Урок физики по теме Закон сохранения энергии в механике

Опыт ценнее тысячи мнений,
рождённых воображением.
М.В. Ломоносов

I. Организационный момент

Цели: включить обучающихся в учебную деятельность используя речевые модели с положительной эмоциональной окраской, создать атмосферу взаимодействия на уроке.

II. Актуализация знаний

Цели: актуализировать учебное содержание, необходимое и достаточное для восприятия нового материала, зафиксировать индивидуальное затруднение в деятельности, демонстрирующее на личностно-значимом уровне недостаточность имеющихся знаний.

Какую физическую величину мы называем энергией?

Какие виды энергии вы знаете?

Сформулируйте теорему о кинетической энергии.

Сформулируйте теорему о потенциальной энергии.

Насколько актуально понятие энергии?

Взаимосвязь между изменениями кинетической энергией тела и изменениями потенциальной энергии тела пронаблюдаем на модели маятника Максвелла.

Демонстрация модели маятника Максвелла.

Обучаемые проводят наблюдение пользуясь таблицей «Я учусь наблюдать». В результате наблюдений обучаемые выдвигают гипотезу: Колебания маятника прекращаются потому, что внутри изолированной системы действуют неконсервативные силы. Из-за этого полная механическая энергия уменьшается и преобразуется во внутреннюю.

Обучаемые рассматривают модель перехода полной механической энергии во внутреннюю на примере маятника Максвелла.

III. Постановка цели деятельности

Цели: организовать коммуникативное взаимодействие, в ходе которого выявляется и фиксируется отличительное свойство задания, вызвавшего затруднение в учебной деятельности

Раз была выдвинута гипотеза, её необходимо теоретически и экспериментально обосновать.

Учитель: В рамках теоретического обоснования мы придём к формулировке одного из фундаментальнейших законов физики – закона сохранения полной механической энергии. Это и будет темой нашего урока. Обучаемые записывают тему урока.

IV. Открытие обучающимися нового знания

Цели: организовать коммуникативное взаимодействие для построения нового способа действия, устраняющего причину, выявленного затруднения, зафиксировать новый способ действия в знаковой, вербальной форме.

Рассматриваем изолированную систему тел – это система тел не обменивающая теплом с окружающими телами. Работа всех сил, с которыми тела системы действуют друг на друга, равна сумме работ всех консервативных и неконсервативных сил.

A = Aконс. + Aнеконс.        (1)

Работа всех сил равна изменению кинетической энергии тел системы:

A = EK2 – EK1                   (2)

Работа всех консервативных сил системы:

AK = – (EP2 – EP1) = EP1 – EP2        (3)

Подставляя (2) и (3) в (1) получим:

EK2 – EK1 = EP1 – EP2 + Aнеконс.

После преобразований получим:

(EK2 + EP2) – (EK1 +EP1) = Aнеконс.

EK2 + EP2 = E2 – Полная механическая энергия системы в конечном состоянии.

EK1 + EP1 = E1 – Полная механическая энергия системы в начальном состоянии.

E2 – E1 = Aнеконс.

– Закон изменения полной механической энергии

Чтобы E2 = E1  какое условие должно выполняться?

Обучаемые приходят к выводу, что для того чтобы  E2 = E1 необходимо чтобы Aнеконс. = 0.

Учитель: Вы сформулировали закон сохранения полной механической энергии для изолированной системы тел.

V. Первичное закрепление

Цели: зафиксировать учебное содержание во внешней речи.

Обучаемые открывают учебники и читают закон сохранения механической энергии.

Обсуждают вопросы:

1) Почему произошла замена понятия «замкнутая система тел» на «изолированная система тел»;

2) Границы применимости закона сохранения механической энергии и области применения этого закона.

Воспользовавшись справочниками для поступающих в вузы, а так же Интернет-ресурсами обучаемые выяснили, что закон сохранения механической энергии применяется в механике, в молекулярно-кинетической теории, когда решаются задачи, например, о нахождении скорости поршня, сжимающего газ, в электродинамике, когда рассматривают изменение кинетической и потенциальной энергии при взаимодействии заряженных тел и в квантовой физике, когда изучают взаимодействие фотонов и в атомной физике при проведении ядерных реакций.

VI. Историческая справка

Мы обязательно должны знать не только результаты трудов великих корифеев науки, но и что это были за люди, сколько сил, энергии, здоровья, нервов отдали они чтобы мы сегодня жили так, как мы живём. Как порой они отказывались от богатства, почестей, радостей жизни ради торжества истины, как умирали до последнего дыхания утверждая её. И эти знания помогут нам лучше понять суть сделанного этими людьми, ибо работа талантливого человека неотделима от его личности.

VII. Физическая минутка

Учащиеся аплодируют учёным (в ладонях активные центры, которые активизируются, когда человек аплодирует)

VIII. Рефлексия

Цели: зафиксировать новое содержание, изученное на уроке

Закрепление при выполнении исследовательской работы №1 и исследовательской работы №2.

Исследовательская работа №1

Исследование работы силы трения и выполнение закона сохранения энергии в механических процессах

Цель – Сравнить работу силы трения и изменение полной механической энергии при движении тела по наклонной плоскости и выяснить условия выполнения закона сохранения энергии.

Актуальность – овладение элементами исследовательской работы и формирование представления о характере научной деятельности

Задачи исследовательской работы №1:

1) Определить полную механическую энергию тела, находящегося на наклонной плоскости (E1 = EP1 + EK1);

2) Вычислить полную механическую энергию тела в момент соскальзывания его с наклонной плоскости (E2 = EP2 + EK2);

3) Рассчитать работу силы трения;

4) Сравнить изменение полной механической энергии тела и работу силы трения скольжения;

5) Выяснить условие выполнения закона сохранения полной механической энергии.

Приборы и материалы:

  • штатив с муфтой и лапкой;
  • наклонная плоскость;
  • тележка;
  • секундомер с датчиками движения;
  • измерительная линейка;
  • источник тока

Порядок выполнения:

1) С помощью весов определить массу каретки;

2) Расположить рейку так, чтобы каретка начинала соскальзывать с неё;

3) Измерить высоту h каретки над нулевым уровнем. Вычислить EP1 = mgh

4) Измерить длину ℓ наклонной плоскости;

5) С помощью секундомера, изменить время t, скатывания каретки.

6) Используя формулу υ = 2ℓ/t, вычислить скорость каретки в момент прохождения нижнего датчика;

7) Вычислить EK2 каретки;

8) Рассчитать ΔE = – (EP1 – EK2);

9) Найти силу трения скольжения каретки по рейке, удерживая её от соскальзывания при помощи динамометра.

10) Рассчитать работу силы трения Aтр. = – Fтр.ℓ;

11) Сравнить полученные результаты ΔE и Aтр. Сделать вывод.

Теоретическое обоснование (Приложение 1)

Вывод: Изменение полной механической энергии тела равно работе силы трения, действующей на данное тело. Полная механическая энергия тела не изменяется, если работа силы трения, действующая на данное тело равна нулю.

Значение закона сохранения энергии настолько велико, что Макс Планк по этому поводу написал: «…всякий процесс, происходящий в природе, можно рассматривать, как превращение отдельных видов энергии друг в друга».

Исследовательская работа №2

Сравнение модуля скорости изменения потенциальной энергии и скорости изменения кинетической энергии шарика, падающего в коллоидном растворе.

Цель – Сравнение модуля скорости изменения потенциальной энергии и скорости изменения кинетической энергии шарика, падающего в коллоидном растворе.

Актуальность – Многие явления природы трудно объяснить, пользуясь лишь словесным описанием. Эксперимент является наглядным средством обучения.

Задачи исследовательской работы №2:

1) Расширить знания о механизмах взаимодействия тел;

2) Вывести формулу изменения потенциальной энергии шарика, движущегося в коллоидном растворе;

3) Показать на графике изменение модуля потенциальной энергии шарика, движущегося в коллоидном растворе в зависимости от концентрации раствора;

4) Изобразить на графике модуль скорости изменения потенциальной энергии тела, движущегося в коллоидном растворе и скорость изменения кинетической энергии этого тела и сравнить их;

5) Применять полученные знания для решения физических задач в рамках подготовки к ЕГЭ и олимпиадам по физике.

Приборы и материалы:

  • мензурка;
  • сосуды с коллоидными растворами концентрацией 4%, 6%, 8%, 10%;
  • магнитный шарик;
  • электронный секундомер с двумя датчиками;
  • линейка;
  • сосуд с водой;
  • весы с разновесами.

Порядок выполнения работы:

1) Измерили объём Vшара шарика, опустив его в мензурку с водой;

2) С помощью весов измерили массу шарика mшара;

3) Измерили расстояние между датчиками;

4) Приготовили коллоидные растворы разной концентрации

n = mв-ва / mводы ·100%, получили растворы 10%, 8%, 6%, 4% концентрации;

5) Взвесив на весах 100мл раствора разной концентрации, определили их плотности;

6) Измерили с помощью секундомера время падения шарика в коллоидном растворе;

7) Рассчитали υ = 2h/t и ΔE = mυ²/2 и ΔEк/t;

8) Рассчитали ΔEр = mgh и | ΔEр |/t;

9) Определили в процентном отношении количество потенциальной энергии перешедшей в кинетическую энергию.

Теоретическое обоснование (Приложение 2).

Вывод: чем выше концентрация коллоидного раствора, тем меньше модуль скорости уменьшения потенциальной энергии и тем меньше скорость уменьшения кинетической энергии шарика, движущегося в коллоидном растворе. В растворе 4% концентрации всего только 17 % от первоначальной потенциальной энергии переходит в кинетическую. В 6% растворе только  6,8 %  переходит в кинетическую. В растворе 8% концентрации только 1,1 %. В 10% растворе только 0,2% от первоначальной потенциальной энергии переходит в кинетическую. Остальная энергия преобразуется во внутреннюю, в результате совершения работы против сил сопротивления.

IX. Итоги урока. Домашнее задание.

Древняя мудрость гласит: «Скажи мне – и я забуду, покажи мне – и я запомню, дай мне действовать самому – и я научусь». Сегодня вы действовали, приобрели опыт и, следовательно, вы научились!

К работе прилагается презентация (Приложение 3).





Внимание, только СЕГОДНЯ!

Следующий: