1. Сила -- векторная величина, которая, кромечисленного значения, имеет направление.Важно знать и точку приложения силы.

2. Исходя из определения, констатируют, что равные силы, независимо от их природы, сообщают одним и тем же телам одинаковые ускорения.

3. Равные по абсолютному значению, но противоположно направленные силы ускорения телу не сообщают. Это утверждение известно учащимся в связи с изучением первого закона Ньютона (см.рис. 1--4).

4. Ускорение избранного тела, возникающее при его взаимодействии с другим телом, может быть найдено по формуле

Таким образом, существенно новым при формировании понятия о силе является то, что силу неразрывно связывают с ускорением. В том числе поясняют, что сила упругости -- это в конечном итоге взаимодействие частей тела, которое приводит их в ускоренное движение.

На примере растянутой пружины выясняют, что при ее сокращении витки движутся с ускорением. «Значит, на все части растянутой пружины... действует сила ...».

Используют также полученные ранее представления о зависимости упругой силы пружины только от деформации или «взаимного расположения ее частей».

С помощью растянутой пружины может быть создана некоторая определенная сила. Вопроса об измерении этой силы или градуировке пружины пока не решают.

По существу в неявном виде растянутая пружина выступает

как некий эталон силы.

Таким образом, взаимосвязанные величины: ускорение , масса m

и сила -- могут в известной мере рассматриваться как определенные независимо одна от другой.

Зависимость между силой, массой и ускорением. Второй закон Ньютона

Данную зависимость с точностью, которая возможна в демонстрационном эксперименте, устанавливают на опыте,

Поскольку согласно принятой в стабильном учебнике методике сначала устанавливается только способ задания некоторой силы «безразлично какой именно!», в опытах можно варьировать только значение массы и ускорения и, следовательно, устанавливать зависимость =const.

Установить такую зависимость для прямолинейного движения сложнее, чем для вращательного, поэтому целесообразно для опыта использовать установку (рис.12), основу которой составляет уже знакомый учащимся прибор (см. рис. 9). В установке посредине стержня 1 с помощью винта 2 закрепляют хомутик 3, имеющий вверху петельку для нити 4, которую одним концом привязывают к телу 5 массой т, а другим -- к крючку трубчатого динамометра 6.

Рис. 12

Приведя прибор во вращение, показывают, что при одном и том же растяжении пружины произведение массы на ускорение для различных тел остается неизменным.

Опыты позволяют заключить, что о значении силы упругости всегда можно судить по значению произведения , т.е. или в векторной форме .

Далее на примере силы тяжести следует показать, что произведение является также мерой и других сил. Для этого можно рассмотреть пример с подвешенной на пружине гирей.

Желательно показать, что и для силы трения . Для опыта можно использовать прибор (см. рис. 12), в котором на среднюю часть стержня 1 надевают резиновую пробку. В пробку на определенную глубину втыкают иголку с ниткой, второй конец которой привязывают к телу 5 массой т. Приводят прибор во вращение и добиваются того,чтобыиголка, удерживаемаянекоторойсилой трения , была выдернута из пробки. Расчетами находят произведение .Повторяют опыт с другим телом массой при той же силе трения и убеждаются,что Следовательно,.

Делают вывод: для любых сил в механике.

Учащимся говорят, что это и есть важнейший закон динамики -- второй закон Ньютона. (Авторы многих руководств по физике дают ему поэтому дополнительно «специальное» название -- «основной закон динамики».)

Формула позволяет установить единицу силы. В СИ это известная учащимся единица силы -- ньютон, которая теперь может быть строго определена как сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2,

Используя второй закон Ньютона, с помощью опыта, подобного показанному на рисунке 12, можно проградуировать пружину в ньютонах. Практически тех же целей проще достичь, подвешивая к пружине гири и используя то обстоятельство, что при их равновесииЭто известный учащимся статический метод измерения сил.

Измерение сил. Динамометр. Сложение сил

По данному вопросу следует, прежде всего, восстановить в памяти учащихся сведения об измерении сил динамометрами, которые им известны из курса физики пройденного ранее. В политехнических целях крайне желательно также продемонстрировать технические или медицинские динамометры, к которым школьники всегда проявляют большой интерес.

Принцип действия таких динамометров и их конструктивные особенности желательно пояснить с помощью модели, показанной на рисунке 13. На модели отчетливо видна важнейшая часть динамометра -- пластинчатые пружины 1, шкала 2 и передающий механизм, состоящий из зубчатых колес 3 и рейки 4.

Рис. 13

Используя демонстрационный эксперимент, повторяют сведения о сложении сил, направленных по одной прямой, и переходят к изучению главного и нового для учащихся вопроса о сложении сил, действующих на тело под углом друг к другу.

Соответствующие правила сложения сил могут быть установлены на основе уже имеющихся у учащихся общих сведений о сложении векторов. Однако и в этом случае должен быть использован демонстрационный эксперимент. Наопытах следует также показать, как изменяется значение равнодействующей в зависимости от угла между составляющими. Введенные таким образом понятия закрепляют, решая, например, такие задачи:

1.Могут ли силы 10 и 14 Н, приложенные к одной точке, дать равнодействующую3 Н; 4 Н; 24 Н; 30 Н?

2.Найти геометрически равнодействующую двух сил по 100 Н каждая, приложенных в одной точке под углом 30; 45; 90 и 120°,

Закрепление и углубление материала на второй закон Ньютона

Для закрепления и углубления материала на второй закон Ньютона рассматривают главным образом тренировочные задачи, позволяющие усвоить формулу и единицы измерения входящих в нее величин. При решении задач нужно научить учащихся определять направление векторных величин, особенно ускорения. В соответствии с уравнением , ускорение имеет то же направление, что и сила. Следует также повторить, как определяется направление ускорения по формуле , что необходимо в том случае, когда неизвестно направление сил, действующих на тело. Можно начать с такой задачи:

С каким ускорением придет в движение вагонетка массой 400 кг, если на нее начнет действовать сила тяги 100 Н? Указать на чертеже направления скорости, силы и ускорения. Трение не учитывать.

Решение. Выполнив схематический чертеж (рис. 14), изображают действующую силу тяги .

Рис. 14

Направление ускорения совпадает с направлением. Так как в начальный момент вагонетка находилась в состоянии покоя, то направление скорости совпадает с направлением и .

Это видно также из формулы

Так как =0, то

Следует также решить задачи, по условию которых требуется учитывать действие на тело нескольких сил, направленных как по одной прямой, так и под углом друг к другу. Решение таких задач следует свести к рассмотренному выше типу, когда на тело действует только одна сила . Для этого предварительно, как правило, геометрически находят равнодействующую сил. В данной теме будет достаточно, если равнодействующая будет суммой всего двух, максимум трех сил, притом расположенных друг к другу под такими углами, которые легко изобразить на чертеже (0, 30, 45, 60, 90, 120, 135, 180°).

С каким ускорением будет двигаться вагонетка массой 400 кг, если на нее начнет действовать сила тяги 100 Н, а сила трения равна 20 Н?

Задачу решают аналогично рассмотренной выше, к, предварительно указав на чертеже силы и , находят их равнодействующую +, равную по модулю их разности и направленную в сторону силы .

Какие значения может иметь ускорение тела массой 2 кг, если на него одновременно действуют силы 10 и 15 Н?

Сила натяжения тетивы лука (рис. 15) 30 Н и угол б=120°. Какое ускорение сообщит тетива стреле массой 40 г?

Рис. 15

Для самостоятельной работы учащихся можно использовать дидактические материалы.

Третий закон Ньютона

Изучение третьего закона Ньютона начинают с повторения опытов по взаимодействию тел (см. рис. 5), обращая внимание при этом на то, что каждое из тел действует на другое с некоторой силой.

После этого следует еще раз рассмотреть взаимодействие двух тел при их вращательном движении (см, рис. 9) и записать известное учащимся соотношение виде .

Так как и и , где и - это силы, приложенные соответственно к первому и второму телам, то =- . Это равенство выражает третий закон Ньютона. Словесная его формулировка в учебной литературе различна.

В некоторых учебниках этот закон приводится в той формулировке, которая была дана в «Началах» самим Ньютоном: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, другими словами, действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны».

Еще чаще этот закон формулируется как утверждение, что «сила действия равна силе противодействия» или еще более кратко: «действие равно противодействию».

Как показывает педагогическая практика, в этих кратких формулировках третий закон Ньютона хорошо запоминается учащимися, но далеко не всегда глубоко понимается. Поэтому лучше дать более обстоятельную и исчерпывающую формулировку: силы, с которыми действуют друг на друга тела, по абсолютному значению равны и направлены по одной и той же прямой в противоположные стороны.

Силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, всегда одной природы. Приложены они к различным телам и потому не имеют равнодействующей. На опытах следует показать, что силы всегда возникают парами. Если есть одна сила, то есть и другая, равная ей по модулю, но противоположная по направлению.

Рис. 16

К динамометру (рис. 16) подвешивают тело 2, например цилиндр от ведерка Архимеда, а на столик динамометра 3 ставят сосуд 4 с водой (стрелки обоих динамометров лучше установить на нуле). Опуская цилиндр 2 в сосуд 4, наблюдают одновременное, равное и противоположное изменение показаний обоих динамометров.

На внеклассных занятиях, особенно на вечерах занимательной физики, возможно решение большого числа интересных и поучительных занимательных задач, софизмов и парадоксов. В качестве примера приведем одну из таких задач:

На рычажных весах уравновешен стакан с водой. Нарушится ли равновесие весов, если в воду погрузить карандаш и держать его в руках, не касаясь стенок стакана? Проверить ответ на опыте. (Вода не должна выливаться из стакана.)

Неожиданный для учащихся результат опыта объясняется тем, что не только вода действует с архимедовой силой на карандаш, но и карандаш с равной по модулю, но противоположной по направлению силой действует на воду.

Заключительное занятие по теме «Законы движения Ньютона»

Целью заключительного занятия является систематизация и обобщение знаний учащихся по теме. Может быть рекомендован следующий план проведения этого занятия.

1.Предмет и задачи динамики.

2.Основные понятия динамики.

3.Масса.

4.Сила.

5.Первый закон Ньютона (формулировка закона, его проявления в природе и технике. Использование закона на практике).

6. Второй закон динамики.

7.Третий закон динамики, опыты, подтверждающие его справедливость.

Занятие целесообразно провести в форме семинара. План его сообщается учащимся заранее. Учитель рекомендует учащимся ответы на 3 и 4-й вопросы готовить в соответствии с обобщенным планом о величине, а ответы на 5, 6 и 7-й вопросы -- в соответствии с обобщенным планом ответа о законе. Обобщенный план ответа о величине выражает общие требования к усвоению понятия физическая величина:

1. Указать, какое свойство тел (или явление)количественно характеризует данная величина.

2.Дать определение величины.

3. Указать, какая это величина: основная или производная.

4. Записать определительную формулу (для производной величины).

5. Выяснить, скалярная это величина или векторная.

6. Указать единицу измерения величины в СИ, объяснить, как она определяется (для производной величины) или как она устанавливается, выбирается (для основной величины).

7. Назвать способы измерения величины, указать, на чем они основаны.

Обращение к этому плану при рассмотрении (повторении) вопросов о массе и силе способствует систематизации и обобщению знаний о величинах вообще и уточнению, закреплению знаний о конкретных величинах -- массе и силе. После ответов учащихся о массе и силе (по планам обобщенного характера) целесообразно осуществить сравнение этих величин. При этом обращается внимание на следующее.

Масса характеризует инертные свойства тел, а сила -- явление (взаимодействие тел). Масса является основной, скалярной величиной, а сила -- производной, векторной величиной. Единица измерения массы устанавливается произвольно, на основе международного соглашения; единица силы определяется исходя из уравнения, выражающего связь между силой, массой и ускорением:

Здесь уместно систематизировать знания о способах измерения массы и силы, обратив особое внимание на способы, с которыми учащиеся впервые познакомились при изучении законов динамики Ньютона.

Анализ знаний учащихся более старших классов показывает, что они хорошо помнят определение массы с помощью рычажных весов и измерение силы с помощью пружинного динамометра, но плохо усваивают и запоминают косвенные методы измерения этих величин (измерение массы на основе использования соотношения

и измерение силы на основе использования формулы , выражающей второй закон динамики Ньютона).

На заключительном занятии по теме представляется благоприятная возможность повторить все известные учащимся способы измерения массы и силы; выяснить, в каких случаях, какие из способов пригодны. Учащиеся приходят к выводу, что прямой способ измерения массы с помощью рычажных весов прост, удобен, но он не пригоден в состоянии невесомости. В таких случаях возможно воспользоваться косвенными методами, основанными на знании формул.

Динамический способ измерения массы требует определения ускорений взаимодействующих тел (тела, масса mт которого измеряется, и тела, с которым данное тело взаимодействует).

Динамический способ измерения силы также требует определения ускорения, приобретаемого телом при действии на него измеряемой силы . Достоинством этих способов является то, что они могут использоваться в условиях невесомости.

Рассматривая способ измерения силы, основанный на использовании формулы, следует подчеркнуть, что сила характеризует действие на данное тело другого, взаимодействующего с ним тела.

При повторении законов движения следует особое внимание обратить на опытное их обоснование и способы их использования на практике.

В заключение целесообразно предложить учащимся 1--2 экспериментальные задачи на второй и третий законы Ньютона, продемонстрировать опыты, объясняемые законом инерции.

Одному из учащихся можно поручить подготовить доклад о жизни и деятельности Ньютона.

Список литературы

1.Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе М.,1981

2.Перышкин А.В. и др. Методика преподавания физики в 6-7 кл. средней школы. М .,1985.

3.Методика преподавания физики в средней школе. Частные вопросы. под ред. С.Е.Каменецкого и др. М .,1987

4.Методика преподавания физики в средней школе. 4.1 и 4.2. /под ред. Усовой А.В. и др. М., 1990.

5.Внеурочная работа по физике/ Под ред. О.Ф.Кабардина. -М.: Просвещение, 1983.

6.Резников Л.И. Преподавание физики в средних профессионально-технических училищах.-М.:Высшая школа, 1977.

7.Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе; В 2-х частях./Под ред. А.А.Покровского.-М.:Просвящение, 1978.

8.Марголис А.А.,Парфеньтьева Н.Е., Иванова А.А. Практикум по школьному физическому эксперименту.-М.:Просвящение, 1977.

Страницы: 1, 2, 3, 4