«Разработка раздела учебной программы «Механика»
методическая разработка по физике (10 класс) на тему

Нижегородская область

Администрация Шатковского района

Муниципальное образовательное учреждение

Лесогорская средняя общеобразовательная школа

Творческая работа

«Разработка раздела учебной программы «Механика»

Разработала:

учитель физики

Сатункина Н.В.

МОУ Лесогорская СОШ

 Лесогорск

2010 г.

Пояснительная записка

        Автор предлагает творческую работу «Разработка раздела учебной программы «Механика».  

   В ней речь пойдёт о процессе преподавания физики в школе – это и есть объект исследования.  В работе  будут  рассмотрены  различные методы изучения механики в средней школе – предмет исследования.

Автор  работы  ставит  целью  следующее:

- разработать учебную программу раздела  «Механика» в школе.

Достижение цели исследования требует решения задач:

- рассмотреть математические и физические основы данной темы;

- проанализировать методические основы   исследуемого раздела программы;

- исследовать материал, предлагаемый авторами настоящих учебников по данному разделу  в среднем и старшем звене.

      В творческой работе автор остановится  на изучении глав «Кинематика», «Динамика»,  «Законы сохранения», «Статика», «Механические колебания и волны», «Акустические явления».

     Автор считает изучение раздела актуальным, так как курс механики в программе средней школы занимает особое место. Прежде всего, он должен дать учащимся достаточно глубокие фактические знания и навыки их практического применения. Кроме того, от чёткости и глубины понимания основ классической механики зависят успехи в освоении учащимися других разделов физики. В силу относительной простоты математического языка, необходимого для строгого изложения материала, механика представляет наиболее благоприятные возможности для привития учащимся физического образа мышления и научного мировоззрения. Всё это определяет ответственность учителя в подборе физического материала, методов его изложения, задач, примеров и демонстрационных опытов.

     Углубленное изучение механики приводит не к перегрузке учащихся, а к облегчению усвоения ими более сложных разделов школьной физики.

     В базовом курсе физики школьниками были получены первоначальные знания о механических явлениях и их законах. В 10 классе эти знания дополняют и углубляют, но главное – они приобретают систему.

     Исторически первой физической и вообще естественно-научной теорией была механика. 
    Изучение классической механики в основной школе дает возможность подготовить учащихся к пониманию широкого круга природных явлений. Раздел «Механика» имеет эвристическое значение: в формулировке основной задачи механики — определение положения тела в любой момент времени по заданным начальным условиям — отчетливо проявляется предсказательная функция физической теории. Метод решения основной задачи механики используется в преподавании физики как модель любого научного прогнозирования. Основная задача механики решается на основе законов Ньютона, применяемых как единая теория.

Основные задачи раздела:
     - дать представления об инерциальной системе отсчета, о материальной точке, видимом движении звезд, Солнца и планет;
    - углубить знания о массе, силе, механической работе и механической энергии;
   - ознакомить с понятиями: механическое движение, траектория, путь, перемещение, равномерное и неравномерное движение, мгновенная скорость, средняя скорость, ускорение, импульс тела, мощность, КПД простого механизма, амплитуда, период и частота колебаний, поперечные и продольные волны;
      - изучить законы: первый, второй и третий законы Ньютона, всемирного тяготения, Гука, сохранения импульса тела, сохранения механической энергии;
      - ознакомить с формулами расчета силы тяжести, силы трения, работы силы, потенциальной и кинетической энергии тела, мощности, КПД простого механизма, периода колебаний нитяного и пружинного маятников, связи длины волны с частотой и скоростью волны;
      - ознакомить с условиями равновесия тел и равновесия рычага, с принципом действия гидравлических устройств;
      - ввести характеристики колебаний и волн: амплитуда, период, частота колебаний, скорость и длина волны;
     - на конкретных примерах обсудить экологические проблемы, связанные с изучением механики: строительство высотных сооружений и сейсмическая неустойчивость; механические колебания сооружений, конструкций и их влияние на окружающую среду; волны на поверхности и в твердом теле и др.

Образовательные задачи определяются тем, что в механике вводят основные понятия (масса, сила, импульс тела, энергия), являющиеся «инструментом» познания в науке – физике. В этом смысле механику справедливо считают фундаментом физики. В механике учащиеся знакомятся с физической теорией – классической механикой Ньютона и такими обобщениями, как закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса и энергии, общие условия равновесия механических систем и др.

Воспитательные задачи решаются путем:

- формирования диалектико-материалистического взгляда на природу и ее познание;

 - формирования политехнических знаний и умений (знания научных основ современной механизации производства, на транспорте и в сельском хозяйстве);

 - идейно-политического воспитания на уроках физики (раскрытие основных направлений развития и ускорения в современном производстве);

 - воспитания патриотизма (раскрытие вклада русских, советских и российских ученых в развитие механики и использования ее достижений на практике);

-  трудового воспитания.

Развивающие задачи направлены на развитие логического, теоретического, научно-технического, диалектического мышления учащихся и, следовательно, на развитие их интеллекта и творческих способностей.

Наличие научных обобщений в механике способствует формированию теоретического мышления, особенность которого состоит в умении выделять в явлениях, объектах, связях материального мира главное, отражаемое в абстракции, и извлекать конкретные выводы, переходя от общего к частному. В механике школьники встречаются с большим числом абстрактных понятий – материальная точка, система отсчета, равномерное и равноускоренное движения и др. При рассмотрении этих понятий учащихся учат выделять существенные признаки явлений и объектов, отбрасывать несущественные, показывают, как возникает идеализация в науке, как происходит абстрагирование.

Ознакомление школьников с законами механики, с их практическим применением, с анализом механических явлений в технике, с выполнением творческих экспериментальных заданий способствует развитию научно-технического мышления.

Обращение к физической теории (классической механике Ньютона) способствует формированию у школьников представлений о физической картине мира – одной из наиболее общих форм отражения природы физической наукой и одной из компонент научного мировоззрения, показывает диалектику развития взглядов на физическую картину мира и место механической теории в этом развитии. При изучении основных обобщений в механике (закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса и энергии, общие условия равновесия и др.) разъясняют учащимся, что объективность научных обобщений подтверждается применением их в практической деятельности людей (механика космических полетов, движение машин и их частей, реализация условий равновесия в технических сооружениях и конструкциях и т. д.). Изучение причин изменения скорости движения и деформации способствует раскрытию причинно-следственных связей. Определение границ применимости классической механики помогает проиллюстрировать познаваемость природы и безграничность процесса познания. Все это способствует формированию диалектического мышления.

В основе отбора содержания учебного материала раздела лежат следующие принципы:
     -  научность (содержание обучения должно знакомить учащихся с объективными научными фактами, понятиями, законами, теориями, способствовать раскрытию современных достижений науки, знакомить с перспективами развития физики, астрономии);
     - генерализация знаний (объединение учебного материала на основе научных фактов, фундаментальных понятий и величин, теоретических моделей, законов, уравнений и теорий);
    - целостность (формирование целостной картины мира с его единством и многообразием свойств);
    - преемственность и непрерывность образования (учитывание предшествующей подготовки учащихся);
    - систематичность и доступность (изложение учебного материала в соответствии с логикой науки и уровнем развития учащихся);
    - гуманитаризация образования (представление физики и астрономии как элемента общечеловеческой культуры);
    - эволюционность в развитии представлений о дискретном строении вещества, в формировании Солнечной системы, звезд, Вселенной;
    - экологичность содержания (обсуждение социальных и экономических аспектов охраны окружающей среды; влияние на живой организм факторов природной среды, Вселенной).
     Построение курса ступенчатое, линейно-спиральное при котором физика изучается в основной и средней (полной) школе. На каждой ступени обучения курс физики логически завершен, при этом учебный материал изучается последовательно на нескольких уровнях с увеличением глубины и широты рассматриваемых вопросов.

  Психолого-педагогическое объяснение специфики восприятия и усвоения учебного материала учащимися должно проходить в соответствии с возрастными особенностями.

     В подростковом возрасте восприятие становится осознанным, преднамеренным,

организуемым и контролируемым. В ходе восприятия теперь одновременно осуществляются сложные мыслительные операции: анализ, синтез, обобщение. Осмысление воспринимаемого превращается в такое действие, в результате которого учащиеся приходят к новым знаниям.

     Память так же из непреднамеренной, эмоциональной становится в подростковом возрасте осознанной, преднамеренной, контролируемой познавательной деятельностью.

     Мышление развивается от конкретного к обобщённому и абстрактному.  Учащиеся постепенно овладевают сравнением, обобщением, умением контролировать ход собственных рассуждений и видеть свои ошибки. При этом они обретают способность переноса умственных действий с одной работы на другую. Внимание становится произвольным.

    Обучение и воспитание является специальной организацией процесса усвоения социального опыта, т.е. материальной и духовной культуры, созданной на протяжении всей истории человечества, в результате чего ребёнок переходит на более высокие ступени познания и отношения к  действительности.

     Путём совершенствования содержания и методов обучения можно добиться серьёзных сдвигов отдельных познавательных процессов.

     При разработке раздела учебной программы автор, учитывая возрастные особенности, строит программу по линейно-ступенчатому принципу. Материал планируется с учётом тех знаний, которыми должны овладеть школьники в процессе изучения физики в предшествующие годы обучения. Опора на них позволяет избежать дублирования уже известного учащимися и продвинуть их на следующую ступень знаний, совершенствуя умения и навыки.

Ожидаемые результаты освоения  раздела учебной программы

    Обучение должно проходить целенаправленно с ориентацией на достижение конкретного конечного результата. Это заставляет отбирать материал для урока, выбирать форму его подачи, приёмы и виды работ, композиционную структуру урока, его этапы и устанавливать связи между ними, строить систему тренировочных, проверочных, и прочих видов работ подчиняя всё поставленной цели.

В результате изучения раздела учащиеся должны уметь:
     - выдвигать гипотезу на основе фактов, наблюдений и экспериментов, обосновывать свою точку зрения, высказывать суждения, делать прогноз, проводить анализ и оценку;
     - решать задачи с применением формул расчета скорости и пути при равномерном и равноускоренном движении, силы тяжести, силы упругости, силы трения, механической работы и мощности, потенциальной и кинетической энергии, КПД простого механизма, периода колебаний маятника, связи длины волны с частотой и скоростью, гидростатического давления;
     - решать задачи с использованием первого, второго и третьего законов Ньютона, закона всемирного тяготения, закона Гука, закона сохранения импульса, закона сохранения механической энергии, закона Паскаля, условия равновесия рычага;
     - читать и строить графики зависимости: скорости от времени при равномерном и равноускоренном движении, силы упругости от деформации;
     - определять по графику зависимости скорости от времени равноускоренного движения равнодействующую силу, по графику колебаний — период, амплитуду и частоту;
    - описывать изменения и преобразования энергии при анализе свободного падения тел, движения тел при наличии трения, колебаний нитяного и пружинного маятников;
     - измерять промежуток времени, период колебаний маятника;
     - представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков и описывать полученные зависимости: координаты тела от времени; силы тяжести от массы тела, силы упругости от удлинения;
     - определять цену деления, нижний и верхний пределы измерения, инструментальную погрешность динамометра;
     - иллюстрировать на конкретных примерах относительность механического движения (относительность покоя, движения, формы траектории);
     - объяснять смену дня и ночи в системе отсчета, связанной с Землей, в системе отсчета, связанной с Солнцем;
     - приводить примеры изменения скорости тел под действием силы, деформации тел при взаимодействии, проявления законов сохранения импульса и механической энергии в природе и технике;
     - пользоваться табличными данными, извлекать информацию из различных источников;
     - воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, Интернете, научно-популярных статьях.
   Использовать приобретённые знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для:
    - обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи;
    - оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды;
    - рационального природопользования и защиты окружающей среды.
   Изучение раздела «Механика» предусматривает формирование у школьников общеучебных умений и навыков, универсальных способов деятельности и ключевых компетенций. Приоритетами являются:
   Познавательная деятельность:
    - использование для познания окружающего мира различных естественнонаучных методов: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование;
   - формирование умений различать факты, гипотезы, причины, следствия, доказательства, законы, теории;
   - овладение адекватными способами решения теоретических и экспериментальных задач;
   - приобретение опыта выдвижения гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез.
   Информационно-коммуникативная деятельность:
    - владение монологической и диалогической речью, развитие способности понимать точку зрения собеседника и признавать право на иное мнение;
   - использование для решения познавательных и коммуникативных задач различных источников информации.
    Рефлексивная деятельность:
    - владение навыками контроля и оценки своей деятельности, умением предвидеть возможные результаты своих действий;
   - организация учебной деятельности: постановка цели, планирование, определение оптимального соотношения цели и средств.

Структура деятельности

    При изучении механики можно использовать различные виды работ. Всё это требует большого профессионального мастерства учителя.

    В работе необходимо давать ученикам возможность самостоятельно мыслить, больше делать выводов, пусть даже путь к индивидуальному лежит через коллективное познание.

    Наиболее благоприятные условия для активного самостоятельного изучения нового создаются тогда, когда материал отчасти уже известен или частично изучен ранее, в предшествующих классах. Тему известную ученики воспринимают как «лёгкую», как «неинтересную». Как построить работу с девятиклассниками, чтобы весь класс над знакомой темой работал активно и с интересом?

    Исследования психологов и дидактов, доказавших, что труд должен быть разнообразным и что тогда он приносит удовлетворение, привели  к мысли о создании уроков разных типов, в том числе уроков-семинаров, уроков-зачётов, уроков-конференций. Такие уроки позволяют наиболее полно учесть индивидуальные возможности учеников, развивают монологическую речь учащихся. Кроме того, уроки-семинары создают наилучшие условия для активного приобщения учащихся к работе с книгой и другими источниками знаний, помогают им вырабатывать самостоятельность мышления.

    При подготовке таких уроков учащиеся активно работают с различными справочными пособиями, а также с текстами учебной литературы, в которых они находят подтверждение тому или иному теоретическому положению; так органически осуществляются и межпредметные связи.

     Уроки разных типов помогают усилить практическую направленность преподавания физики, повысить эффективность урока. Воспитательное воздействие таких уроков очевидно: они прививают чувство ответственности за порученное дело, требовательность к себе и друг другу.

     Процесс обучения, воспитания и развития – единое неразрывное целое. И уроки разных видов создают такое единство.

     Для стимулирования познавательной и творческой активности учащихся можно организовать индивидуальную работу с ними: очень важно, чтобы учитель знал силы каждого ученика и пришёл к твёрдому убеждению, что все его ученики способны справится с теми задачами, которые перед ними выдвигаются. К такому убеждению должны прийти и сами ученики. Если же нет уверенности в себе, нет и участия ученика в общей работе.

     Очевидно, что организация индивидуальной работы с учащимися зависят от типа урока. Индивидуальная работа учащихся на уроках повторения будет иной, чем на уроках объяснения нового материала. Да и разные этапы урока дают разные возможности для индивидуальной работы с учащимися.

    Результативность такой работы  достаточно велика, потому что и в этом случае идёт процесс обучения.  В начале урока можно использовать приём самопроверки (при проверке письменных заданий), так как  работа, проверяемая самим учеником, принесёт большую пользу, потому что он сразу увидит результат. Задание ученик проверяет зелёной пастой, записанное по напечатанным конспектам. Ученик сам ставит себе оценку. Конечно, он может сознательно или случайно пропустить ошибки. Учитель, проверяя две-три работы тут же в классе, в первый же раз «отучит» проверять невнимательно. Тот, кто не пропустил ни одной ошибки, получает «пять» за проверку (сам он, может быть, поставил себе «два»). Тот же, кто пропустил даже одну ошибку, получает «два» (сам-то он поставил, например, «четыре»). Таким образом, учитель приводит учащихся к мысли, что лучше не пропустить ошибку, чем пропустить и получить «два» в журнал.

     Автор рекомендует проводить работу по созданию примеров по аналогии с теми задачами и определениями, которые даёт учитель. Индивидуальная работа при этом организуется естественно, потому что каждый ученик сделает её так, как он может, насколько хватит у него сил.

      Трудное и важное дело – научить учащихся активно работать при опросе. Участие всего класса в опросе обязательно. Но что спрашивать товарищей по классу? Как сформулировать вопрос? Для этого на обобщающих уроках активно используются вопросы и контрольные задания к теме, данные в учебнике. На каждом уроке после изучения параграфа ученик должен уметь задать вопрос именно по этому параграфу. Самое интересное и полезное для учащихся задание – задать вопрос по группе параграфов, обязательно используя при этом учебник. Работа с учебником развивает индивидуальные возможности учащихся, потому что он становится помощником, советчиком, даёт возможность сказать точно и ясно то, что ты хочешь сказать, правильно, со знанием дела задать вопрос. Автор рекомендует практиковать блиц – опросы.

     Формы проверки домашнего задания разнообразны, но в любом случае и в этом виде работы должно быть заметно продвижение учащихся в развитии мыслительных и интеллектуальных возможностей, должны быть учтены индивидуальные возможности каждого.

     Очень полезна взаимопроверка домашнего задания, когда учитель или заранее подготовленный ученик даёт правильный вариант выполнения задания, а ученики исправляют неверные написания, сами оценивают работу, делают запись: «Проверено в классе».

    Индивидуальная работа с учащимися на главном этапе урока – объяснение нового – это, пожалуй, самое сложное дело. Когда мы говорим «новый материал», то мы забываем, что не весь «новый» действительно новый, забываем о том, что расположен материал в программе по линейно-ступенчатому принципу. Такое построение создаёт благоприятные условия для организации индивидуальной работы с учащимися, то есть для дальнейшей более углубленной работы по овладению предметом.

   Например, в 9 классе сведения о механической работе уже известны учащимся, поэтому уроки можно построить по единой схеме. (См. приложение 1).  

    Продумывая приёмы закрепления, учитель должен знать индивидуальные особенности каждого ученика. Поэтому по многим темам автор рекомендует упражнения для закрепления в качестве дифференцированного задания на дом: первая группа – это ученики, требующие повышенной нагрузки, вторая – меньшей (как правило, к этой группе относим учащихся со слаборазвитым вниманием); третья - учащиеся которые усваивают физику с трудом; четвёртая – учащиеся со значительными пробелами в знаниях.  Это деление условно, подходить к нему надо крайне осторожно, называя фамилии, а не номер группы.

    Индивидуальная работа используется и на уроках повторения. Можно  использовать предваряющие задания, то есть те, которые требуют специальной подготовки. Получивший такое задание учащийся знает, что его-то обязательно спросят. Выступив однажды, почувствовав поддержку учителя, ученик обретает силу, уверенность в себе.

    Современный урок не может быть эффективным без учёта степени участия в нём каждого ученика, без индивидуальной работы учащихся. При изучении физики применяют новые технологии обучения, например, тематический зачёт как одну из форм ориентации учебного процесса на конечный результат.

    Традиционные методики обучения ориентируют на максимум усвоения школьниками материала программы, что приводит к перегрузке учащихся. Высокий уровень требований по ряду причин оказывается не досягаемым для многих школьников, что ведёт в итоге к потере у них интереса к учению, а у слабых учащихся порождает комплекс неполноценности.

Необходимость дифференцированного подхода вытекает из того, что учащиеся различаются своими задатками, типами памяти, уровнем подготовки, восприятием окружающего.

    Уровневая дифференциация, сохраняя многие черты традиционного обучения содержит в себе ряд принципиально новых подходов. Наиболее существенным из них является то, что основным рабочим механизмом технологии обучения становится базовый уровень обязательной подготовки по предмету. При этом он представляется не в виде «суммы знаний», которые должны быть получены учащимися, а в виде планируемых результатов обучения, доступных проверке и контролю за их достижениями. Совокупность планируемых результатов обучения должна быть реальной, то есть посильной и доступной для большинства учащихся.

   Система планируемых результатов должна быть известна всем учащимся. Организация учебного процесса, связанного с уровневой дифференциацией предполагает не только обеспечение достижения всеми учащимися базового уровня подготовки по физике, но и создание школьникам, проявляющим интерес и способности к предмету, условий для усвоения материала на более высоком уровне.

   Одной из форм контроля за усвоением учебного материала в условиях уровневой дифференциацией являются тематические зачёты. Содержание зачёта должно охватывать весь подлежащий усвоению материал определённой темы и обеспечить достаточную полноту проверки. Сама идея проведения тематических зачётов не нова. Новым является выделение уровня обязательной подготовки, которая задаёт достаточную нижнюю границу усвоения материала и на базе которого определяется повышенный уровень усвоения материала. В соответствии с этим зачётная работа состоит из двух частей – обязательной и дополнительной. Первая часть проверяет, достиг ли ученик обязательного уровня усвоения материала. За каждое задание этой части, независимо от его сложности выставляется один балл. Сумма баллов равна числу выполненных заданий.

    Дополнительная часть содержит задания по теме на повышенном уровне, и их выполнение оценивается отметками «четыре» и «пять». Непременным условием выполнения дополнительной части является получение «зачёта» за обязательную часть. К каждой зачётной работе даётся таблица, в которой указывается общая сумма баллов, которые должен набрать ученик, чтобы получить зачёт или оценку. (См. приложение 2).

   Ученик сам решает, выбрать ли ему только те задания, которые он способен усвоить и которые обеспечивают ему «зачёт», или попытаться сделать над собой усилия и получить более высокую оценку.

   По мнению автора, дифференциация заданий по объёму и трудности даёт слишком мало для развития учебных возможностей учащихся. Решающую роль должна играть дифференциация заданий по степени оказания помощи ученику со стороны учителя, по степени самостоятельности учащихся при выполнении задания. Это особенно важно для слабых учеников. Задача учителя довести этих учащихся до уровня средних, обучить их приёмам рациональной умственной деятельности. Работа организуется так, чтобы со временем степень самостоятельности школьников возрастала, а доза помощи учителя постепенно снижалась. Сильный учащийся нуждается в заданиях повышенной трудности, нестандартных работах творческого характера, - именно это позволит им реализовать и развить свои учебные возможности. Чтобы держать сильных учеников в «рабочей форме», не снижать их деловую активность, можно увеличивать объём работы учащихся с учётом их потенциальных возможностей не за счёт количества решённых задач, а за счёт дополнительных заданий, которые выполняются на том же самом дидактическом материале.

    Автор рекомендует включать в урок задания повышенной трудности, для выполнения которых нужен более высокий интеллектуальный уровень, умение свободно оперировать знаниями, использовать их в новых ситуациях.

В настоящее время в процессе обучения широко используются  ИКТ, например: интерактивное задание: «Определить скорость движения акробата»; правило – алгоритм «Алгоритмы решения задач по физике»; анимации – демонстрации «Турбореактивный двигатель», «Сложение перемещений»; электронное задание: «Определить коэффициент трения»; интерактивный тест «Механические явления»; модель «Относительность промежутков времени» (См. приложение 3).

      Автор убеждён: все понятия, правила необходимо рассматривать сначала на примере. Пусть ребята сами додумаются и скажут своими словами, что они увидели необычного и нового в рассказе учителя. И только затем открыть и прочитать учебник.

Особенности раздела «Механика»

Первая особенность этого раздела заключается в том, что именно с механики начинают изучение курса физики 9 - 10 классов. Это объясняется тем, что механические процессы являются формой движения, наиболее доступной для наблюдения. К тому же моделирование физических систем в классической физике связано с созданием механических образов. Это определяет место механики в общеобразовательном курсе физики и требует от учителя внимания к прочному усвоению учащимися материала.

Вторая особенность – в механике достаточно полно представлена физическая теория. (Ни в одном другом разделе школьного курса физики этого нет.) Поэтому учителю предоставляется возможность на примере механики проиллюстрировать структуру физической теории.

В любой физической теории можно условно выделить основание, ядро и выводы.
    Основанием механической теории являются идеализированный объект – материальная точка, определенное число экспериментальных фактов (опыты Галилея, Кавендиша и др.), основные физические величины – перемещение, скорость, ускорение, масса материальной точки.

Ядро механической теории содержит систему абстракций (постулаты об однородности и изотропности пространства, об однородности времени, о мгновенном воздействии одного тела на другое без материальных посредников), законы Ньютона, принцип независимости действия сил, формулировку основной задачи механики. Выводы этой теории включают возможность определения положения материальной точки в пространстве в любой момент времени по заданным силе (или векторной сумме сил) и начальным условиям.

Основные выводы, к которым приводит теория механики и которые должны быть усвоены учащимися, следующие.

1) Состояние изолированной системы материальных точек для некоторого момента времени вполне определяется их координатами и импульсом.

2. Материальные точки действуют друг на друга с силами, изменяющими их импульсы.
3. Состояние механической системы во все последующее время однозначно вытекает из ее начального состояния и определяется уравнениями Ньютона.
4. Взаимодействие осуществляется на расстоянии (минуя материальные носители) и передается мгновенно (принцип дальнодействия). Механика Ньютона не рассматривает природу сил.

Третья особенность раздела – использование эксперимента в преподавании механики. Эксперимент является источником познания и критерием истинности любой теории, поэтому он должен лежать в основе изучения и механики. В механике большое значение приобретают классические опыты, явившиеся поворотным пунктом в развитии науки:

- опыты по изучению движения падающих тел;

- опыты с маятниками;

- опыты Галилея и Ньютона по экспериментальному доказательству равенства инертной и гравитационной масс;

- опыты Кавендиша по обнаружению тяготения и измерению гравитационной постоянной.

 Их не всегда можно воспроизвести в школе. В этом случае их можно проиллюстрировать с помощью различных средств наглядности – учебных кинофильмов, моделей, таблиц, презентаций.

Другую группу опытов в механике составляют опыты иллюстративного характера, имеющие дидактическое, обучающее значение. Для этих опытов промышленность выпускает специальные приборы по механике для демонстрации и лабораторных работ.

Содержание и структура раздела

В программе одиннадцатилетней средней школы механика представлена четырьмя подразделами: основы кинематики, основы динамики, законы сохранения, механические колебания и волны. (См. приложение 4)

В кинематике изучают равномерное, равноускоренное прямолинейное, криволинейное движения и их характеристики. Вводят понятие материальной точки, траектории, перемещения и пути, пройденного телом вдоль траектории, системы отсчета, скорости и ускорения.

Программа одиннадцатилетней общеобразовательной школы ориентирует на введение основных характеристик скорости и ускорения как общих характеристик, с помощью которых можно распознавать характер движения, предварительно оговорив систему отсчёта.

В динамике сначала рассматривают первый закон Ньютона, вводят основные динамические характеристики движения – массу и силу, а затем – второй закон Ньютона, в котором представлена связь между силой, ускорением и массой. Чтобы записать второй закон Ньютона для случая действия на тело нескольких сил, рассматривают сложение сил, после этого вводят третий закон Ньютона. Законы Ньютона являются фундаментальными в механике, обобщающими, подтвержденными практикой и экспериментом, поэтому их вначале формулируют, а затем иллюстрируют с помощью эксперимента.

В ходе изучения видов взаимодействия сил в механике (гравитационных, упругости, сопротивления) выявляют зависимость их от взаимного расположения тел и от скорости движения одного тела относительно другого. После введения гравитационных сил изучают закон всемирного тяготения, дают понятие о силе тяжести, центре тяжести и рассматривают движения, в которых изменение скорости происходит в результате действия силы тяжести. Подчеркивают роль начальных условий, проводят расчет первой космической скорости. Далее рассматривают силы упругости и закон Гука. Понятие веса тела вводят как пример силы упругости. Завершают рассмотрение видов сил в механике изучением силы трения, коэффициента трения и изменения скорости движущегося тела в результате действия силы трения. Показывают, что гравитационные силы и силы упругости являются функцией расстояния между взаимодействующими телами, а силы трения – функцией относительной скорости.

При изучении видов механических сил большое внимание уделяют практическим работам учащихся. По этим вопросам предусмотрено четыре фронтальные лабораторные работы: «Измерение жесткости пружины», «Измерение коэффициента трения скольжения», «Изучение движения тела, брошенного горизонтально», «Изучение движения тела по окружности при действии сил упругости и тяжести».

Раздел «Статика», традиционно входивший в школьный курс механики, в программе одиннадцатилетней средней школы отсутствует при 2-х часах изучения, но при 3-х часовом планировании на него в 10 классе отводится 3 часа. В данном разделе изучают момент силы, условие равновесия абсолютно твёрдого тела, центр масс, центр тяжести тела, виды равновесия.  Рассмотренные в 7 классе элементы статики, условия равновесия тел, простые механизмы и понятия сложения сил, центра тяжести позволяют сформулировать общие условия равновесия.

Группировка материала вокруг законов сохранения импульса и энергии вызвана определяющим значением законов сохранения в современном естествознании. Эти законы связаны со свойствами пространства и времени (закон сохранения энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства). Законы сохранения импульса и энергии справедливы в теории относительности, в квантовой механике, в макро- и микромире.

Идея относительности в механике проходит через весь курс механики: относительность механического движения и покоя, траектории, координаты, перемещения, скорости, импульса тела, работы и кинетической энергии и инвариантность времени, расстояния между взаимодействующими телами, ускорения, массы, силы. Законы механики справедливы для инерциальных систем отсчета, равномерное прямолинейное движение системы отсчета не влияет на механические процессы, т. е. выполняется принцип относительности Галилея.

Система знаний

Описание движения в механике

Запись уравнений движения в сочетании с соответствующими рисунками (схематическим изображением механических процессов) помогает раскрыть физическую сущность вопросов механики. Выражения законов механики в векторной форме являются, самыми общими и не зависят от выбора системы отсчета. Поэтому больше внимания уделяют работе с векторными величинами, избирают координатный метод описания движения.

Координатный метод тесно связан с понятием системы отсчета и представлением об относительности движения. Пользуясь координатным методом, можно векторные величины (перемещение, скорость, ускорение, силу, импульс тела и др.) спроецировать на координатные оси и свести движение в пространстве или на плоскости к одномерному движению или движению вдоль прямых. Координатный метод вырабатывает общий подход к описанию явлений и способствует связи физики с математикой.

Таким образом, изучение механики с применением координатного метода позволяет приблизить трактовку основных понятий и законов к той, которая принята в науке, усилить межпредметные связи физики и математики, осуществить общий подход к изучению законов движения и повысить уровень обобщения знаний.

Изучение видов движения и уравнений движения

Виды движений рассматривают на основе координатного метода. Для этого вводят понятия «система отсчета» и «координаты точки». К введению этих понятий учащиеся в определенной степени подготовлены на уроках математики: знакомы с понятием системы координат и умеют определять координаты точки на плоскости. Отталкиваясь от этих знаний, переходят к рассмотрению механического движения материальной точки на плоскости. В этом случае достаточно знать две координаты. Анализируя конкретные движения, раскрывают перед учащимися понятие координаты, вектора перемещения и пути, пройденного телом вдоль траектории.

При равномерном движении точки по окружности вектор скорости, направленный по касательной  к траектории перпендикулярен вектору центростремительного ускорения, направленному по радиусу окружности. Значение линейной скорости не меняется.

Вопрос о видах движения тесно связан с уравнениями движения. Учащиеся должны уяснить, что уравнения в кинематике позволяют решить основную задачу механики: определить положение материальной точки в пространстве в любой момент времени, если известны начальные условия и ускорение.

Для прямолинейного движения достаточно сказать о векторе перемещения и о модуле перемещения, т. е. не вводить понятия проекции вектора перемещения на ось. Ось направляют по направлению движения (по направлению вектора скорости), тогда уравнения движения  можно записать так: x = x0 + υхt (для равномерного прямолинейного движения) и                                          
                                (для равноускоренного прямолинейного движения). Знак «плюс» перед начальной координатой определяется положением материальной точки на числовой оси в области положительных значений, а знак «минус» – в области отрицательных значений.

Основные характеристики движения

Скорость. Это понятие вводят как векторную величину для прямолинейного и криволинейного движений. Векторный характер скорости непосредственно вытекает из введения перемещения как векторной величины.

Сначала при повторении равномерного и прямолинейного движения выделяют основной его признак: материальная точка в любые равные промежутки времени совершает одинаковые (равные) перемещения. Чтобы одно равномерное движение отличалось от другого, необходимо ввести его характеристику – скорость – величину, которую определяют отношением вектора перемещения ко времени, в течение которого это перемещение произошло. В целях преемственности курсов физики 7 и 9, 10 классов целесообразно вспомнить, как вводили скорость в 7 классе.

     После повторения понятия скорости равномерного прямолинейного движения вводят понятие средней скорости неравномерного движения и подчеркивают, что для определения средней скорости неравномерного движения необходимо найти отношение всего пути, пройденного материальной точкой, ко всему времени ее движения.

     Для усвоения понятия скорости и понимания практического выхода этой характеристики знакомят учащихся с различными значениями скоростей движения тел в окружающей нас жизни, технике, военном деле, используя для этой цели таблицы, предложенные в учебнике.

Работая с таблицами, добиваются от учащихся понимания физического смысла понятия скорости. Для этого, называя скорость того или иного тела, отыскивая в таблице самую большую и самую малую скорость и сравнивая их, ученик каждый раз должен отвечать на вопрос: «Что означает названная им величина?» Например, автомобиль «Волга» развивает скорость до 145 км/ч. Что это означает? Эта работа началась в 7 классе, но, как показывает опыт, ее необходимо продолжить и в 9 и в 10 классах.

Следующим звеном в цепочке формирования основных кинематических характеристик является рассмотрение мгновенной скорости. Трудность введения этого понятия связана с необходимостью введения предельного перехода, еще неизвестного учащимся. При введении этого понятия в школе используют понятие не математического, а физического предельного перехода: вместо бесконечно малой величины рассматривают очень малый, но конечный промежуток времени – физическую малую величину.

Аналогично вводят понятие скорости и в криволинейном движении.

Для прочного усвоения школьниками понятия мгновенной скорости предлагают вопросы типа: о какой скорости идет речь в следующих случаях:
   1) пассажирский поезд проехал мимо светофора со скоростью 25 км/ч;
   2) скорость курьерского поезда, курсирующего между Москвой и Ленинградом, 100 км/ч;
   3) на рисунке изображен знак, ограничивающий скорость движения автомобилей в Москве, 60 км/ч?

     Затем вводят понятие ускорения равноускоренного прямолинейного движения. Ускорение – это векторная физическая величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло

Для уяснения понятия ускорения равноускоренного прямолинейного движения предлагают вопросы такого типа: «Ускорение движущегося тела равно 0,2 м/с. Что это означает?»

Последовательность введения основных понятий и законов динамики

Первый закон динамики в общеобразовательном курсе физики формулируют так: существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не влияют другие тела (или влияния других тел компенсируются). Системы отсчета, относительно которых тела движутся равномерно и прямолинейно, называют инерциальными, само явление сохранения вектора скорости - инерцией, а закон – законом инерции. Непосредственно на опыте на Земле проверить это трудно, так как нельзя изолировать движущееся тело от воздействия на него других тел. В этом смысле закон является идеализацией, так же как и понятие системы отсчета. Одна из дидактических задач, стоящих перед учителем   при рассмотрении этого закона разъяснить школьникам, что ни один опыт не может абсолютно точно подтвердить закон инерции, так как не существует в природе абсолютно свободных, ни с чем не взаимодействующих тел. Эту определенную методическую трудность решают, рассматривая мысленные опыты (рассматривая движение без сопротивлений), т. е. приближаясь в опытах к идеальным условиям.

Традиционным опытом, который помогает учащимся осмыслить первый закон Ньютона, является опыт с желобом Галилея. В опыте по желобу, установленному на демонстрационном столе, скатывается шарик:
   1) сначала в кучку песка, находящуюся у основания наклонной плоскости,
   2) затем на шероховатую поверхность (например, на сукно),
   3) на гладкую поверхность (например, стекло).
Обращают внимание школьников на то, что по мере уменьшения сопротивления движение шарика увеличивается во времени. В аналогичном опыте можно показать, что направление движения шарика (стального) можно изменить, расположив, например, несколько сбоку магнит. На основании этих опытов делают вывод: чем меньше взаимодействие, тем медленнее изменяется скорость. Продолжая далее рассуждение (на основе уже мысленных опытов) о том, что если бы на движущееся тело не действовали никакие другие тела, подводят учащихся к выводу о сохранении в этих случаях неизменным вектора скорости.

Другой не менее важной дидактической задачей при рассмотрении этого закона, является работа по переосмысливанию жизненного опыта учащихся. При этом обращаются к вопросам истории физики, в частности к первоначальным представлениям, с которых начала свое существование механика.

Начало механики было положено в трудах Аристотеля в IV в до н. э. (384-322 гг. до н. э.). В частности, Аристотель утверждал, что «движется только движимое» или «без сил нет движения», т. е. движение возможно лишь тогда, когда к телу приложена сила. Но именно такой образ мышления характерен для человека, далекого от научных представлений о движении. Так думает и ученик, когда он приступает к изучению механики. Следует показать школьникам, что представления Аристотеля ошибочны и что указал на их ошибочность еще Галилео Галилей. Он впервые применил экспериментальный метод исследования в науке. На основании проделанных опытов сделал вывод: «естественным» состоянием тела (состоянием в отсутствие взаимодействия с другими телами) является равномерное и прямолинейное движение, а не покой, как полагал Аристотель.
    Покой же следует рассматривать как частный случай равномерного и прямолинейного движения. Позже эти выводы Галилея были сформулированы Ньютоном в виде закона и вошли в основы классической механики.

Формируя научное мировоззрение учащихся, обращают их внимание на тот факт, что древнегреческие ученые, к числу которых принадлежал Аристотель, утверждали: главное средство изучения природы – размышление, его помощник – наблюдение. Противопоставление же «аристотельским взглядам» - механика Галилея – Ньютона. Методы исследования: экспериментальный (Г. Галилей) и математический (И, Ньютон), помогут учащимся понять, что установление закона инерции было великим открытием, совершившим переворот в науке.

Завершая рассмотрение первого закона динамики, рассматривают примеры, показывающие, что закон инерции выполняется не во всех системах отсчета, т. е. ознакомить учащихся с неинерциальными системами отсчета. Например, мяч, лежащий на полу вагона поезда, приходит в движение в направлении, обратном направлению ускорения движения вагона. Решение этой задачи можно оформить в виде таблицы:

Этот же пример рассматривают и соответственно оформляют и для случая замедленного движения вагона.

Масса. Методика формирования понятия массы в 9 и 10 классах базируется на пропедевтике, которая имеет место в курсах 7 - 8 классов и создает тот фундамент, на котором это понятие рассматривают в последующих разделах школьного курса физики.

Условно можно выделить основные этапы изучения понятия массы:

I  этап – повторение всех основных положений о массе, полученных в 7 - 8 классах.
   II  э т а п – экспериментальное обоснование понятия массы как количественной характеристики инертных свойств тела.
    Можно провести эксперимент: на ручной центробежной машине устанавливают стержень с двумя телами, связанными нитью, массы которых находятся в соотношении 1: 3. В ходе опыта показывают, что эти тела не соскальзывают со стержня и движутся по окружностям, радиусы которых находятся в соотношении 3 : 1, т. е.  
                        а1/а2 = r1/r2,    a1/a2 = m2/m1   =>    m1/m2 =r2/r1

III  этап – обобщение результатов опыта и введение определения массы как меры инертных свойств тела, механической системы.
    На основании опытных фактов устанавливают:
   1) Для двух взаимодействующих тел отношение ускорений, приобретенных в результате взаимодействия – величина постоянная. В зависимости от характера взаимодействия для каждого из этих тел ускорения могут быть разными, но отношение этих ускорений – величина постоянная.

2) Раскрывают свойство инертности и основное содержание этого понятия: нельзя изменить скорость тела мгновенно (для изменения скорости необходимо время, которое для различных тел разное). Далее дают определение массы: масса тела – физическая величина, характеризующая его инертность. Она определяет отношение ускорения эталона к ускорению тела при их взаимодействии (аэ/а=m/mэ). Обсуждают вопрос об аддитивности массы.

IV  этап – определение единиц измерения массы. Одна из единиц (1 кг) уже известна учащимся из 7 класса. Уточняют, что эта единица – международная, принятая на Международном конгрессе в 1889 г. в качестве эталона. Этот эталон изготовлен из сплава платины и иридия и хранится в бюро мер и весов (во Франции). В России, как и в некоторых других странах, есть копия этого эталона. Важно уточнить, что это единица СИ. По существу, параллельно с введением единиц измерения массы можно начать и введение понятия о системе механических единиц, т. е. ознакомить с международной системой единиц и ее основными механическими величинами: длиной, массой, временем.

В данном месте курса обязательно обсуждают вопрос о кратных и дольных единицах массы. Упражнения по переводу единиц на данном этапе усвоения понятия являются обязательными. (См. приложение 5) 

V этап – обсуждение способов измерения массы:
   1) по взаимодействию тел (тело приводят во взаимодействие с другим телом, масса которого известна, и сравнивают приобретенные ими ускорения);
   2) взвешивание на рычажных весах.

VI этап – обсуждение границ применимости понятия массы, введенной в классической механике.

Сила. Второй и третий законы Ньютона. Первоначальное представление о силе учащиеся получают из повседневной жизни как о мускульном усилии. Формирование понятия силы как физической величины начинают в 7 классе. На этих уроках выясняют, что вектор скорости тела может изменяться только при взаимодействии с другими телами.

В методике формирования понятия силы в курсе физики 9, 10 классов можно условно выделить следующие этапы.

      I  этап – повторить основные положения о силе, полученные в курсе физики 7 класса.

 II  этап – определить понятие силы как количественной характеристики действия одного тела на другое. Этот этап формирования понятия силы тесно связан с изучением второго закона Ньютона. Основное утверждение закона формулируют так: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. В такой формулировке содержится и определение силы. Пропорциональность ускорения действующей силе рассматривают как следствие второго закона Ньютона.

III  этап – рассмотреть понятия «действие» и «противодействие». Этот этап связан с изучением третьего закона Ньютона. При изучении этого закона подчеркивают, что действие тел носит взаимный характер. В третьем законе в отличие от второго в равной степени рассматривают оба тела. Термины «действие» и «противодействие» – условны и взаимозаменяемы. При взаимодействии двух тел действие первого тела на второе можно назвать «действием» (F12), а второго на первое «противодействием» (F21), и наоборот. Важно довести до понимания учащихся тот факт, что эти силы нельзя складывать и не следует их путать с уравновешенными силами. (Уравновешенные силы приложены к одному телу, силы «действия» и «противодействия»– к разным телам: точки их приложения не следует (нельзя!) совмещать.)

Недопустимо толкование этих терминов как первичного (причины) – «действия» и как вторичного (следствия) – «противодействия».

Усвоению третьего закона способствует и анализ таких примеров, как движение человека по Земле, лошади, впряженной в телегу, тепловоза.
    В методическом отношении очень важно в этих случаях расчленение всей системы взаимодействующих тел на пары, в которых тела непосредственно действуют друг на друга:

1) человек – Земля,

2) лошадь – телега, лошадь – Земля, телега – Земля,

3) тепловоз – вагон, вагон – Земля, тепловоз – Земля.

IV этап – рассмотреть проявления взаимодействий следующих видов сил: тяготения, упругости, трения. Никаких других видов взаимодействия в механике нет, а, следовательно, нет никаких других сил.

Сначала рассматривают гравитационные силы и закон всемирного тяготения. При изучении гравитационных сил прежде всего обсуждают опытные факты: падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, спутников вокруг планет, отклонение световых лучей, идущих от далеких звезд и проходящих вблизи края диска Солнца, и др. Обращают внимание на то, что гравитационные силы проявляются только во взаимном притяжении тел на расстоянии.

Закон всемирного тяготения вводят как обобщение многочисленных опытов:

Все тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Раскрывают физический смысл гравитационной постоянной G – это сила тяготения между двумя телами массой 1 кг (каждое) при расстоянии между ними 1м.

Далее рассматривают фундаментальные опыты по определению гравитационной постоянной (опыты Кавендиша)

Обращают внимание учащихся на то, что в законе всемирного тяготения масса выступает как мера гравитации, а не мера инертности и что в экспериментах Галилея и Ньютона было показано равенство инертной и гравитационной масс.

Силу тяжести рассматривают как частный случай силы тяготения (сила, с которой тела притягиваются Землей). Она всегда направлена к центру Земли, приложена в точке, которую называют центром тяжести.

Далее рассматривают силу упругости как следствие деформации, а деформацию как следствие неодинаковых ускорений, которые получают частицы тел при столкновении. Силы упругости всегда возникают при непосредственном взаимодействии тел. Направлены они перпендикулярно поверхности соприкосновения тел (деформированного тела), а их модуль находят по закону Гука: Fупр  =  kx 

Вес, невесомость, перегрузки. Вес рассматривают как силу, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. Невесомость определяют как состояние, при котором вес тела равен нулю.

Завершают рассмотрение видов сил в механике изучением сил трения. Возникновение силы трения выясняют на примере равномерного движения бруска по горизонтальной поверхности. (См. приложение 6). Делают вывод: на тело вдоль поверхности действует сила, которая препятствует движению бруска. Эта сила – сила трения Fтр. При изучении закона трения (Fтр = µN) обращают внимание на то, что сила давления направлена перпендикулярно поверхности, по которой тело движется, а сила  трения – вдоль этой поверхности и образует с силой давления прямой угол. Направлена сила трения всегда против движения. Аналогично рассматривают равномерное скольжение тела по наклонной плоскости и показывают, что коэффициент трения равен тангенсу угла наклона плоскости к горизонту, при котором тело равномерно сползает по этой плоскости.

Приводят примеры из практики: движение ремня со шкивом без проскальзывания; подъем грузов по наклонной плоскости (по транспортеру); очистка семян с помощью полотняной горки; муфта сцепления в автомобиле и др.

V этап – введение понятия силы – формирование умений применять эту физическую величину при решении задач: рассматривают изменение скорости под действием силы тяжести с учетом начальных условий (падение тел в поле тяготения Земли без начальной скорости; при наличии начальной скорости, направленной вертикально вниз (вверх), под углом к горизонту и параллельно горизонту); под действием силы упругости с учетом начальных условий (движение материальной точки по окружности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, колебание груза на пружине); под действием силы трения и, наконец, движение под действием нескольких сил.

Завершают изучение динамики обсуждением следующего вопроса: масса в механике Ньютона инвариантна относительно и.с.о.; сила не зависит от выбора и.с.о.; законы Ньютона справедливы в любой и.с.о.; формулируют принцип относительности Галилея.

Закон сохранения импульса. При изучении закона сохранения импульса вводят ряд новых физических понятий. Усвоение некоторых из них очень важно для изучения всего раздела. К числу этих понятий относятся такие: механическая система, замкнутая механическая система, внешние силы, внутренние силы, консервативные силы.

Понятие «замкнутая механическая система» является идеализацией. Очень важно, поэтому, при рассмотрении конкретных задач оговаривать, как движутся тела физической системы и действуют ли на них внешние силы. Если эти силы отсутствуют (т. е. ими можно пренебречь), то нужно применять закон сохранения импульса; если внешние силы действуют, то суммарный импульс силы, действующий на систему, равен суммарному изменению импульса системы.

Для простоты рассуждений рассмотрение закона сохранения импульса рассматривают для замкнутой системы, состоящей из двух сталкивающихся тел, массы которых одинаковы, а скорости различны. Выводят этот закон на основе второго и третьего законов динамики.

Доказывают, что изменение импульсов двух сталкивающихся тел одинаково по модулю, но противоположно по знаку.

Далее формулируют закон; геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Далее делают вывод: если закон сохранения импульса выполняется при движении относительно одной системы отсчета, то он выполняется и относительно любой другой системы отсчета, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно, т. е. закон сохранения импульса выполняется в любой инерциальной системе отсчета.

Механическая работа. Работа равна произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы и перемещения.

Изучение понятия механической работы можно условно разделить на этапы.

I. Следует заметить, что определение работы в общем случае неточно, но для элементарной работы выражение A = Fs cosα верно всегда. В общем случае, когда сила не меняется в каждой точке траектории, при суммировании элементарных работ получают
A = Fs cosα.

II. Раскрыть относительный характер величины работы. Выяснить вопрос о том, что работа зависит от выбора системы отсчета, и обсудить конкретные примеры:
    -  Ученик стоит в движущемся лифте и держит в руке портфель. Что можно сказать о работе относительно системы отсчета, связанной с лифтом, и относительно системы отсчета, связанной с Землей?

Ответ: со стороны руки на портфель постоянно действует сила. В системе отсчета, связанной с лифтом, работа равна нулю (нет перемещения). В системе отсчета, связанной с Землей, относительно которой лифт перемещается, работа совершается.

Возможны и другие примеры, например такие:
   а) Совершается ли работа силой упругости троса, связывающего катер и баржу в системе отсчета, связанной с Землей; с баржей; с водой?

б) Совершается ли работа человеком, стоящим в поезде и удерживающим растянутую пружину в системе отсчета, связанной с поездом; с Землей и т. д.

Энергия и закон сохранения энергии. На первой ступени обучения физике учащиеся получили представление об энергии: если тело или несколько взаимодействующих между собою тел способны совершить работу, то они обладают механической энергией. В 9 классе это представление необходимо развить и оформить в понятие: энергия – это физическая величина, которая зависит от состояния тела (системы тел), ее изменение при переходе из одного состояния в другое определяют величиной совершенной работы.

Наиболее простым видом механической энергии является кинетическая энергия, так как во всех случаях (для материальной точки) она определяется произведением массы тела на квадрат его скорости относительно других тел (тел отсчета) и не зависит от того, взаимодействует это тело с другими телами или нет. Потенциальная же энергия относится к системе взаимодействующих тел, и ее рассчитывают в зависимости от вида сил, обусловливающих существование этого вида энергии. (См. приложение 7)

Введение понятия о нулевом уровне потенциальной энергии

При рассмотрении этого вопроса выделяют следующие моменты:

1) Определить не саму потенциальную энергию, а ее изменение. Например, для силы тяжести вблизи поверхности Земли:

                                     ∆Ep = mgh2 – mgh1

где h1 и h2 – высоты тела над Землей в начальном и конечном состояниях.

Изменение потенциальной энергии деформированной пружины:

                                    ∆Ep = k(∆x2)2/2 – k(∆x1)2/2

где k – коэффициент жёсткости, ∆х1 и ∆х2 – начальная и конечная деформация пружины.

Так как работа определяет изменение энергии, а не саму энергию, то только изменение энергии имеет физический смысл. Исходя из этого, произвольно можно выбирать состояния системы, в которых потенциальную энергию можно считать равной нулю. Выбор нулевого уровня, таким образом, произволен и диктуется соображениями удобства (скажем, простота записи уравнения, выражающего закон сохранения энергии).

2) Часто за нулевой уровень потенциальной энергии (состояние с нулевой энергией) можно выбрать такое состояние системы, при котором потенциальная энергия минимальна.

Далее следует показать, что потенциальная энергия не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, так как является функцией расстояния между взаимодействующими телами.

Из рассмотрения того, что при совершении работы увеличение кинетической энергии сопровождается убылью потенциальной энергии (и наоборот), сформулировать закон сохранения энергии для замкнутых систем.

Специально следует остановиться на рассмотрении закона сохранения энергии при наличии трения. Работа сил трения ведет к убыли кинетической энергии системы. Но при этом под действием силы трения потенциальная энергия не увеличивается, как это происходит в случае действия сил тяготения и сил упругости (консервативных сил). Это является следствием того, что силы трения не зависят от расстояния между взаимодействующими телами, а зависят от их относительных скоростей. Работа этих сил зависит от формы траектории, а не от начального и конечного положений тел в пространстве.

Изучение темы «Механические колебания и волны»

Свободные механические колебания. Изучение колебаний начинают с введения понятия о колебательном движении, которое является одним из основных в этой теме. Учащиеся уже знакомы с периодическими, т. е. повторяющимися через равные промежутки времени, движениями (например, с равномерным движением по окружности). Разновидность периодического движения – колебательное, т. е. такое движение, при котором тело перемещается от своего положения равновесия то в одну сторону, то в другую. Приводят примеры колебательных движений и демонстрируют системы тел, в которых при определенных условиях могут существовать колебания (вертикальный и горизонтальный пружинные маятники, груз на нити, ножовочное полотно, зажатое в тисках, и др.). На примере этих колебательных систем подчеркивают то общее, что характерно для любой из них: наличие устойчивого положения равновесия, фактор инертности, обеспечивающий прохождение телом положения равновесия и, таким образом, установление колебательного движения вместо простого возвращения тела в положение равновесия, и, наконец, достаточно малое трение в системе.

 Ребята убеждаются в наличии этих признаков у каждой из демонстрируемых колебательных систем. После этого предлагают им ответить на вопрос, могут ли возникнуть колебания в системах, представленных на рисунке 32, и проверить свой ответ экспериментально.

Вводят понятие о свободных колебаниях: колебания, возникающие в системе, выведенной из положения равновесия и предоставленной самой себе, называют свободными. Если в системе отсутствует трение, то свободные колебания называют собственными, они происходят с собственной частотой, которая определяется только параметрами системы.    
   Одно из важнейших понятий теории колебаний – гармоническое колебание. Существует много колебательных систем, колебания в которых с большой точностью можно считать гармоническими.

Программа одиннадцатилетней средней школы предполагает впервые ознакомить школьников с понятием гармонического колебания в 9 классе. (См. приложение 8) Сообщают, что механические колебания, которые совершаются под действием силы, пропорциональной смещению колеблющейся точки и направленной к положению равновесия, называют гармоническими.

Вводят определение: периодические изменения во времени физической величины, происходящие по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями.

 Обращают внимание школьников на то, что гармонические колебания – качественно новый вид движения, в котором ускорение непрерывно изменяется по модулю и направлению.

Вводят основные характеристики колебательного движения амплитуду, частоту и период колебаний, причем подчеркивают, что именно эти величины, а не смещение, скорость и ускорение колеблющейся точки в данный момент времени характеризуют колебательный процесс в целом. Для усвоения понятий амплитуды, периода и частоты колебаний предлагают учащимся ряд упражнений различного характера – качественных, количественных, связанных с проведением небольшого эксперимента.

Формулы для периода колебаний математического и пружинного маятников не могут быть строго выведены из-за отсутствия необходимой математической подготовки учащихся. Поэтому дают их в готовом виде (с последующей экспериментальной проверкой) или выводят косвенным путем (что зависит от уровня подготовленности класса). (См. приложение 9).

Далее рассматривают энергетические превращения в колебательных системах. Выясняют, что при движении маятников происходит периодическое превращение кинетической энергии системы в потенциальную и обратно. Отмечают, что полная энергия колебательной системы не зависит от времени, она пропорциональна квадрату амплитуды и частоты. С этим соотношением учащимся придется еще встречаться при изучении волновых процессов, поэтому важно, чтобы оно было закреплено.

Поясняют, что все выводы были сделаны для колебательной системы без трения. Так как на самом деле трение существует в любой системе, то энергия системы не остается постоянной, а убывает со временем, убывает и амплитуда колебаний, т. е. колебательное движение перестает быть гармоническим, хотя и остается периодическим.

С затуханием свободных колебаний в реальных колебательных системах ребята хорошо знакомы из повседневной жизни и из наблюдений за демонстрационными опытами. Показывают системы с различной степенью затухания, выявляют причины затухания, приводят примеры систем, где необходимо обеспечить быстрое затухание колебаний, и систем, где такое затухание крайне нежелательно. Примером систем с малым затуханием могут служить колокол, камертон. После выведения камертона из состояния покоя он может совершать до нескольких тысяч колебаний, т. е. достаточно долго звучать практически без затухания, с неизменной частотой.
    Вынужденные механические колебания. Изучение вынужденных колебаний начинают с примеров тел (систем тел), в которых колебания происходят под действием периодической внешней силы: колебания иглы швейной машины, колебания поршня в двигателе внутреннего сгорания, различные вибрационные машины (для погружения свай в грунт, для сортировки и транспортировки, для уплотнения материала, например бетона, и т. д.). Сообщают, что такие колебания называют вынужденными. Наибольший интерес представляют случаи, когда периодическая внешняя сила действует на систему, в которой могут происходить свободные колебания. Демонстрируют опыт, в котором вынужденные колебания совершаются пружинным маятником (См. приложение 10). Наибольший интерес при изучении вынужденных колебаний представляет явление резонанса. На той же установке (См. приложение 10) наблюдают резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний в случае, когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте системы. При совпадении частот она достигает максимума. Такое возрастание амплитуды при совпадении собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы называют резонансом.

Для домашнего эксперимента предлагают пронаблюдать резонанс водной массы в тарелке: если тарелку быстро перемещать вправо-влево по столу, масса воды остается сравнительно спокойной, если же перейти на более медленные колебания, то для некоторой частоты вода станет переливаться через край – всплески усилятся. При еще более медленных колебаниях тарелки всплески воды опять уменьшаются.

Особое внимание уделяют учету и использованию резонансных явлений в жизни. Приводят примеры вредного влияния резонанса (разрушение опор под неуравновешенными конструкциями, например, плохо центрированным двигателем, при работе которого в опорах возбуждаются вынужденные колебания, и др.), указывают основные пути предотвращения резонанса – изменение собственной частоты колебаний системы и использование демпферов-гасителей колебаний.

Механические волны. Изучение механических волн начинают с формирования общих представлений о волновом движении. Состояние колебательного движения передается от одного колеблющегося тела к другому при наличии связи между ними.

После ознакомления с поперечными и продольными волнами учащимся предлагают самим выделить характерные черты волнового движения - в пространстве происходит передача энергии, сами же колеблющиеся частицы не перемещаются, переноса вещества в волне не происходит. Это можно показать на резиновом шнуре, на поверхности воды в волновой ванне, если разместить в ней несколько поплавков и возбудить волну с помощью вибратора.

При изучении упругих волн учащиеся получают первоначальное представление о скорости распространения волн, под которой подразумевается скорость перемещения гребня или впадины – в поперечной волне и сгущений или разрежений – в продольной.

Обращают внимание на то, чтобы учащиеся четко разграничивали понятия скорости распространения волны и скорости колебательного движения точек в волне. Для этого рассматривают конкретные примеры и задачи.

Поясняют, что в твердом теле продольные и поперечные волны распространяются с различной скоростью, так как в одном случае их распространение связано с деформацией сжатия, в другом – сдвига, и упругие свойства твердого тела в отношении этих видов деформации неодинаковы, отсюда различие и в скорости распространения этих волн.

Итак, скорость волны зависит от свойств среды и не зависит от частоты.

После того как учащиеся ознакомились с образованием продольных и поперечных волн и скоростью волны, вводят еще одно очень важное для волнового движения понятие – длину волны.

Понятие о длине волны помогает девятиклассникам усвоить важное свойство волн – периодичность в пространстве. Определяют длину волны как расстояние, на которое распространяется волна за один период. Это определение не требует введения понятия о фазе и связывается с уже хорошо знакомым учащимся понятием равномерного движения и его уравнением, при этом легче усваивается формула λ = υТ.

Длина волны – это расстояние между двумя ближайшими точками, одновременно проходящими положение равновесия и движущимися в одну сторону. Далее выясняют, что точки, удаленные друг от друга в волне на расстояние nλ (где n – целое число), колеблются одинаково.

Анализ формулы λ = υТ позволяет уяснить характер зависимости между величинами, которые она связывает. Учащиеся могут выделить здесь величину, не зависящую от двух других, – частоту колебаний (ее задают вибратором), а также скорость волны, определяемую свойствами среды, и длину волны, которая может быть выражена через эти величины.

Акустические явления. Изучение акустических явлений, т. е. распространение в упругой среде механических колебаний, способствует расширению понятия волны – от волн, непосредственно воспринимаемых визуально, до - невидимых. Это в какой-то мере готовит учащихся к восприятию физической сущности электромагнитных волн. Кроме того, при изучении звуковых явлений можно закрепить те знания учащихся о волнах и их характеристиках, которые к тому времени они имеют.

Звуковые волны изучают в следующей последовательности:

I. Вначале учащихся знакомят с источниками и приемниками звука. Рассматривают примеры источников звука, совершающих колебания с собственными частотами (камертон, струна), и излучателей вынужденных колебаний, преобразующих электрические колебания в звуковые. Показывают и приемники звука – микрофоны, напоминают устройство угольного микрофона и знакомят с устройством электродинамического микрофона.

II. Затем объясняют механизм распространения звуковых волн. Демонстрируют сгущения и разрежения в упругой среде при распространении в ней звуковой волны, продольный характер звуковых волн, необходимость среды с упругими свойствами для их распространения. Последнее можно проиллюстрировать на опыте, в котором источник звука помещают под колокол воздушного насоса и постепенно откачивают воздух.

Рассматривая скорость распространения звука в различных средах, приводят конкретные примеры звуковых скоростей в этих средах. Например: скорость звука в воздухе составляет около 300 м/с, в воде она в 5 раз больше, а в металлах звук распространяется в 15 раз быстрее, чем в воздухе. Причины такого различия предлагают объяснить самим учащимся, так как им уже известно, что скорость распространения волны в среде зависит от плотности среды и ее упругости по отношению к тому или иному виду деформации, вызванному волной.

III. После этого школьникам рассказывают о восприятии звуковых волн человеком. Рассматривают диапазоны звуковых волн: от 16 до 20 000 Гц- звуки, воспринимаемые человеческим ухом, ниже 16 Гц – инфразвуки, выше 20 000 Гц – ультразвуки, свыше 109 Гц – гиперзвуки.

При рассмотрении акустического резонанса подчеркивают, что резонанс акустических волн является доказательством волновой природы звука. Это демонстрируют на опытах с двумя камертонами.

Обсуждают и такой вопрос: в телефонных наушниках, микрофонах, громкоговорителях имеют место вынужденные колебания мембраны или катушек. Полезен или вреден будет резонанс в этих устройствах? Учащиеся должны понять, что в случае совпадения каких-либо частот вынужденных колебаний с собственной частотой конструкции эти частоты будут вызывать более интенсивное звучание, что приведет к искажению передаваемых звуковых сообщений. Таким образом, в этих устройствах резонансные явления нежелательны. Поскольку избежать совпадения частот по всей полосе звуковых частот, на которой работают телефоны, микрофоны и динамики, практически невозможно, выход из положения находят в увеличении затухания в системе.

IV. В конце темы рассматривают объективные характеристики звука и свойства акустических волн (См. приложение 10).

Обобщая материал об упругих волнах, необходимо ознакомить девятиклассников с упругими волнами различных диапазонов и их применением. Например, низкочастотные упругие волны (частоты от долей герц до 1013 Гц) применяют в сейсморазведке, в сейсмологии для регистрации землетрясений. Источники инфразвуков (частоты ниже 16–25 Гц) в атмосфере – ветер, грозовые разряды, взрывы, в земной коре – сотрясения и вибрации от различных источников. Эти волны слабо поглощаются средой, поэтому они могут распространяться на большие расстояния. С их помощью определяют место взрыва, предсказывают цунами, исследуют атмосферу и водные массивы. Упругие волны в несколько килогерц используют в гидролокации, при исследовании океанов.

Тематическое планирование по разделу учебной программы

В творческой работе автор предлагает при изучении механики в 9 и 10 классах отводить часы на повторение и систематизацию изученного. Темам, изучаемым на следующей ступени образования, предшествует повторение сведений, получаемых в предыдущих классах. В настоящее время структура физического образования предполагает изучение в 7 – 9 классах основной школы законченного курса физики, включающего все элементы знаний, предусмотренные Российским федеральным стандартом образования. Программа основной школы увеличена за счет включения электромагнитных явлений, атомной и ядерной физики. По старой структуре программ в первой ступени обучения была «Физика явлений», которая изучалась в 7- 8 классах, где почти не рассматривались механические явления и ряд других вопросов, понимание которых, например закон преломления света, невозможно без знания ряда разделов математики (тригонометрические функции и др.).
     В 9 классе, начиналось изучение систематического курса «Механика». В соответствии с новой моделью обучения, подробное изучение этого курса перенесено в 10 класс.

Сокращение числа часов (2 часа в неделю по 9 – 11 классам) на преподавание основ естественнонаучных дисциплин привело к тому, что оказалось практически невозможным на базовом уровне должным образом изложить ряд тем учебных программ курса физики. Особенно острая ситуация сложилась на стыке перехода от основной школы к старшей школе при изучении раздела «Механика» в 9 - 10 классах. (См. приложение 11)

    Система изучения механики в учебной программе с 7 по 11 классы выглядит таким образом. (См. приложение 12).

    Автор работы не расходится с авторами учебников в подаче учебного материала. Тематическое планирование уроков по разделам «Кинематика», «Динамика», «Законы сохранения», «Статика», «Механические колебания и волны», «Акустические явления».

будет выглядеть следующим образом. (См. приложение 13).

Учебно-методический комплекс раздела учебной программы

    В работе над реализацией раздела учебной программы автор предлагает использовать данный учебно-методический комплекс:

1. Примерная программа основного общего образования: «Физика» 7-9 классы (базовый уровень), М.: Дрофа, 2009.
2. Авторская программа Е.М. Гутника, А.В. Пёрышкина «Физика» 7-9 классы, М.: Дрофа, 2009.
3. Примерная программа среднего (полного) общего образования по физике 10-11 классы, М.: Дрофа, 2009.
4. Авторская программа Г. Я. Мякишева «Физика» 10-11 классы, М.: Дрофа, 2009.
5. А.В. Пёрышкин «Физика» 7 класс: учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Дрофа, 2008.
6. А.В. Пёрышкин «Физика» 9 класс: учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Дрофа, 2008.
7. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский «Физика» 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Дрофа, 2008.
8. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский «Физика» 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Дрофа, 2008.

Методические пособия:

1. Сборник задач по физике 7-9кл. / Составитель В. И. Лукашик – М.: Просвещение, 2003.
2. М.А.Ушаков, К.М. Ушаков Физика 7 кл. «Дидактические карточки задания» - М.: Дрофа 2001.
3. А.Е. Марон, Е.А. Марон Физика 7 кл. «Дидактические материалы» - М.: Дрофа, 2002.  
4. Сборник задач по физике 10-11 кл. / Составитель А. П. Рымкевич – М.: Дрофа 2006.
5. С.Е. Полянский. Поурочные разработки по физике. 7 класс. Москва, «ВАКО», 2004.
6. С.В. Боброва. Поурочные планы по учебнику А.В. Пёрышкина, Е.М. Гутник. 9 класс. Волгоград. Издательство «Учитель», 2004.
7. Г.В. Маркина, С.В. Боброва. Поурочные планы по учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева.  10 класс. Волгоград. Издательство «Учитель», 2005.
8. Ю.А. Сауров. Физика в 10 классе. Модели уроков. Москва, Просвещение, 2005.
9. В.А. Волков. Поурочные разработки по физике. 10 класс, 11 класс. Москва, «ВАКО», 2006 и др.

Контролирующие материалы

     Контроль ЗУН не только даёт возможность учителю установить, что усвоили ученики,  какими умениями они овладели, чтобы в процессе дальнейшей познавательной деятельности опираться на приобретённые знания, но и зафиксировать пробелы в знаниях и наметить рациональные пути их устранения с учётом индивидуального подхода к учащимся.

      Создание системы эффективных форм и видов контроля ЗУН учащихся способствует выявлению уровня обученности школьников на каждом уроке, помогает успешной организации дифференцированного обучения, является одним из реальных путей нормализации учебной нагрузки школьников.

    В практике работы школы утвердились разные формы, методы и приёмы проверки результатов учебной деятельности школьников. Но какими бы они ни были, они должны реализовывать основные принципы контроля: целенаправленность, систематичность, объективность.  Они должны обеспечить всестороннюю проверку знаний, усвоение всех составных компонентов, из составляющих; определение уровня усвоения знания; проверку умений и навыков практического характера; оперативность проверки и её своевременность; не только контролирующую, но так же обучающую и воспитывающую функцию проверки.

    Контроль знаний учащихся может быть итоговым и текущим. В итоговую проверку включается и тематическая, которая проводится после изучения отдельного раздела курса, в конце усвоения наиболее важных тем. Она помогает выявить уровень овладения основным содержанием раздела, темы каждым учеником, способствует более объективному выведению итоговой оценки знаний. Проводится такая проверка на итоговом опросе, итоговых контрольных работах по теме, на уроках повторения, уроках обобщения и систематизации изученного, зачётных уроках и пр. При текущем контроле в практике работы используются разнообразные формы опроса; индивидуальный и коллективный, фронтальный, уплотнённый и выборочный, по новому материалу или изученному ранее и т.д.

    Контроль может быть индивидуальным и коллективным. Индивидуальный опрос может быть письменным и устным. Устный - для проверки усвоения формулировок понятий, умения раскрыть внутреннюю сущность изучаемого явления, умения привести факты, подтверждающие то или иное положение. Это может быть устный монологический ответ (по плану, данному учителем; по плану, самостоятельно составленному на предыдущем уроке или дома; по обобщающей таблице; по опорным сигналам, конспектам и пр.); задание на составление таблиц классификационного характера и т.д.

    Умение применять на практике усвоенные знания и способы выполнения действия проверяются при письменном индивидуальном опросе во время выполнения небольших по объёму самостоятельных и проверочных работ, при выполнении заданий по карточкам, раздаточному материалу; различных упражнений с последующей самопроверкой, в том числе с использованием карточек – информаторов (карточек справочного характера), использованием ИКТ.

     Из форм коллективного контроля чаще других практикуются всевозможные виды письменных проверочных работ (физические диктанты, контрольные, самостоятельные и проверочные работы, сочинения и рефераты), тесты. (См. приложение 14)

Заключение

      Итак, подведём черту, общий итог над проделанной работой. В современной школе широко применяется стабильная программа под ред. В.А. Коровина, В.А. Орлова и др. Кроме того, существуют и так же успешно внедряются другие экспериментальные программы, которые называют ещё альтернативными. Все программы, как новые, так и уже давно используемые,  имеют свои плюсы и минусы, свои недостатки и достоинства. Поэтому они продолжают изменяться и совершенствоваться. Появляются новые варианты и новые программы других авторов. Не последнее место в  рассмотренных программах занимает материал по механике. Но всё-таки в каждой из них  методика механики требует совершенствования, внедрения новых приёмов работы.    

      Вопросу методики механики необходимо уделять больше внимания, исследовать, изучать. Это и было одной из задач работы, и автор надеется, что его работа выполнила свою задачу и станет ещё одним полезным элементом в процессе обучения физики в школе.

Дополнительная информация

Список литературы

1. Л.А.  Кирик. Физика 10, методические материалы, М., Илекса,2004;
2. «Новые педагогические и информационные технологии в системе образования», под ред. Е.С. Полат,М., АСАДЕМА,2003;
3. В.А. Орлов «Методика преподавания физики в средней школе»- механика, М., Просвещение, 1996;
4. Н.К. Солопова, О.В. Вязовова «Поиски, творчество, находки», Тамбов, ИПКРО, 2005;
5. Intel «Обучение для будущего».7-е издание, М., 2006;
6. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М. Просвещение, 1987.
7. А.А. Маншиньян Теоретические основы создания и применения технологий обучения. – М.: Прометей, 1999. - 136 с.;
8. В.Ф. Ефименко Методологические вопросы школьного курса физики. – М.: Педагогика, 1976. - 224 с.;
9. В.В. Мултановский Физические взаимодействия и картина мира в школьном курсе – М.: Просвещение, 1977. - 168 с.;
10. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С.Е.Каменецкий, Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская и др.; Под ред. С.Е.Каменецкого, Н.С.Пурышевой. – М.: Издательский центр “Академия”, 2000. - 368 с.;
11.  http://www.membrana. ru.;
12. www.scholl-collectionedu.ru;
13. www.cor.edu.27.ru;
14. www.collection.edu.yar.ru.

Содержание