубку 1 будем накачивать в банку воздух, увеличивая там его давление. Увеличение внешнего давления на поверхность воды передается водой от слоя к слою по всем направлениям. В результате вода во всех трубках поднимается, причем на одну и ту же высоту. Это значит, что давление в воде сбоку (трубка 2), снизу (трубка 3), сверху (трубка 4) на одной глубине одинаково. Таким образом, давление, производимое внешней силой на жидкость (газ), находящуюся в сосуде, передается жидкостью (газом) во все точки жидкости (газа) без изменения. Давление жидкости, обусловленное ее весом Давление неподвижной жидкости, обусловленное ее весом, называют гидростатическим. Рассчитаем гидростатическое давление. Так, давление столба жидкости высотой h на дно сосуда с вертикальными стенками и площадью дна S (рисунок 1.9, б): p= . Силой давления F является вес жидкости. Для неподвижной жидкости ее вес равен силе тяжести: F = Р = gm. а б Рисунок 1.9 Записав массу m жидкости через плотность ρ и объем V, имеем: m=ρV. Объем V = Sh, тогда m = ρSh. Подставим в формулу давления, получим: ; = gh. (1.5) Итак, давление жидкости на дно сосуда зависит только от ее плотности и высоты столба жидкости. Чтобы проверить это, к прибору с эластичным дном присоединим измерительную систему (рисунок 1.9, б). При замене цилиндрического сосуда А на конические Б и В (сосуды имеют одинаковую площадь дна и равные высоты столбов жидкости) прибор показывает равные значения силы давления, а значит, и равные давления жидкости на дно всех сосудов, хотя масса жидкости в сосудах разная. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Опыт, подтверждающий существование атмосферного давления Атмосфера удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на нижние. Поэтому нижний слой оказывается наиболее сжатым. Давление одного слоя атмосферы на другой по закону Паскаля передается по всем направлениям и действует на любое тело. Это давление называют атмосферным. Действие жидкости на погруженные в нее тела К динамометру подвесим алюминиевый цилиндр (рисунок 1.10, а). Зафиксируем показания динамометра. Будем опускать цилиндр в стакан с водой (рисунок 1.10, б) и следить за изменениями показаний динамометра. По мере погружения цилиндра в воду показания динамометра уменьшаются. Этот факт говорит о том, что на тело, погруженное в жидкость, действует со стороны жидкости направленная вверх сила – выталкивающая сила. Ее значение, очевидно, равно разности в показаниях динамометра. а б Рисунок 1.10 Погрузим цилиндр в воду на половину его объема (рисунок 1.11). Выталкивающая сила уменьшилась в два раза. Из этого следует, что, чем больше погруженный в жидкость объем тела, тем большая выталкивающая сила действует на тело. Рисунок 1.11 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Проведем опыт. В стакан с пресной водой опустим кубик из сырого картофеля (рисунок 1.12, а). Кубик тонет. Добавим в воду соли и размешаем. Опустим в соленую воду кубик. Он не тонет. Его верхняя часть будет находиться над поверхностью жидкости (рисунок 1.12, б). Значит, выталкивающая сила, действующая на кубик в соленой воде, большая, чем в пресной. Но и плотность соленой воды больше, чем пресной. Следовательно, чем больше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погруженное в нее тело. Пресная вода а Соленая вода б Рисунок 1.12 Заменим в опыте алюминиевый цилиндр на равный ему по объему железный (рисунок. 1.13, а). Плотность алюминиевого цилиндра почти в три раза меньше плотности железного. При погружении в воду изменения показаний динамометра (рисунок 1.13, б) оказались такими же, как и в случае алюминиевого цилиндра. Значит, выталкивающая сила не зависит от плотности вещества погруженного тела. а б Рисунок 1.13 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Обобщая результаты опытов, можно утверждать, что выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное полностью или частично в жидкость, тем больше, чем больше объем тела, погруженный в жидкость, и чем больше плотность жидкости. 1.2 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 8» 1.2.1 Тепловые явления Изменение внутренней энергии тел Кинетической называют энергию, которой обладает тело вследствие движения. Она зависит от его массы и скорости движения: (2.1) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Потенциальная энергия – это энергия, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих тел или частей тела. Кинетическую и потенциальную энергии всех частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела. Внутреннюю энергию, как и механическую, измеряют в джоулях. Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения механической работы или теплопередачей. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей. Изменение внутренней энергии при нагревании или охлаждении тела при постоянном объеме связано с изменением средней кинетической энергии его частиц. Изменение внутренней энергии тела при неизменной температуре связано с изменением потенциальной энергии его частиц. Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к более холодным в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называют теплопроводностью. Перенос энергии идет до тех пор, пока температура не станет одинаковой по всему телу. У разных веществ теплопроводность неодинаковая. Теплопроводность меди больше, чем теплопроводность алюминия и железа. Малую теплопроводность имеют пластмасса, древесина, стекло. Эти и другие слабопроводящие теплоту материалы называют теплоизоляторами. Газы и жидкости так же проводят теплоту. Однако теплопроводность у газов слабая, так как силы взаимодействия между молекулами при нормальном давлении практически равны нулю, и энергия переносится только за счет хаотического движения молекул и столкновений между ними. Конвекция в газах и жидкостях Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называют конвекцией. В твердых телах конвекция невозможна. Благодаря конвекции создается необходимая для полного сжигания топлива тяга. Примером использования конвекция является система водяного отопления. Нагретая вода по трубопроводам поступает в здание. По трубе большого сечения горячая вода поднимается вверх, попадает в отопительные батареи. Батареи с водой отдают энергию воздуху в помещении, вода остывает. Остывшая вода из батарей по второму стояку возвращается обратно. Отопительные батареи стоят внизу и путем конвекции нагревают воздух по всему объему помещения. Благодаря конвекции нагревается вода в кастрюле на плите. БГ П У Излучение и поглощение энергии телами с различной окраской поверхности Существует еще один способ теплопередачи – излучение, который возможен и там, где нет среды (например в космосе). Излучением переносится к Земле теплота от такого мощного источника, как Солнце. Костер, натопленная печь, камин и др. – все это примеры источников, которые наряду с конвекцией и теплопроводностью передают энергию более холодным телам посредством излучения. Любое тело излучает и поглощает энергию, но при теплообмене перенос энергии идет от более нагретого тела к менее нагретому. Тела с темной поверхностью излучают и поглощают больше энергии (теплоты), чем тела со светлой поверхностью. Поэтому тела с темной поверхностью остывают и нагреваются быстрее, чем со светлой. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Испарение жидкости Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Отличают два вида парообразования: испарение и кипение. Испарение – это парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости. Скорость испарения у разных жидкостей неодинаковая, так как неодинаковы силы взаимодействий молекул. Чем выше температура и больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше скорость испарения. Зависимость скорости испарения от рода жидкости используют для разделения смеси жидкостей на отдельные компоненты. В основе работы холодильных установок, сушильных машин лежит процесс испарения. Кипение жидкостей Кипение – это процесс парообразования, идущий по всему объему жидкости. Энергия, полученная жидкостью, идет на превращение ее в пар, т. е. на преодоление сил притяжения между молекулами жидкости. При обратном процессе – переходе пара в жидкость, или конденсации, это же количество энергии выделяется. Температура, при которой происходит кипение жидкости, называют температурой кипения. Температура кипения у разных жидкостей различна, так как различна энергия взаимодействия молекул. Чем меньше давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. Так, например, если в колбу налить воду, температурой 50 – 60С, закрыть ее и откачать газ, – вода закипит, хотя ее температура меньше 100С. Количество теплоты, необходимое для парообразования, прямо пропорционально массе жидкости: (2.2) В этой формуле коэффициент L называют удельной теплотой парообразования: . (2.3) Как следует из формулы, единицей удельной теплоты парообразования в СИ является 1 джоуль на килограмм ( ). Удельная теплота парообразования есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, поглощенному 1 кг жидкости при переходе ее в пар при температуре кипения. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 1.2.2 Электромагнитные явления Электризация различных тел Свойства электризации: 1. При трении электризуются, или приобретают электрический заряд, оба тела (янтарь и ткань, пластмассовая линейка и бумага). Само трение малосущественно, оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел. 2. Появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Они разноименны. В том, что эти заряды неодинаковы, легко убедиться на опыте. Подвесим на шелковой нити наэлектризованную стеклянную палочку В (рисунок 2.1, а). Поднесем к ней наэлектризованный кусок шланга А. Стеклянная палочка В к нему притягивается. Но если поднести к стеклянной палочке еще одну потертую о резину стеклянную палочку С, то палочка В уже отталкивается (рисунок. 2.1, б). Значит, электрические заряды, возникающие на стекле и резине, разноименны, и они притягиваются. А одноименные заряды, возникающие на стеклянных палочках, отталкиваются. а б Рисунок 2.1 Итак, электрическое взаимодействие бывает двух видов: притяжения разноименно заряженных тел и отталкивание одноименно заряженных тел. БГ П У Отталкивание одноименно заряженных тел лежит в основе устройства и действия прибора для оценки и сравнения величины электрического заряда. Это электроскоп (рисунок 2.2, а). При передаче шарику прибора положительного или отрицательного заряда заряжаем этим зарядом листочки А и В электроскопа. Одноименно заряженные листочки отталкиваются на некоторый угол тем больше, чем больше переданный электроскопу заряд. Более совершенным прибором является электрометр (рисунок 2.2, б). Сообщенный шарику, а через него стержню и стрелке заряд вызывает отталкивание стрелки D от заряженного стержня С. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале Е. Металлический корпус F позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Рисунок 2.2 Электризация через влияние Заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноименны. Поднесем к шарику незаряженного электроскопа (электрометра), не касаясь его, наэлектризованную палочку. Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда (рисунок 2.3, а). Уберем палочку – листочки опадают (рисунок 2.3, б). Значит, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешел через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. а б Рисунок 2.3 Зная, что заряд может перемещаться в теле, объясним произошедшее. В любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределенных по всему телу. Заряд на поднесенной к электроскопу палочке притягивает к себе разноименный и отталкивает одноименный заряд на стержне и листочках электроскопа, что и объясняет появление заряда на листочках. БГ П У Это можно подтвердить более наглядным опытом. Поднесем наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединенных проводящей перемычкой. Оба прибора фиксируют появление заряда (рисунок 2.3, а). Не отдаляя палочки, уберем сначала перемычку, а затем и саму палочку. Заряды остаются на обоих приборах (рисунок 2.3, б). Эти заряды равны по модулю и противоположны по знаку. В этом можно убедиться, соединив приборы вновь перемычкой, – заряды компенсируют друг друга (рисунок 2.3, в). Перераспределение заряда в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называют электризацией через влияние. б Рисунок 2.3 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й а в Проводники и диэлектрики Вещества, в которых перемещение заряда затруднено, называют диэлектриками (изоляторами). Именно из таких веществ изготовлены оболочки проводов, штепсельные вилки, ручки отверток и т. д. Диэлектриком является и воздух. Вещества, в которых возможно перемещение заряда, называют проводниками. Металлы (и в твердом, и в жидком состоянии) – типичные представители проводников. К проводникам относят большинство жидкостей: растворы кислот, солей, включая обычную питьевую воду. Проводником является и тело человека, состоящее более чем на две трети из жидкости. Третья группа веществ – полупроводники. У этих веществ (например, германия Ge, кремния Si) способность проводить заряд (проводимость) во много раз хуже, чем у проводников (металлов). Очень важно, что у полупроводников проводимость можно значительно увеличить различными воздействиями: нагреванием, освещением, радиационным облучением. Это связано с особенностью строения веществ этой группы. Именно полупроводники позволили создать сложнейшие устройства: солнечные батареи для спутников, компьютер, калькулятор, мобильный телефон и многое другое. Действия электрического тока. Источники тока Электрическое поле, действуя на хаотически движущиеся заряженные БГ П У частицы в среде, может создавать их направленное движение – электрический ток. Для того, чтобы возник и длительное время протекал ток, во-первых, в среде должны быть свободные заряженные частицы: электроны, ионы, т. е. среда должна быть проводящей. Во-вторых, в этой среде должно быть электрическое поле, вызывающее движение частиц в одном направлении. Говоря иначе, в среде нужно создать определенное электрическое напряжение. Чтобы электрический ток не прекращался, нужно поддерживать напряжение, для чего служат источники тока или генераторы. Самым «древним» источником тока является электрофорная машина (рисунок 2.4), в которой благодаря разделению зарядов создается необходимое напряжение. Неоновая лампочка будет гореть до тех пор, пока вращаются диски. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Рисунок 2.4 Среда, в которой проходит ток, нагревается, в этом проявляется тепловое действие тока. Это хорошо видно по провисанию проволоки при пропускании через нее тока (рисунок. 2.5, а). Именно тепловое действие тока используют в электрических утюгах, паяльниках, кипятильниках, в электроплитах и т. д. Тепловое действие тока наблюдается не только в твердых проводниках, но и в газах (молния), и в жидкостях. Опустим в стакан с раствором медного купороса два угольных электрода и включим ток (рисунок 2.5, б). Уже через 20 – 30 с термометр покажет увеличение температуры раствора. Нагревание среды проходящим электрическим током объяснить нетрудно. Сила электрического поля, перемещая заряженную частицу (электрон, ион) в проводящей среде, разгоняет ее, т. е. увеличивает ее кинетическую энергию. Но разгоняемая частица многократно сталкивается с частицами среды (атомами, молекулами, ионами). Сталкиваясь, она передает им часть своей энергии, что и приводит к росту внутренней энергии проводящей среды. Температура среды повышается. Магнитное действие электрического тока является самым универсальным действием. Оно проявляется при прохождении тока как в твердых телах, так и в жидкостях, и газах. а б Рисунок 2.5 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и сопротивления этого участка Электрическая цепь содержит, во-первых, источник тока, создающий необходимое напряжение, во-вторых, нагрузку, т. е. то устройство, в котором нужно создать ток и использовать одно из его действий. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания (тепловое действие), электродвигатель или звонок (магнитное действие), аккумулятор (химическое действие). Звеньями цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы. Cила тока в проводнике (участке цепи) прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (участка цепи). Данное утверждение называют законом Ома для участка цепи. Математически закон Ома можно записать: . (2.4) Как и всякую закономерность, закон Ома можно представить графически. На рисунке 2.6 представлен такой график для резистораспирали. График подтверждает прямую пропорциональную зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения. Этот график называют вольт-амперной характеристикой проводника (спирали). Рисунок 2.6 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Зависимость сопротивления проводников от их длины, площади поперечного сечения и рода вещества Определить сопротивление проводника можно, измерив напряжение U на нем и силу тока I в нем, по формуле . Но существует и специальный прибор для измерения сопротивления – омметр. Выведем формулу для расчета сопротивления. Для этого используем цепь из источника тока, амперметра и панели с исследуемыми проводниками (рисунок 2.7). На панели укреплены три проводника из нихрома – специального сплава для спиралей нагревательных приборов. Один из них АС имеет отвод от середины (клемма В), два других нихромовых проводника сложены вместе и включены между точками А1 и D. Четвертый проводник из железа включен между точками А2 и Е. Все четыре проводника имеют равные длину и площадь поперечного сечения. Рисунок 2.7 Включая в цепь сначала целый проводник (цепь замыкают в точке С), а затем половину этого проводника (контакт переносят в точку В), определяем, что сила тока увеличивается вдвое. Значит, сопротивление целого проводника вдвое больше, чем его половины. Иначе говоря, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Подключим в цепь поочередно один проводник АС, а затем два сложенных вместе А1D. Сила тока в одном проводнике АС в 2 раза меньше, чем в сложенных проводниках А1D, которые можно рассматривать как один, но с удвоенным поперечным сечением. Следовательно, сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Сравним теперь силы тока в проводниках одинаковых размеров, но из различных веществ: из нихрома (АС) и из железа (А2Е). Оказывается, что сила тока в железном проводнике примерно в 10 раз больше, а сопротивление в 10 раз меньше, чем в нихромовом. Значит, сопротивление проводника зависит еще и от рода вещества, из которого изготовлен проводник. Результаты опытов позволяют записать формулу для расчета сопротивления проводника: . (2.5) Коэффициент ρ называют удельным сопротивлением вещества. Это характеристика не конкретного рассматриваемого проводника, а вещества, из которого он изготовлен. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Магнитное поле тока Расположим по магнитному меридиану (т. е. по направлению стрелки компаса) проводник АВ (рисунок 2.8, а), под которым находится магнитная стрелка. Включим ток. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику АВ (рисунок 2.8, б). Поворот стрелки указывает на появление магнитного поля вокруг проводника с током. Изменим направление тока в проводнике АВ на противоположное. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но в противоположном направлении. а б Рисунок 2.8 Таким образом, магнитное поле создается не только постоянным магнитом. Оно возникает и при движении электрических зарядов. Магнитное поле проводника с током Линии магнитного поля не имеют начала и конца. Они замкнуты. Направление линий магнитного поля можно определить с помощью стрелки компаса либо по правилу правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля. Магнитное поле катушки с током подобно полю полосового магнита. Поле электромагнита можно усилить использованием железного или стального сердечника и сближением одноименных полюсов. 1.2.3 Световые явления Зеркальное и диффузное отражение света На оптическом диске (рисунок 2.9), представляющем круг с делениями, укрепим зеркало. Рисунок 2.9 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Направим от осветителя на зеркало пучок света (луч АО). От зеркала световой луч АО практически полностью отразиться (луч ОВ). Опустим в точку падения луча АО перпендикуляр СО к поверхности зеркала. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения, называют углом падения (угол α). Угол, образованный отраженным лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения (угол γ). Сравним эти углы. Из опыта видно, что углы отражения и падения равны: γ = α. (2.6) Увеличим угол падения α, повернув осветитель влево. Угол отражения γ тоже увеличится (рисунок 2.10). Но по-прежнему: γ = α. Рисунок 2.10 На оптическом диске виден не только падающий луч, но и отраженный, следовательно, они оба лежат в одной плоскости – плоскости диска. На основании результатов опыта формулируют законы отражения света. 1. Луч, падающий и отраженный, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости. 2. Угол отражения равен углу падения. А теперь по направлению отраженного луча пустим луч света от осветителя. Он отразится от зеркала и пойдет по направлению, по которому в предыдущем опыте шел падающий луч. Лучи как бы поменялись местами. Это свойство отраженного и падающего лучей называют обратимостью световых лучей. Зеркальные поверхности отражают свет направленно, шероховатые (матовые) – диффузно, т. е. по всем направлениям. Изображение в плоском зеркале Изображение предмета в плоском зеркале является мнимым, прямым, по размерам равным предмету и находится на таком же расстоянии за зеркалом, на котором расположен предмет перед зеркалом. Выпуклые зеркала можно наблюдать в автомобилях, на станциях метро, на перекрестках улиц для обзора окрестности. Они дают гораздо более широкий обзор, чем плоское. Вогнутые зеркала используются там, где необходимо сконцентрировать световую энергию – в зеркальном телескопе. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Преломление света Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называют преломлением. Угол между перпендикуляром, восстановленным в точке падения, к границе раздела двух сред, и преломленным лучом называют углом преломления. Лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к границе раздела двух сред. При переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения. Если свет переходит из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. Линзы. Ход лучей в линзах На рисунке 2.11, а изображена двояковыпуклая линза, а на рисунке 2.11, б – двояковогнутая. Линзы меняют направление падающих лучей после преломления, за исключением тех, которые проходят через оптический центр линзы. Направим на двояковыпуклую (рисунок 2.11, а) линзу параллельно главной оптической оси лучи света. После преломления в линзе они пресекают главную оптическую ось в одной точке F. Значит, двояковыпуклая линза собирает преломленные лучи, поэтому такую линзу называют собирающей. При замене линзы на двояковогнутую (рисунок 2.11, б) лучи после линзы расходятся, а центральный луч, как и в первом случае, не испытывает преломления. Итак, двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на нее лучей. Поэтому такую линзу называют рассеивающей. а б . БГ П У Рисунок 2.11 Лучи, идущие параллельно главной оптической оси, после преломления в собирающей линзе пересекаются в главном фокусе. В рассеивающей линзе в главном фокусе пересекаются продолжения преломленных лучей. Величина, обратная фокусному расстоянию, является оптической силой линзы. (2.7) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Собирающая линза дает как действительные, так и мнимые изображения, рассеивающая – только мнимые. Все мнимые изображения – прямые, все действительные – перевернутые. Для нахождения изображения точки наиболее целесообразно использовать луч, идущий параллельно главной оптической оси линзы, и луч, идущий через ее оптический центр. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 1.3. Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 9» 1.3.1 Основы кинематики Относительность траектории Тело, относительно которого рассматривают движение других объектов, называют телом отсчета. Тело отсчета условно принимают за неподвижное. Если в приведенном примере за тело отсчета принята Земля, то самолет и его пассажиры – движущиеся объекты. Если за тело отсчета принят самолет, то сидящие в креслах пассажиры находятся в состоянии покоя, а Земля – в состоянии движения. Понятия или величины, зависящие от выбора тела отсчета, называют относительными. Рассмотрим пример. Пассажир находится в вагоне поезда, движущегося с постоянной скоростью по прямолинейному участку дороги. Проследим за траекторией движения падающего с верхней полки тела. Относительно пассажиров в вагоне поезда траектория тела – это вертикальная прямая AB (рисунок 3.1). Траектория тела относительно человека, стоящего на платформе, мимо которого проезжает поезд – это линия AC. Относительно платформы движение тела криволинейное. Следовательно, траектория движения тела – понятие относительное. Рисунок 3.1 Понятия покоя и движения и основные характеристики движения являются относительными. Они зависят от выбора тела отсчета. Тело отсчета, снабженное устройствами для определения положения других тел и для измерения времени, называют системой отсчета. Равномерное движение Движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения, называют равномерным прямолинейным движением. Для характеристики движения и его направления вводят понятие скорости как векторную величину, равную отношению перемещения к промежутку времени: ⃗ ⃗ . (3.1) Скоростью равномерного прямолинейного движения называют векторную физическую величину, модуль которой численно равен модулю перемещения за единицу времени, а направление совпадает с направлением перемещения. Для равномерно и прямолинейно движущегося тела из формулы (3.1) можно найти: • перемещение: ⃗ ⃗ ; (3.2) • проекцию перемещения на ось ОХ: ; (3.3) • путь s (равный модулю перемещения Δr): . (3.4) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Неравномерное движение Неравномерное движение может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Неравномерное движение характеризуют средней скоростью. Различают среднюю скорость пути ⟨ ⟩ и среднюю скорость перемещения ⟨ ⃗⟩ автомобиля. Среднюю скорость пути определяется как ⟨ ⟩ . (3.5) Среднюю же скорость перемещения определяют как ⃗ ⟨ ⃗⟩ . (3.6) Средняя скорость перемещения неравномерного движения равна скорости такого равномерного прямолинейного движения, при котором тело совершило такое же перемещение за тот же промежуток времени. Равноускоренное движение Ускорение – это физическая векторная величина, модуль которой численно равен модулю изменения скорости за единицу времени, а направление совпадает с направлением вектора изменения скорости: ⃗ ⃗⃗ . Единицей ускорения в СИ является 1 (3.7) – ускорение прямолинейно движущегося тела, модуль скорости которого изменяется на 1 за секунду. При прямолинейном движении ускорение ⃗ направлено либо по скорости (если ее модуль растет), либо противоположно скорости (если ее модуль убывает). Самым простым из всех неравномерных движений является прямолинейное движение с постоянным ускорением. Если при таком движении модуль скорости увеличивается, то его называют равноускоренным, если уменьшается – равнозамедленным. При движении с постоянным ускорением ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (3.8) Проекция ускорения на любую ось, например на координатную ось ОХ, постоянна и равна: . (3.9) . БГ П У Зависимость координаты движущегося тела от времени называют кинематическим законом движения. Кинематический закон равномерного прямолинейного движения состоит в том, что координата тела линейно зависит от времени. Это следует из формулы (3.10) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Согласно этой формуле проекция скорости на ось ОХ: при равномерном прямолинейном движении проекция скорости на координатную ось численно равна изменению координаты движущегося тела за единицу времени. Движение тела по окружности Рассмотрим материальную точку (или тело, которое можно принять за материальную точку), движущуюся по окружности радиусом R. Будем задавать положение этой точки с помощью вектора ⃗⃗ . Его начало совпадает с центром окружности, а конец находится там, где расположена материальная точка в данный момент времени. Вектор ⃗⃗ называют радиус-вектором. На рисунке 3.2 радиус-вектор ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ характеризует положение движущейся точки в момент времени t0 , а радиус-вектор ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ – в момент времени t. При движении точки по окружности ее радиус-вектор непрерывно поворачивается – совершает вращательное движение. Например, если за время Δt движущаяся точка переместится по окружности из точки А в точку В (рисунок. 3.2), то за это время ее радиус-вектор повернется на угол Δφ. В СИ угол поворота измеряется в радианах (сокращенно – рад). Угол в 1 рад – это центральный угол, длина l дуги которого равна радиусу R окружности (рисунок 3.2, угол COD). Значение любого угла в радианах равно отношению длины дуги к радиусу окружности: (3.11) Рисунок 3.2 БГ П У Быстроту вращательного движения характеризуют угловой скоростью. Ее обозначают буквой ω (омега). При равномерном вращении угловая скорость определяется как величина, численно равная углу поворота радиус-вектора за единицу времени: РЕ П О ЗИ ТО РИ Й . (3.12) Единицей угловой скорости в СИ является 1 радиан в секунду . Угловая скорость материальной точки при равномерном вращении остается постоянной. Формула (3.13) выражает связь скорости движущейся по окружности материальной точки (ее называют линейной скоростью), и угловой скорости вращения ее радиус-вектора. . (3.13) Важной характеристикой движения по окружности со скоростью, модуль которой постоянен, является период обращения. Он равен времени, за которое материальная точка проходит полный оборот по окружности. За время, равное периоду, радиус-вектор поворачивается на угол . Значит, согласно формуле (3.12) угловая скорость равномерного вращения: . (3.14) С периодом и угловой скоростью связана частота обращения. Частотой обращения называют величину, численно равную числу оборотов, совершенных за единицу времени: . (3.15) Единицей частоты в СИ является единица в секунду формул (3.14) и (3.15) находим: ω=2πν. или с−1. Из (3.16) БГ П У 1.3.2 Основы динамики Проявление инерции Для того чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно, не требуется действия сил. Любое тело обладает свойством сохранять свою скорость постоянной, если на него не действуют силы (двигаться по инерции). Тело, на которое не действуют силы (или действующие силы компенсируют друг друга), называют свободным. Системы отсчета, в которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно, называют инерциальными, а те, относительно которых свободные тела движутся с ускорением, – неинерциальными. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Сравнение масс двух тел по их взаимодействию Сравнить массы двух тел можно разными способами. 1. Сравнение масс тел путем взвешивания на весах , где (3.17) F – сила притяжения к Земле взвешиваемого тела, Fэт – сила притяжения к Земле эталона. 2. Сравнение масс по инертности тел Любое тело обладает свойством двигаться по инерции, сохраняя свою скорость неизменной, пока на это тело не подействуют силы. При этом одни тела легче разогнать (а разогнав, остановить), а другие – труднее. Для разгона или остановки груженой тележки на нее следует действовать гораздо большей силой (или гораздо дольше), чем на порожнюю. Груженая тележка более инертна. Проведем опыт. Поставим на горизонтальную поверхность две тележки разной массы (m1>m2), способные катиться почти без трения. Сообщим тележкам одинаковые ускорения. Для этого на тележку 1 придется подействовать силой, большей, чем на тележку 2. Первая тележка во столько раз инертнее второй, во сколько раз модуль силы F1 больше, чем F2. Для массы как меры инертности получится такая же пропорция, как и при взвешивании: (3.18) Второй закон Ньютона Ускорение, приобретаемое телом под действием приложенных к нему сил, направлено по результирующей этих сил. Модуль ускорения прямо пропорционален модулю результирующей силы и обратно пропорционален массе тела. Это основной закон динамики – второй закон Ньютона. Его математическим выражением является векторное равенство: ⃗ ⃗ . (3.19) Формула (3.19) подчеркивает, что сила является причиной, а ускорение – следствием. Равенство (3.19), представленное в виде ⃗ ⃗, БГ П У (3.20) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й показывает, как по массе m и ускорению ⃗⃗⃗⃗ (следствию) найти результирующую силу ⃗ (причину ускорения). При использовании формул (3.19) и (3.20) следует иметь в виду, что ⃗ – это векторная сумма всех сил, приложенных к рассматриваемому телу: ⃗ ⃗ ⃗ ⃗. Третий закон Ньютона Cилы, с которыми тела действуют друг на друга, лежат на одной прямой, имеют противоположные направления и равные модули: ⃗ ⃗ Это утверждение справедливо для тел любых масс, размеров, формы и состава вещества. Оно носит название третьего закона Ньютона. Силы взаимодействия приложены к разным телам ( ⃗ – к телу 2, ⃗ – к телу 1). Поэтому они не могут компенсировать (уравновесить) друг друга. Силы взаимодействия всегда имеют одинаковое «происхождение» (например, обе являются электрическими силами или обе – гравитационными). Зависимость силы упругости от деформации тела Изменение размеров или (и) формы тела называют деформацией тела. Деформация происходит в результате перемещения одних частей тела относительно других. Различают такие деформации, как сжатие-растяжение, сдвиг, изгиб, кручение. Все виды деформаций возникают под действием приложенных к телу внешних сил. Если после прекращения действия силы размеры и форма тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой. Если же восстановление не будет полным, то деформацию называют неупругой или пластической. При упругих деформациях сжатия и растяжения модуль силы упругости прямо пропорционален модулю изменения длины тела: | | (3.21) Это утверждение носит название закона Гука. называют жесткостью тела. Коэффициент пропорциональности | | РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Жесткость тела численно равна модулю силы упругости, возникающей при удлинении или сжатии тела на единицу длины. В СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр. Жесткость тела зависит от материала, из которого оно изготовлено, от формы и размеров тела, от его температуры. Жесткость тела постоянного сечения (шнура, проволоки и т. д.) прямо пропорциональна площади его сечения и обратно пропорциональна длине тела. С помощью закона Гука можно найти изменение размеров тела под действием внешней силы: | | . (3.22) Формула (3.22) следует из формулы (3.21), так как при равновесии модули сил упругости и внешней силы равны. Изучение силы трения Если одно тело скользит по поверхности другого, то движению препятствует сила трения скольжения, если катится – сила трения качения. Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы давления: . (3.23) Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент μ зависит от материалов трущихся тел и от состояния соприкасающихся поверхностей. Сила давления ⃗ вызывает ответную силу ⃗⃗. Сила ⃗⃗ приложена к бруску и является нормальной составляющей силы реакции опоры, так как направлена по нормали (т. е. перпендикулярно) к ее поверхности. Модули этих сил показывают, насколько сильно трущиеся поверхности прижаты друг к другу. Поэтому вместо равенства (3.23) часто используют формулу Fтр = μ N. (3.24) Сила трения не зависит от площади контакта трущихся тел. Сила трения скольжения направлена противоположно скорости тела относительно поверхности, по которой оно движется. . БГ П У Движение тел в поле силы тяжести Движение тела, на которое действует только сила тяжести, называют свободным падением. Современные, имеющие высокую точность эксперименты подтверждают: ускорения всех свободно падающих тел в данном месте одинаковы. Применим второй закон Ньютона и учтем, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела. (3.25) Модуль ускорения свободного падения с учетом зависимости (3.25): (3.26) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й . Это доказывает, что модуль ускорения свободного падения для всех тел одинаков, и коэффициент g в формуле (3.25) равен модулю ускорения свободного падения. При этом ускорение свободного падения направлено так же, как сила тяжести ⃗ – вертикально вниз. Значение характеризует ускорение свободного падения на средних географических широтах. Свободно падающее тело участвует одновременно в двух движениях: в движении по вертикали с постоянным ускорением и в равномерном движении по горизонтали. 1.3.3 Законы сохранения Закон сохранения импульса Произведение массы тела на скорость его движения называют импульсом тела. Импульс тела обозначается символом ⃗⃗: ⃗⃗ ⃗. (3.27) Импульс системы тел сохраняется, если сумма внешних сил, ⃗⃗ , где ⃗⃗ действующих на нее, равна нулю, ⃗⃗ – начальный импульс системы; ⃗⃗ – импульс в конце промежутка времени. Система тел, на которую не действуют внешние тела, называют замкнутой (изолированной) системой. Таким образом, импульс любой замкнутой системы всегда сохраняется. Взаимные превращения механической энергии Чтобы охарактеризовать количественно способность сил взаимодействия механической системы совершать работу, вводят физическую величину, называемую потенциальной энергией. Eп = mgh. (3.28) Если работа внешней силы положительна, то потенциальная энергия системы увеличивается: (3.29) БГ П У Если работа сил взаимодействия положительна, то потенциальная энергия уменьшается: (3.30) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Для того чтобы механическая система обладала потенциальной энергией, работа сил взаимодействия тел системы должна не зависеть от способа перехода системы из начального состояния в конечное. Кинетическая энергия характеризует способность движущегося тела совершать работу. Кинетическую энергию определяют как величину, равную работе, которую необходимо совершить, чтобы разогнать тело из состояния покоя до данной скорости: (3.31) Кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы на квадрат модуля скорости его движения: . (3.32) А так же, кинетическая энергия – величина скалярная. Она зависит от модуля скорости, но не зависит от ее направления. Работа сил, приложенных к телу, идет на изменение кинетической энергии тела: (3.33) Формула (3.33) выражает теорему об изменении кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела за определенный промежуток времени РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У равно работе результирующей всех сил, приложенных к нему, совершенной за это время. Полная энергия системы складывается из кинетической и потенциальной энергии входящих в нее тел и суммы внутренних энергий тел системы. II. ПРАТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ УМК ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТОДИКА И ТЕХНИКА УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА» 2.1 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 7» 2.1.1 Механическое движение и взаимодействие тел Относительность движения Оборудование: тележка, платформа, брусок, тело отсчета (указатель). На платформу, которая может легко передвигаться на роликах вдоль демонстрационного стола, установите тележку, которую можно передвигать вдоль доски (рисунок 1.1). БГ П У Рисунок 1.1 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Помещая указатель (тело отсчета) на стол, доску, тележку, проведите следующие опыты: 1) передвигайте тележку вдоль доски, неподвижной относительно стола, 2) придерживая тележку, передвигайте под нею доску вдоль стола, 3) передвигайте доску с неподвижно стоящей на ней тележкой, 4) двигая доску вдоль стола, передвигайте вдоль доски тележку в ту же сторону. Сделайте соответствующие выводы. Равнодействующая сил, направленных по одной прямой I. Оборудование: динамометр демонстрационный с круглой шкалой, динамометр демонстрационный трубчатый, блок неподвижный, набор грузов по механике, гири массой 200 г и 500 г, штатив универсальный. Рассмотрите два случая сложения сил, действующих на тело по одной прямой, когда силы направлены в одну сторону и в противоположные стороны. Вначале покажите, что по отклонению стрелки динамометра можно судить не только о модуле силы, но и ее направлении (если приложить к динамометру силу, направленную вниз, стрелка динамометра отклоняется влево; при обратном направлении силы стрелка отклоняется вправо). К нижнему крючку динамометра, закрепленного в муфте штатива, подвесьте три груза по 100 г каждый, а на столик поместите груз массой 100 г; запишите показания динамометра (рисунок 1.2, а). Затем закрепите грузы как показано на рисунке 1.2, б. Запишите показания динамометра и сделайте соответствующий вывод о равнодействующей двух сил, направленных в одну сторону. Покажите, что полученный вывод справедлив для любого числа сил. Рисунок 1.2 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Соберите установку по рисунку 1.3. Рисунок 1.3 Приложите к верхнему крючку динамометра силу F2 = 5 Н, направленную вверх, используя трубчатый динамометр. Стрелка динамометра с круглой шкалой отклонится вправо, указывая модуль и направление действующей силы. Подвешивая к нижнему крючку динамометра различные грузы, по его показаниям определите модуль и направление равнодействующей силы. Сделайте вывод о равнодействующей двух сил, направленных противоположно. II. Оборудование: комплект по статике, динамометр, две одинаковые пружины, набор разновесов, два держателя с крючками, три винта типа «бабочка». Установите подвижный рычаг на основание комплекта по статике. Винтами типа «бабочка» прикрепите два держателя с крючками к верхней части рычага и установите их по краям установки. Подвесьте пружины на крючки держателей и прикрепите их к подвижному рычагу. Убедитесь, что пружины расположены строго параллельно друг другу. К среднему крючку подвижного рычага подвесьте два разновеса и приведите рычаг в горизонтальное положение (рисунок 1.4). Снимите с подвижного рычага первую пружину (ближайшую к точке опоры рычага) и на ее место прикрепите динамометр. Держите динамометр в руке, не соединяя его с верхней частью установки (рисунок 1.5), так чтобы рычаг оставался в горизонтальном положении. Запишите показания динамометра, установленного на место первой пружины. Рисунок 1.5 БГ П У Рисунок 1.4 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Верните первую пружину на ее прежнее место, снимите вторую пружину и на ее место прикрепите динамометр. Приведите рычаг в горизонтальное положение. Запишите показания динамометра, установленного на место второй пружины. Повторите тот же опыт три раза с другими разновесами. Силы трения покоя, скольжения, качения I. Оборудование: трибометр с бруском, динамометр пружинный на 4 Н, гиря в 0,5 кг, полоска стекла размером 80х20 см. На доску трибометра положите деревянный брусок и нагрузите его гирей в 0,5 кг. За крючок бруска зацепите динамометр и, держа его горизонтально, медленно увеличивайте силу тяги (рисунок 1.6) до тех пор, пока брусок с гирей не тронется с места. В момент начала скольжения бруска зафиксируйте показания динамометра, то есть измерьте наибольшую силу трения покоя. Поддерживая движение бруска равномерным, измерьте силу трения скольжения. Опыт повторите несколько раз, запишите показания динамометра. Продемонстрируйте зависимость силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей. Для этого брусок с гирей поставьте на полоску стекла (линолеума, войлока и др.) и повторите опыт несколько раз. Сравните силы трения скольжения при движении бруска по различным поверхностям. Рисунок 1.6 II. Оборудование: трибометр с бруском, динамометр, набор грузов одинаковой массы, гири 0,5 кг и 1 кг. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У С помощью динамометра измерьте модуль веса бруска, равный модулю силы давления. Поместите деревянный брусок на трибометр так, чтобы его широкая грань находилась на доске трибометра. Зацепив крючок бруска динамометром, несколько раз равномерно переместите брусок вдоль трибометра, и запишите показания динамометра во время движения – это значение модуля силы тяги, равное модулю силы трения скольжения. Далее измерьте силу трения, поместив на брусок сначала один, затем два и три груза. Повторите измерения, поместив брусок на трибометр так, чтобы его узкая грань соприкасалась с доской трибометра. Вычислите отношение в каждом случае. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.1. Таблица 1.1 Грань Широкая грань Узкая грань № Fтр, Н P, Н Fтр, Н P, Н опыта Постройте график зависимости модуля силы трения скольжения от модуля веса бруска. Измерение силы трения качения Оборудование: легкоподвижная тележка, динамометр пружинный. Расположите легкоподвижную тележку на демонстрационном столе и зацепите тележку крючком динамометра (рисунок 1.7, б). а б Рисунок 1.7 Поддерживая движение тележки равномерным, измерьте силу трения качения. Затем переверните тележку (рисунок 1.7, а) и снова повторите опыт. Динамометр в данном случае показывает значение силы трения скольжения. Сравните значения силы трения качения и силы трения скольжения при одинаковом значении силы давления. Сделайте выводы. 2.1.2Работа и мощность. Энергия. Простые механизмы Работа сил при перемещении тела Оборудование: трибометр, динамометр трубчатый, метр демонстрационный, штатив универсальный, брусок. В лапке штатива укрепите вертикально демонстрационный метр так, чтобы его конец с нулевым делением касался крышки стола. К крючку РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У динамометра, который держат в руке, подвесьте деревянный брусок и измерьте его вес. Затем брусок вместе с динамометром расположите сбоку от демонстрационного метра, и равномерно поднимите на высоту 60 – 70 см (рисунок 1.8). Вычислите работу, совершенную силой упругости пружины динамометра при подъеме бруска. Рисунок 1.8 После этого положите брусок на доску трибометра (можно на крышку стола) и с помощью динамометра переместите брусок равномерно на такое же расстояние, как в первом случае. Во время движения отметьте показания динамометра. По известным значениям силы упругости и пройденного пути вычислите работу сил упругости. Обратите внимание, что во втором случае была совершена работа по преодолению силы трения скольжения. Сравнивая результаты двух измерений, сделайте вывод о численных значениях работы, совершенной при подъеме груза и работы, затраченной на перемещение груза на такое же расстояние по горизонтальной плоскости. Устройство и действие рычагов. Правило моментов I. Оборудование: динамометр демонстрационный, рычаг демонстрационный, штатив универсальный, набор грузов с двумя крючками, метр демонстрационный. Демонстрационный рычаг закрепите на металлической оси, укрепленной в муфте штатива. По обе стороны от точки опоры подвесьте к рычагу грузы так, чтобы рычаг остался в равновесии (рисунок 1.9). Рисунок 1.9 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Определите силы F1 и F2, действующие на рычаг, и измерьте их плечи l1 и l2 относительно оси вращения. Опыт повторите несколько раз, изменяя модули сил и их плечи. Рассчитайте моменты каждой из сил и проверьте выполнимость правила моментов. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.2. Таблица 1.2 № ,Н ,Н ,м ,м , , ∑M, опыта Анализируя результаты опытов, убедитесь в том, что если силы действуют в одном направлении и точки их приложения расположены по обе стороны относительно оси вращения, то рычаг находится в равновесии тогда, когда модули действующих на него сил обратно пропорциональны плечам этих сил. Соберите установку по рисунку 1.10 и проверьте условие равновесия рычага, если силы F1 и F2 приложены к рычагу в противоположных направлениях. Опыт повторите несколько раз, изменяя вес грузов и точки приложения сил. Убедитесь, что в этом случае так же выполняется правило моментов. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.3. Рисунок 1.10 Таблица 1.3 № опыта ,Н ,Н ,м ,м , , ∑M, РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Уравновесьте демонстрационный рычаг в горизонтальном положении. С помощью демонстрационного метра зафиксируйте начальные положения точек, к которым приложены силы (рисунок 1.11). Начальную высоту расположения рычага над крышкой стола желательно подобрать так, чтобы точки приложения сил F1 и F2 располагались на одном уровне с чертой, отмечающей одно из дециметровых делений шкалы демонстрационного метра. Отклоните рычаг на некоторый угол в вертикальной плоскости и измерьте расстояния h1 и , на которые сместились точки приложения сил. Вычислите работу, совершенную каждой силой, и определите коэффициент полезного действия рычага. Рисунок 1.11 Опыт повторите, изменив угол наклона рычага. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.4. Таблица 1.4 № опыта h1, м ,Н ,Н , м Апол, Дж Азатр, Дж ŋ, % II. Оборудование: динамометр, набор разновесов, подвижный рычаг, винт типа «бабочка», держатель с крючком. Определите вес рычага Рр его длину l. Установите рычаг на основание комплекта по статике. Подвесьте разновесы на первый (ближний к оси РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У вращения) крючок подвижного рычага (рисунок 1.12). Прикрепите динамометр 5 Н к последнему (дальнему от оси вращения) крючку подвижного рычага и установите подвижный рычаг в горизонтальное положение. Переносите разновесы на другой крючок, каждый раз приводя подвижный рычаг в горизонтальное положение, и запишите в таблицу 1.5 показания динамометра , вес грузов и плечи , . Добавьте разновес, чтобы масса равнялась 100 г, и повторите измерения. Рисунок 1.12 Проверьте правило моментов, используя формулу: . № опыта , Н , Н Pp, Н , м , м l, м , , Таблица 1.5 , ∑M, Устройство и действие неподвижного и подвижного блоков I. Оборудование: метр демонстрационный, динамометр пружинный, блок неподвижный на стержне, блок подвижный, штатив универсальный, грузы с двумя крючками. Неподвижный блок. Для демонстрации изменения направления силы неподвижный блок закрепляют на верхнем конце стойки штатива (рисунок 1.13). Через блок перебрасывают нить. К одному концу нити подвешивают груз, а ко второму прикрепляют динамометр. Взяв динамометр в руку, натягивают нить так, чтобы груз повис на нити. БГ П У Изобразив схематически силы, действующие на блок, и, сравнивая их модули, сделайте вывод об отсутствии выигрыша в силе при использовании неподвижного блока. Рисунок 1.13 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Подвижный блок. Установку собирают, как показано на рисунке 1.14. Рисунок 1.14 Подвесьте к блоку груз весом P. Один конец перекинутой через блок нити закрепите. К другому концу нити прикрепите динамометр и, равномерно поднимая груз, запишите его показания F. Измерьте высоту hгр подъема груза и высоту hд подъема динамометра. Вычислите значения полезной Апол и затраченной Азатр работы, коэффициент полезного действия ŋ блока. Повторите измерения и вычисления при других значениях веса груза. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.6. Таблица 1.6 № опыта F, Н P, Н hд, м Апол, Дж Азатр, Дж ŋ, % ,м 1 2 II. Оборудование: комплект по статике. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Неподвижный блок. Установите блок на верхней части установки. Проденьте веревку через блок. К одному концу веревки повесьте разновес массой 100 г, а к другому концу веревки прикрепите динамометр (рисунок 1.15). Запишите показания динамометра. Изменяя массу разновесов и направление действия силы, фиксируйте показания динамометра. По полученным результатам сделайте вывод. Рисунок 1.15 Подвижный блок. Установите, держатель с крючком и неподвижный блок на верхней части комплекта. Привяжите короткую веревку к крючку держателя и пропустите веревку через подвижный и неподвижный блоки. К крючку подвижного блока подвесьте разновес массой 100 г, а к свободному концу веревки прикрепите динамометр (рисунок 1.16). Убедитесь, что веревка закреплена прочно и не соскользнет с паза блоков и запишите показания динамометра. Сместите динамометр вниз и обратите внимание учащихся на изменение положений динамометра и подвижного блока. Добавляйте по одному разновесу и записывайте в таблицу показания динамометра Fд, вес груза Ргр, высоты hд и hгр. Вычислите полезную Апол и затраченную Азатр работы, коэффициент полезного действия ŋ блока. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.7. Рисунок 1.16 Таблица 1.7 Fд, Н ,Н hд, м ,м Апол, Дж Азатр, Дж БГ П У № опыта 1 2 ŋ, % РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.1.3 Давление твердых тел, газов и жидкостей Давление воздуха в резиновом шаре Оборудование: насос вакуумный, тарелка вакуумная со стеклянным колпаком, воздушный шар. Под стеклянный колпак поместите завязанный нитью резиновый шар, в котором находится некоторое количество воздуха (рисунок 1.17). При откачивании воздуха из-под колпака, оболочка шара раздувается, так как давление воздуха, находящегося внутри шара на его стенки больше, чем снаружи. Сделайте вывод о давления газа по всем направлениям. Рисунок 1.17 Передача внешнего давления жидкостями и газами Оборудование: шар Паскаля, сосуд с водой, крахмал, тальк. Отвинтите шар от цилиндра, наполните его водой, и быстро навинтите обратно. Далее энергично вдвигайте поршень. Струйки воды вытекают из отверстий шара по всем направлениям на одинаковые расстояния. Прибор в этом опыте можно располагать шаром вверх или вниз. Аналогичный опыт повторите с крахмалом или тальком (рисунок 1.18). Рисунок 1.18 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Давление жидкости, обусловленное ее весом Оборудование: прибор для демонстрации независимости давления жидкости на дно сосуда от его формы, сосуд. Прибор для данного опыта состоит из основания, на котором укреплена кольцеобразная оправа с резьбой. Эта оправа, открытая сверху, затянута снизу тонкой резиновой пленкой, опирающейся на круглую пластинку, соединенную рычагом с легкоподвижной стрелкой. К прибору прилагаются три сосуда разной формы и объема, но с одинаковой площадью основания (рисунок 1.19). Установите в оправу прибора цилиндрический сосуд и налейте в него воду на высоту ниже верхней кромки на 2 – 2,5 см. Уровень воды в сосуде отметьте перемещающимся по стержню указателем, а место на шкале, где остановилась стрелка, − хорошо заметным «гусариком». После этого через сливной кран вылейте воду из цилиндрического сосуда и вместо него установите в оправу другой сосуд. Повторяя опыт, убедитесь в том, что воды приходится брать значительно больше или меньше, чем для цилиндрического сосуда, а стрелка каждый раз останавливается у «гусарика», когда уровень воды поднимается до отмеченного уровня. Сделайте соответствующие выводы. Рисунок 1.19 Опыт, подтверждающий существование атмосферного давления Оборудование: прибор для демонстрации атмосферного давления (магдебургские полушария) (рисунок 1.20), насос вакуумный. Рисунок 1.20 БГ П У Подключите насос к полушариям. Слегка прижав полушария друг к другу, откачайте воздух из получившейся сферы в течение 5 минут до сильного разрежения. Перекройте вентиль и сразу же отсоедините шланг. Попытайтесь разъединить полушария, для этого потребуются большие усилия. Сделайте соответствующий вывод. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Действие жидкости на погруженные в нее тела I. Оборудование: стальной и алюминиевый цилиндры одинакового объема, динамометр, стакан с водой. Поочередно подвесьте цилиндры к динамометру и по растяжению пружины определите вес каждого из них в воздухе, фиксируя показания динамометра (рисунок 1.21, а) дополнительным указателем. Поочередно опустите цилиндры в стакан с водой (рисунок 1.21, б) и покажите, что растяжение пружины изменилось. На основании полученных результатов сделайте вывод, объясняющий изменение показаний динамометра. а б Рисунок 1.21 Затем погрузите каждый из цилиндров в воду на половину его объема. Сделайте вывод о зависимости выталкивающей силы от объема погруженной в жидкость части тела. II. Оборудование: прибор «ведерко Архимеда», штатив универсальный, сосуд стеклянный, стакан с водой. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Прибор «ведерко Архимеда» (рисунок 1.22) состоит из пружины, укрепленной в металлической рамке и служащей динамометром (1), ведерка с дужкой (2) и цилиндрического груза (3), объем которого равен вместимости ведерка. За растяжением пружины следят по положению диска, который укреплен внизу пружины и служит указателем. Показывают, что вместимость ведерка в точности соответствует объему цилиндра. Для этого 1 – 2 раза вкладывают цилиндр в ведерко, обращая внимание учащихся на то, что между ними нет зазора, и что цилиндр заполняет ведерко до его верхнего края. Далее к пружине динамометра, подвешивают ведерко, а под ним на тонкой проволочке – цилиндр (рисунок 1.22). Обращают внимание на величину растяжения пружины, то есть на положение диска-указателя, к которому подводят передвижную стрелку. Затем под цилиндр подводят сосуд с водой, уровень которой должен обеспечить полное погружение цилиндра. При этом указатель растяжения пружины переместится вверх и расположится выше передвижной стрелки (рисунок 1.23). Сила, выталкивающая цилиндр из жидкости, очевидно, будет равна весу добавочного груза, который возвратил бы диск-указатель на прежнее место. Для определения значения выталкивающей силы берут стакан с водой и медленно наливают ее в ведерко. Показывают, как пружина вновь растягивается и диск, медленно опускаясь вниз, приходит к указателю (рисунок 1.24). Как только диск достигнет стрелки, наливать воду прекращают. Объясняют, что в этом случае вес воды в ведерке равен выталкивающей силе действующей на груз снизу вверх. Рисунок 1.22 Рисунок 1.23 Рисунок 1.24 2.2 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 8» Для выполнения демонстрационных опытов по физике в 8 классе используют оборудование и отдельные приборы, предназначенные для изучения тепловых, электромагнитных и оптических явлений 2.2.1 Тепловые явления Для опытов по теме «Тепловые явления» предназначены: набор демонстрационный «Тепловые явления» с компьютерным измерительным блоком, приборы для демонстрации видов теплопередачи, теплоемкости твердых тел и др. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У L-микро для изучения тепловых явлений Опыты по теме «Тепловые явления» можно демонстрировать, используя набор L-микро с компьютерной измерительной системой. Компьютерная измерительная система предназначена для сбора и отображения информации, получаемой с помощью датчиков о том или ином физическом процессе, а также для осуществления элементов управления демонстрационной установкой. Она включает в себя измерительный блок, набор датчиков для измерения физических величин и программное обеспечение. Компьютерный измерительный блок преобразует сигнал, поступающий от датчиков, в цифровой код, который далее обрабатывается в компьютере. Программу «L-физика» запускают с рабочего стола или из меню кнопкой «Пуск». Выбирают раздел «Молекулярная физика» (рисунок 2.1), тему, проводимый опыт (рисунок 2.2), режим настройки (рисунок 2.3). Рисунок 2.1 Рисунок 2.2 Рисунок 2.3 В режиме настройки можно проверить работоспособность датчика, используемого в опыте, и, если это предусмотрено в сценарии работы с данным датчиком, ввести данные для коррекции калибровки датчика. Для определения значения комнатной температуры также используют кнопку «Настойка оборудования» (рисунок 2.4). В режиме проведения опыта (кнопка «Проведение измерений») на экране появляется система координат для построения зависимостей измеряемых величин от времени (рисунок 2.5). В верхнем правом углу экрана находятся кнопки свертки окна программы и выхода из меню опыта. Управляющие кнопки расположены в нижней части экрана. В правой части экрана значения измеряемых физических величин выводятся в цифровом виде. Регистрация данных и вывод их на график Рисунок 2.4 БГ П У начинается при нажатии кнопки «Пуск» и останавливается кнопкой «Стоп», которая появляется на месте кнопки «Пуск» при регистрации данных. Для обсуждения результатов опыта следует воспользоваться кнопкой «Пауза»: измерения не прерываются, останавливается вывод графиков и появляется возможность работы с уже имеющимися данными. После нажатия кнопки «Пауза» она заменяется кнопкой «Далее», нажатие на которую приводит к выводу на экран данных, полученных за время паузы. Рисунок 2.5 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Работа с данными на экране осуществляется после завершения записи данных или в режиме паузы. Щелчком левой клавиши мыши отмечают точку, в которой хотят получить значения измеренных величин. При этом будет вызван курсор, представляющий собой вертикальную линию. Значения переменных, на которые наведен курсор, выводятся в правом верхнем углу экрана. В правом нижнем углу выводится время от начала эксперимента. Для изменения масштаба выделенного участка графика используют левую кнопку мыши. Вернуть к исходному масштабу только одну из осей помогут кнопки «Ось ОХ» и «Ось ОY». Полностью убрать с экрана индикаторы положения можно двойным щелчком левой кнопки мыши. Изменение внутренней энергии тел Оборудование: колба, сукно, штатив универсальный, манометр, толстостенный сосуд, насос. I. Налейте в манометр подкрашенную воду (рисунок 2.6, а). Колбу, зажатую в лапке штатива, соедините гибкой резиновой трубкой с левым коленом манометра. Натрите колбу суконкой и наблюдайте изменение уровня жидкости в коленях манометра. Через некоторое время уровень жидкости в правом колене манометра понизится. Объясните наблюдаемое явление. В толстостенный стеклянный сосуд налейте немного воды для увлажнения воздуха в сосуде. Насосом (рисунок 2.6, б) накачайте в сосуд воздух. Пробка вылетит, а в сосуде образуется туман. Объясните наблюдаемое явление. а б Рисунок 2.6 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У II. Изменение внутренней энергии при теплопередаче можно продемонстрировать при нагревании воздуха в колбе (рисунок 2.7, а), таянии льда (рисунок 2.7, б), передав воздуху или льду некоторое количество теплоты от зажженной спиртовки. а б Рисунок 2.7 Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов I. Оборудование: прибор для демонстрации теплопроводности металлов, спиртовка, спички, пластилин или воск, термометр, штатив универсальный. При помощи пластилина или воска вдоль трех проволок на одинаковом расстоянии друг от друга прикрепляют спички. Затем прибор вносят в пламя горелки так, чтобы все проволоки нагревались в одинаковых условиях: пламя должно охватывать проволоки в том месте, где они расходятся в стороны (рисунок 2.8). Опишите порядок падения спичек и объясните наблюдаемое явление. Рисунок 2.8 Поместите в открытый конец пробирки термометр (рисунок 2.9) и нагрейте пробирку сверху. Нагревание воздуха идет очень медленно. Сделайте вывод о теплопроводности газа. БГ П У Рисунок 2.9 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Далее пробирку с кусочками льда и водой поместите над пламенем спиртовки. Вода в верхней части пробирки будет кипеть, а в нижней – остается лед (рисунок 2.10). Сделайте вывод теплопроводности воды. Рисунок 2.10 II. Оборудование: компьютерный измерительный блок, датчик температуры (0 – 120 °С) – 2 шт., рабочее поле со стержнями, платы с зажимами – 2 шт., стакан из термостойкого стекла, демонстрационный штатив, набор стержней из различных материалов. Процесс теплопроводности рассматривают на примере теплопередачи в металлических стержнях. Один из концов стержня опускают в горячую воду, а изменение внутренней энергии другого конца стержня непосредственно регистрируют с помощью датчика температуры. Сравнение теплопроводностей различных веществ осуществляется путем одновременной регистрации процесса нагрева двух стержней. При этом предполагается, что количество энергии, получаемое стержнями от горячей воды одинаково. В первом приближении это можно считать верным, учитывая, что условия теплопередачи между водой и стержнями практически идентичны. Экспериментальную установку собирают, как показано на рисунке 2.11. Рабочее поле закрепляют в подвижном зажиме вертикально таким образом, чтобы его нижний край располагался на 1 – 2 см выше стакана. БГ П У Стержни и датчики температуры закрепляют через теплоизолирующую прокладку в платах с зажимами. После этого датчики температуры подключают к разъемам 1 и 2 измерительного блока «L-микро». Рисунок 2.11 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Вначале используют только медный стержень. После опускания конца стержня в горячую воду на экране монитора появляется кривая зависимости изменения температуры второго конца стержня от времени (рисунок 2.12). После выхода на стационарный уровень (область II) процесс записи останавливают. Рисунок 2.12 Рисунок 2.13 Затем берут два стержня, геометрические размеры которых одинаковые, с различной теплопроводностью, например, медный и стальной. Стержни с датчиками, закреплённые в платах зажимами на рабочем поле, одновременно погружают в стакан с горячей водой на одинаковую глубину. Для устранения возможного нагрева датчиков горячим паром рекомендуется использовать защитную теплоизолирующую крышку с двумя отверстиями под стержни. На экране появятся кривые зависимости температуры от времени для медного и стального стержней соответственно (рисунок 2.13). После выхода верхней кривой на стационарный уровень следует остановить проведение измерений. При анализе температурных кривых желательно подчеркнуть, что теплопроводность образца характеризуется скоростью нагрева (крутизной кривой) на начальном участке (область I на рисунке 2.13). РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Конвекция в газах и жидкостях I. Оборудование: стеклянная трубка с водой, штатив универсальный, спиртовка, перманганат калия, свеча. В трубку с холодной водой пипеткой введите несколько капель раствора перманганата калия. Нагрейте трубку снизу (рисунок 2.14, а), нижние слои воды поднимаются вверх. Верхние окрашенные слои, как более холодные, а значит, более тяжелые перемещаются в направлении движения часовой стрелки, опускаются вниз, нагреваются и устремляются вверх. Сделайте соответствующий вывод. В теневой проекции продемонстрируйте конвекционные потоки воздуха, нагретого в пламени свечи или спиртовки (рисунок 2.14, б). Сделайте соответствующий вывод. а б Рисунок 2.14 II. Оборудование: компьютерный измерительный блок, датчик температуры (0 – 120°С). Процесс конвекции рассматривают на примере потока нагретого воздуха, поднимающегося над рукой. Датчик температуры подключают к разъему. Входят в меню экрана «Настройка оборудования» и определяют значение комнатной температуры. При проведении опыта сначала помещают чувствительный элемент датчика на некотором расстоянии над кистью руки, а затем перемещают его под ладонь (рисунок 2.15). Рисунок 2.15 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Разница температур будет вполне заметной для того, чтобы можно было сделать вывод о существовании потока нагретого воздуха, поднимающегося над рукой. Различие в температурах будет еще заметнее, если ладонь слегка сжать и образовать некоторое подобие трубы. Конвекционный поток в этом случае усиливается, что наглядно показывает природу эффекта тяги в печных трубах. Эксперимент можно повторить, держа термометр над стаканом с горячей водой или над любым нагретым телом. III. Оборудование: компьютерный измерительный блок, датчик температуры (0 – 120° С) – 2 шт., рабочее поле со стержнями, плата с зажимами – 2 шт., стакан из термостойкого стекла, теплоизоляционная перегородка, демонстрационный штатив. Собирают установку, как показано на рисунке 2.16, а. Рабочее поле закрепляют на подвижном штативе вертикально таким образом, чтобы расстояние между верхним краем стакана и рабочим полем было не менее 30 – 40 мм. Это необходимо для того, чтобы поле не мешало вытаскивать теплоизоляционную перегородку из стакана. Датчики температуры, закреплённые в зажимах, устанавливают на рабочем поле вертикально, подключают к разъемам 1 и 2 измерительного блока. Для проведения опыта в одну из половин стакана, разделенного теплоизоляционной перегородкой на два равных объема, наливают горячую, а во вторую − холодную воду. Стакан помещают под рабочим полем и в воду опускают датчики температуры. Чувствительные элементы датчиков должны находиться в центре каждого из объемов. На экране монитора видны две линии, соответствующие температурам холодной и горячей воды (область I, рисунок 2.16, б). Придерживая стакан, быстро удаляют перегородку и наблюдают за изменением температуры в процессе перемешивания жидкости. На экране появятся затухающие колебания температурных кривых (область II, рисунок 2.16, б). После того, как колебания температуры прекратятся, нужно остановить процесс записи. Сравните полученную температуру смеси с расчетной. а б Рисунок 2.16 При анализе кривых следует обратить внимание на то, что процесс перемешивания холодной и горячей воды сопровождается конвекцией, что и вызывает пульсации температуры. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Излучение и поглощение энергии телами с различной окраской поверхности I. Оборудование: манометр демонстрационный, сосуд с водой, два теплоприемника. Первый теплоприемник соедините с левым коленом манометра, а второй – с правым (рисунок 2.17, а). Поднесите их черными сторонами к сосуду с горячей водой, одна половина которого зачернена, другая – белая. Уровень жидкости в колене 1 манометра стал ниже, чем в колене 2, т.е. воздух в теплоприемнике, обращенном к зачерненной поверхности сосуда, нагрелся сильнее. Сделайте соответствующий вывод. Затем к сосуду с горячей водой, вся поверхность которого зачернена, поверните теплоприемники разными сторонами: один – черной, другой – белой (рисунок 2.17, б). Уровень жидкости в колене манометра 1 стал ниже. Сделайте соответствующий вывод. а б Рисунок 2.17 II. Оборудование: компьютерный измерительный блок, датчик температуры (0 – 120 °С) – 2 шт., рабочее поле со стержнями, платы с зажимами – 2 шт., кусочки черной и белой пленки (бумаги), демонстрационный штатив, электрическая лампа (60 – 100 Вт). Экспериментальную установку собирают согласно рисунку 2.18, а. Рабочее поле закрепляют вертикально так, чтобы лампа накаливания могла располагаться сверху или сбоку вплотную к полю. Датчики температуры подключают к разъемам 1 и 2 измерительного блока. Перед проведением опыта входят в меню «Настройка оборудования» и вводят значение комнатной температуры. Предварительно рекомендуется экспериментально проверить, как направлены конвекционные потоки вокруг лампы. Для этого необходимо подержать датчики сначала над, а затем под лампой накаливания на расстоянии 10 – 15 см от неё. Наблюдается резкое различие в температурах под и над лампой, что подтверждает наличие интенсивных конвекционных потоков горячего воздуха. а б БГ П У Рисунок 2.18 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Для проведения опыта датчики закрепляют в платах с зажимами и размещают на рабочем поле. На чувствительный элемент, находящийся в торце одного из датчиков, наклеивают полоску черной бумаги, а на торец второго − белой. Удобно использовать самоклеющийся пластик, для чего необходимо вырезать квадратики 5x5 мм и отделить их от защитного покрытия. Достаточно прикоснуться торцом датчика к клейкой поверхности, чтобы закрепить пластиковый квадратик, как показано на рисунке 2.18, а. Квадратики располагают на равном расстоянии от лампы (2 – 3 см). После запуска режима измерений включают лампу и наблюдают на экране монитора за процессом изменения температуры. После выхода на стационарный уровень температуры наиболее нагретого датчика прекращают измерения. Анализируя характер изменения температуры для разных датчиков (рисунок 2.18, б), делают вывод о характере передачи энергии и зависимости ее поглощения от степени черноты принимающей площадки. III. Оборудование: прибор для демонстрации теплоёмкости различных металлов (прибор Тиндаля); электрическая плитка. Перед началом опыта снимите со стойки прибора Тиндаля обойму с цилиндрами одинаковой массы из разных металлов (латунь, сталь, алюминий) и переверните ее цилиндрами вверх. Проследите за тем, чтобы шайбы на стержнях вошли в отверстия сбрасывающей планки и поместились между планкой и обоймой. Закрепите стержни в этом положении, сдвинув планку. Нагрейте на плитке воду до температуры (90 − 95) оС в жестяной ванне прибора Тиндаля. Погрузите цилиндры в жестяную ванну на 1 – 2 минуты. Пока цилиндры нагреваются, на стойке прибора установите подготовленную заранее парафиновую пластинку, укрепив её в специальных пазах стойки. Снизу под пластинку поместите кювету (для сбора расправленного парафина). Вынутую из кипятка обойму быстро и аккуратно насадите на стойку. Сдвинув планку, одновременно сбросьте цилиндры на парафиновую пластинку так, чтобы основания всех цилиндров точно посередине РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У пластинки. Если какой-либо из них сместится в сторону, то его положение надо быстро поправить с помощью теплоизолирующей палочки (можно воспользоваться карандашом). Проследите за тем, как цилиндры, расплавляя парафин, погружаются в него и останавливаются, когда их температура станет ниже точки плавления парафина (рисунок 2.19). Зафиксируйте результаты опыта. Убедитесь, что глубина погружения цилиндров согласуется с данными таблицы «Удельные теплоемкости некоторых веществ». Рисунок 2.19 IV. Оборудование: компьютерный измерительный блок, пробирка – 2 шт., датчик температуры (0 – 120) оС – 2 шт., металлические образцы – 2 шт., штатив демонстрационный, химический стакан с горячей водой, рабочее поле со стержнями, спирт, масло, плата с зажимами – 2 шт. Установку собирают, как показано на рисунке 2.20, пробирки закрепляют на датчиках температуры с помощью специальных пробок из пористого полиэтилена. Датчики температуры подключают к разъемам 1 и 2, которые находятся на лицевой поверхности блока. Рисунок 2.20 БГ П У Показывают, что от разных источников можно получить разное количество теплоты. Для этого в обе пробирки наливают одинаковое количество воды и опускают датчики температуры. Одну пробирку помещают над пламенем горелки (спиртовки, свечи), другую опускают в сосуд с горячей водой. На экране монитора отчетливо видно, что скорость нагрева воды в пробирках существенно различается, что говорит о разных количествах теплоты, полученных от разных источников нагрева. Затем показывают, что при одинаковых условиях нагрева разные количества воды нагреваются до разных температур. Для этого в пробирки наливают разные порции воды, после чего их погружают в горячую воду на одинаковую глубину (глубина погружения должна быть чуть меньше, чем уровень воды в пробирке с минимальным количеством воды). На экране монитора видно, что температура быстрее меняется в начале опыта в той пробирке, где воды меньше. Через некоторое время (15 – 30 с) пробирки вынимают из воды и слегка встряхивают, чтобы перемешать воду. Разница в температурах доказывает, что одинаковое количество энергии, полученное от горячей воды, нагревает разные количества воды до разной температуры. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Испарение жидкости Оборудование: датчик температуры (до 120 оС), компьютерный измерительный блок, рабочее поле, плата с зажимами, пробирка, фильтровальная бумага, вата, тонкая проволока, демонстрационный штатив, спирт, вода. Подключите датчики температуры к разъемам 1 и 2 измерительного блока. Пред началом эксперимента войдите в меню настройки и введите значение комнатной температуры. Соберите установку как показано на рисунке 2.21, а (при этом один датчик измеряет температуру окружающего воздуха, а другой – температуру смоченного в жидкости кусочка ваты). Для проведения первого опыта вату смочите несколькими каплями спирта и наблюдайте уменьшение температуры. После достижения стационарного состояния заметьте значение температуры. При интенсивном обмахивании ваты можно добиться дальнейшего уменьшения температуры. Объясните наблюдаемое явление, обратив внимание на то, что уменьшение температуры связано с потерей наиболее быстрых частиц жидкости. Покажите, что в ограниченном объеме скорость испарения заметно уменьшается, что сказывается на температуре. Для демонстрации этого эффекта смочите вату на одном из датчиков спиртом. После достижения минимального значения температуры на датчик с ватой поместите пустую пробирку. На экране отчетливо видно, что температура начинает повышаться, однако она не достигает первоначального значения (рисунок 2.21, б). Опыт рекомендуется повторить с водой и на качественном уровне объяснить, что, сравнивая температуру влажного и сухого термометра, можно измерить влажность воздуха в комнате. Когда на датчик помещают РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У пробирку, влажность в объеме возрастает, что приводит к увеличению температуры закрытого датчика по сравнению с температурой открытого датчика. Для закрепления понятия «удельная теплота испарения» рекомендуется проделать эксперимент с испарением различных жидкостей. Для усиления зрительного эффекта две ватки на датчиках смачивают различными жидкостями, например спиртом и водой. На экране отчетливо видно, что охлаждение ваты, смоченной спиртом, происходит интенсивнее, нежели ваты, смоченной водой. Обращают внимание, что различие в температурах связано с силами взаимодействия частиц в различных жидкостях и, соответственно, с разной удельной теплотой испарения. а б Рисунок 2.21 Кипение жидкостей I. Оборудование: термометр, насос воздушный ручной с резиновой трубкой, штатив, колба, пробка резиновая с отверстием и патрубком. Налейте в колбу воду, температура которой 50 – 60 оС, закройте колбу пробкой и подсоедините патрубок к насосу (рисунок 2.22). При откачивании воздуха из колбы, вода закипает, хотя ее температура меньше 100 оС. Если прекратить откачку, то вскоре прекращается и кипение; при возобновлении откачки воздуха вода начинает кипеть вновь. Объясните наблюдаемое явление. Рисунок 2.22 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У II. Оборудование: датчик температуры (до 120 °С), компьютерный измерительный блок, шприц объемом 50 мл, штатив демонстрационный, стакан из термостойкого стекла, пробирка с отводом с пробкой для закрепления датчика температуры, вода, спирт. Для проведения опытов собирают установку как показано на рисунке 2.23, а. В пробирку с отводом наливают спирт, опускают датчик температуры, закрепленный в пробке, и зажимают в держателе. Датчик температуры (до 120 °С) подсоединяют к разъему 1 измерительного блока. К отводу пробирки подсоединяют шприц с вынутым поршнем. Затем пробирку помещают в стакан с горячей водой (tв ≈ 90°С) и наблюдают за изменением температуры спирта в пробирке. Температура плавно растет до некоторого значения (рисунок 2.23, б), после чего её рост прекращается и начинается интенсивное кипение спирта (tкип = 78 °С). Далее демонстрируют зависимость температуры кипения от внешнего давления. а б Рисунок 2.23 Вставляют поршень в шприц, и слегка надавив на поршень, изменяют давление. Кипение прекратится, а датчик зафиксирует повышение температуры спирта. Если вынуть поршень из шприца, в пробирке спирт снова закипит, а температура быстро упадет до температуры кипения при нормальном давлении. Вынимают пробирку из стакана и, перемещая поршень шприца, понижают внешнее давление на поверхность спирта в пробирке. Спирт вскипает при более низкой температуре. Эти два опыта иллюстрируют зависимость температуры кипения от внешнего давления. Для более наглядного представления результатов следует изменить масштаб графика на экране. Сделать это можно в режиме паузы или после остановки записи данных. 2.2.2 Электромагнитные явления Для опытов по теме «Электромагнитные явления» используют комплект электроизмерительных приборов, набор «Электричество − 1» для изучения законов постоянного тока, наборы для демонстрации спектров РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У электрических и магнитных полей, электростатические маятники, электрометры с принадлежностями, наборы магнитов и магнитных стрелок. Набор для демонстраций по физике «Электричество-1» предназначен для постановки демонстрационных опытов при изучении постоянного тока. В комплект входят: модуль для подключения источника тока; модуль резистора на 5 Ом мощностью 5 Вт; модуль резистора на 10 Ом мощностью 5 Вт; модуль биспиральной автомобильной лампы накаливания мощностью 5 и 21 Вт; модуль резистора переменного тока на 10Ом, ток 3 А; модуль рычажного выключателя; модуль выключателя автоматического на ток 3 А; комплект соединительных проводов. Каждый модуль оснащен магнитами, что дает возможность монтировать экспериментальные установки на поверхности классной доски или экрана из набора для демонстрации опытов по статике. Питание электрических цепей осуществляется от регулируемого источника постоянного напряжения 0÷12 В, обеспечивающий ток не менее 0,5 А, например, ИДП или В-24. Измерения тока, напряжения, сопротивления осуществляются с помощью соответствующих демонстрационных измерительных приборов. Набор «Электричество − 1» используют для проведения следующих экспериментов: составление электрической цепи; измерение силы тока амперметром; измерение напряжения вольтметром; зависимость силы тока от напряжения; зависимость силы тока от сопротивления; измерение сопротивлений; устройство переменного резистора (реостат); последовательное соединение проводников; параллельное соединение проводников; нагревание проводника электрическим током; определение мощности электрического тока; действие плавкого предохранителя. Электризация различных тел Оборудование: маятники электростатические на изолирующих штативах, палочки из стекла и эбонита, куски шёлка и меха, электроскопы, электрометры, металлическая трубка на изолирующей ручке, кусок листовой резины. Наэлектризованную трением о шёлк палочку из стекла подносят к станиолевой гильзе электростатического маятника (рисунок 2.24, а). Гильза сначала притягивается к палочке, но коснувшись ее, отскакивает и удерживается на некотором расстоянии от палочки. Это свидетельствует, что при соприкосновении часть заряда с палочки переходит на гильзу, после чего возникает взаимодействие двух заряженных тел, которое проявляется во взаимном отталкивании. Тем же способом заряжают второй маятник и показывают их взаимное отталкивание, сдвигая штативы маятников и сближая точки подвеса нитей (рисунок 2.24, б). После этого один из маятников заряжают палочкой из стекла, потертой о шелк, а другой – палочкой из эбонита, потертой о мех. Сближают маятники, не давая им соприкасаться, и наблюдают притяжение (рисунок 2.24, в). Раздвинув маятники, подносят то к одному, то к другому маятнику заряженную палочку и наблюдают в одном случае притяжение, а в другом – отталкивание. а б Рисунок 2.24 в РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Подвешивают на шелковой нити наэлектризованную стеклянную палочку В (рисунок 2.25, а). Подносят к ней наэлектризованную эбонитовую палочку А. Стеклянная палочка В к ней притягивается. Если поднести к стеклянной палочке еще одну стеклянную палочку С, то палочка В уже отталкивается (рисунок 2.25, б). Объясните наблюдаемое явление. а б Рисунок 2.25 Электроскоп и электрометр – это приборы для оценки и сравнения величины электрического заряда. При передаче шарику электроскопа положительного или отрицательного заряда этим зарядом заряжаются листочки А и В (рисунок 2.26, а). Одноименно заряженные листочки отклоняются на некоторый угол, тем больший, чем больше переданный листочкам электроскопа заряд. Рисунок 2.26 Заряд, сообщенный шару, закрепленному на стержне электрометра (рисунок 2.26, б), а, следовательно, стержню и стрелке прибора, вызывает отталкивание стрелки D от заряженного стержня С. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале Е. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Электризация через влияние Подносят к шарику незаряженного электроскопа, не касаясь его, наэлектризованную палочку. Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда (рисунок 2.27, а). После того, как убирают палочку, листочки спадают (рисунок 2.27, б). Следовательно, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешел через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. а Рисунок 2.27 б Если поднести наэлектризованную палочку к одному из двух электроскопов, соединенных проводящей перемычкой, то оба электроскопа фиксируют появление заряда (рисунок 2.28, а). Не отдаляя палочки, убирают сначала перемычку, а потом и палочку. Заряды остаются на обоих приборах (рисунок 2.28, б). Затем убеждаются, что модули этих зарядов равны, а их знаки противоположны (рисунок 2.28, в). а б Рисунок 2.28 в Проводники и диэлектрики Оборудование: электроскоп, стекло, резина, пластмасса, металл. Берут два электроскопа, один из которых заряжают. Используя перемычки из различных веществ, убеждаются, что через перемычку из стекла (рисунок 2.29, а), резины и пластмассы заряд с одного электроскопа на другой не переходит. а б Рисунок 2.29 БГ П У Если соединить электроскопы металлической перемычкой, часть электрического заряда переходит ко второму прибору (рисунок 2.29, б). Сделайте соответствующий вывод. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Действия электрического тока. Источники тока Оборудование: электрометр, металлический проводник, электрофорная машина, угольные электроды, железный стержень. Наэлектризуем шар, укрепленный на стержне электрометра (рисунок 2.30, а), коснемся шара пальцем (рисунок 2.30, б). Заряд уходит с шара через наше тело в землю. Теперь коснемся заряженного шара металлическим проводником с неоновой лампочкой (рисунок 2.31, а). Видна кратковременная вспышка лампочки, то есть через лампочку прошел электрический ток. Для длительного существования тока в проводнике используют источники тока, например электрофорную машину (рисунок 2.31, б). Обращают внимание, что неоновая лампочка будет гореть до тех пор, пока вращаются диски. а б Рисунок 2.30 а б Рисунок 2.31 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается, в этом проявляется тепловое действие тока. Это хорошо видно по провисанию металлической проволоки при пропускании через нее тока (рисунок 2.32, а). Тепловое действие наблюдается при прохождении тока в жидкостях. Опустим в стакан с раствором медного купороса два угольных электрода и замкнём цепь (рисунок 2.32, б). Уже через 20 – 30 с термометр покажет увеличение температуры раствора. После 2 − 3 мин прохождения тока через раствор наблюдаем изменение цвета электродов. Это означает, что электрический ток произвел химическое действие. Для наблюдения магнитного действия тока обматывают изолированной проволокой железный стержень и пропускают по такой катушке ток (рисунок 2.32, в). Подносят ее к маленьким железным предметам (гвоздям, шурупам, гайкам и т.д.). Катушка с током притягивает железные предметы. В этом проявляется магнитное действие электрического тока. а б Рисунок 2.32 в Зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и сопротивления этого участка I. Оборудование: амперметр демонстрационный, вольтметр демонстрационный, магазин сопротивлений, источник постоянного тока демонстрационный ИПД−1 или выпрямитель В-24М, реостат со скользящим контактом, ключ демонстрационный, провода соединительные. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 2.33 а, и измерьте силу тока на участке цепи, содержащим магазин сопротивлений, установив штекеры так, чтобы сопротивление магазина составляло 4 Ом. Изменяя напряжение на исследуемом участке цепи ручкой плавной регулировки напряжения, расположенной на передней панели источника постоянного тока, измерьте значение напряжения U на резисторе R и соответствующее им значение силы тока I. Результат измерений занесите в таблицу 2.1. б БГ П У а Рисунок 2.33 U, В I, А РЕ П О ЗИ ТО РИ Й R, Ом Таблица 2.1 Постройте график зависимости силы тока от напряжения на концах исследуемого участка цепи. На основании полученных данных сделайте вывод. Измерьте силу тока на участке цепи, содержащем магазин сопротивлений при различных значениях его сопротивления R, поддерживая напряжение на исследуемом участке цепи постоянным (рисунок 2.33, б). Результаты измерений занесите в таблицу 2.2. Проведите измерения при другом значении сопротивления магазина, постройте график зависимостей I=f(U). Сделайте вывод. Таблица 2.2 U,В R, Ом I, А Проведите измерения при другом значении напряжения источника постоянного тока, постройте график зависимости I=f(R). Сделайте вывод. II. Оборудование: набор для демонстрации по физике «Электричество1». Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 2.34. Постоянство приложенного к участку цепи напряжения (при смене резистора) обеспечивают изменением выходного напряжения источника питания, не превышая 4 В, и подстройкой с помощью реостата. Перед замыканием электрической цепи ползунок реостата выведите в среднее положение. Рисунок 2.34 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Напряжение на резисторе R измеряют вольтметром, а силу тока I, протекающего через него, − амперметром. В качестве резистора R используют сначала резистор сопротивлением 5 Ом, затем − 10 Ом, затем оба, соединяя их последовательно (15 Ом). С помощью реостата в каждом опыте на резисторе выставляйте напряжение 3 В. Результаты измерений занесите в таблицу 2.3. Постройте график зависимости силы тока в проводнике от его сопротивления, сделайте вывод о зависимости силы тока от его сопротивления. Таблица 2.3 R, Ом 5 10 15 I, А Для демонстраций зависимости силы тока от напряжения собирают электрическую цепь (рисунок 2.35). Рисунок 2.35 Силу тока I в цепи измеряют амперметром. Напряжение U, приложенное к резистору сопротивлением 10 Ом, измеряют вольтметром. При проведении опыта величину напряжения на резисторе изменяют путем регулировки напряжения на выходе источника питания и плавно подстраивают с помощью реостата в цепи. Результаты измерений занесите в таблицу 2.4. Постройте график зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении, сделайте вывод о характере полученной зависимости. Таблица 2.4 U, В 2 4 6 8 10 I, А РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Зависимость сопротивления проводников от их длины, площади поперечного сечения и рода вещества Оборудование: панель с исследуемыми проводниками, источник тока, мультиметр демонстрационный, провода соединительные. На панели укреплены 3 проводника из нихрома: АС имеет отвод от середины (клемма В), два других нихромовых проводника сложены вместе и включены в между точками А1 и D. Четвертый проводник из железа включен между точками А2 и Е. Все четыре проводника имеют равные длину и площадь поперечного сечения (рисунок 2.36). Включают в цепь сначала весь проводник (цепь замыкают в точке С), а затем половину этого проводника (контакт переносится в точку В) и измеряют сопротивление (силу тока). Делают вывод о зависимости сопротивления проводника от его длины. Далее подключают к источнику тока проводник А1D, измеряют сопротивление (силу тока) и делают вывод о зависимости сопротивления проводника от площади его поперечного сечения. Затем сравнивают сопротивление (силы тока) проводников одинаковых размеров, но из различных веществ: нихром (АС) и железо (А2Е), и делают вывод о зависимости сопротивления проводника от рода вещества. Рисунок 2.36 Магнитное поле тока Оборудование: стрелка магнитная демонстрационная на подставке, реостат со скользящим контактом, источник тока, провода соединительные, магниты прямые. Собирают установку согласно рисунку 2.37. Провод АВ должен быть такой длины, чтобы его можно было, слегка сгибая и выправляя в тех или иных местах, расположить горизонтально над стрелкой. а б Рисунок 2.37 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Вначале проводник АВ располагают по направлению стрелки компаса (рисунок 2.37, а) и включают ток. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику АВ (рисунок 2.37, б). Это свидетельствует о появлении магнитного поля вокруг проводника с током. Изменив направление тока в проводнике АВ на противоположное, опишите наблюдаемое явление и сделайте выводы из проведенных исследований, которые графически могут быть представлены в следующем виде (рисунок 2.38). Рисунок 2.38 Магнитное поле проводника с током Оборудование: набор для демонстрации спектров магнитного поля тока, источник тока типа В-24. Набор состоит из трех прозрачных планшетов с вязкой прозрачной жидкостью с мелким магнитным порошком, на которых смонтированы модели прямого, кольцеобразного проводников и катушка (рисунок 2.39). Для получения качественных спектров каждого вида тока необходимо: 1. Встряхнуть планшет так, чтобы магнитный порошок равномерно распределился в жидкости по всему объему. 2. Подключить к клеммам планшета источник постоянного тока. Сила тока в моделях не должна превышать 5 А во избежание нагрева пластмассовых деталей. Под действием магнитного поля электрического тока порошок располагается вдоль линий магнитной индукции и образует наглядную картину спектра. Рисунок 2.39 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 2.2.3 Световые явления Для проведения опытов по теме «Световые явления» используют либо «Прибор по геометрической оптике» (диск оптический с принадлежностями), либо демонстрационный набор «Геометрическая оптика». Прибор по геометрической оптике состоит из подставки со стойкой, осветителя, двух экранов – дискового и прямоугольного, комплекта прозрачных моделей оптических объектов: плоскопараллельная и полуцилиндрическая пластинки, призма, линзы, плоское, выпуклое и вогнутое зеркала, светофильтры. Дисковой экран имеет белую матовую поверхность с градусной шкалой. Оптические элементы крепятся к экрану пружинными держателями. Основной частью прибора является осветитель, который состоит из цилиндрического корпуса, в котором находится электрическая лампочка и однолинзовый конденсатор. В пазы нижней части осветителя вставлена обойма с пятью щелями, четыре неподвижных и четыре вращающихся плоских зеркала. Лучи света из конденсорной линзы проходят через щели и, отражаясь от зеркал, дают пять узких пучков света, которые вращением зеркал можно направить на экран в любом направлении, если для опыта требуется только один средний луч, зеркала поворачивают на 90°. Четкого изображения лучей на экране добиваются подбором положения лампы в корпусе осветителя, вращая, опуская или поднимая электропатрон, устанавливая лампочку так, чтобы ее нить накала была параллельна щелям и находилась в фокальной плоскости конденсорной линзы. Зеркальное и диффузное отражение света Оборудование: прибор по геометрической оптике или набор «Геометрическая оптика», источник постоянного тока на 12 В. На оптическом диске (рисунок 2.40), представляющем круг с делениями, укрепите плоское зеркало так, чтобы его отражающая поверхность совпадала с горизонтальной осью экрана. При этом вертикальная ось экрана является перпендикуляром, восстановленным к плоскости зеркала в точке падения луча. Направьте из осветителя на зеркало только средний луч света АО. От зеркала световой луч АО практически полностью отразится (луч ОВ). Опустите в точку падения луча АО перпендикуляр СО к поверхности зеркала. БГ П У Рисунок 2.40 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Сравните значения углов падения α (образован падающим лучом и перпендикуляром) и отражения γ (образован отраженным лучом и тем же перпендикуляром) и сделайте вывод. Изменяя угол падения α (рисунок 2.41, а), покажите, что по-прежнему γ =α. а б Рисунок 2.41 То, что на оптическом диске виден не только падающий, но и отраженный лучи, свидетельствует о том, что оба луча лежат в одной плоскости (плоскости диска). Если направить луч света вдоль отраженного луча (рисунок 2.41, б), то он, отразившись от зеркала, пойдет по направлению падающего луча. Это позволяет сделать вывод о том, что световые лучи обладают свойством обратимости. Для демонстрации отражения от плоского зеркала двух непараллельных лучей гасят средний луч, а два боковых луча направляют на зеркало. Точку пересечения луча рассматривают как светящуюся точку, от которой на зеркало падают расходящиеся лучи. В этом случае место мнимого изображения точки представляется как пересечение лучей, что можно показать узкими полосками плотной бумаги, подложенной под зеркало. Возьмем зеркальную и матовую пластинки. После отражения от зеркальной пластинки (рисунок 2.42, а) свет попадает в глаз только тогда, когда глаз находится в положении 2. Если он будет находиться в положениях 1 или 3, то зеркала не будет видно, то есть отраженные лучи в глаз не попадут. В случае матовой пластинки, падающие на нее лучи света отражаются в различных направлениях (рисунок 2.42, б), поэтому поверхность пластинки видна при любом положении глаза. БГ П У Рисунок 2.42 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Изображение в плоском зеркале Оборудование: плоское зеркало или стеклянная пластинка, две свечи, линейка, черный экран. На столе, на фоне черного экрана располагают вертикально стеклянную пластинку, выполняющую роль плоского зеркала, и зажженную свечу 1 (рисунок 2.38). В стекле хорошо видно изображение 2 свечи. При выполнении опыта вместо свечей можно использовать две электрические лампочки. По линейке определяют расстояние l1, от пластинки до зажженной свечи и расстояние l2 – от пластинки до ее изображения. При проведении опыта целесообразно оставить на линейке метки, указывающие положения стеклянной пластинки и обеих свечей. Рисунок 2.43 Сравнивают расстояния, размеры предмета и изображения. Делают вывод о том, что размеры предмета и его изображения в плоском зеркале одинаковые, а расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до его мнимого изображения. Преломление света Оборудование: прибор по геометрической оптике или набор «Геометрическая оптика», источник постоянного тока на 12 В. В центре оптического диска закрепляют стеклянный полуцилиндр (рисунок 2.39), направляют на него узкий пучок света (луч АО). Луч ОЕ − преломленный луч. БГ П У Рисунок 2.44 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Сравнивая углы падения и преломления, отмечают, что угол преломления меньше угла падения. Увеличивая угол падения, отмечают, что угол преломления также увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения. Линзы. Ход лучей в линзах I. Оборудование: прибор по геометрической оптике или набор «Геометрическая оптика», источник постоянного тока на 12 В. Направляем на двояковыпуклую (рисунок 2.45, а) линзу параллельно главной оптической оси лучи света. После преломления в линзе они пересекают главную оптическую ось в одной точке F, которую называют главной фокусом линзы. При замене линзы на двояковогнутую (рисунок 2.45, б) лучи после линзы расходятся, а центральный луч, как и в первом случае, не испытывает преломления. Точку, проходя через которую луч не меняет своего направления, называют оптическим центром линзы. Расстояние от оптического центра до главного фокуса называют фокусным расстоянием. Величина, обратная фокусному расстоянию, является оптической силой линзы. Отмечают, что линзы меняют направление падающих на них лучей после преломления, за исключением тех, которые проходят через оптический центр. Обращают внимание, что у собирающей линзы в фокусе пересекаются преломленные лучи, у рассеивающей линзы − продолжения преломленных лучей. а б Рисунок 2.45 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У II. Оборудование: двояковыпуклая линза, свеча, экран. Двояковыпуклую линзу из набора линз и зеркал закрепляют в держателе. В качестве изображаемого предмета используют горящую свечу. Линзу помещают между свечей и экраном. В зависимости от взаимного расположения линзы, свечи и экрана может быть получено увеличенное или уменьшенное действительное обратное изображение свечи (рисунок 2.46). В этом опыте использовать осветительную лампу не следует, так как по изображению нити накала трудно судить, какое получено изображение: прямое или обратное. Рисунок 2.46 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 2.3 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 9» 2.3.1 Основы кинематики Относительность траектории Тело, относительно которого рассматривают движение других объектов, называют телом отсчета. Тело отсчета условно принимают за неподвижное. Если в приведенном примере за тело отсчета принята Земля, то самолет и его пассажиры – движущиеся объекты. Если за тело отсчета принят самолет, то сидящие в креслах пассажиры находятся в состоянии покоя, а Земля – в состоянии движения. Понятия или величины, зависящие от выбора тела отсчета, называют относительными. Рассмотрим пример. Пассажир находится в вагоне поезда, движущегося с постоянной скоростью по прямолинейному участку дороги. Проследим за траекторией движения падающего с верхней полки тела. Относительно пассажиров в вагоне поезда траектория тела – это вертикальная прямая AB (рисунок 3.1). Траектория тела относительно человека, стоящего на платформе, мимо которого проезжает поезд – это линия AC. Относительно платформы движение тела криволинейное. Следовательно, траектория движения тела – понятие относительное. Рисунок 3.1 Понятия покоя и движения и основные характеристики движения являются относительными. Они зависят от выбора тела отсчета. Тело отсчета, снабженное устройствами для определения положения других тел и для измерения времени, называют системой отсчета. Равномерное движение Движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения, называют равномерным прямолинейным движением. Для характеристики движения и его направления вводят понятие скорости как векторную величину, равную отношению перемещения к промежутку времени: ⃗ ⃗ . (3.1) Скоростью равномерного прямолинейного движения называют векторную физическую величину, модуль которой численно равен модулю перемещения за единицу времени, а направление совпадает с направлением перемещения. Для равномерно и прямолинейно движущегося тела из формулы (3.1) можно найти: • перемещение: ⃗ ⃗ ; (3.2) • проекцию перемещения на ось ОХ: ; (3.3) • путь s (равный модулю перемещения Δr): . (3.4) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Неравномерное движение Неравномерное движение может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Неравномерное движение характеризуют средней скоростью. Различают среднюю скорость пути ⟨ ⟩ и среднюю скорость перемещения ⟨ ⃗⟩ автомобиля. Среднюю скорость пути определяется как ⟨ ⟩ . (3.5) Среднюю же скорость перемещения определяют как ⃗ ⟨ ⃗⟩ . (3.6) Средняя скорость перемещения неравномерного движения равна скорости такого равномерного прямолинейного движения, при котором тело совершило такое же перемещение за тот же промежуток времени. Равноускоренное движение Ускорение – это физическая векторная величина, модуль которой численно равен модулю изменения скорости за единицу времени, а направление совпадает с направлением вектора изменения скорости: ⃗ ⃗⃗ . Единицей ускорения в СИ является 1 (3.7) – ускорение прямолинейно движущегося тела, модуль скорости которого изменяется на 1 за секунду. При прямолинейном движении ускорение ⃗ направлено либо по скорости (если ее модуль растет), либо противоположно скорости (если ее модуль убывает). Самым простым из всех неравномерных движений является прямолинейное движение с постоянным ускорением. Если при таком движении модуль скорости увеличивается, то его называют равноускоренным, если уменьшается – равнозамедленным. При движении с постоянным ускорением ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (3.8) Проекция ускорения на любую ось, например на координатную ось ОХ, постоянна и равна: . (3.9) . БГ П У Зависимость координаты движущегося тела от времени называют кинематическим законом движения. Кинематический закон равномерного прямолинейного движения состоит в том, что координата тела линейно зависит от времени. Это следует из формулы (3.10) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Согласно этой формуле проекция скорости на ось ОХ: при равномерном прямолинейном движении проекция скорости на координатную ось численно равна изменению координаты движущегося тела за единицу времени. Движение тела по окружности Рассмотрим материальную точку (или тело, которое можно принять за материальную точку), движущуюся по окружности радиусом R. Будем задавать положение этой точки с помощью вектора ⃗⃗ . Его начало совпадает с центром окружности, а конец находится там, где расположена материальная точка в данный момент времени. Вектор ⃗⃗ называют радиус-вектором. На рисунке 3.2 радиус-вектор ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ характеризует положение движущейся точки в момент времени t0 , а радиус-вектор ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ – в момент времени t. При движении точки по окружности ее радиус-вектор непрерывно поворачивается – совершает вращательное движение. Например, если за время Δt движущаяся точка переместится по окружности из точки А в точку В (рисунок. 3.2), то за это время ее радиус-вектор повернется на угол Δφ. В СИ угол поворота измеряется в радианах (сокращенно – рад). Угол в 1 рад – это центральный угол, длина l дуги которого равна радиусу R окружности (рисунок 3.2, угол COD). Значение любого угла в радианах равно отношению длины дуги к радиусу окружности: (3.11) Рисунок 3.2 БГ П У Быстроту вращательного движения характеризуют угловой скоростью. Ее обозначают буквой ω (омега). При равномерном вращении угловая скорость определяется как величина, численно равная углу поворота радиус-вектора за единицу времени: РЕ П О ЗИ ТО РИ Й . (3.12) Единицей угловой скорости в СИ является 1 радиан в секунду . Угловая скорость материальной точки при равномерном вращении остается постоянной. Формула (3.13) выражает связь скорости движущейся по окружности материальной точки (ее называют линейной скоростью), и угловой скорости вращения ее радиус-вектора. . (3.13) Важной характеристикой движения по окружности со скоростью, модуль которой постоянен, является период обращения. Он равен времени, за которое материальная точка проходит полный оборот по окружности. За время, равное периоду, радиус-вектор поворачивается на угол . Значит, согласно формуле (3.12) угловая скорость равномерного вращения: . (3.14) С периодом и угловой скоростью связана частота обращения. Частотой обращения называют величину, численно равную числу оборотов, совершенных за единицу времени: . (3.15) Единицей частоты в СИ является единица в секунду формул (3.14) и (3.15) находим: ω=2πν. или с−1. Из (3.16) БГ П У 2.3.2 Основы динамики Проявление инерции Для того чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно, не требуется действия сил. Любое тело обладает свойством сохранять свою скорость постоянной, если на него не действуют силы (двигаться по инерции). Тело, на которое не действуют силы (или действующие силы компенсируют друг друга), называют свободным. Системы отсчета, в которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно, называют инерциальными, а те, относительно которых свободные тела движутся с ускорением, – неинерциальными. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Сравнение масс двух тел по их взаимодействию Сравнить массы двух тел можно разными способами. 2. Сравнение масс тел путем взвешивания на весах , где (3.17) F – сила притяжения к Земле взвешиваемого тела, Fэт – сила притяжения к Земле эталона. 2. Сравнение масс по инертности тел Любое тело обладает свойством двигаться по инерции, сохраняя свою скорость неизменной, пока на это тело не подействуют силы. При этом одни тела легче разогнать (а разогнав, остановить), а другие – труднее. Для разгона или остановки груженой тележки на нее следует действовать гораздо большей силой (или гораздо дольше), чем на порожнюю. Груженая тележка более инертна. Проведем опыт. Поставим на горизонтальную поверхность две тележки разной массы (m1>m2), способные катиться почти без трения. Сообщим тележкам одинаковые ускорения. Для этого на тележку 1 придется подействовать силой, большей, чем на тележку 2. Первая тележка во столько раз инертнее второй, во сколько раз модуль силы F1 больше, чем F2. Для массы как меры инертности получится такая же пропорция, как и при взвешивании: (3.18) Второй закон Ньютона Ускорение, приобретаемое телом под действием приложенных к нему сил, направлено по результирующей этих сил. Модуль ускорения прямо пропорционален модулю результирующей силы и обратно пропорционален массе тела. Это основной закон динамики – второй закон Ньютона. Его математическим выражением является векторное равенство: ⃗ ⃗ . (3.19) Формула (3.19) подчеркивает, что сила является причиной, а ускорение – следствием. Равенство (3.19), представленное в виде ⃗ ⃗, (3.20) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У показывает, как по массе m и ускорению ⃗⃗⃗⃗ (следствию) найти результирующую силу ⃗ (причину ускорения). При использовании формул (3.19) и (3.20) следует иметь в виду, что ⃗ – это векторная сумма всех сил, приложенных к рассматриваемому телу: ⃗ ⃗ ⃗ ⃗. Третий закон Ньютона Cилы, с которыми тела действуют друг на друга, лежат на одной прямой, имеют противоположные направления и равные модули: ⃗ ⃗ Это утверждение справедливо для тел любых масс, размеров, формы и состава вещества. Оно носит название третьего закона Ньютона. Силы взаимодействия приложены к разным телам ( ⃗ – к телу 2, ⃗ – к телу 1). Поэтому они не могут компенсировать (уравновесить) друг друга. Силы взаимодействия всегда имеют одинаковое «происхождение» (например, обе являются электрическими силами или обе – гравитационными). Зависимость силы упругости от деформации тела Изменение размеров или (и) формы тела называют деформацией тела. Деформация происходит в результате перемещения одних частей тела относительно других. Различают такие деформации, как сжатие-растяжение, сдвиг, изгиб, кручение. Все виды деформаций возникают под действием приложенных к телу внешних сил. Если после прекращения действия силы размеры и форма тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой. Если же восстановление не будет полным, то деформацию называют неупругой или пластической. При упругих деформациях сжатия и растяжения модуль силы упругости прямо пропорционален модулю изменения длины тела: | | (3.21) Это утверждение носит название закона Гука. называют жесткостью тела. Коэффициент пропорциональности | | . (3.22) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й | | БГ П У Жесткость тела численно равна модулю силы упругости, возникающей при удлинении или сжатии тела на единицу длины. В СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр. Жесткость тела зависит от материала, из которого оно изготовлено, от формы и размеров тела, от его температуры. Жесткость тела постоянного сечения (шнура, проволоки и т. д.) прямо пропорциональна площади его сечения и обратно пропорциональна длине тела. С помощью закона Гука можно найти изменение размеров тела под действием внешней силы: Формула (3.22) следует из формулы (3.21), так как при равновесии модули сил упругости и внешней силы равны. Изучение силы трения Если одно тело скользит по поверхности другого, то движению препятствует сила трения скольжения, если катится – сила трения качения. Модуль силы трения скольжения прямо пропорционален модулю силы давления: . (3.23) Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент μ зависит от материалов трущихся тел и от состояния соприкасающихся поверхностей. Сила давления ⃗ вызывает ответную силу ⃗⃗. Сила ⃗⃗ приложена к бруску и является нормальной составляющей силы реакции опоры, так как направлена по нормали (т. е. перпендикулярно) к ее поверхности. Модули этих сил показывают, насколько сильно трущиеся поверхности прижаты друг к другу. Поэтому вместо равенства (3.23) часто используют формулу Fтр = μ N. (3.24) Сила трения не зависит от площади контакта трущихся тел. Сила трения скольжения направлена противоположно скорости тела относительно поверхности, по которой оно движется. Движение тел в поле силы тяжести Движение тела, на которое действует только сила тяжести, называют свободным падением. Современные, имеющие высокую точность эксперименты подтверждают: ускорения всех свободно падающих тел в данном месте одинаковы. Применим второй закон Ньютона и учтем, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела. . (3.25) . БГ П У Модуль ускорения свободного падения с учетом зависимости (3.25): (3.26) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Это доказывает, что модуль ускорения свободного падения для всех тел одинаков, и коэффициент g в формуле (3.25) равен модулю ускорения свободного падения. При этом ускорение свободного падения направлено так же, как сила тяжести ⃗ – вертикально вниз. Значение характеризует ускорение свободного падения на средних географических широтах. Свободно падающее тело участвует одновременно в двух движениях: в движении по вертикали с постоянным ускорением и в равномерном движении по горизонтали. 2.3.3 Законы сохранения Закон сохранения импульса Произведение массы тела на скорость его движения называют импульсом тела. Импульс тела обозначается символом ⃗⃗: ⃗⃗ ⃗. (3.27) Импульс системы тел сохраняется, если сумма внешних сил, ⃗⃗ , где ⃗⃗ действующих на нее, равна нулю, ⃗⃗ – начальный импульс системы; ⃗⃗ – импульс в конце промежутка времени. Система тел, на которую не действуют внешние тела, называют замкнутой (изолированной) системой. Таким образом, импульс любой замкнутой системы всегда сохраняется. Взаимные превращения механической энергии Чтобы охарактеризовать количественно способность сил взаимодействия механической системы совершать работу, вводят физическую величину, называемую потенциальной энергией. Eп = mgh. (3.28) Если работа внешней силы положительна, то потенциальная энергия системы увеличивается: (3.29) БГ П У Если работа сил взаимодействия положительна, то потенциальная энергия уменьшается: (3.30) РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Для того чтобы механическая система обладала потенциальной энергией, работа сил взаимодействия тел системы должна не зависеть от способа перехода системы из начального состояния в конечное. Кинетическая энергия характеризует способность движущегося тела совершать работу. Кинетическую энергию определяют как величину, равную работе, которую необходимо совершить, чтобы разогнать тело из состояния покоя до данной скорости: (3.31) Кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы на квадрат модуля скорости его движения: . (3.32) А так же, кинетическая энергия – величина скалярная. Она зависит от модуля скорости, но не зависит от ее направления. Работа сил, приложенных к телу, идет на изменение кинетической энергии тела: (3.33) Формула (3.33) выражает теорему об изменении кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела за определенный промежуток времени РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У равно работе результирующей всех сил, приложенных к нему, совершенной за это время. Полная энергия системы складывается из кинетической и потенциальной энергии входящих в нее тел и суммы внутренних энергий тел системы. III. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ УМК ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТОДИКА И ТЕХНИКА УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРЕМЕНТА» РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 3.1 Критерии оценки знаний и компетенций студентов 10 (десять) баллов, зачтено: систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине, а также по основным вопросам, выходящим за ее пределы; точное использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы; безупречное владение инструментарием учебной дисциплины, умение его эффективно использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; выраженная способность самостоятельно и творчески решать сложные проблемы в нестандартной ситуации; полное и глубокое усвоение основной и дополнительной литературы, по изучаемой учебной дисциплине; умение свободно ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им аналитическую оценку, использовать научные достижения других дисциплин; творческая самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, активное творческое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. 9 (девять) баллов, зачтено: систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; точное использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его эффективно использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач. способность самостоятельно и творчески решать сложные проблемы в нестандартной ситуации в рамках учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; полное усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; умение ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им аналитическую оценку; систематическая, активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, творческое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. 8 (восемь) баллов, зачтено: РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине в объеме учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обоснованные выводы и обобщения; владение инструментарием учебной дисциплины (методами комплексного анализа, техникой информационных технологий), умение его использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; способность самостоятельно решать сложные проблемы в рамках учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; умение ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им аналитическую оценку; активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, систематическое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. 7 (семь) баллов, зачтено: систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обоснованные выводы и обобщения; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; свободное владение типовыми решениями в рамках учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; умение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им аналитическую оценку; самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. 6 (шесть) баллов, зачтено: достаточно полные и систематизированные знания в объеме учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование необходимой научной терминологии, грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обобщения и обоснованные выводы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении учебных и профессиональных задач; способность самостоятельно применять типовые решения в рамках учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; умение ориентироваться в базовых теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им сравнительную оценку; активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, периодическое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 5 (пять) баллов, зачтено: достаточные знания в объеме учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование научной терминологии, грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать выводы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении учебных и профессиональных задач; способность самостоятельно применять типовые решения в рамках учебной программы учреждения высшего образования по учебной дисциплине; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; умение ориентироваться в базовых теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им сравнительную оценку; самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, фрагментарное участие в групповых обсуждениях, достаточный уровень культуры исполнения заданий. 4 (четыре) балла, зачтено: достаточный объем знаний в рамках образовательного стандарта высшего образования; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование научной терминологии, логическое изложение ответа на вопросы, умение делать выводы без существенных ошибок; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении стандартных (типовых) задач; умение под руководством преподавателя решать стандартные (типовые) задачи; умение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях по изучаемой учебной дисциплине и давать им оценку; работа под руководством преподавателя на практических, лабораторных занятиях, допустимый уровень культуры исполнения заданий. 3 (три) балла, не зачтено: недостаточно полный объем знаний в рамках образовательного стандарта высшего образования; знание части основной литературы, рекомендованной учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; использование научной терминологии, изложение ответа на вопросы с существенными, логическими ошибками; слабое владение инструментарием учебной дисциплины, некомпетентность в решении стандартных (типовых) задач; неумение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях изучаемой учебной дисциплины; пассивность на практических и лабораторных занятиях, низкий уровень культуры исполнения заданий. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 2 (два) балла, не зачтено: фрагментарные знания в рамках образовательного стандарта высшего образования; знания отдельных литературных источников, рекомендованных учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине; неумение использовать научную терминологию учебной дисциплины, наличие в ответе грубых, логических ошибок; пассивность на практических и лабораторных занятиях, низкий уровень культуры исполнения заданий. 1 (один) балл, не зачтено: отсутствие знаний и (компетенций) в рамках образовательного стандарта высшего образования, отказ от ответа, неявка на аттестацию без уважительной причины. БГ П У 3.2 Перечень вопросов к зачету по учебной дисциплине «Методика и техника учебного физического эксперимента» 3.2.1. Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 7» Механическое движение и взаимодействие тел Относительность движения Контрольные вопросы 1. Как понимать выражение, что механическое движение относительно? 2. Что понимают под телом отсчета? 3. Почему не имеет смысла говорить о движении тела, не указав тело отсчета? 4. Предложите другие варианты демонстрации относительности механического движения? 5. Почему капли дождя в безветренную погоду оставляют на боковых стеклах стоящего автомобиля вертикальные следы, а на стеклах движущегося – наклонные? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Равнодействующая сил, направленных по одной прямой Контрольные вопросы 1. Что понимают под равнодействующей силой? 2. Как находят равнодействующую двух сил, если они: а) направлены в одну сторону; б) направлены в противоположные стороны? 3. Сравните значения силы тяги и силы сопротивления, действующих на движущийся автобус в режимах: а) разгона; б) равномерного прямолинейного движения; в) торможения. Чему равна и куда направлена равнодействующая этих сил при движении автобуса в каждом режиме? Силы трения покоя, скольжения, качения Контрольные вопросы 1. Как возникает сила трения скольжения и чем она обусловлена? 2. Как направлена сила трения скольжения? 3. Что общего у силы трения скольжения и силы упругости? 4. От чего зависит сила трения скольжения? Измерение силы трения качения Контрольные вопросы 1. Когда возникает сила трения покоя? Как она направлена? 2. Почему силе трения покоя нельзя записать постоянное значение? Работа и мощность. Энергия. Простые механизмы Работа сил при перемещении тела Контрольные вопросы 1. Всякая ли сила совершает работу? 2. Почему работа силы трения скольжения всегда отрицательна? 3. Может ли сила F=1 Н совершить на пути s=1 м работу А≠1 Дж? 4. Может ли совершать работу сила трения покоя? Устройство и действие рычагов. Правило моментов Контрольные вопросы 1. В чем различие рычагов первого и второго рода? 2. Сформулируйте «золотое правило» механики. 3. Объясните смысл физического понятия «плечо силы». 4. Как находится момент силы? 5. Может ли приложенная к телу сила иметь равный нулю момент? Когда? 6. При каких условиях рычаг находится в равновесии? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Устройство и действие неподвижного и подвижного блоков Контрольные вопросы 1. Какой выигрыш дает в силе подвижный блок? 2. Как относятся плечи сил в подвижном блоке? 3. Каково назначение неподвижного блока? 4. Объясните, почему модуль силы тяжести, которая действует на разновес, должен быть равен показаниям динамометра? 5. Каково назначение неподвижного блока? 6. Сформулируйте «золотое» правило механики. Давление твердых тел, газов и жидкостей Давление воздуха в резиновом шаре Контрольные вопросы 1. Вследствие чего возникает давление газа? 2. Как и почему меняется давление газа при изменении его объема? 3. Почему баллоны с газом всегда рекомендуют хранить под навесом? Передача внешнего давления жидкостями и газами Контрольные вопросы 1. Каким общим свойством обладают жидкости и газы? 2. Почему газы, жидкости и твердые тела неодинаково передают производимое на них давление? 3. Сформулируйте закон Паскаля. Давление жидкости, обусловленное ее весом Контрольные вопросы 1. От каких величин зависит гидростатическое давление? 2. Почему гидростатическое давление не зависит от площади дна сосуда? 3. Можно ли создать большое гидростатическое давление, имея небольшое количество воды? Опыт, подтверждающий существование атмосферного давления Контрольные вопросы 1. Что называют атмосферным давлением и какова его природа? 2. Почему человек не замечает атмосферного давления? 3. Опишите методику проведения опыта Торричелли. В чем ценность опыта Торричелли? БГ П У Действие жидкости на погруженные в нее тела Контрольные вопросы 1. Почему выталкивающая сила не зависит от плотности тела, погруженного в жидкость или газ? 2. Изменится ли значение выталкивающей силы при увеличении глубины погружения в жидкость? При увеличении высоты подъема в газах? 3. Сформулируйте закон Архимеда. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 3.2.2 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 8» Тепловые явления Изменение внутренней энергии тел Контрольные вопросы 1. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела? 2. Как изменяется внутренняя энергия тела, если его: а) нагревать; б) охлаждать? 3. Можно ли изменить внутреннюю энергию тела, не изменяя его температуру? Приведите примеры. 4. Какое явление называют теплопередачей? 5. Что такое количество теплоты и в чем оно измеряется? Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов Контрольные вопросы 1. Что называют теплопроводностью? 2. Чем отличаются механизмы теплопередачи в твердых телах и газах? 3. Будет ли изменяться теплопроводность воздуха при его расширении, сжатии? Почему? 4. Как долго продолжается процесс теплопроводности при контакте двух тел, имеющих разные начальные температуры? 5. Почему в термосе долго сохраняется горячим чай, кофе? Зачем откачивают воздух между двойными стенками термоса? Конвекция в газах и жидкостях Контрольные вопросы 1. Что представляет собой конвекция? 2. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 3. Можно ли сказать, что охлаждение комнаты при открытой форточке вызвано конвекцией? 4. Что общего теплопроводности? и различного у явлений конвекции и БГ П У Излучение и поглощение энергии телами с различной окраской поверхности Контрольные вопросы 1. Как изменяется температура тела при излучении энергии? При поглощении энергии? 2. Если изменение температуры тела прекратилось, значит ли это, что тело больше не излучает? 3. Чем отличается теплопередача излучением от других её видов? 4. Если бы в данном опыте цилиндры имели одинаковые размеры, то о сравнении какой величины можно было бы вести речь: теплоемкости тела? удельной теплоемкости вещества, из которых состоят тела? Ответ обоснуйте. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Испарение жидкости 1. Какой процесс является испарением? 2. Почему при испарении жидкость охлаждается? 3. Какая составляющая внутренней энергии жидкости (кинетическая или потенциальная) изменяется при испарении без подачи теплоты извне? Почему? 4. Почему скорость испарения разных жидкостей неодинакова? Кипение жидкостей Контрольные вопросы 1. Что собой представляет процесс кипения жидкости? 2. Почему температура жидкости в процессе кипения не изменяется? 3. Почему с увеличением внешнего давления температура жидкости повышается, а с уменьшением – понижается? Электромагнитные явления Электризация различных тел Контрольные вопросы 1. Что означает понятие «элементарный заряд»? 2. Почему заряды получили название положительных и отрицательных? 3. Какая частица атома обладает элементарным положительным зарядом? Отрицательным зарядом? Электризация через влияние Контрольные вопросы 1. В чем суть электризации через влияние? 2. Как доказать, что при электризации через влияние заряды частей тела противоположны по знаку? 3. В чем различие электризации трением и электризации через влияние? 4. Как объяснить притяжение незаряженных тел к заряженным телам? Проводники и диэлектрики Контрольные вопросы 1. В чем отличие проводников от диэлектриков? 2. Как можно установить, является данное вещество проводником или диэлектриком? 3. Что такое идеальный диэлектрик? Существует ли он? 4. Почему во влажном помещении опыты по электризации могут не получиться? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Действия электрического тока. Источники тока Контрольные вопросы 1. Что называют электрическим током? 2. Каковы условия возникновения и длительного существования электрического тока? 3. Что такое источник тока? Приведите примеры. 4. Какие действия производит электрический ток? Зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и сопротивления этого участка Контрольные вопросы 1. Связь между какими физическим величинами устанавливает закон Ома для участка цепи? 2. Может ли в проводнике протекать ток: а) очень большой силы при малом напряжении; б) малой силы при большом напряжении? 3. Что такое короткое замыкание цепи? В чем его опасность? Зависимость сопротивления проводников от их длины, площади поперечного сечения и рода вещества Контрольные вопросы 1. Что ограничивает значение силы тока в проводнике? 2. Что принято за единицу сопротивления в СИ? 3. Как зависит сопротивление проводника от его геометрических размеров? 4. Что показывает удельное сопротивление проводника? Магнитное поле тока Контрольные вопросы 1. Как взаимодействует стрелка компаса с наэлектризованными эбонитовой и стеклянной палочками? Какие выводы можно из этого сделать? 2. Что означает словосочетание «магнитное действие тока»? 3. Чем, согласно гипотезе Ампера, различаются намагниченное и размагниченное тела? 4. Как взаимодействует стрелка компаса с наэлектризованным железным телом (гвоздем)? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Магнитное поле проводника с током Контрольные вопросы 1. Какими способами можно получить картину линий магнитного поля различных проводников? 2. Как можно определить направление линий магнитного поля, созданного проводником с током? 3. Как формулируется правило правой руки для поля, создаваемого: а) прямым проводником; б) катушкой с током? 4. Как можно усилить магнитное поле электромагнита? 5. Где применяют катушки с током? 6. Можно ли называть электромагнитом прямой проводник с током? Почему? Световые явления Зеркальное и диффузное отражение света Контрольные вопросы 1. Какой угол называют углом падения светового луча? Углом отражения? 2. Как изменится угол отражения, если угол падения уменьшится? 3. Почему матовую поверхность можно видеть с любого положения, а зеркальную – нет? 4. В чем выражается свойство обратимости световых лучей? Изображение в плоском зеркале Контрольные вопросы 1. Почему для построения изображения светящейся точки недостаточно одного луча света, исходящего из нее? 2. Почему изображение светящейся точки в плоском зеркале является мнимым? 3. Как доказать, что размеры предмета и изображения в плоском зеркале равны? 4. Почему иногда изображение в плоском зеркале называют «оптическим привидением»? 5. Какую роль в получении изображения предмета в зеркале играет глаз? Преломление света Контрольные вопросы 1. Какие явления происходят со световым лучом на границе раздела двух сред? 2. Как зависит изменение направления луча при переходе из одной среды в другую от скорости света в этих средах? 3. Может ли угол преломления быть больше угла падения? В каких случаях? 4. Возможен ли переход луча света из одной среды в другую без преломления? 5. В каких пределах может изменяться угол преломления при переходе луча из воды в воздух? Почему? БГ П У Линзы. Ход лучей в линзах Контрольные вопросы 1. Какую линзу называют тонкой? 2. Каким особым свойством обладает оптический центр тонкой линзы? 3. Как ведет себя параллельный пучок лучей, прошедший через: а) собирающую линзу; б) рассеивающую линзу? 4. Почему у собирающей линзы фокус действительный, а у рассеивающей – мнимый? 5. Как зависит оптическая сила линзы от фокусного расстояния? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 3.2.3 Демонстрационный эксперимент по курсу «Физика 9» Основы кинематики Относительность траектории Контрольные вопросы 1. Как будет выглядеть траектория крайней точки вагонного колеса при поступательном движении поезда? Зарисуйте эту траекторию. 2. Приведите примеры, иллюстрирующие относительность траектории. Равномерное движение Контрольные вопросы 1. Какое движение называют равномерным прямолинейным? 2. Что называют скоростью равномерного прямолинейного движения? 3. Какова основная единица скорости в СИ? 4. Каково уравнение зависимости координаты равномерно движущегося тела от времени? 5. Что представляет собой график зависимости координаты тела от времени при равномерном прямолинейном движении? 6. Почему равномерное движение является моделью реального движения? Неравномерное движение Контрольные вопросы 1. Какое движение называют неравномерным? 2. Что показывает средняя скорость пути? перемещения? Как их вычисляют? Средняя скорость 3. Что такое мгновенная скорость? При каком условии она приближенная равна средней скорости? 4. Как направлена мгновенная скорость при прямолинейном движении? При криволинейном движении? Прямолинейное движение с постоянным ускорением 1. Как зависит скорость от времени при движении с постоянным ускорением? 2. Что представляет собой график проекции скорости при прямолинейном движении с постоянным ускорением? 3. Какова зависимость перемещения, координаты и пути от времени при равноускоренном движении? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Движение тела по окружности Контрольные вопросы 1. Почему движение по криволинейной траектории со скоростью, модуль которой постоянен, является движением с ускорением? 2. Какой физический смысл имеет угловая скорость? 3. Сколько радиан содержит центральный угол, длина дуги которого равна окружности? 4. Что такое линейная скорость? Как она связана с угловой скоростью? 5. Как связаны между собой период вращения и угловая скорость? 6. Как зависит период вращения от частоты? Основы динамики Проявление инерции 3.3.2 Сравнение масс двух тел по их взаимодействию Контрольные вопросы 1. Мерой каких свойств тела является масса? 2. Какими способами можно сравнить массы двух тел? 3. Измениться ли масса тела при его переносе с Земли на другую планету? Второй закон Ньютона Контрольные вопросы 1. Как направлено ускорение тела, на которое действует несколько сил. 2. Как найти модуль ускорения, если на тело действует несколько сил? 3. Куда направлена результирующая всех сил, приложенных к телу, движущемуся по окружности со скоростью, модуль которой постоянен? 4. Какой физический смысл имеет единица силы СИ – 1 Н? 5. Можно ли применять второй закон Ньютона в неинерциальных системах отсчета? Покажите на примерах. Третий закон Ньютона Контрольные вопросы 1. К чему сводится взаимодействие тел в механике? 2. Что общего у сил, с которыми два тела действуют друг на друга? Чем они отличаются? 3. Могут ли силы взаимодействия компенсировать друг друга? Почему? 4. В чем состоит принцип относительности Галилея? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Зависимость силы упругости от деформации тела Контрольные вопросы 1. При каких условиях возникает деформация тела? Каковы виды деформаций знаете? 2. Что такое упругая деформация? Пластическая деформация? 3. Когда возникают силы упругости? Как они направлены? 4. Какова природа сил упругости? 5. Что утверждает закон Гука? При каких условиях он выполняется? 6. Что такое жесткость тела? От чего она зависит? 7. Будет ли зависимость силы упругости от удлинения тела линейной при любых значениях ∆l? Изучение силы трения Контрольные вопросы 1. Каковы причины возникновения силы трения? 2. Почему во всех измерениях необходимо передвигать брусок равномерно? 3. Почему сила трения при равномерном движении бруска с грузами меньше, чем максимальные показания динамометра в момент перед началом движения? 4. От чего зависит коэффициент трения скольжения? 5. Как с помощью линейки, бруска с грузами и доски определить коэффициент трения дерева по дереву? Движение тел в поле силы тяжести Контрольные вопросы 1. При каких условиях падение тел в воздухе можно считать свободным? 2. Почему при атмосферном давлении воздуха в трубке Ньютона перышко падает медленнее, чем кусочек пробки и дробинка? Движение какого из тел ближе к свободному падению? 3. Почему все свободно падающие тела независимо от их массы движутся с одинаковым ускорением? 4. Зависит ли ускорение свободного падения от расстояния между телом и поверхностью Земли? 5. Что общего у движений тел, брошенных вертикально, горизонтально и под углом к горизонту? 6. При каком значении угла бросания достигается максимум дальности полета при заданной начальной скорости? 7. Какое движение называют свободным падением? 8. К какому виду механического движения относят свободное падение? 9. Как экспериментально доказать, что ускорение свободного падения одинаково для всех тел в данной точке пространства? 10. От чего зависит ускорение свободного падения? РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Законы сохранения Закон сохранения импульса Контрольные вопросы 1. Какую систему тел называют замкнутой? 2. Что произойдет с полным импульсом системы тел, если на нее перестанут действовать внешние силы? 3. В каких случаях к незамкнутой системе тел можно применять закон сохранения импульса? 4. Какое движение называют реактивным? Приведите примеры. 5. За счет чего увеличивается скорость ракеты в процессе ее движении? 6. Почему для запуска космических кораблей используются многоступенчатые ракеты? Взаимные превращения механической энергии Контрольные вопросы 1. При каких условиях полная энергия системы сохраняется? 2. При каких условиях механическая энергия системы сохраняется? 3. Действие каких сил вызывает переход механической энергии системы во внутреннюю? IV. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ ДИСЦИПЛИНЕ «МЕТОДИКА И ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРЕМЕНТА» УМК ПО УЧЕБНОЙ ТЕХНИКА УЧЕБНОГО 4.1 Типовая учебная программа по учебной дисциплине «Методика и техника учебного физического эксперимента» для высших учебных заведений МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ШКОЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА БГ П У Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальностям: 1-02 05 02 Физика; 1-02 05 04 Физика. Дополнительная специальность РЕ П О ЗИ ТО РИ Й ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Государственный стандарт общего среднего образования и новые учебные программы по физике для общеобразовательных учреждений предполагают приоритет деятельностного подхода к процессу обучения, развитие у учащихся умений проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать их результаты; использовать простые физические приборы и установки для измерения физических величин; представлять результаты наблюдений или измерений в табличной, графической и аналитической формах; экспериментально проверять физические законы, гипотезы и теоретические выводы; применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов, принципов действия важнейших технических устройств. Принципиальное значение для реализации этого подхода имеет уровень профессионально-методической подготовки преподавателя физики, который в значительной степени зависит от того насколько он владеет системой теоретических знаний о дидактических требованиях к методике, технике и технологии учебного физического эксперимента, его целях, задачах и особенностях в общеобразовательных учреждениях разного типа, и практическими умениями по планированию, постановке, анализу и интерпретации результатов учебного физического эксперимента. Поэтому разработка новой учебной программы курса «Методика и техника школьного физического эксперимента» является актуальной. Подготовка будущих преподавателей физики к деятельности в области учебного эксперимента осуществляется в курсе «Методика и техника школьного физического эксперимента», который играет важную роль в системе профессионально-методической подготовки специалистов в педагогических и классических университетах Республики Беларусь. Курс РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У состоит из двух частей и рассчитан максимально на 88 часов, в том числе аудиторных 50 часов (лабораторные занятия). В первой (теоретической) части курса анализируются: экспериментальный метод преподавания физики и его место в системе методов обучения; структура и задачи научного и учебного физического эксперимента; дидактические функции и требования к учебному физическому эксперименту; система и особенности учебного эксперимента в средних общеобразовательных учреждениях; требования к технике и технологии проведения демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ, экспериментальных исследований и домашних экспериментов учащихся; принципы комплектования кабинетов физики учебным оборудованием, приборами и техническими средствами обучения. Во второй (практической) части приводится примерная тематика лабораторных занятий. Основными целями лабораторных занятий по методике и технике учебного физического эксперимента являются формирование у студентов специальных экспериментальных знаний и умений, которые позволяют обеспечить методически и технически грамотное, проведение занятий с использованием всех видов учебного физического эксперимента по курсу физики, рационально применять его в процессе обучения. При проведении лабораторных занятий необходимо иметь ввиду, что главная цель лабораторных работ по методике и технике учебного физического эксперимента – изучение принципа действия приборов, необходимых для постановки демонстрационных опытов, лабораторных работ и экспериментальных исследований, отработка методики и техники их проведения в системе занятий по конкретным разделам и темам курса физики в общеобразовательных учреждениях. Каждая из рекомендуемых работ содержит задания, последовательность выполнения которых отражает логику изучения отдельных тем курса физики. Ограничение времени, которое отводится на каждую работу, не дает возможности поставить все демонстрационные опыты, лабораторные работы и экспериментальные исследования по каждой теме. Поэтому задача заключается в том, чтобы на ограниченном количестве заданий по каждой теме сформировать у студентов систему первоначальных умений и навыков по технике и методике проведения учебного физического эксперимента. В процессе выполнения лабораторных работ студенты должны научиться: выявлять особенности отдельных физических приборов; правильно размещать их в целях лучшей видимости опытов; собирать экспериментальные установки по принципиальным схемам; получать эффективные (в техническом смысле) результаты опытов; определять место данного эксперимента в структуре занятий по теме и прогнозировать выводы, которые могут быть сделаны учащимися на его основе; оценивать методические достоинства и недостатки отдельных опытов. Для развития творческого отношения студентов к выполнению экспериментальных работ в ряде заданий целесообразно не приводить РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У подробных объяснений по технике и методике их выполнения, а в части заданий формулировать вопросы, направленные на выяснение условий, которые обеспечивают наиболее эффективную постановку эксперимента, причем вопросы должны быть сформулированы так, чтобы ответы на них студент мог получить только после выполнения задания. Выполнение лабораторных работ должно содействовать формированию у студентов возможностей критически оценивать методическую ценность постановки одного и того же опыта на базе различных комплектов или отдельных приборов, с использованием разных методических приемов; использовать эксперимент как средство наглядности и как проблемнопоисковый метод обучения физике; творчески осваивать новые методические идеи в этой области. Эффективность занятий в значительной степени зависит от подготовки студента к ним. При подготовке к выполнению заданий по методике и технике учебного физического эксперимента студенты должны: повторить узловые вопросы темы по учебникам и учебным пособиям для вузов и общеобразовательных учреждений; проанализировать требования к знаниям и умениям учащихся и систему учебного физического эксперимента по теме; изучить устройство и правила эксплуатации оборудования, которое будет использоваться в данной работе; ответить на вопросы для самоконтроля уровня подготовки к работе; оформить конспект работы. В процессе изучения курса необходимо познакомить студентов с основной методической литературой по учебному физическому эксперименту и научить их критически оценивать ее. Студент должен: знать: – экспериментальные и теоретические методы научного и учебного физического исследования; – методику и технику демонстрации физических экспериментов, предусмотренных программой по физике на разных уровнях ее изучения; – демонстрационные возможности и особенности отдельных физических приборов; – педагогические требования, особенности и технику всех видов учебного физического эксперимента; – требования к экспериментальным знаниям и умениям учащихся по курсу физики; – правила техники безопасности при выполнении демонстрационных экспериментов; уметь: – определять возможные дидактические цели и место демонстрационных экспериментов в структуре урока и те выводы, которые могут быть сделаны учащимися на их основе; – оценивать методические достоинства и недостатки отдельных экспериментов; РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У – собирать установки для демонстрации экспериментов по их принципиальным схемам и описаниям; – размещать приборы и оборудование на демонстрационном столе в соответствии с педагогическими требованиями; – получать эффективные (в техническом смысле) результаты экспериментов; – использовать методы компьютерного моделирования физических явлений и процессов; – управлять индивидуальной, групповой, коллективной, эвристической и исследовательской деятельностью учащихся при разрешении экспериментальных учебных проблем. Лабораторные занятия по методике и технике учебного физического эксперимента целесообразно строить по следующему плану: – анализ темы, ее основные понятия и законы; определение элементов физических знаний, формирование которых требует экспериментального исследования (целесообразно привести структурно-логическую схему темы); – определение цели эксперимента в процессе изучения физики, его дидактических возможностей и методических особенностей; – повторение правил пользования приборами, оборудованием и приспособлениями, которые изучались ранее или по другим учебным дисциплинам («Технические средства обучения» и др.); – изучение новых комплектов и наборов физических приборов, оборудования и приспособлений, которые предназначены для опытного изучения закономерностей данной темы; – подготовка и выполнение задания, анализ его возможных вариантов с использованием другого оборудования, приемов и средств, которые обеспечивают наглядность и видимость экспериментальной установки или отдельных приборов; – анализ целесообразности использования эксперимента для создания проблемной ситуации; проверки гипотезы; введения или формирования физического понятия; проверки закона; иллюстрации явления или его использования в практике; в качестве экспериментальной задачи и др. Качество выполнения лабораторной работы целесообразно оценивать с учетом мнения студентов группы по результатам анализа фрагмента урока, который проводит студент, используя конкретный эксперимент с учетом педагогических требований, предъявляемых к этому виду деятельности учителя физики. ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН № № Наименование темы 1. Физический эксперимент в Количество часов Всего ауд. Лек- Практ/ ций семин. Лаборатор. 2 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2 2 2 4 4 4 4 4 4 БГ П У 1.2. 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 1.1 научном и учебном познании Система учебного эксперимента по физике. Техника и технология учебного эксперимента по физике Тематика занятий по методике и технике школьного физического эксперимента Система учебного эксперимента по курсу физики 7-го класса Система учебного эксперимента по курсу физики 8-го класса Система учебного физического эксперимента по теме «Основы кинематики» Система учебного физического эксперимента по теме «Основы динамики» Система учебного физического эксперимента по теме «Законы сохранения в механике» Система учебного физического эксперимента по разделу «Термодинамика и элементы статистической физики» Система учебного физического эксперимента по теме «Электростатика» Система учебного физического эксперимента по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах» Система учебного физического эксперимента по теме «Магнитное поле постоянного тока. Электромагнитная индукция» Система учебного физического эксперимента по разделу «Колебания и волны» Система учебного физического эксперимента по теме «Оптика» Система учебного физического эксперимента по разделу «Основы квантовой физики» Всего часов 50 50 РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. Физический эксперимент в научном и учебном познании 1.1. Система учебного эксперимента по физике. Место и роль учебного эксперимента в системе методов обучения физике. Принципы комплектования кабинета физики оборудованием, предназначенным для учебного эксперимента. Критерии отбора демонстраций, лабораторных работ и экспериментальных исследований. Принцип соответствия учебного физического эксперимента содержанию и структуре учебного материала. Роль учебного физического эксперимента в формировании научного мировоззрения, развитии мышления и эстетичном воспитании школьников. 1.2. Техника и технология учебного эксперимента по физике. Психолого-педагогические основы и дидактические функции физического эксперимента в средней общеобразовательной школе. Макроструктура деятельности учителя по подготовке, проведению и анализу результатов учебного физического эксперимента. Система и особенности учебного физического эксперимента на базовом, повышенном и углубленном уровнях изучения физики. Правила техники безопасности при проведении демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ и экспериментальных исследований. 2. Тематика занятий по методике и технике школьного физического эксперимента 2.1. Система учебного эксперимента по курсу физики 7-го класса. Опыты, иллюстрирующие относительность движения, существенные признаки равномерного и неравномерного движений, явления инерции и взаимодействия тел, измерению сил и определению равнодействующей сил, направленных по одной прямой, работу различных сил, превращения потенциальной и кинетической энергии и их изменения при совершении работы, устройство и принцип действия гидравлического пресса. Опыты, подтверждающие зависимость кинетической энергии тела от его массы и скорости; наличие потенциальной энергии у упруго деформированного тела и у тела находящегося в поле тяготения, законы сообщающихся сосудов, равенство архимедовой силы весу вытесненной жидкости, существование атмосферного давления. Опыты с использованием демонстрационного комплекта по гидроаэродинамике. 2.2. Система учебного эксперимента по курсу физики 8-го класса. Опыты, иллюстрирующие изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче, виды теплопередачи. Экспериментальное изучение процессов плавления, испарения и кипения и их зависимости от различных факторов. Сравнение теплоемкостей тел одинаковой массы. Опыты по электризации и взаимодействию заряженных тел. Опыты иллюстрирующие: действия электрического тока; зависимость силы тока от РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У напряжения на участке цепи и от сопротивления этого участка; зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества; закономерности последовательного и параллельного соединений проводников; назначение амперметра и вольтметра, устройство и принцип действия реостата, электронагревательных приборов и плавкого предохранителя. Опыты с демонстрационным набором «Электричество-1». Опыты, иллюстрирующие взаимодействие постоянных магнитов, действие магнитного поля Земли и магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку, магнитные поля проводников с током, движение проводника с током в магнитном поле, устройство и принцип действия электроизмерительных приборов, электромагнита и электродвигателя. Опыты с демонстрационным набором по геометрической оптике (законы отражения света, преломление света, прохождение лучей через призму, линзы, построение изображений предмета в плоском зеркале и в линзах, измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы, оптические схемы лупы, проекционного аппарата и фотоаппарата). Опыты, иллюстрирующие недостатки зрения и способы их устранения. 2.3. Система учебного физического эксперимента по теме «Основы кинематики». Относительность покоя и механического движения, его характеристик и параметров (траектория, путь, перемещение, скорость). Способы измерения промежутков времени (метроном, электромеханический секундомер, счетчик-секундомер электронный, стробоскоп). Демонстрационный эксперимент по кинематике (машина Атвуда, прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика L-микро» и др). Иллюстрация законов равноускоренного движения, измерение величин, характеризующих его (мгновенная скорость, ускорение при свободном падении). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.4. Система учебного физического эксперимента по теме «Основы динамики». Опыты, иллюстрирующие сложение сил, сравнение масс тел при их взаимодействии, законы Ньютона, движение тел под действием силы тяжести, зависимость силы упругости от деформации, особенности сил трения покоя, скольжения и качения. Демонстрационный эксперимент по динамике с использованием машины Атвуда, комплекта «Вращение», прибора для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, демонстрационного прибора по механике ПМДМ, демонстрационного комплекта «Механика L-микро» и др. Демонстрация зависимости веса тела от ускорения системы отсчета. Невесомость. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.5. Система учебного физического эксперимента по теме «Законы сохранения в механике». Опыты, иллюстрирующие понятия "импульс тела" и "импульс силы", закон сохранения импульса, реактивное движение, изменение энергии тела при совершении работы, взаимные превращения и закон сохранения полной механической энергии, упругие и неупругие РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У столкновения (прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика L-микро» и др). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.6. Система учебного физического эксперимента по разделу «Термодинамика и элементы статистической физики». Демонстрационный эксперимент по термодинамике и молекулярной физике с использованием демонстрационного комплекта «Тепловые явления Lмикро» и комплектом для изучения газовых законов. Демонстрации моделей броуновского движения, давления газа, опыта Штерна по определению скорости движения молекул газа. Исследование зависимостей между объемом, давлением и температурой данной массы газа для изопроцессов. Изучение электрического термометра. Изменение температуры воздуха при адиабатном расширении и сжатии. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.7. Система учебного физического эксперимента по теме «Электростатика». Изучение демонстрационного набора по электростатике и набора для демонстрации электрических полей, электрометров, прибора «Неравноплечный рычаг», высоковольтного выпрямителя «Разряд-І». Методические особенности основных опытов по электростатике (закон Кулона, электростатические поля заряженных тел, электростатическая индукция, зависимость электроемкости плоского конденсатора от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды и др.). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.8. Система учебного физического эксперимента по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах». Изучение наборов: «Электричество-1» для исследования электрических цепей постоянного тока; «Электричество-2» для исследования тока в полупроводниках и их технического применения; «Электричество-4» для исслелования электрического тока в вакууме и набора по электролизу». Опыты, иллюстрирующие зависимость силы тока от ЭДС источника и полного сопротивления цепи. Основные опыты по теме: несамостоятельный и самостоятельный разряды; различные виды разрядов при атмосферном и пониженном давлениях; термоэлектронная эмиссия, односторонняя проводимость вакуумного и полупроводникового диодов, электроннодырочные переходы транзистора, ионная проводимость растворов и расплавов. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.9. Система учебного физического эксперимента по теме «Магнитное поле постоянного тока. Электромагнитная индукция». Изучение набора «Электричество-3». Опыты с набором для исследования явлений электромагнитной индукции и самоиндукции «Электричество-3» и с набором для изучения движения электронов в электрическом и магнитном полях. Опыт Эрстеда. Взаимодействие параллельных токов. Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитный зонд для исследования магнитного поля тока. Отклонение электронного пучка магнитным полем. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Индукционные токи в сплошных проводниках. Самоиндукция при замыкании и размыкании цепи. Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в проводнике и его индуктивности. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.10. Система учебного физического эксперимента по разделу «Колебания и волны». Демонстрации свободных и вынужденных колебаний, сходства и различий между колебательным и вращательным движениями, зависимости периода свободных колебаний от свойств колебательной системы (на примерах пружинного и математического маятников), механического резонанса, источников звука, зависимости громкости от амплитуды колебаний источника звука и высоты тона от частоты колебаний, аккустического резонанса. Изучение прибора «Волновая машина» и методики ее использования для объяснения образования и распространения поперечных и продольных волн. Наблюдение свободных электромагнитных колебаний низкой частоты в колебательном контуре, зависимости их частоты от электроемкости и индуктивности контура. Опыты по исследованию цепей переменного тока с набором «Электричество-3» (осцилограммы переменного тока; активное, емкостное и индуктивное сопротивления; фазовые соотношения и резонанс в цепях переменного тока). Изучение комплекта приборов для демонстрации свойств электромагнитных волн. Модель распространения электромагнитного поля («цепочка Брегга»). Излучение, распространение и прием электромагнитных волн, модуляция и детектирование электромагнитных колебаний. Основные свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция и поляризация. Компьютерные анимации и модели опытов по разделу. 2.11. Система учебного физического эксперимента по теме «Оптика». Изучение комплекта по геометрической оптике на магнитных держателях, комплектов по волновой оптике с лазерным источником света и на основе графопроектора. Основные опыты по геометрической и волновой оптике (законы преломления, полное отражение, интерференция света, дифракция на щели и на дифракционной решетке, поляризация света, свойства инфракрасного и ультрафиолетового излучений). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.12. Система учебного физического эксперимента по разделу «Основы квантовой физики». Изучение комплекта по квантовой физике, набора для демонстрации внешнего фотоэффекта, набора со счетчиком Гейгера, моделей-аппликаций по атомной и ядерной физике. Основные опыты по разделу: явление и основные закономерности фотоэффекта на установке с цинковой пластинкой; модель опыта Резерфорда; камера Вильсона; устройство и принцип действия счетчика ионизирующих частиц. Изучение законов внешнего фотоэффекта. Компьютерные анимации и модели опытов по разделу. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Анофрикова, С.В. Методическое руководство по разработке фрагментов уроков с использованием учебного физического эксперимента / С.В. Анофрикова, Л.А. Прояненкова. – М: Просвещение, 1989. 2. Анциферов, Л.И. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента / Л.И. Анциферов, И.М. Пищиков. – М., 1984. 3. Демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1974. 4. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Ч 1. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1978. 5. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Ч 2. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1978. 6. Захарова, И.Г. Информационные технологии в образовании / И.Г. Захарова. – М.: Академия, 2003. 7. Иродова, И. А. Технические средства обучения и учебное оборудование. Учебное пособие / И. А. Иродова, В.Л. Зудин. – М.: Владос, 2006. 8. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе / С.Е. Каменецкий и др.; под ред. С.Е. Каменецкого и С.В. Степанова. – М.: Академия, 2002. 9. Разумовский, В.Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучение / В.Г. Разумовский, В. В. Майер .– М.: Владос, 2006. 10.Смирнов, А.В. Современный кабинет физики / А.В. Смирнов. – М.: Знания, 2006. 11.Тимофеев, Е.И. Некоторые фундаментальные проблемы современной физики / Е.И. Тимофеев. – М.: Физматлит, 2007. 12.Трайнев, В. А. Педагогические технологии и их информационное обеспечение/ В. А. Трайнев. – М.: Владос, 2006. 13.Учебное оборудование для кабинетов физики всех типов общеобразовательных учреждений; под ред. Г.Г. Никифорова. – М.: Дрофа, 2005. 14.Учебные программы для общеобразовательных учреждений с 12летним сроком обучения. Физика. VII–X классы. Базовый, повышенный, углубленный уровни. – Минск: НИО: Аверсэв, 2007. 15.Учебные программы для общеобразовательных учреждений с 12летним сроком обучения. Физика. XI–XII классы. Базовый, повышенный, углубленный уровни. – Минск: «Народная асвета», 2007. 16.Хорошавин, С.А. Физический эксперимент в средней школе / Хорошавин С.А. – М.: Просвещение, 1988. 17.Шахмаев, Н.М. Физический эксперимент в средней школе: Механика, молекулярная физика, электродинамика / Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов.– М.: Просвещение, 1989. 18.Шахмаев, Н.М. Физический эксперимент в средней школе: Колебания и волны. Квантовая физика / Н.М. Шахмаев, Н.И. Павлов, В.И. Тыщук. – М.: Просвещение, 1991. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. БГ П У 2. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 1. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА Байбородова, Л. В. Обучение физике в средней школе / Л. В. Байбородова, И.Б. Бровкин, Т.М. Крайнева. – М.: Владос, 2006. Гликман, И.З. Управление самостоятельной работой студентов (системное стимулирование) / И.З. Гликман. – М.: Логос, 2002. Исаченкова, Л.А. Физика в 7 классе: учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др.]. – Минск, 2003. Исаченкова, Л.А. Физика в 8 классе: Учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др.]. – Минск, 2005. Исаченкова, Л.А. Физика в 9 классе: Учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др]. – Минск, 2007. Объедков, Е.С. Ученический эксперимент на уроках физики. – М.: Просвещение, 1996. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы; под ред. С.Е. Каменецкого и Н.С. Пурышевой. – М.: Академия, 2000. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы; под ред. С.Е. Каменецкого. – М.: Академия, 2000. Хуторской, А.В. Методика личностно-ориентированного обучения: Как обучать всех по-разному? / А.В.Хуторской. – М.: Владос, 2005. 4.2 Учебная программа по учебной дисциплине «Методика и техника учебного физического эксперимента» для высших учебных заведений МЕТОДИКА И ТЕХНИКА УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Учебная программа для специальности: 1 - 02 05 04 Физика. Дополнительная специальность Экзамен Зачет - 8 семестр 50 часов РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Лекции Практические занятия Лабораторные занятия Всего аудиторных часов по дисциплине Всего часов по дисциплине Физический методики преподавания физики 4 7, 8 БГ П У Факультет Кафедра Курс Семестр Курсовая работа (проект) 50 часов 88 часов − Форма получения высшего образования очная ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Государственный стандарт общего среднего образования и новые учебные программы по физике для общеобразовательных учреждений предполагают приоритет деятельностного подхода к процессу обучения, развитие у учащихся умений проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать их результаты; использовать простые физические приборы и установки для измерения физических величин; представлять результаты наблюдений или измерений в табличной, графической и аналитической формах; экспериментально проверять физические законы, гипотезы и теоретические выводы; применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов, принципов действия важнейших технических устройств. Принципиальное значение для реализации этого подхода имеет уровень профессионально-методической подготовки преподавателя физики, который в значительной степени зависит от того насколько он владеет системой теоретических знаний о РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У дидактических требованиях к методике, технике и технологии учебного физического эксперимента, его целях, задачах и особенностях в общеобразовательных учреждениях разного типа, и практическими умениями по планированию, постановке, анализу и интерпретации результатов учебного физического эксперимента. Основными целями лабораторных занятий по методике и технике учебного физического эксперимента являются формирование у студентов специальных экспериментальных знаний и умений, которые позволяют обеспечить методически и технически грамотное, проведение занятий с использованием всех видов учебного физического эксперимента по курсу физики, рационально применять его в процессе обучения. При проведении лабораторных занятий необходимо иметь ввиду, что главная цель лабораторных работ по методике и технике учебного физического эксперимента – изучение принципа действия приборов, необходимых для постановки демонстрационных опытов, лабораторных работ и экспериментальных исследований, отработка методики и техники их проведения в системе занятий по конкретным разделам и темам курса физики в общеобразовательных учреждениях. Каждая из рекомендуемых работ содержит задания, последовательность выполнения которых отражает логику изучения отдельных тем курса физики. Ограничение времени, которое отводится на каждую работу, не дает возможности поставить все демонстрационные опыты, лабораторные работы и экспериментальные исследования по каждой теме. Поэтому задача заключается в том, чтобы на ограниченном количестве заданий по каждой теме сформировать у студентов систему первоначальных умений и навыков по технике и методике проведения учебного физического эксперимента. В процессе выполнения лабораторных работ студенты должны научиться: выявлять особенности отдельных физических приборов; правильно размещать их в целях лучшей видимости опытов; собирать экспериментальные установки по принципиальным схемам; получать эффективные (в техническом смысле) результаты опытов; определять место данного эксперимента в структуре занятий по теме и прогнозировать выводы, которые могут быть сделаны учащимися на его основе; оценивать методические достоинства и недостатки отдельных опытов. Для развития творческого отношения студентов к выполнению экспериментальных работ в ряде заданий целесообразно не приводить подробных объяснений по технике и методике их выполнения, а в части заданий формулировать вопросы, направленные на выяснение условий, которые обеспечивают наиболее эффективную постановку эксперимента, причем вопросы должны быть сформулированы так, чтобы ответы на них студент мог получить только после выполнения задания. Выполнение лабораторных работ должно содействовать формированию у студентов возможностей критически оценивать методическую ценность постановки одного и того же опыта на базе различных комплектов или отдельных приборов, с использованием разных методических приемов; РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У использовать эксперимент как средство наглядности и как проблемнопоисковый метод обучения физике; творчески осваивать новые методические идеи в этой области. Эффективность занятий в значительной степени зависит от подготовки студента к ним. При подготовке к выполнению заданий по методике и технике учебного физического эксперимента студенты должны: повторить узловые вопросы темы по учебникам и учебным пособиям для вузов и общеобразовательных учреждений; проанализировать требования к знаниям и умениям учащихся и систему учебного физического эксперимента по теме; изучить устройство и правила эксплуатации оборудования, которое будет использоваться в данной работе; ответить на вопросы для самоконтроля уровня подготовки к работе; оформить конспект работы. В процессе изучения курса необходимо познакомить студентов с основной методической литературой по учебному физическому эксперименту и научить их критически оценивать ее. Студент должен: знать: – экспериментальные и теоретические методы научного и учебного физического исследования; – методику и технику демонстрации физических экспериментов, предусмотренных программой по физике на разных уровнях ее изучения; – демонстрационные возможности и особенности отдельных физических приборов; – педагогические требования, особенности и технику всех видов учебного физического эксперимента; – требования к экспериментальным знаниям и умениям учащихся по курсу физики; – правила техники безопасности при выполнении демонстрационных экспериментов; уметь: – определять возможные дидактические цели и место демонстрационных экспериментов в структуре урока и те выводы, которые могут быть сделаны учащимися на их основе; – оценивать методические достоинства и недостатки отдельных экспериментов; – собирать установки для демонстрации экспериментов по их принципиальным схемам и описаниям; – размещать приборы и оборудование на демонстрационном столе в соответствии с педагогическими требованиями; – получать эффективные (в техническом смысле) результаты экспериментов; – использовать методы компьютерного моделирования физических явлений и процессов; РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У – управлять индивидуальной, групповой, коллективной, эвристической и исследовательской деятельностью учащихся при разрешении экспериментальных учебных проблем. Самостоятельная работа студентов при подготовке и выполнении лабораторных работ по методике и технике учебного физического эксперимента организуется в соответствии со следующими требованиями: – анализ темы, ее основные понятия и законы; определение элементов физических знаний, формирование которых требует экспериментального исследования (целесообразно привести структурно-логическую схему темы); – определение цели эксперимента в процессе изучения физики, его дидактических возможностей и методических особенностей; – повторение правил пользования приборами, оборудованием и приспособлениями, которые изучались ранее или по другим учебным дисциплинам («Технические средства обучения» и др.); – изучение новых комплектов и наборов физических приборов, оборудования и приспособлений, которые предназначены для опытного изучения закономерностей данной темы; – подготовка и выполнение задания, анализ его возможных вариантов с использованием другого оборудования, приемов и средств, которые обеспечивают наглядность и видимость экспериментальной установки или отдельных приборов; – анализ целесообразности использования эксперимента для создания проблемной ситуации; проверки гипотезы; введения или формирования физического понятия; проверки закона; иллюстрации явления или его использования в практике; в качестве экспериментальной задачи и др. Качество выполнения лабораторной работы целесообразно оценивать с учетом мнения студентов группы по результатам анализа фрагмента урока, который проводит студент, используя конкретный эксперимент с учетом педагогических требований, предъявляемых к этому виду деятельности учителя физики. Курс рассчитан на 88 часов, из них на лабораторные занятия 50 часов. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. Физический эксперимент в научном и учебном познании 1.1. Система учебного эксперимента по физике. Место и роль учебного эксперимента в системе методов обучения физике. Принципы комплектования кабинета физики оборудованием, предназначенным для учебного эксперимента. Критерии отбора демонстраций, лабораторных работ и экспериментальных исследований. Принцип соответствия учебного физического эксперимента содержанию и структуре учебного материала. Макроструктура деятельности учителя по подготовке, проведению и анализу результатов учебного физического эксперимента. Система и особенности учебного физического эксперимента на базовом, повышенном и углубленном уровнях изучения физики. Правила техники безопасности при проведении демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ и экспериментальных исследований. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 2. Тематика занятий по методике и технике школьного физического эксперимента 2.1. Система учебного эксперимента по курсу физики 7-го класса. Опыты, иллюстрирующие относительность движения, существенные признаки равномерного и неравномерного движений, явления инерции и взаимодействия тел, измерению сил и определению равнодействующей сил, направленных по одной прямой, работу различных сил, превращения потенциальной и кинетической энергии и их изменения при совершении работы, устройство и принцип действия гидравлического пресса. Опыты, подтверждающие зависимость кинетической энергии тела от его массы и скорости; наличие потенциальной энергии у упруго деформированного тела и у тела находящегося в поле тяготения, законы сообщающихся сосудов, равенство архимедовой силы весу вытесненной жидкости, существование атмосферного давления. Опыты с использованием демонстрационного комплекта по гидроаэродинамике. 2.2. Система учебного эксперимента по курсу физики 8-го класса. Опыты, иллюстрирующие изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче, виды теплопередачи. Экспериментальное изучение процессов плавления, испарения и кипения и их зависимости от различных факторов. Сравнение теплоемкостей тел одинаковой массы. Опыты по электризации и взаимодействию заряженных тел. Опыты иллюстрирующие: действия электрического тока; зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и от сопротивления этого участка; зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества; закономерности последовательного и параллельного соединений проводников; назначение амперметра и вольтметра, устройство и принцип действия реостата, электронагревательных приборов и плавкого предохранителя. Опыты с демонстрационным набором «Электричество-1». Опыты, иллюстрирующие взаимодействие постоянных магнитов, действие магнитного поля Земли и магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку, магнитные поля проводников с током, движение проводника с током в магнитном поле, устройство и принцип действия электроизмерительных приборов, электромагнита и электродвигателя. Опыты с демонстрационным набором по геометрической оптике (законы отражения света, преломление света, прохождение лучей через призму, линзы, построение изображений предмета в плоском зеркале и в линзах, измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы, оптические схемы лупы, проекционного аппарата и фотоаппарата). Опыты, иллюстрирующие недостатки зрения и способы их устранения. 2.3. Система учебного физического эксперимента по теме «Основы кинематики». Относительность покоя и механического движения, его РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У характеристик и параметров (траектория, путь, перемещение, скорость). Способы измерения промежутков времени (метроном, электромеханический секундомер, счетчик-секундомер электронный, стробоскоп). Демонстрационный эксперимент по кинематике (машина Атвуда, прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика L-микро» и др). Иллюстрация законов равноускоренного движения, измерение величин, характеризующих его (мгновенная скорость, ускорение при свободном падении). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.4. Система учебного физического эксперимента по теме «Основы динамики». Опыты, иллюстрирующие сложение сил, сравнение масс тел при их взаимодействии, законы Ньютона, движение тел под действием силы тяжести, зависимость силы упругости от деформации, особенности сил трения покоя, скольжения и качения. Демонстрационный эксперимент по динамике с использованием машины Атвуда, комплекта «Вращение», прибора для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, демонстрационного прибора по механике ПМДМ, демонстрационного комплекта «Механика L-микро» и др. Демонстрация зависимости веса тела от ускорения системы отсчета. Невесомость. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.5. Система учебного физического эксперимента по теме «Законы сохранения в механике». Опыты, иллюстрирующие понятия «импульс тела» и «импульс силы», закон сохранения импульса, реактивное движение, изменение энергии тела при совершении работы, взаимные превращения и закон сохранения полной механической энергии, упругие и неупругие столкновения (прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика L-микро» и др). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.6. Система учебного физического эксперимента по разделу «Термодинамика и элементы статистической физики». Демонстрационный эксперимент по термодинамике и молекулярной физике с использованием демонстрационного комплекта «Тепловые явления Lмикро» и комплектом для изучения газовых законов. Демонстрации моделей броуновского движения, давления газа, опыта Штерна по определению скорости движения молекул газа. Исследование зависимостей между объемом, давлением и температурой данной массы газа для изопроцессов. Изучение электрического термометра. Изменение температуры воздуха при адиабатном расширении и сжатии. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.7. Система учебного физического эксперимента по теме «Электростатика». Изучение демонстрационного набора по электростатике и набора для демонстрации электрических полей, электрометров, прибора «Неравноплечный рычаг», высоковольтного выпрямителя «Разряд-І». РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У Методические особенности основных опытов по электростатике (закон Кулона, электростатические поля заряженных тел, электростатическая индукция, зависимость электроемкости плоского конденсатора от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды и др.). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.8. Система учебного физического эксперимента по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах». Изучение наборов: «Электричество-1» для исследования электрических цепей постоянного тока; «Электричество-2» для исследования тока в полупроводниках и их технического применения; «Электричество-4» для исслелования электрического тока в вакууме и набора по электролизу». Опыты, иллюстрирующие зависимость силы тока от ЭДС источника и полного сопротивления цепи. Основные опыты по теме: несамостоятельный и самостоятельный разряды; различные виды разрядов при атмосферном и пониженном давлениях; термоэлектронная эмиссия, односторонняя проводимость вакуумного и полупроводникового диодов, электроннодырочные переходы транзистора, ионная проводимость растворов и расплавов. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.9. Система учебного физического эксперимента по теме «Магнитное поле постоянного тока. Электромагнитная индукция». Изучение набора «Электричество-3». Опыты с набором для исследования явлений электромагнитной индукции и самоиндукции «Электричество-3» и с набором для изучения движения электронов в электрическом и магнитном полях. Опыт Эрстеда. Взаимодействие параллельных токов. Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитный зонд для исследования магнитного поля тока. Отклонение электронного пучка магнитным полем. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Индукционные токи в сплошных проводниках. Самоиндукция при замыкании и размыкании цепи. Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в проводнике и его индуктивности. Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.10. Система учебного физического эксперимента по разделу «Колебания и волны». Демонстрации свободных и вынужденных колебаний, сходства и различий между колебательным и вращательным движениями, зависимости периода свободных колебаний от свойств колебательной системы (на примерах пружинного и математического маятников), механического резонанса, источников звука, зависимости громкости от амплитуды колебаний источника звука и высоты тона от частоты колебаний, аккустического резонанса. Изучение прибора «Волновая машина» и методики ее использования для объяснения образования и распространения поперечных и продольных волн. Наблюдение свободных электромагнитных колебаний низкой частоты в колебательном контуре, зависимости их частоты от электроемкости и индуктивности контура. Опыты по исследованию цепей переменного тока с набором «Электричество-3» (осцилограммы переменного тока; активное, РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У емкостное и индуктивное сопротивления; фазовые соотношения и резонанс в цепях переменного тока). Изучение комплекта приборов для демонстрации свойств электромагнитных волн. Модель распространения электромагнитного поля («цепочка Брегга»). Излучение, распространение и прием электромагнитных волн, модуляция и детектирование электромагнитных колебаний. Основные свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция и поляризация. Компьютерные анимации и модели опытов по разделу. 2.11. Система учебного физического эксперимента по теме «Оптика». Изучение комплекта по геометрической оптике на магнитных держателях, комплектов по волновой оптике с лазерным источником света и на основе графопроектора. Основные опыты по геометрической и волновой оптике (законы преломления, полное отражение, интерференция света, дифракция на щели и на дифракционной решетке, поляризация света, свойства инфракрасного и ультрафиолетового излучений). Компьютерные анимации и модели опытов по теме. 2.12. Система учебного физического эксперимента по разделу «Основы квантовой физики». Изучение комплекта по квантовой физике, набора для демонстрации внешнего фотоэффекта, набора со счетчиком Гейгера, моделей-аппликаций по атомной и ядерной физике. Основные опыты по разделу: явление и основные закономерности фотоэффекта на установке с цинковой пластинкой; модель опыта Резерфорда; камера Вильсона; устройство и принцип действия счетчика ионизирующих частиц. Изучение законов внешнего фотоэффекта. Компьютерные анимации и модели опытов по разделу. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Кодекс Республики Беларусь «Об образовании». 2. Образовательный стандарт. Общее среднее образование. Основные нормативы и требования // Фізіка: праблемы выкладання, 2007. № 2. С. 3-16. 3. Концепция учебного предмета «Физика». 4. Единый типовой учебный план для общеобразовательных учреждений / Постановление МО Республики Беларусь от 21.07.2008 года № 58. 5. Учебные программы для общеобразовательных учреждений. Физика VI-XI классы. Мн.: Национальный институт образования, 2008. 6. Анофрикова, С.В. Методическое руководство по разработке фрагментов уроков с использованием учебного физического эксперимента / С.В. Анофрикова, Л.А. Прояненкова. – М: Просвещение, 1989. 7. Анциферов, Л.И. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента / Л.И. Анциферов, И.М. Пищиков. – М., 1984. 8. Демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1974. 9. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Ч 1. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1978. 10. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Ч 2. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики / В.А. Буров и др.; под ред. А.А. Покровского. – М.: Просвещение, 1978. 11. Захарова, И.Г. Информационные технологии в образовании / И.Г. Захарова. – М.: Академия, 2003. 12. Иродова, И. А. Технические средства обучения и учебное оборудование. Учебное пособие / И. А. Иродова, В.Л. Зудин. – М.: Владос, 2006. 13. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе / С.Е. Каменецкий и др.; под ред. С.Е. Каменецкого и С.В. Степанова. – М.: Академия, 2002. 14. Разумовский, В.Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучение / В.Г. Разумовский, В. В. Майер .– М.: Владос, 2006. 15. Смирнов, А.В. Современный кабинет физики / А.В. Смирнов. – М.: Знания, 2006. 16. Тимофеев, Е.И. Некоторые фундаментальные проблемы современной физики / Е.И. Тимофеев. – М.: Физматлит, 2007. 17. Трайнев, В. А. Педагогические технологии и их информационное обеспечение/ В. А. Трайнев. – М.: Владос, 2006. 18. Учебное оборудование для кабинетов физики всех типов общеобразовательных учреждений; под ред. Г.Г. Никифорова. – М.: Дрофа, 2005. 19. Хорошавин, С.А. Физический эксперимент в средней школе / Хорошавин С.А. – М.: Просвещение, 1988. 20. Шахмаев, Н.М. Физический эксперимент в средней школе: Механика, молекулярная физика, электродинамика / Н.М. Шахмаев, В.Ф. Шилов.– М.: Просвещение, 1989. 21. Шахмаев, Н.М. Физический эксперимент в средней школе: Колебания и волны. Квантовая физика / Н.М. Шахмаев, Н.И. Павлов, В.И. Тыщук. – М.: Просвещение, 1991. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 10. Байбородова, Л. В. Обучение физике в средней школе / Л. В. Байбородова, И.Б. Бровкин, Т.М. Крайнева. – М.: Владос, 2006. 11. Гликман, И.З. Управление самостоятельной работой студентов (системное стимулирование) / И.З. Гликман. – М.: Логос, 2002. 12. Исаченкова, Л.А. Физика в 7 классе: учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др.]. – Минск, 2003. 13. Исаченкова, Л.А. Физика в 8 классе: Учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др.]. – Минск, 2005. 14. Исаченкова, Л.А. Физика в 9 классе: Учебно-методическое пособие для учителей / Л.А Исаченкова [и др]. – Минск, 2007. 15. Объедков, Е.С. Ученический эксперимент на уроках физики. – М.: Просвещение, 1996. 16. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы; под ред. С.Е. Каменецкого и Н.С. Пурышевой. – М.: Академия, 2000. 17. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы; под ред. С.Е. Каменецкого. – М.: Академия, 2000. 18. Хуторской, А.В. Методика личностно-ориентированного обучения: Как обучать всех по-разному? / А.В.Хуторской. – М.: Владос, 2005. 1.1 Лабораторные занятия Управляемая самостоятельная работа студента 2 Физический эксперимент в научном и учебном познании Система учебного эксперимента по физике. Место и роль учебного эксперимента в системе методов обучения физике. Принципы комплектования кабинета физики оборудованием, предназначенным для учебного эксперимента. Критерии отбора демонстраций, лабораторных работ и экспериментальных исследований. Принцип соответствия учебного физического эксперимента содержанию и структуре учебного материала. Макроструктура деятельности учителя по подготовке, 4 5 6 2 Формы контроля знаний Практические (семинарские) занятия 3 БГ П У Лекции 1 1 Название раздела, темы, занятия, перечень изучаемых вопросов РЕ П О ЗИ ТО РИ Й Номер раздела, темы, занятия Количество аудиторных часов Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.) Литература УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА 7 8 9 Мультимедийно е сопрово жде-ние [1-6, 11, 12, 16-19 ] Д [1, 2, 8, 9] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. 2.1 БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2 проведению и анализу результатов учебного физического эксперимента. Система и особенности учебного физического эксперимента на базовом, повышенном и углубленном уровнях изучения физики. Правила техники безопасности при проведении демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ и экспериментальных исследований. Тематика занятий по методике и технике школьного физического эксперимента Система учебного эксперимента по курсу физики 7-го класса. Опыты, иллюстрирующие относительность движения, существенные признаки равномерного и неравномерного движений, явления инерции и взаимодействия тел, измерению сил и определению равнодействующей сил, направленных по одной прямой, работу различных сил, превращения потенциальной и кинетической энергии и их изменения при совершении работы, устройство и принцип действия гидравлического пресса. Опыты, подтверждающие зависимость кинетической энергии тела от его массы и скорости; наличие потенциальной энергии у 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5, 8, 13, 19, 20] Д [3, 6-8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.2 упруго деформированного тела и у тела находящегося в поле тяготения, законы сообщающихся сосудов, равенство архимедовой силы весу вытесненной жидкости, существование атмосферного давления. Опыты с использованием демонстрационного комплекта по гидроаэродинамике. Система учебного эксперимента по курсу физики 8-го класса. Опыты, иллюстрирующие изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче, виды теплопередачи. Экспериментальное изучение процессов плавления, испарения и кипения и их зависимости от различных факторов. Сравнение теплоемкостей тел одинаковой массы. Опыты по электризации и взаимодействию заряженных тел. Опыты иллюстрирующие: действия электрического тока; зависимость силы тока от напряжения на участке цепи и от сопротивления этого участка; зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества; закономерности последовательного и параллельного соединений проводников; назначение 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5, 6-9, 20] Д [4, 6-8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й амперметра и вольтметра, устройство и принцип действия реостата, электронагревательных приборов и плавкого предохранителя. Опыты с демонстрационным набором «Электричество-1». Опыты, иллюстрирующие взаимодействие постоянных магнитов, действие магнитного поля Земли и магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку, магнитные поля проводников с током, движение проводника с током в магнитном поле, устройство и принцип действия электроизмерительных приборов, электромагнита и электродвигателя. Опыты с демонстрационным набором по геометрической оптике (законы отражения света, преломление света, прохождение лучей через призму, линзы, построение изображений предмета в плоском зеркале и в линзах, измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы, оптические схемы лупы, проекционного аппарата и фотоаппарата). Опыты, иллюстрирующие недостатки зрения и способы их устранения. Система учебного физического эксперимента по теме «Основы кинематики». Относительность покоя и 2.3 4 Компьют [5-7, ер-ные 9, 13, анимаци 20] Контроль уровня готовности к ии модели опытов по теме. Д [1, 5, 7, 8] выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5-7, 9, 13, 20] Д [1, 5, 7, 8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.4 механического движения, его характеристик и параметров (траектория, путь, перемещение, скорость). Способы измерения промежутков времени (метроном, электромеханический секундомер, счетчиксекундомер электронный, стробоскоп). Демонстрационный эксперимент по кинематике (машина Атвуда, прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика Lмикро» и др). Иллюстрация законов равноускоренного движения, измерение величин, характеризующих его (мгновенная скорость, ускорение при свободном падении). Система учебного физического эксперимента по теме «Основы динамики». Опыты, иллюстрирующие сложение сил, сравнение масс тел при их взаимодействии, законы Ньютона, движение тел под действием силы тяжести, зависимость силы упругости от деформации, особенности сил трения покоя, скольжения и качения. Демонстрационный эксперимент по динамике с использованием машины Атвуда, комплекта «Вращение», прибора 4 2.6 БГ П У работы. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.5 для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, демонстрационного прибора по механике ПМДМ, демонстрационного комплекта «Механика L-микро» и др. Демонстрация зависимости веса тела от ускорения системы отсчета. Невесомость. Система учебного физического эксперимента по теме «Законы сохранения в механике». Опыты, иллюстрирующие понятия "импульс тела" и "импульс силы", закон сохранения импульса, реактивное движение, изменение энергии тела при совершении работы, взаимные превращения и закон сохранения полной механической энергии, упругие и неупругие столкновения (прибор для демонстрации законов механики на воздушной подушке ПДЗМ, «Прибор по механике демонстрационный ПМДМ», комплект демонстрационный «Механика Lмикро» и др). Система учебного физического эксперимента по разделу «Термодинамика и элементы статистической физики». Демонстрационный эксперимент по термодинамике и молекулярной физике с 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5-7, 9, 13, 20] Д [1, 5, 7, 8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов [5-7, 9, 13, 20] Д [1, 2, 7, 8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани 2.8 е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. БГ П У по теме. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.7 использованием демонстрационного комплекта «Тепловые явления L-микро» и комплектом для изучения газовых законов. Демонстрации моделей броуновского движения, давления газа, опыта Штерна по определению скорости движения молекул газа. Исследование зависимостей между объемом, давлением и температурой данной массы газа для изопроцессов. Изучение электрического термометра. Изменение температуры воздуха при адиабатном расширении и сжатии. Система учебного физического эксперимента по теме «Электростатика». Изучение демонстрационного набора по электростатике и набора для демонстрации электрических полей, электрометров, прибора «Неравноплечный рычаг», высоковольтного выпрямителя «Разряд-І». Методические особенности основных опытов по электростатике (закон Кулона, электростатические поля заряженных тел, электростатическая индукция, зависимость электроемкости плоского конденсатора от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды и др.). Система учебного физического 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. 4 Компьют [5-7, [5-7, 9, 13, 20] Д [1, 2, 7, 8] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. Контроль БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.9 эксперимента по темам «Постоянный электрический ток» и «Электрический ток в различных средах». Изучение наборов: «Электричество-1» для исследования электрических цепей постоянного тока; «Электричество-2» для исследования тока в полупроводниках и их технического применения; «Электричество4» для исслелования электрического тока в вакууме и набора по электролизу». Опыты, иллюстрирующие зависимость силы тока от ЭДС источника и полного сопротивления цепи. Основные опыты по теме: несамостоятельный и самостоятельный разряды; различные виды разрядов при атмосферном и пониженном давлениях; термоэлектронная эмиссия, односторонняя проводимость вакуумного и полупроводникового диодов, электроннодырочные переходы транзистора, ионная проводимость растворов и расплавов. Система учебного физического эксперимента по теме «Магнитное поле постоянного тока. Электромагнитная индукция». Изучение набора «Электричество-3». Опыты с набором для исследования явлений электромагнитной индукции и самоиндукции «Электричество- 4 ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. 9, 13, 20] Д [1, 2, 7, 8] уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5-7, 13, 20] Д [1, 2, 7, 8, 9] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.10 3» и с набором для изучения движения электронов в электрическом и магнитном полях. Опыт Эрстеда. Взаимодействие параллельных токов. Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитный зонд для исследования магнитного поля тока. Отклонение электронного пучка магнитным полем. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Индукционные токи в сплошных проводниках. Самоиндукция при замыкании и размыкании цепи. Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в проводнике и его индуктивности. Система учебного физического эксперимента по разделу «Колебания и волны». Демонстрации свободных и вынужденных колебаний, сходства и различий между колебательным и вращательным движениями, зависимости периода свободных колебаний от свойств колебательной системы (на примерах пружинного и математического маятников), механического резонанса, источников звука, зависимости громкости от амплитуды колебаний источника звука и высоты тона от частоты колебаний, аккустического резонанса. Изучение прибора «Волновая 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5-7, 10, 13, 21] Д [1, 2, 7, 8, 9] Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й машина» и методики ее использования для объяснения образования и распространения поперечных и продольных волн. Наблюдение свободных электромагнитных колебаний низкой частоты в колебательном контуре, зависимости их частоты от электроемкости и индуктивности контура. Опыты по исследованию цепей переменного тока с набором «Электричество-3» (осцилограммы переменного тока; активное, емкостное и индуктивное сопротивления; фазовые соотношения и резонанс в цепях переменного тока). Изучение комплекта приборов для демонстрации свойств электромагнитных волн. Модель распространения электромагнитного поля («цепочка Брегга»). Излучение, распространение и прием электромагнитных волн, модуляция и детектирование электромагнитных колебаний. Основные свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция и поляризация. Система учебного физического эксперимента по теме «Оптика». Изучение комплекта по геометрической оптике на магнитных держателях, комплектов по волновой оптике с лазерным источником 2.11 4 Компьют ер-ные анимаци ии модели [5-7, 10, 13] Д [1, 2, 7, Контроль уровня готовности к выполнению работы БГ П У РЕ П О ЗИ ТО РИ Й 2.12 света и на основе графопроектора. Основные опыты по геометрической и волновой оптике (законы преломления, полное отражение, интерференция света, дифракция на щели и на дифракционной решетке, поляризация света, свойства инфракрасного и ультрафиолетового излучений). Система учебного физического эксперимента по разделу «Основы квантовой физики». Изучение комплекта по квантовой физике, набора для демонстрации внешнего фотоэффекта, набора со счетчиком Гейгера, моделейаппликаций по атомной и ядерной физике. Основные опыты по разделу: явление и основные закономерности фотоэффекта на установке с цинковой пластинкой; модель опыта Резерфорда; камера Вильсона; устройство и принцип действия счетчика ионизирующих частиц. Изучение законов внешнего фотоэффекта. 4 опытов по теме. 8, 9] Компьют ер-ные анимаци ии модели опытов по теме. [5-7, 10, 13, 21] Д [1, 2, 7, 8, 9] (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. Контроль уровня готовности к выполнению работы (тестировани е). Индивидуаль ный отчет по результатам выполнения работы. 4.3 Перечень учебных изданий, рекомендуемых для изучения РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 1. Елисеева, И.М. Методика обучения физике: практикум. В 2 ч. Ч. 1 / И.М. Елисеева, И.И. Довыденко. – Минск: БГПУ, 2009. – 104 с. 2. Елисеева, И.М. Методика обучения физике в 6 – 8 классах / И.М. Елисеева, А.А. Луцевич, О.Н. Белая. – Минск: БГПУ, 2012. – 148 с. 3. Елисеева, И.М. Практикум по школьному физическому эксперименту / И.М. Елисеева, А.А. Луцевич, О.Н. Белая. – Минск: БГПУ, 2013. – 140 с. 4. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе / С.Е. Каменецкий и др.; под ред. С.Е. Каменецкого и С.В. Степанова. – М.: Академия, 2002. – 304 с. 5. Смирнов, А.В. Современный кабинет физики / А.В. Смирнов. – М.: Знания, 2006. – 304 с. 6. Трайнев, В. А. Педагогические технологии и их информационное обеспечение/ В. А. Трайнев. – М.: Владос, 2006. – 279 с. 7. Учебное оборудование для кабинетов физики всех типов общеобразовательных учреждений; под ред. Г.Г. Никифорова. – М.: Дрофа, 2005. – 400 с. 8. Учебные программы для общеобразовательных учреждений. Физика VI-XI классы / Мн.: Национальный институт образования, 2012. − 64 с. 9 Наглядная физика. Введение [Электронный ресурс]: программный комплекс. – Электрон. дан. (150 Мб). – Мн.: Инфотриумф, 2009. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). 10 Наглядная физика [Электронный ресурс]: программный комплекс: в 2 ч. – Электрон. дан. (150 Мб). – Мн.: Инфотриумф, 2009. – Электрон. опт. диски (CD-ROM): зв., цв. – Ч. I: Тепловые явления. Световые явления. Электромагнитные явления. – 1 диск; Ч. II: Основы кинематики. Основы динамики. Законы сохранения. Факультатив. – 1 диск. 11 Наглядная физика. 9 класс [Электронный ресурс]: программный комплекс. – Электрон. дан. (150 Мб). – Мн.: Инфотриумф, 2009. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). 12 Физика: учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений с русским (белорусским) языком обучения / Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский; под ред. Л.А. Исаченковой. – Минск: Народная асвета, 2009. – 181 с. 13 Физика: учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений с русским (белорусским) языком обучения / Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский; под ред. Л.А. Исаченковой. – Минск: Народная асвета, 2010. – 183 с. 14 Физика: учебное пособие для 9 класса общеобразовательных учреждений с русским (белорусским) языком обучения / Л.А. Исаченкова, Г.В. Пальчик, А.А. Сокольский; под ред. А.А. Сокольского. – Минск: Народная асвета, 2010. – 213 с. РЕ П О ЗИ ТО РИ Й БГ П У 15 Физика: учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским (белорусским) языком обучения / Е.В. Громыко [и др.]. – Минск: Адукацыя і выхаванне, 2013. – 272 с. 16 Физика: учебное пособие для 11 класса общеобразовательных учреждений с русским (белорусским) языком обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Народная асвета, 2009. – 255 с.
