Формирование понятия «сила» в курсе физики.
Автор: Москалева Галина Григорьевна
Место работы: МАОУ СОШ №5 г.о Железнодорожный
Цель: разработать методические рекомендации по формированию сложного понятия сила.
Основные методологические принципы
Логическая последовательность
Ступенчатость изложения
Преемственность
Классификация и узнаваемость
Алгоритмы решения задач
Возможность самообразования
Достаточность
Уровневая дифференциация
Поэтапная систематизация и возможность контроля
Формирование понятия «Сила» начинается в 7 классе и продолжается на протяжении всего курса физики.
С [pic] ила
F Определение:
Характеризуется: - это векторная физическая величина,
- величиной характеризующаяся действием одного - направлением тела на другое, в результате которого
- точкой приложения тело приобретает ускорение или изменяет . . форму и размеры.
Силы Силы
[pic] [pic] [pic] [pic]
Внутренние
(между телами в системе)
Внешние
(из вне на тело системы)
Действующие на расстоянии
Fтяж, Fмаг
Действующие при соприкосновении
Fтр, Fупр
При изучении курса физики выпускник должен знать, что
существует четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое
Сила – количественная мера взаимодействия
Силы по природе
[pic] [pic] [pic] [pic]
Электромагнитные
Fупр, Fтр, Рвес
Слабые
Гравитационные
Fтяж.
ядерные
силы
Архимедова
сила
Сила
упругости
Сила
трения
Электрическая
сила
Сила
Ампера
Вид
взаимодействия
гравитационная
электромагнитные
Причина
возникновения
Значение
гидростатического
давления на разных
глубинах не
одинакова
Деформация
Шероховатость
поверхностей
соприкосаю-щихся тел,
силы межмо-
лекулярного
взаимодействия
Действие
электрического
поля на
внесённый в него
заряд.
Действие
магнитно-
го поля на провод-
ник с
током
Направление
Вверх, противопо-
ложно силе
тяжести.
Смещение
частей
тела при
деформации
Вдоль поверх-
ности против
смещения
Сила соноправлена
с напряжённостью
Опреде-ляется
по правилу
левой
руки.
Требования к усвоению понятия «сила», разработанные А.В.Усовой, А.А.Бобровым на основе планов обобщённого характера о силе как о величине
.
Сила характеризует степень (меру) и направления действия на данное тело со стороны других тел или полей.
Сила - физическая величина, являющаяся мерой воздействия на тело со стороны других тел и полей.
За единицу силы в Си принимают размет такой силы, которая телу массой 1кг сообщает ускорение 1м/с2 (в механике).
Обозначается буквами F и R (равнодействующая сила).
Сила определяется на основе знания её связи с другими величинами, например: F=m.a (в механике), F= [pic] (в электростатике).
Это векторная величина.
Единица измерения в Си: Н (Ньютон)
Измеряется динамометром (в механике). Косвенные способы измерения силы основаны на знании величин, входящих в её формулу.
О силе как о явлении:
Внешние признаки проявления сил – изменение скорости тел, их деформации.
1.Силы проявляются при действии материальных объектов друг на друга, всегда изменяющих характер взаимодействия, которое связано с материальными полями и сопровождается переносом материи, движения.
2.Силой называют действие на тело со стороны другого тела или поля.
3.Сила характеризуется точкой приложения, направлением в пространстве и численным значением: размером силы, энергией (которая количественно характеризует взаимодействие частиц в ядре в атомной физике и в физике элементарных частиц). Связи между размером силы и другими величинами выражаются вторым и третьим законами Ньютона, законом Гука, законом всемирного тяготения, законом Кулона, законом Ампера и др.
В физике достоверно установлены гравитационные, электромагнитные, ядерные силы и силы слабых взаимодействий, знания о которых широко используются в практике (при строительстве сооружений, приборов, механизмов ит.д.)
Для сил выполняется принцип суперпозиции.
Силы имеют вредное проявление. Например, электромагнитные силы действуют на радиотехнические устройства (способ предупреждения – экранизация ит.п.)
Рассмотрим основные этапы формирования у учащихся понятия «архимедова сила»
Понятие «Архимедова сила» формируется у учащихся в седьмом классе при изучении темы: «Давление твёрдых тел, жидкости и газов»
1.Чувственно-конкретное восприятие
Формирование понятия происходит через этап чувственно-конкретного восприятия, что создаётся с помощью демонстраций:
а) обнаружение на опыте выталкивающей силы, действующей на тело, погруженного в жидкость.
Оборудование: сосуд с водой, динамометр, нить, алюминиевый цилиндр.
Вывод: на тело, погруженное в жидкость, действует сила, которая выталкивает тело из жидкости, направленная противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу
б) опыт с ведёрком Архимеда
Вывод: сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела
2.Определение понятия
Архимедова сила – это сила, выталкивающая целиком (или частично) погружённое
в жидкость или газ тело, равна весу жидкости или газа в объёме этого тела.
3.Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия.
Достигается организации специальных предложений
а) оборудование: сосуд с водой, динамометр, алюминиевый и медный цилиндры, нить.
Сделать вывод о зависимости выталкивающей силы от плотности тела.
б) сосуд с водой тела разного объема, динамометр, нить.
в) динамометр, нить, алюминиевый цилиндр, нить, сосуд с водой, маслом, насыщенным раствором соли в воде
Сделать вывод о зависимости выталкивающей силы от плотности жидкости
г) оборудование: мензурка с водой, алюминиевый цилиндр, нить, динамометр
Сделать вывод о зависимости выталкивающей силы от глубины погружения
объема тела, погруженного в жидкость или газ;
плотности жидкости;
тяготения на данной планете
Не зависит от:
формы тела;
плотности тела;
глубины погружения
4.Абстрагирование понятия.
Выясняется, где используется на практике: плавание судов, воздухоплавание
5.Установление связей данного понятия с другими ранее сформулированными понятиями: вес, сила тяжести, плавание тел, воздухоплавание
6.Применение понятия при решении элементарных задач учебного характера (см. приложение)
7.Применение понятия в решении задач творческого характера.
Осуществляется на факультативных занятиях и элективных курсах с 7 по 11 класс (см. Приложение)
Требования к знаниям об архимедовой силе как о величине:
1.Архимедова сила характеризует степень и направление действия жидкости или газа на погруженное в них тело
2.Сила Архимеда – физическая величина, являющаяся мерой воздействия на тело, погруженного в жидкость или газ, со стороны этой жидкости или газа
3.Обозночается буквой FA
4.Определяется на основе ее связей с другими величинами: [pic]
5.Величина векторная: направлена вертикально вверх, противоположно силе тяжести
6.Единицы измерения в СИ Н (ньютон)
7.Измеряется динамометром. Косвенные способы измерения силы основаны на знании величин, входящих в ее формулу.
Требования к знаниям об архимедовой силе как о явлении:
1.внещние признаки проявления силы Архимеда - выталкивает тело, погружённое в жидкость или газ.
2.Архимедова сила проявляется при погружении тела в жидкость или газ. Не действует в состоянии невесомости.
3.Сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, называется архимедовой силой.
4. Связь между размером силы и другими величинами выражается законом Архимеда.
5. применение силы Архимеда на практике: плавание судов. Воздухоплавание.
Трудности в усвоении понятия «Архимедова сила»
1.При формировании данного понятия необходимо учитывать сочетание наглядно – образного, словесно- теоретического практически действенного мышления.
2. Учащиеся не понимают причину возникновения выталкивающей силы.
Конструирование урока на основе деятельностного подхода поможет преодолеть трудности при формировании понятия архимедова сила
Приложение
1.К чашкам весов подвешены два одинаковых железных шарика. Нарушится ли равновесие, если один из шариков опустить в воду, другой - в керосин. Ответ объясните.
2.В сосуд погружены три железных шарика равных объёмов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? (Плотность жидкости вследствие ничтожной сжимаемости на любой глубине считать одинаковой)
3.Алюминиевый и медный бруски имеют одинаковые массы. Какой из них легче поднять в воде?
4.Ученику задан вопрос: «Какие силы действуют на картофелину, лежащую в кастрюле с водой?». Отвечая на вопрос, ученик назвал силу тяжести, силу давления воды, силу упругости со стороны дна и архимедову силу. Согласны ли вы с ответом?
5.Действует ли сила Архимедова в условиях невесомости?
6.Известно, что масса мраморной плиты равна 40,5кг. Какую силу надо приложить, чтобы удержать эту плиту в воде?
7.Масса снаряжения воздушного шара (оболочки, сетки, корзины) составляет 450кг. Объём шара 1600м3. Вычислите,какой подъёмной силой будет обладать этот шар при наполнении его водородом, гелием, светильным газом. (Плотность светильного газа 0,4кг/м3.)
8.Кубик с длиной ребра, а =5см находится в воде, причём верхняя грань кубика - на глубине h=4см. Каковы силы давления воды на верхнюю и нижнюю грани? Как выразить силу Архимеда через эти две силы? Чему равен вес вытесненной кубиком воды? Атмосферное давление не учитывайте. Сила давления на верхнюю грань 1Н, на нижнюю 2,25 Н, вес вытесненной воды 1,25Н равен архимедовой силе.
9. Вес жидкости, налитой в сосуд, равен 3Н. В жидкость погружают тело. Может ли архимедова сила, действующая на тело, равняться 10Н?
10.Во сколько раз изменится подъёмная сила воздушного шара, если гелий в нём заменить водородом? Весом оболочки можно пренебречь. (Увеличится в 1.08раза)
11.Аристотель взвешивал пустой кожаный мешок и тот же мешок. Заполненный воздухом. В обоих случаях показания весов оказались одинаковыми. Аристотель сделал из этого вывод, что воздух ничего не весит. В чём состояла ошибка?
12.Цинковый шар, внешний объём которого 200см2 плавает так, что половина его находится в воде. Найти объём свободного пространства внутри шара (массой воздуха,
находящегося в нём, пренебречь)
V [pic] =200 [pic]
Решение:
[pic] На шар действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда.
[pic] Fа = [pic] ; Р= [pic]
[pic] [pic] ;
V2-?
[pic] - [pic] [pic] ;
V2 = [pic]
Ответ: V2=186см3
1
Р1 =2,5Н
Р2 =2Р
[pic] кг/м3
[pic] = 103 кг/м3
[pic] кг/м3
3.Вес медного шара с внутренней полостью в керосине равен 2,5Н, а в воде 2Н. Определить объём внутренней полости шара. Плотность керосина 0,8кг/м3, воды -103кг/м3, меди- 8,8 [pic] 3кг/м3 [pic]
Решение:
Обозначим V1 – объём полости, V– объём шара.
( V – V1) – объём меди.
Р. – Р1 = [pic] ; [pic] Р1 = Р. - [pic]
Р – Р2 = [pic] ; [pic] Р2 = Р - [pic]
[pic]
V-? Р1 – Р2 = [pic] )qV; qV = [pic] ;
Р = [pic] ;
[pic] ;
[pic] ;
[pic] ;
[pic] ;
V1= [pic] ;
V1= [pic] /
Ответ: V1= 2 [pic] м3.
13. Тонкая однородная палочка шарнирно укреплена за верхний конец. Нижняя часть палочки погружена в воду, как показано на рисунке. Равновесие достигается, когда палочка расположена наклонно и погружена в воду на половину своей длины. Какова плотность материала?
[pic] [pic] [pic] Решение:
[pic] Обозначим длину палочки через
[pic] L, тогда в воду погружено L/2 палочки. На палочку действуют силы: сила тяжести и сила Архимеда.
Палочка находится в равновесии, поэтому моменты сил mq и F,а относительно точки крепления равны.
mqL1 = FaL2;
L1 и L2 –плечи сил; L1= [pic]
Sin [pic] L2= [pic] ,
Сила тяжести mq = [pic] ; Сила Архимеда Fа = [pic] ;
[pic] ; [pic] ;
Ответ: [pic] .
Методические рекомендации по формированию понятия «сила» в курсе физики.
1.Понятие «СИЛА», обладает двойственностью: с одной стороны-это физическая величина, а с другой-физическое явление, поэтому рекомендуем вводить его на основе методики формирования сложных понятий, разработанных А.В..Усовой.
2.Требование к усвоению знаний о силе, как о физическом явлении и как о физической величине, должны быть сформированы на основе планов обобщённого характера разработанных А.А.Бобровым и А.В. Усовой.
3.Для преодоления трудностей при формировании понятия «сила», рекомендуем конструировать уроки, на основе деятельностного подхода.
Этапы деятельности учителя при подготовке к уроку.
Определить тему урока, его тип и место в системе уроков. Определить цели урока –обучающие, развивающие, воспитывающие; ЗУНы, физические величины, понятия, явления, законы, которые будут изучаться на данном уроке.
Определить зону ближайшего развития ученика – физические величины, понятия, формулы и т.д.- то, что уже знает ребёнок по данной теме.
Продумать будут ли повторяться эти знания, на каком этапе урока будет происходить повторение, какие формы и методы опроса будут использоваться.
Определить основные этапы формирования у учащихся понятия «сила», опираясь на методику Усовой А.В. по формированию сложных понятий.
Формирование понятия проходит через этап чувственно-конретного восприятия материальных объектов, свойств, явлений, процессов. Создаётся с помощью демонстраций.
Понятие вводится для обозначения общего существенного для всех тел, веществ и других материальных объектов. Выясняется, где используется на практике.
Определение понятия.
Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия. Достигается организацией специальных упражнений.
Установление связей данного понятия с другими ранее сформулированными понятиями. Раскрываются существенные признаки данных понятии.
Применение понятий при решении элементарных задач учебного характера.
Классификация понятий. Уточняются, обобщаются знания о силах и отношениях группы уже сформированных понятий.
Применение понятия в решении задач творческого характера.
Обогащение понятий.
Вторичное более полное определение понятия.
Опора на данное понятие при усвоении нового понятия.
Новое обогащение понятия.
Установление новых связей и отношений данного понятия с другими понятиями.
Так как формируемое понятие является сложным, то требования, предъявленные к усвоению данного понятия должны быть сформулированы на основе планов обобщённого характера.
Продумать форму рефлексии.
Составить план конспект урока
О силе Ампера, как о явлении:
1) Внешние признаки проявления магнитной силы: отклонение магнитной стрелки, движение проводника с током в магнитном поле;
2) Магнитные силы проявляются при протекании электрического тока по проводнику,
при движение заряженных частиц;
3) Магнитными силами называются силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга.
4) Связь между магнитной силой и другими величинами выражается законом Ампера.
5) Действие магнитной силы (силы Ампера) используется в электроизмерительных приборах (амперметрах и вольтметрах), громкоговорителях.
О силе Ампера, как о величине:
1) Магнитная сила характеризует меру и направление действия со стороны магнитного поля на проводник с электрическим током.
2) Магнитная сила (сила Ампера) – это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
3) Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.
[pic] [pic]
4) Сила Ампера – векторная величина. Ее направление определяется по правилу левой руки.
5) Единицы измерения силы Ампера в системе СИ: 1Н.
6) Для вычисления магнитной силы используется закон Ампера
Вопросы и задачи с векторной величиной - силой.
Успешное изучение курса физики зависит от умения учащихся выполнять действия с векторными величинами. Раскрыть физическую сущность векторных величин и привить учащимся первоначальные навыки в обращении с ними можно в процессе решения вопросов и задач. Предлагаем соответствующую подборку.
Может ли вектор силы быть положительным или отрицательным?
Ответ: не может, вектор не имеет знака.
а [pic] [pic] ) Равны ли векторы F1 и F2?
б) Можно ли сказать, какой из векторов больше?
[pic]
Ответ: а) не равны, так как они имеют разные направления.
б) нет, поскольку векторы имеют разные направления
[pic] [pic]
3. Что означает запись: F 1 =F2 ?
Ответ: она означает, что векторы сил имеют одинаковые направления и равные
[pic] [pic] модули.
4. Как объяснить запись: F 1 = -F2 ?
Ответ: векторы перемещений имеют равные модули, но противоположные направления.
5. Как, используя буквенное обозначение, написать задание: «Определить. значение и направление силы?»
О [pic] [pic] твет: определить F
6. Какую информацию о силе содержит каждый из символов F и F?
О [pic] твет: символ F содержит информацию о модуле и направлении силы, а символ F – . только о модуле.
Литература: Усова А.В., Бобров А.А. - Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики с сайта онлайн бибилиотеки www.razym.ru
