Урок физики в 9 классе по теме

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение МБОУ "СОШ №20"»
План – конспект урока
По теме «Механические колебательные системы. Маятник как один
из примеров колебательной системы»
Подготовил и провел: Антипова Л. А.
Учитель физики высшей
Квалификационной категории
Урок физики в 9 классе
по теме «Механические колебательные системы. Маятник как
один из примеров колебательной системы».
“Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой тянись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет”.
Фирдоуси (персидский и таджикский поэт 940–1030 гг.)
Метод обучения – проблемный.
Проблема урока – выявить особенности колебательных систем – маятников.
Цели урока:
•
Предметные: повторить: 1) понятия колебательная система, математический и
пружинный маятники; 2) основные характеристики колебательного движения:
период, частота колебаний; 3) формулы для вычисления периода: общая формула
периода , формулы периодов математического
и пружинного маятников.
Формировать умения: 1) исследовать зависимость периода математического и
пружинного маятников от массы груза, 2) обнаруживать зависимости между
физическими величинами (периодом математического и пружинного маятников и
массой груза) и 3) представлять результаты измерений в виде таблицы и графика.
Формировать навыки решения разноуровневых задач на применение формул:
периода, периода математического и пружинного маятников, частоты.
•
Личностные: развивать наблюдательность, умение сравнивать зависимости
физических величин, результаты эксперимента; обобщать знания о колебательных
системах с использованием исторических примеров, примеров из жизни,
систематизировать материал. Развивать уважение к творцам науки как элементу
общечеловеческой культуры; самостоятельность в приобретении новых знаний и
практических
умений.
Развивать
информационные,
коммуникативные,
организационные умения.
•
Метапредметные:
овладеть
универсальными
учебными
действиями:
экспериментальными навыками, навыками исследовательской и проектной
деятельности, навыками самостоятельного приобретения новых знаний, постановке
целей, анализа результатов деятельности одноклассников при работе над
созданием мини-проекта, развивать монологическую и диалогическую речь,
умение выражать свои мысли.
Ход урока:
Начальный этап урока
Цель этапа урока: мотивировать учащихся к последующим шагам учебной
деятельности на уроке через рассказ о значении колебаний. Организовать разделение
учеников на группы. Организовать анализ учащимися возникшей ситуации и на этой
основе подвести их к постановке основной задачи урока.
Учитель: (вступительное слово). Мы живем в мире колебаний. Маятник стенных часов,
кузов железнодорожного вагона, струна гитары, качели и т.д.
Колебания играют важную роль в таких ведущих областях техники, как электричество и
радио. Выработка, передача и потребление электрической энергии, телефония,
радиовещание, телевидение, радиолокация – все эти важные отрасли основаны на
использовании электрических и электромагнитных колебаний.
С колебаниями мы встречаемся и в живом организме. Биение сердца, сокращение
желудка, деятельность кишечника имеют колебательный характер.
Строители и механики имеют дело с колебаниями сооружений и машин.
Кораблестроители – с качкой и вибрацией корабля и т. д.
Трудно назвать такую отрасль, где колебания не играли бы существенной роли. Поэтому
значение основ физики колебаний необходимо любому грамотному человеку. Таким
образом, дорогие мои мыслители, задача урока должна быть вам уже ясна. Но если кто –
то еще сомневается, обратимся к вопросам на экране, я думаю, что они вам помогут более
точно сформулировать свои мысли. (Учитель просит одного из учеников озвучить
вопросы).
• Когда появились первые маятники?
• Что произойдет с периодом математического маятника, если массу подвешенного
груза увеличить/уменьшить?
• Какого ученого раскачивающаяся люстра побудила приступить к исследованиям
колебаний?
• Примените метод Шерлока Холмса: от простого к сложному.
• А изменив массу груза пружинного маятника, что можно сказать о периоде его
колебаний?
• Можно ли с помощью маятника продемонстрировать суточное вращение Земли?
• Существует ли идеальный маятник?
• Отметим особо: точность науки
Всегда выражается в том,
Что безупречный язык математики,
Служит ее языком!
Затем ученики ставят основные задачи урока – обобщить знания о простейших
механических колебательных системах – маятниках, провести исследование зависимости
периода математического и пружинного маятников от массы груза, решить
разноуровневые задачи.
Учитель: так как задачу мы перед собой поставили, начинаем выполнять. Для начала
давайте распределим вопросы на группы по объединяющему их признаку. Итак, …
Ученик 1. Например, к первой группе можно отнести вопрос 1, 3, 6, 7, т. к. в них речь
идет, непосредственно, о маятниках и о времени их возникновения.
Ученик 2. Тогда, ко второй группе – 2, 5 т. к они говорят о необходимости рассмотреть
зависимость периода маятников от массы.
Ученик 3. Остались вопросы 4 и 8, поэтому они и будут в одной группе. Следуя вопросу 4
необходимо что – то распределить, а вопросу 8, возможно, распределить формулы.
Учитель: ребята, с этим заданием вы успешно справились, поэтому переходим к
следующему. Для этого вам (обращается к ученикам) необходимо разбиться на 3 группы.
У каждого на столах лежит цветной квадратик. По цвету своего квадратика вы
рассаживаетесь за первые парты первого, второго и третьего рядов. Вы собрались, таким
образом, в команду единомышленников которая будет создавать за четко отведенное
время (15 – 20 минут) мини-проект. Вам необходимо соблюсти все условия минипроекта:
•
Форма представления проекта (постер, альбом, видеофильм, презентация и т.п)
•
Название проекта
•
Проблема проекта
•
Авторы проекта (школа, класс, количество участников)
•
Научный руководитель/консультант
•
Тип проекта:
•
По доминирующей в проекте деятельности: исследовательский, творческий,
практико-ориентировочный
•
По предметно-содержательной области: культурологический, естественнонаучный,
экологический, исторический
•
По количеству участников проекта: личный, парный, групповой
•
По широте охвата содержания: монопредметный, межпредметный
•
Методы решения проекта
•
Средства решения проблемы
Учитель: Ребята могут приступать к выполнению, а я поясню, какой материал получила
каждая группа.
Желтые – получили текст исторического содержания и иллюстрации к тексту, зеленые –
лабораторное оборудование и оранжевые – задачи.
Далее учитель регулирует процесс работы каждой группы.
Результат: у учащихся появился мотив к познанию, научились анализировать возникшую
ситуацию и формировать интерес к проблеме.
Основной этап урока
Цель этапа урока: повторить ранее изученный материал через формирование умения
работать с текстом, выделения основной мысли; умения работать с лабораторным
оборудованием, наблюдать демонстрации, представлять результаты измерений в виде
таблицы и графика, делать выводы по результатам эксперимента; умения анализировать и
дифференцировать учебный материал (задачи) по уровню сложности, сформировать
навыки решения задач. Развивать монологическую и диалогическую речь, умение
выражать свои мысли.
Представление проектов
Историки:
Конечным «продуктом» нашего мини-проекта является презентация которую выполнили
ученики 9 класса А МБОУ «СОШ № 20»в количестве 5 человек, поэтому наш проект
является групповым. Консультант проекта – учитель физики Антипова Л. А. Свой минипроект мы назвали (1 слайд) «История создания маятника» и поместили фото Галилея и
Фуко, т. к. именно они являются основоположниками теории колебаний. Таким образом,
перед нами встала проблема: какова история возникновения маятника (с чего и с кого все
началось?). Поэтому на слайде 2 вы можете увидеть люстру Пизанского собора, как
прародительницу первого маятника, и конечно дали определение маятнику. А так же
показали его первое применение в медицине: «Удлиняя или укорачивая маятник, Галилей
достигал согласования колебания маятника с биением пульса». Слайд 3. Здесь мы уделили
внимание еще одному маятнику, который внес огромный вклад в доказательства о
вращении Земли – маятник Фуко. Впервые его продемонстрировали перед большим
количеством людей в Парижском пантеоне и именно это мы и показали на слайде 4. Так
как ученые используют для построения элементарной теории колебаний математический
маятник, то и ему мы уделили внимание в своей работе. На слайде 5 вы можете увидеть
его определение, а так же условия, при которых реальный маятник можно считать
математическим. Заканчиваем нашу презентацию (слайд 6) выводом о том, к каким
системам относится маятник. Таким образом, исходя из нашей работы мы решили, что по
виду деятельности наш мини-проект относится к творческому, а по предметносодержательной области – к естественно-научному и историческому, поэтому наш
мини-проект можно считать межпредметным. Свою работу мы выполнили на
компьютере с использованием текстовой информации и иллюстративного материала
Результат: сформировано умение работать с текстом и выделять основную мысль.
Достигнуто усвоение понятий маятник, математический маятник, а так же уяснили
условия, при которых реальный маятник считается математическим, развита
монологическая речь.
Исследователи.
Конечный «продукт» нашего мини-проекта представляет собой отчет в виде таблиц и
графиков. Этот проект мы подготовили сообща, поэтому он является групповым.
Помогал, т. е. консультировал и направлял нашу деятельность учитель физики Антипова
Л. А. Название нашему мини-проекту мы дали следующее «Исследование зависимости
периода математического и пружинного маятников от массы груза». Выявленная нами
проблема: зависит ли и как зависит период математического и пружинного маятников от
массы груза. Для ее решения мы использовали: нить длиной 1 м, пружину, заданной
жесткости, набор грузов массой по 100 г, секундомер, калькулятор. Метод решения
поставленной проблемы – исследовательский. В результате мы увидели (таблица 1
последняя колонка), что число не меняется, а на графике все точки лежат на прямой
параллельной горизонтальной оси.
№
опыта
1
2
3
4
Масса груза,
m, кг
0,1
0,2
0,3
0,4
Время движения,
t, с
60
60
60
60
Количество
колебаний, N
30
30
30
30
Таблица 1
Период,
Т, с
2
2
2
2
Период пружинного же маятника зависит от массы (таблица 2 последняя колонка) –
значения меняются, а графиком является не прямая, т. е. зависимость периода пружинного
маятника от массы груза не является линейной. Поэтому по основному виду
деятельности наш мини-проект является исследовательским, по предметносодержательной области – естественно-научным, а по широте обхвата
межпредметрным.
№
Масса груза,
опыта m, кг
1
2
3
4
0,1
0,2
0,3
0,4
Время движения,
t, с
60
84
102
120
Таблица 2
Количество
колебаний, N
30
30
30
30
Период,
Т, с
2
2,8
3,4
4
Результат: сформировано умение работать с лабораторным оборудованием, наблюдать
демонстрации, представлять результаты измерений в виде таблицы и графика, делать
выводы по результатам эксперимента, развита диалогическая речь.
Практики.
Конечным «продуктом» нашего мини-проекта является вариант
контрольной работы по теме «Механические колебания». В составлении варианта
принимали участие все ученики нашей группы, поэтому наш мини-проект, как и
предыдущие является групповым. Помогал нам в нашей деятельности учитель физики
Антипова Л. А. наш проект мы назвали: контрольная работа по теме «Механические
колебания». Перед нами встала проблема: решить предложенные задачи. Приступив к
выполнению работы мы увидели, что не все задачи подходят к нашей теме, поэтому из
всех задач мы выбрали только 6. Затем, мы поняли, что эти задачи отличаются по
сложности, а к трем из них предложены ответы. Тогда, мы решили распределить задачи
так, как обычно у нас в контрольной работе и получили: часть А – 3 задачи с выбором
варианта ответа; часть В – 2 задачи, потруднее, чем в части А и часть С – одна задача.
Взглянув только на рисунок мы решили, что это точно часть С (ее решение предлагаем на
доске). Так же хотим заметить, что одна из задач части А не имела правильного ответа и
предложили свой (в таблице). Для быстроты распределения задач (что соответствует
методу Шерлока Холмса: от простого к сложному) мы использовали компьютер; для
быстроты вычисления – калькулятор, для наглядного изображения – доску и мел.
А1. Грузик, подвешенный на нити, совершает свободные
Колебания между точками А и С (см. рисунок). Как
направлен вектор ускорения грузика в точке В?
• 1
• 2
• 3
• 4
А2. За какую часть периода шарик математического маятника проходит путь от левого
крайнего положения до правого крайнего положения?
• Т;
3) ;
• ;
4) .
А3. Маятниковые часы спешат. Чтобы часы шли точно, необходимо увеличить период
колебаний маятника. Для этого надо
• Увеличить массу маятника;
• Уменьшить массу маятника;
• Увеличить длину маятника;
• Уменьшить длину маятника.
В1. При свободных колебаниях за одно и тоже время первый маятник совершает одно
колебание, а второй – три. Как относятся длины маятников?
В2. Груз, подвешенный на пружине массой 4 кг, совершает свободные
гармонические колебания. Какой должна стать масса груза, чтобы частота
колебаний этого же груза увеличилась в 2 раза?
С1. Найти период колебания тела массой m в системах, изображенных на рисунке.
Жесткость пружин k1 и k2. Трением пренебречь.
Результат: сформировано умение анализировать и дифференцировать учебный материал
(задачи) по уровню сложности, сформированы навыки решения задач.
Рефлексия
Цель этапа урока: провести рефлексивный анализ учебной деятельности учащихся на
уроке.
Учитель: для решения поставленной нами задачи: обобщить знания о простейших
механических колебательных системах – маятниках, провести исследование зависимости
периода математического и пружинного маятников от массы груза, решить
разноуровневые задачи вы создавали свои мини-проекты. А теперь я предлагаю вам,
посовещавшись в группе (1 – 3 мин.) высказать свое мнение о представленных минипроектах, одноклассников (проводится обмен мнениями).
Ученики: один/несколько учеников от группы высказывают свое мнение о
представленных работах, возможно, предлагают свои варианты решения проблемы.
Высказывают своё мнение об уроке.
Результат: анализ деятельности одноклассников на уроке.
Задание на дом
Учитель: уточняет работу над домашним заданием – подготовить проекты по темам:
•
Звук. Основные характеристики звука.
•
Ультразвук и его применение.
•
Инфразвук и его применение.
Ученики: записывают задание на дом.
Учитель: подводит итоги работы на уроке, благодарит учеников за хорошую работу и
творческий подход к проведению урока. Я хочу вам пожелать меньше колебаний в
вашей жизни. Шагайте по дороге знаний уверено.
Приложение 1
Рассказ для историков.
Маятник - это так называемый радиэстезический эффект, известный человечеству со
времен VIII века до н.э. Термин «радиэстезия», в переводе на русский, означает
«ощущение волн, колебаний». Именно этой цифрой датируются наскальные рисунки с
изображением фигуры человека, держащего в руках лозу. Маятником интересовались
многие ученые естественных наук от Аристотеля до современности. В 1583 г. 19-летний
юноша Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание
люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры
остается постоянным, хотя размахи колебаний делаются все меньше и меньше. Эти
наблюдения побудили Галилея приступить к исследованиям, в результате которых он
установил главный закон колебаний, исследуемое устройство назвал маятником. Маятник
– тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Галилей
сразу понял, какие важные последствия можно извлечь из сделанного им открытия.
Первое практическое применение закон получил в медицине. Галилей устроил маятник,
длину которого можно было изменять, и находил ту длину, при которой колебания
совпадали с биением пульса. Удлиняя или укорачивая маятник, Галилей достигал
согласования колебания маятника с биением пульса. Колебанием маятника Галилей
«воспользовался во многих опытах для измерения времени и движений и первый
применил его к наблюдению небесных светил». Маятник использовали в самых разных
ситуациях: для поиска кладов, воды, утерянных предметов и т. д. Он является
универсальным индикатором и может ответить на многие вопросы. Применялся он
разными слоями населения, начиная от императоров, королей, царей, жрецов и кончая
горнорудными рабочими, для разных целей. Так, известны исторические факты, когда
радиэстезическим методом пользовались царь Соломон, Екатерина II, отец реформатора
католической церкви Мартина Лютера, который был горнорудным рабочим.
Радиэстезическим феноменом интересовались М.Ломоносов, И.-В. Гёте, другие
выдающиеся личности. По высочайшему указанию Екатерины II в герб города
Петрозаводска был введен символ радиэстезии – лоза. Христиан Гюйгенс (1629—1695) —
великий голландский математик, физик и астроном XVII в. Он не только продолжил
исследования, начатые Галилеем, но и положил начало развитию новой области
механики—динамики системы материальных точек твердого тела в результате
исследования физического маятника и конструирования часов с обыкновенным,
циклоидальным и коническим маятниками. Центральное место в творчестве Гюйгенса
занимает мемуар «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), изданный в 1673 г. в
Париже. Этот труд выходит далеко за пределы, очерченные названием. В нем, кроме
описания конструкции изобретенных Гюйгенсом часов с обыкновенным, циклоидальным
и коническим маятниками, впервые рассматриваются: учение о центре колебаний
физических тел; определение ускорения силы тяжести g посредством наблюдения
колебания маятника; предложение о применении длины секундного маятника в качестве
единицы длины; теория центробежной силы; механические и геометрические свойства
циклоиды; учение об эволютах и эвольвентах. Исследования в области физикоматематических наук осуществлялись Гюйгенсом на более широкой, чем у Галилея,
основе и касались более сложных научных и технических проблем.
Следующий маятник, заслуживающий нашего внимания – маятник Фуко. Маятник
Фуко́ — 09001050001081051008090001810080маятник,
используемый
для
экспериментальной демонстрации 011101000502100105008050050008суточного вращения
Земли. Впервые публичная демонстрация была осуществлена французским физиком и
астрономом
04100000000510001090500Жаком
Фуко в 1851 г.
в 090010806Парижском 0900010500090010806Пантеоне: под куполом Пантеона он
подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной
проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех
направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6
метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы
маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Чтобы
избежать бокового толчка при пуске маятника, его отвели в сторону и привязали
верёвкой, после чего верёвку пережгли.
Одним из интересных фактов использования данного устройства – установка маятника в
Исаакиевском Соборе Санкт – Петербурга. В ночь с 11 на 12 апреля 1931 года в
Исаакиевском соборе в присутствии 7 тысяч зрителей впервые качнули маятник Фуко,
наглядно иллюстрирующий вращение Земли. Как рассказывает НТВ-СПб, публика была в
восторге: многие спорили, будет ли сбит поставленный на специальную подставку
спичечный коробок или нет. Небесная механика не подводила: плоскость качания
маятника зрительно поворачивалась, и коробок падал. Тогда это называли триумфом
науки над религией. Однако зря.
«На самом деле, всё было наоборот, - говорит хранитель экспозиции Исаакиевского
собора Сергей Окунев. - Первый опыт Фуко был выполнен с благословения папы
Римского для того, чтобы доказать могущество Бога».
Маятник сохраняет плоскость своих колебаний, а Земля вращается, поэтому смещается
стрелка. Классический опыт. Каким образом доказательство вращения Земли опровергает
догмат существования Бога, до сих пор никто не объяснил. Но по непонятной причине в
России маятник Фуко все равно стал заложником отношений церкви и государства. Его
сняли в 86-ом году, когда храм вернули верующим. Сейчас бронзовый шар лежит в
хранилище, в подвалах Собора. Помещен на вечное хранение, включен в блокадную
экспозицию как часть городской истории. Таким образом и маятник Галилея, и маятник
Фуко являются частью истории развития теории колебаний. Однако, ученые для
построения элементарной теории колебаний используют упрощенную модель нитяного
маятника, которая представляет собой идеальный маятник, состоящий из материальной
точки, подвешенной на невесомой нерастяжимой и бесконечно длинной нити,
называемый математическим маятником. Любой груз, подвешенный на нити, будет вести
себя как математический маятник, если только выполнены три условия: размеры груза
значительно меньше размеров нити; масса нити значительно меньше массы груза;
растяжение нити грузом настолько мало, что им можно пренебречь. Таким образом,
маятник – одна из колебательных систем, способных совершать механические колебания.
Приложение 2
Картинки для презентации историков.
Маятник 04100000000510001090500Фуко в Парижском Пантеоне Маятник Фуко Ось вращения Земли лежит в
плоскости колебаний маятника на северном полюсе.
Приложение 3
Для исследователей
Таблица 1
№
Масса
опыта груза,
m, кг
1
2
3
4
Время
движения,
t, с
Количество Период,
колебаний, Т, с
N
30
30
30
30
Таблица 2
№
Масса
опыта груза,
m, кг
1
2
3
4
Время
движения,
t, с
Количество
колебаний,
N
30
30
30
30
Период,
Т, с
Приложение 4
1. При свободных колебаниях за одно и тоже время первый маятник совершает одно
колебание, а второй – три. Как относятся длины маятников?
2. Координата тела меняется с течением времени по формуле х = 5 - 3t. Чему равна
координата этого тела через 5 с после начала движения?
1) -15 м; 2) -10 м;
3) 10 м;
4) 15 м.
3. Грузик, подвешенный на нити, совершает свободные
Колебания между точками А и С (см. рисунок). Как
направлен вектор ускорения грузика в точке В?
• 1
• 2
• 3
• 4
4. Найти период колебания тела массой m в системах, изображенных на рисунке.
Жесткость пружин k1 и k2. Трением пренебречь.
5. Куда, согласно второму закону Ньютона направлено ускорение?
1) перпендикулярно направлению действия силы;
2) в сторону обратную действию силы;
3) в сторону действия силы;
4) направление ускорения в законе не указывается.
6. За какую часть периода шарик математического маятника проходит путь от левого
крайнего положения до правого крайнего положения?
• Т;
3) ;
• ;
4) .
7. Груз, подвешенный на пружине жесткостью 400 Н/м, совершает свободные
гармонические колебания. Какой должна быть жесткость пружины, чтобы частота
колебаний этого же груза увеличилась в 2 раза?
8. На каком методе основано действие газоразрядного счетчика Гейгера?
1) на методе образования пара в перегретой жидкости;
2) на методе конденсации пересыщенных паров;
3) на методе сцинтилляций;
4) на принципе расщепления молекул движущейся заряженной частицей.
9. Маятниковые часы спешат. Чтобы часы шли точно, необходимо увеличить период
колебаний маятника. Для этого надо
• Увеличить массу маятника;
• Уменьшить массу маятника;
• Увеличить длину маятника;
• Уменьшить длину маятника.