С какого проявления целесообразно начинать рассмотрение понятия массы в школе

Обновлено: 07.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Методика пошагового формирования физических понятий.

Одним из важнейших заданий учителя физики в учебной работе является формирование физических понятий- неотъемлемой составляющей процесса формирования и развития абстрактного и логического мышления учеников. Уровень овладения учениками физическими понятиями является свидетельством их успехов в овладении знаниями и залог их последующего движения в освоении учебного материала. Понятия составляют базис системы научных знаний и от качества их усвоения учащимися средней школы, зависит не только эффективность формирования системы научных знаний, но и уровень развития школьников. Являясь важнейшим элементом системы научных знаний, понятия играют ведущую роль в научном и учебном познании. Формирование у учащихся понятий — сложный и продолжительный процесс, в котором ученики постепенно приближаются ко все более полному овладению содержанием понятий. В этом процессе, как и в научном познании, происходит развитие понятий — их обогащение, установление все новых связей данного понятия с другими. Источниками понятий являются: 1) жизненный опыт учащихся, их повседневные наблюдения и возникающие на их основе представления; 2) целенаправленное формирование понятий в процессе изучения основ наук под руководством учителя; 3) попутное формирование понятий в результате изучения других предметов; 4) стихийное формирование понятий в результате чтения научно-популярной литературы, просмотра фильмов, передач по радио и телевидению, воздействия других источников информации. Образование понятий у учащихся может осуществляться различными способами. Способ формирования того или иного понятия, последовательность чередования этапов формирования определяются в зависимости от содержания формируемого понятия, уровня общего развития учащихся, их предшествующего опыта и объема знаний. В одних случаях формирование понятия может (и должно) начинаться с анализа фактов и явлений, известных учащимся, из их повседневного опыта. Данные опытов анализируются; при этом выделяются общие существенные признаки, отбрасываются несущественные. Так происходит абстрагирование. Этот процесс обычно завершается словесным определением понятия, синтезирующим в себе его существенные признаки.

С пособ формирования понятий масса, взаимодействие.

Рассмотрим методику пошагового формирования физических понятий взаимодействие тел и масса.

Понятия взаимодействие тел и масса в курсе физики 7 класс изучаются последовательно друг с другом, поэтому эти два понятия можно формировать вместе, так как они взаимосвязаны.

Приведение примера из жизни, отражающего смысл изучаемого понятия.

Мы любим читать сказки, но часто нам и невдомек, какую информацию несет тот или иной сюжет. Я думаю, вам всем хорошо известен такой литературный герой Рудольфа Эриха Распе, как Барон Мюнхгаузен. Барон утверждал, что вытащил сам себя из болота за волосы. Вот его рассказ: «Однажды, спасаясь от турок, я попробовал перепрыгнуть болото верхом на коне. Но конь не допрыгнул до берега, и мы с разбегу шлёпнулись в жидкую грязь. Нужно было выбирать одно из двух: погибнуть или как-то спастись. Я решил спастись. Но как? Ничего под рукой не было. Но голова-то у нас всегда под рукой. Я рванул себя за волосы и таким образом вытащил из болота вместе с конём, которого сжал обеими ногами, как щипцами". Как вы считаете, возможно, такое и почему?

Отвечают, высказывают предположения.

Ответ. Чтобы изменить свою скорость барон Мюнхгаузен должен взаимодействовать с другим телом, потому что во взаимодействии участвуют не менее двух тел.

Демонстрация физического явления, отражающего физический смысл изучаемого понятия.

Демонстрационный эксперимент

1) Большой металлический шар лежит на столе.

1)В каком состоянии находится шар? (В состоянии покоя)

Что необходимо для того, чтобы его скорость изменилась? (Взаимодействие с другим телом)

2) Ударяю по шарику линейкой.

Почему изменилась скорость шарика? (Произошло взаимодействие с другим телом)

3) Сталкиваю шары разной массы. Как изменилась скорость шаров? (Чем меньше масса, тем шар двигается быстрее, т.е. скорость больше

Отвечают, высказывают предположения.

Демонстрация физического явления, отражающего физический смысл изучаемого понятия.

Демонстрационный эксперимент по рис.42 и 43 стр. 54 учебника.

Объясняют и делают вывод.

Построение на основе методологии физики физической модели рассматриваемого понятия.

Построение законов, теорий, гипотез.

Объясни рисунок

Объясняют и делают вывод.

Вывод. Причина изменения скорости тела – воздействие на него других тел. Рассмотрим несколько примеров.

Демонстрация физического явления, отражающего физический смысл изучаемого понятия.

Построение законов, теорий, гипотез.

Демонстрационный эксперимент по рис.46 стр. 56 учебника. Как зависит масса тела и его скорость?

Построение законов, теорий, гипотез.

Говорят, чем больше масса, тем тело более инертное. Масса характеризует инертные свойства тел.

Знаю я с седьмого класса:

Главное для тела - масса.

Если масса велика,

Жизнь для тела нелегка:

С места тело трудно сдвинуть,

Трудно вверх его подкинуть,

Трудно скорость изменить.

Только в том, кого винить?

Объясняют и делают вывод.

Построение законов, теорий, гипотез.

Решение задач на использование изучаемого понятия .

Определение границ применимости изучаемого понятия на основе методологии.

Решение задач.

Учитель предлагает для закрепления изученного материала несколько заданий.

Обучающиеся объясняют и делают вывод.

Систематизация и обобщение.

Подведение итогов урока.

Отвечают на вопросы.

Рефлексия

Мобилизация обучающихся на самооценку.

Обучающиеся оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала.

Понятие массы – одно из наиболее сложных и фундаментальных в науке. Это понятие используют как для объектов макромира (вещественных и полевых), так и для объектов микромира (частиц вещества и частиц поля).

Сложность восприятия понятия массы состоит в том, что оно характеризует различные свойства материи – инертные и гравитационные. В большой группе физических процессов, где важно учесть то или иное количество вещества, масса выступает как величина, пропорциональная количеству вещества. Подтвердим это примерами. При рассмотрении законов Ньютона, закона сохранения импульса масса выступает как мера инертных свойств, в законе всемирного тяготения масса – мера гравитационных свойств. В эмпирических законах калориметрии и при рассмотрении молекулярно-кинетической теории идеального газа масса пропорциональна количеству вещества, а при изучении взаимосвязи массы и энергии – мера энергии. Из-за различных проявлений массы трудно определить это понятие однозначно, исчерпывающе. При рассмотрении понятия массы вопрос осложняется еще и тем, что различные ее проявления рассматривают в разных частях курса физики, поэтому задача учителя – в процессе изучения физики в школе ознакомить школьников с различными проявлениями этого понятия, с разными его сторонами.

С какого же проявления целесообразнее начинать рассмотрение понятия массы в школе? Понятно, что начинать рассмотрение понятия массы из формулы Эйнштейна (Е = тс 2 ) не следует, так как последняя представляет собой серьезное обобщение, для осмысления которого необходим достаточный запас знаний.

При изучении динамики начинается процесс формирования представлений о фундаментальных взаимодействиях, в частности начинают рассматривать гравитационные и электромагнитные взаимодействия. Понятие силы раскрывают как физическую величину, являющуюся количественной характеристикой этих взаимодействий, в результате которых меняются вектора скоростей взаимодействующих тел.

Из третьего закона Ньютона следует, что в классической механике (в механике инерциальных систем отсчета): 1) нет сил вне материальных тел – действие всегда оказывает другое конкретное тело (его всегда можно указать); 2) никогда не наблюдается действие только одной силы – все силы одновременно возникают и исчезают парами; 3) равенство сил (действие и противодействие).

§ 8. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ

ВВЕДЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ И ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ

От последовательности введения понятий массы и силы зависит и методический подход к изучению законов, связывающих эти понятия.

При такой методике основное содержание второго закона динамики – зависимость ускорения (его модуля и направления) от приложенной к телу силы (от ее модуля и направления) – устанавливают до введения понятия массы. Сам закон содержит определение массы. Такой подход имел место в работах Эйлера, Максвелла и других ученых. Для средней школы, по существу, этот подход до последнего времени был традиционным.

§ 9. ПЕРВЫЙ ЗАКОН 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. Следовательно, одна из дидактических задач, которая стоит 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 можно решить, 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, подводим учащихся к выводу о сохранении в этих случаях неизменным вектора скорости.

В последнее время стали использовать демонстрации с сухим льдом или с телами, движущимися на воздушной подушке. В этих опытах удается получить скорость практически постоянной.

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

Следует также иметь в виду, что первый закон динамики содержит противоречие между научными знаниями и жизненным опытом учащихся. Это позволяет изучать первый закон проблемно и тем самым активизировать учебный процесс.

Завершая рассмотрение первого закона динамики, необходимо рассмотреть примеры, показывающие, что закон инерции выполняется не во всех системах отсчета, т. е. ознакомить девятиклассников 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.

Инерциальная система отсчета	Неинерциальная система отсчета
Вагон и стоящий в коридоре вагона человек движутся с ускорением, а мяч, сохраняя состояние покоя относительно наблюдателя на Земле, приближается к человеку в вагоне.	Мяч относительно стоящего в коридоре человека приходит в ускоренное движение (к человеку), следовательно, на него действует сила (сила инерции)'.

Этот же пример рассматривают и соответственно оформляют и для случая замедленного движения вагона. Целесообразно рассмотреть и другие подобные примеры.

Методика формирования понятия массы в IX классе базируется на пропедевтике, которая имеет место в курсах VII–VIII классов и создает тот фундамент, на котором это понятие рассматривают в последующих разделах школьного курса физики.

Условно выделим основные этапы изучения понятия массы в IX классе.

I этап – повторение всех основных положений о массе, полу-
ченных в VII–VIII классах.

II э т а п – экспериментальное обоснование понятия массы как количественной характеристики инертных свойств тела. Проводят 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.

Следует иметь в виду, что количественную оценку массы в этом опыте проводят на частном примере.

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 (а_э/а=m/m_э). Обсуждают вопрос об аддитивности массы.

Косвенно измерение массы можно провести и в опыте с взаимодействующими тележками, установленными на горизонтальной поверхности. Тележки взаимодействуют посредством сжатой пружины. Расстояния, на которые смещаются тележки, зависят от силы трения и кинетической энергии, а об ускорениях судят по скоростям, которые получили тележки к концу взаимодействия, если начальные скорости их равнялись нулю.

IV этап – определение единиц измерения массы. Одна из единиц (1 кг) уже известна учащимся из VII 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 СССР, 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.

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.

Второй способ из указанных выше, по существу, является практическим способом измерения массы, который широко используют. Но взвешиванием на рычажных весах нельзя измерить массу планет, звезд и других небесных тел, а также измерить очень малые массы (массы атомов и элементарных частиц). В этих случаях пользуются первым способом измерения массы.

Итак, на этом этапе устанавливают, что для практического измерения массы есть прибор – рычажные весы; с учащимися отрабатывают навыки пользования этим прибором.

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

§ 11. 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 VII классе. На этих уроках выясняют, что вектор скорости тела может изменяться только при взаимодействии с другими телами.

этап – повторение основных положений о силе, полученных в курсе физики VII класса.
этап – определение понятия силы как количественной характеристики действия одного тела на другое. Этот этап формирования понятия силы тесно связан с изучением второго закона Ньютона. На этом этапе можно выделить такие моменты:

2) Ставят эксперимент по определению силы (одной и той же силой воздействуют на тела разной массы и измеряют их ускорения). Так как нерастянутая пружина не действует на прикрепленные к ней тела, следовательно, сила упругости зависит лишь от растяжения (или сжатия) пружины. Используя это свойство силы упругости, на тела разной массы действуют одинаковой силой, добиваясь одного и того же растяжения пружины при различных ускорениях.

На основе этого эксперимента можно рассмотреть и второй закон Ньютона. При таком подходе 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.

Усвоению третьего закона способствует и анализ таких примеров, как движение человека по Земле, лошади, впряженной в телегу, тепловоза и т. д. 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 и т. д. На ведущие колеса тепловоза действует со стороны железнодорожного полотна (Земли) сила трения, направленная по движению. Если эта сила трения окажется меньше максимальной силы трения покоя между ведущими колесами и железнодорожным полотном, то тепловоз не сдвинет состав с места.

IV этап–рассмотрение 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 и др.).

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. Полезно при этом показать последовательность образования деформации и сил упругости. Силы упругости всегда возникают при непосредственном взаимодействии тел. Направлены они перпендикулярно поверхности соприкосновения тел (деформированного тела), а их модуль

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.

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 введения 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 инерциальной системы отсчета; сила не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, так как является либо функцией расстояния между взаимодействующими телами, либо функцией относительной скорости; законы Ньютона справедливы в любой инерциальной системе отсчета, формулируют принцип относительности Галилея.

На изучение темы "Масса тела. Единицы массы " отводится один урок и одна лабораторная работа "Изучение рычажных весов. Измерение массы". Повторение и систематизация учебного материала по теме "Основные понятия молекулярной теории строения вещества. Масса тела. Плотность вещества"; Контрольная работа 2 по теме "Основные понятия молекулярной теории строения вещества. Масса тела. Плотность вещества" [7].

Анализ применяемой в школьной практике методики формирования понятия массы в курсе физики средней школы

В 7 классе вводится понятие массы как мера инертности. Перед этим проводят демонстрационный опыт. Берут две тележки, одну порожнюю другую груженную и приводят их в движение.

Затем задают вопрос: "Какую тележку (рис 2.1) легче привести в движение: порожнюю или груженую?" А затормозить? Почему? У них разная масса.Чем больше масса тела, тем труднее его вывести из состояния покоя и тем труднее его потом остановить. Иначе говоря, чем больше масса, тем в большей степени тело стремится сохранить свое состояние покоя или движения.

Свойство тела сохранять постоянным состояние покоя или состояние движения называют инерцией. Значит, масса — мера инерции (инертности). Все тела обладают инертностью, но разной.

В курсе физики масса обозначается буквой m.

Вы можете сами привести множество примеров, доказывающих, что массивное тело труднее разогнать, но и труднее остановить.

От чего зависит масса тела?

Сравните целое яблоко и половину яблока. Где вещества больше? Конечно же, в целом яблоке. Но и масса его в 2 раза больше, чем половины. Значит, чем больше данного вещества в теле, тем больше его масса.

Основной единицей массы в СИ является 1 килограмм (1 кг).

Есть еще кратные единицы массы — тонна (т) и центнер (ц):

1 т = 1000 кг = 1 • 10 3 кг;

1 ц = 100 кг = 1 • 10 2 кг;

и дольные единицы массы — грамм (г) и миллиграмм (мг):

1 г = 0,001 кг = 1 • 10 -3 кг;

1 мг = 0,001 г = 0,000001 кг = 1 • 10 -6 кг..

А если сравнить массы тел из разных веществ, количество молекул (атомов) в которых одинаково? Будут ли они равны?

Массой (т. е. инерцией) обладает каждая молекула (атом). Массу всего тела можно рассматривать как сумму масс всех его молекул. Но поскольку массы молекул (атомов) различных веществ неодинаковы, то при равном их числе в двух телах (например, в алюминиевой и чугунной деталях) массыэтих тел будут сильно различаться.Масса чугунной детали будет больше массы алюминиевой.

Измеряют массу с помощью весов (рис 2.2).

После рассмотрения нового материала ученикам можно дать задание: рассмотреть свои весы, открыть коробочку разновесов, найти гирьки и разобрать пример взвешивания 2г 600мг. Все это делается для того, чтобы познакомить учащихся с правилами взвешивания.

В результате изучения материала темы учащиеся должны усвоить определение массы как меры инертности, ее символическое обозначение и основную единицу измерения. Уметь раскрыть своими словами сущность понятия "масса" и переводить основную единицу массы в дольные и кратные [1].

На изучение параграфа "Масса" в 9 классе отводится один урок. Обобщение и систематизация знаний по теме "Основы динамики" и контрольная работа по теме "Основы динамики".

Введение понятия массы трактуется как мера гравитационных свойств.

Все мы привыкли характеризовать определённые свойства тел словами тяжёлый и лёгкий, большой и маленький, гигантский и крохотный. Имеют ли они какое-либо отношение к слову масса? (Имеют). Наша с вами задача – выяснить, что же такое масса тела, и какое место это понятие занимает в физике. Не зря мы познакомились с понятием инерции раньше, чем с понятием массы.

Оказывается, что эти два понятия тесным образом связаны друг с другом. Давайте ещё раз вспомним, что же такое инерция.

Сравнить массы двух тел можно различными способами.

1.Сравнение масс тел путем взвешивания на весах

Имеются два типа весов: рычажные (рис. 2.3, а)и пружинные (рис. 2.3, б). Для всех весов определение массы производится путем сравнения двух сил: силы F — притяжения к Земле взвешиваемого тела и силы F_эт — притяжения к Земле эталона (гирь).

Рис. 2.3, а. Рис. 2.3, б.

На рычажных весах (см. рис. 12.3, а) при равенстве плеч силы притяжения к Земле взвешиваемого тела и набора гирь будут одинаковы и масса тела будет равна массе гирь (m= m_эт )

При взвешивании на пружинных весах (рис. 2.3, б) их показания пропорциональны силе F, с которой Земля притягивает взвешиваемое тело. На Луне эти показания были бы меньше, чем на Земле (примерно в 6 раз). Чтобы по силе притяжения найти массу тела, следует провести "контрольное взвешивание": взвесить на тех же весах эталон массы. Поскольку модуль силы притяжения эталона — F_эт =gm_эт , а тела — F =gm, то:

Тогда и на рычажных, и на пружинных весах значение массы будет одним и тем же и на Земле, и на Луне. Для рычажных весов это очевидно: тело будет уравновешено таким же набором гирь. Дли пружинных весов модуль силы F на Луне будет меньше, чем на Земле, но во столько же раз меньше будет и модуль силы F_эт . В результате поучаемое из соотношения (2.1) значение массы

m=m_эт

А можно ли сравнить массы тел, не используй силы

2. Сравнение масс по инертности тел

Любое тело обладает свойством двигаться по инерции, сохраняя свою скорость неизменной, пока на это тело не подействуют силы. При этом одни тела легче разогнать (а разогнав, остановить), а другие — труднее. Для разгона или остановки груженой тележки на нее следует действовать гораздо большей силой (или гораздо дольше), чем на порожнюю. Груженая тележка более инертна.

Как определите, во сколько раз одно тело более инертно, чем другое?

Проведем опыт. Поставим на горизонтальную поверхность две тележки разной массы (m

) способные катиться почти без трения. Сообщим тележкам одинаковые ускорения. Для этого на тележку 1 придется подействовать силой, большей, чем на тележку 2(рис. 2.4). Первая тележка во столько раз инертнее второй, во сколько раз модуль силы F

больше, чем F

Для массы как меры инертности получится такая же пропорция, как и при взвешивании:

Подобный опыт можно использовать для сравнения масс любых тел в любых условиях: на Земле, на Луне, на орбитальной станции. При этом F

следует понимать как модуль результирующей всех сил, приложенных к первому телу, F

— ко второму.

Напомним еще о двух практически важных свойствах массы;

• общая масса m нескольких тел равна сумме их масс:

• масса однородного вещества, заключенного в объеме V пропорциональна этому объему:

где ρ — плотность вещества.

Массу как меру инертности называют инертной массой, а массу, определяемую по силе притяжении тел друг к другу, — гравитационной массой.

- сила, с которой Земля притягивает тело, пропорционально его массе (F_т =gm);

- масса тела — мера его гравитационных свойств.

Для закрепления материала можно задать следующие вопросы:

1. Что такое масса?

2. Что такое инерция?

3. Изменится ли масса тела при его переносе с Земли на другую планету?

Решить некоторые задачи из упражнения после параграфа.

В 11 классе вводится понятие массы как мера энергии. На изучение параграфа "Закон взаимосвязи массы и энергии" отводится один урок и одно занятие на решение задач. Решение задач по теме "Основы специальной теории относительности" и обобщение, систематизация знаний по теме "Основы специальной теории относительности". Самостоятельная работа по теме "Основы специальной теории относительности".

В релятивистской механике масса тела связана с энергией, "заключенной в теле". Так, в системе отсчета, в которой тело покоится (такая система отсчета называется собственной), его энергия (энергия покоя) определяется по формуле:

E₀ =mc

Таким образом, любое тело, благодаря факту своего существования, обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя m. Эта энергия выделяется при уменьшении массы тела, и наоборот, при поглощении энергии релятивистская масса тела возрастает. Релятивистская энергия имеет колоссальные значения. Например, тело массой 1 г обладает энергией покоя

E₀ =10 -3 кг•(3•10 8 ) 2

=9•10 13 Дж.

Эта энергия эквивалентна энергии, выделяющейся при сгорании 2000 т бензина с удельной теплотой сгорания 4,5•10

Таким образом, увеличение энергии тела на ∆E связано увеличением его массы на ∆m, причем

∆m=

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии.

В окружающем нас мире изменение массы, связанное с изменением энергии тел, пренебрежимо мало. Так, например, при нагревании 1 л воды от 0 до 100 °С масса воды увеличивается только ∆m = 5•10 -9 г.

Трудно переоценить практическое значение этой несложной формулы, поскольку именно она указала на взаимосвязь и взаимопревращение вещества в энергию и наоборот. В конечном итоге человечество узнало о возможности получения энергии из вещества.

Вывод: масса и энергия взаимопревращаемы. Соотношение E=mc показывает, какую энергию E необходимо израсходовать, чтобы создать массу m, и наоборот, какая энергия заключена в массе m.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Преемственность в формировании понятия массы в курсе физики основной и средней школы.

Масса - фундаментальное понятие физики, сложное, многообразное, до некоторое степени, противоречивое. Процесс формирования понятия массы длится на протяжении всего школьного курса физики. Учащиеся постепенно узнают о различных существенных признаках понятия, о новых связях понятия массы с другими, учатся оперировать понятием на уровне, достигнутом к данному этапу обучения. Важнейшим требованием является целенаправленность и единство трактовки физической сущности понятия на всех этапах его формирования. Здесь особенно важно учить так, чтобы потом надо было доучивать, а не переучивать. Иными словами, надо четко видеть вершину (уровень развития понятия к концу 11 класса), чтобы последовательно и целеустремленно поднимаясь к ней, не наделать ошибок у подножья (донаучные представления и начальная школа) и при подъеме (курс физики 7 - 9 классов).

Главная задача, - выделить и научно строго раскрыть существенные признаки понятия на уровне современных представлений о физической картине мира. Особенность процесса формирования понятия массы заключается в том, что выделение, изучение и практическое применение существенных признаков понятия происходит постепенно и растянуто на все годы обучения физике. Совершенно необходимо, чтобы первичные (классические) представления не противоречили современным, более того, они исподволь должны готовить учащихся к вершинам развития понятия. Семантический: потенциал информации на первом этапе формирования понятия следует считать положительным, если изложение согласуется с современными представлениями науки.

Здесь особенно важно неукоснительно выполнять все основные положения теории и методики процесса формирования физических понятий, разработанные проф. А.В.Усовой и ее учениками.

Выделим существенные признаки понятия массы и . проследим процесс его формирования по каждому существенному признаку.

М acca - мера инертных свойств материи.
Масса - мера гравитационных свойств матери.
Инертная и гравитационная массы - эквивалентны.
Масса - относительна.
Масса - мера полной энергии материального объекта.
Масса неаддитивна.
Масса - характеристика материи, как в форме вещества, так и в форме поля.

Поскольку первые три существенных признака понятия массы особенно тесно взаимосвязаны, и процесс их формирования начинается с первого года обучения физике, рассмотрим их в единстве.

Формирование понятия массы начинается в 7 классе по первому существенному признаку (масса - мера инертных свойств материи). В объяснениях учителя на должны просачиваться даже элементы трактовки массы как меры количества вещества. На последнее обстоятельство здесь обращается особое внимание, так как учащиеся приступают к изучению понятия массы, имея отрицательный семантический потенциал, полученный на уроках математики, природоведения и взятый из жизненного опыта. Анализ постановки преподавания в начальной школе, изучение соответствующих учебников, констатирующий педагогический эксперимент, проведенный в ряде школ Санкт-Петербурга показали, что школьники к началу изучения физики имеют устойчивые представления о массе как мере количества вещества в теле.

Возникает вопрос: можно ли в 7 классе сколь-лнбо обоснованно показать несостоятельность такой трактовки массы? Проверенный нами педагогический эксперимент дал отрицательный, результат: учащиеся на данном этапе обучения не в состоянии сознательно усвоить, что масса

не может служить мерой количества вещества. Поэтому наше предложение заключается, в том, чтобы при строгой и последовательной отработке первого существенного признака понятия совершенно не затрагивать вопрос о старых неверных представлениях, - научно правильное изложение постепенно вытеснит их из памяти.

Особенность формирования понятия массы заключается еще в том, что существенные признаки накапливаются постепенно и поочередно проходят все основные этапы формирования понятий: введение данного признака; раскрытие его физического смысла; связь данного понятия с другими по данному признаку; практическое применение понятий и опять только по изучаемому признаку.

В этом отношении, с точки зрения теории и методики процесса формирования понятий, логика изложения материала в учебнике 7 класса несколько непоследовательна. В учебнике четко и доступно вводится первоначальное понятие массы как меры инертности, а затем без всякой отработки этого признака, без какого-либо его развития, закрепления и применения идет изучение вопроса об определении массы взвешиванием. Взвешивание это заключительный этап формирования понятия по второму существенному признаку (масса - мера тяготения), о котором идет речь в учебнике значительно позже.

Конечно, здесь может возникнуть вопрос принципиальной недоступности строгого соблюдения теории формирования понятий и дидактической необходимости ее нарушения.

В связи с этим мы выдвинули гипотезу возможности последовательного выделения первого и второго существенных признаков массы с отработкой, всех основных этапов формирования понятия по каждому признаку уже в 7 классе.

Приведем структурную схему предполагаемого процесса формирования массы в 7 классе.

Первый этап педагогического эксперимента с целью оценки принципиальной возможности такой структуры был проведен мною в двух седьмых классах и дал положительный результат. Однако достоверные выводы можно будет сделать только после целенаправленного достаточно полного эксперимента.

При развитии понятия массы как меры инертности в 9 классе изучается сам процесс взаимодействия. Опыт показывает, что при изложении материала этим способом учащиеся с трудом представляют о каких ускорениях идет речь. Нередко можно услышать от учеников, что это ускорения с которыми движутся тела до или после взаимодействия. Учителю приходится затратить немало времени, чтобы объяснить, что это ускорения тел за промежуток времени (при поступательном движении, как правило, очень небольшой), в течение которого тела взаимодействуют и изменяют свою скорость. Другой существенный недостаток этого подхода заключается в том, что в подавляющем большинстве случаев тела взаимодействуют с силами упругости, которые изменяются по закону Гука от нуля до максимального значения и затем уменьшаются до нуля. Следовательно, ускорения не остаются п oc тоянными, а движения тел во время взаимодействия не будут равноускоренными. Требуются дополнительные пояснения, что речь идет о некоторых средних ускорениях.

Далее отработка понятия массы идет при изучении закона всемирного тяготения. Представляется совершенно необходимым обстоятельно разобрать вопрос о массе как мере гравитации, выделив этот существенный признак в форме определения.

Возможную методику такого изложения можно найти в книге. Большое мировоззренческое значение имеет третий существенный признак: эквивалентность инертной и гравитационной масс. Здесь следует заострить внимание учащихся на парадоксальность факта, что одна и та же величина характеризует, казалось бы, прямо противоположные свойства материи: инерцию и гравитацию, это хорошая иллюстрация закона единства и борьбы противоположностей.

Четвертый существенный, признак массы (относительность) изучается в курсе 11 класса при изложении основ теории относительности. Однако упомянуть о нем следует уже в 9 классе при анализе границ применимости классической механики. Этот признак следует трактовать именно как относительность массы, то есть зависимость массы от выбора системы отсчета от "точки зрения" наблюдателя. Такой подход представляется удачнее, чем формулировка зависимости массы от скорости. В процессе формирования понятия массы по четвертому признаку целесообразно усилить экспериментальные доказательства. Педагогический эксперимент показал, что учащимся вполне доступно понимание идеи опыта Кафмана (1901 г.), поставленного, кстати, за четыре года до открытия теории относительности и анализ опыта Цана и Списса (1938г.). Это повысит доказательность теории и будет хорошим применением ранее полученных знаний по основам электродинамики. В процессе экспериментального преподавания был также сделан элементарный, но достаточно строгий вывод формулы зависимости массы от скорости, основанный на законе сохранения импульса и применении первого постулата теории относительности.

Пятый существенный признак массы (масса - мера полной энергии) исключительно важен как в мировоззренческом плане, так и с точки зрения практического применения. Ведь вся, (а не только ядерная) энергетика основана на этом законе. При изучении основ теории относительности устанавливается взаимосвязь массы и энергии, вводится формула Эйнштейна и рассматривается ее физический смысл.

Детальное изучение этого признака с доведением до уровня практического применения проводится при изложении ядерной физики. Этот материал изложен в учебнике так, что многие учащиеся воспринимают закон взаимосвязи массы и энергии как применимый только в ядерной физике. Учеников надо убедить на конкретных примерах, что во всех без исключения явлениях природы наряду с законом сохранения энергии соблюдается закон сохранения релятивистской массы. Этого можно добиться целенаправленной последовательно используя закон Эйнштейна сначала на примере задач механики, затем рассматривая явления молекулярной физики, термодинамики и химических превращений, далее изучая процессы внутри атома ионизация, линейчатые спектры и только потом ядерные превращения.

Такая последовательность применялась в педагогическом эксперименте и дала положительный результат. В переработанном издании задачника Рымкевича А.П. и др. система упражнений на правлена на развитие процесса формирования массы по пятому существенному признаку. В результате, учащиеся убеждаются, что нет никакой принципиальной разницы в тепловой и атомной электростанций: реакция горения, подчиняется тому же закону, которым описывается термоядерная реакция. В обоих случаях суммарная масса покоя продуктов реакции меньше суммарной массы компонентов, вступающих в реакцию, в обоих случаях сохраняется релятивистская масса. Качественных отличий нет, разница только в количестве: превращенная энергия и, соответственно, масса в процессах, идущих на уровне ядра в миллионы раз больше, чем в процессах, идущих на уровне атома и еще больше, чем в молекулярных и механических явлениях.

Ученикам 7-9классов невозможно доступно и строго объяснить, что масса покоя системы лишь приближенно равна сумме масс составляющих ее частей. Поэтому целесообразнее всего было бы в 9 классе ничего не упоминать по этому поводу и уж конечно, ни коим образом, не выделять. При решении конкретных задач следует использовать аддитивность массы как нечто привычное из жизненного опыта, не привлекая к этому вопросу внимания учащихся. С точки зрения современной физики это вполне правомерно, поскольку в явлениях классической механики неаддитивность массы исчезающие мала и обнаружена быть не может. При таком подходе семантический, потенциал, правда, был бы нулевым, но не отрицательным, каким он становится в методике, предложенной в учебнике.

Вопрос о неаддитивности массы покоя рассматривается в 11 классе при

изучении ядерной физики. В учебнике говорится ". масса покоя ядра всегда меньше сумм масс покоя слагающих его протонов и нейтронов. ", но ни здесь, ни при изложении основ теории относительности не вносится уточнение о том, что не только масса ядра, но и масса любого тела не обладает свойством аддитивности. Таким образом, аддитивность массы, сформулированная в 9 классе, не получает в дальнейшем опровержения, - неаддитивность массы ядра выступает как некоторое исключение.

При формировании понятия массы по шестому существенному признаку

также необходима система упражнений, показывающая на конкретных примерах порядок величины разницы массы покоя целого и суммы масс покоя

компонентов начиная с макроуровня и кончая ядерной физикой. Этот вопрос имеет большое значение и для реализации межпредметных связей курсов физики и химии. Дело в том, что в курсе химии, рассчитывая экзо- и эндотермические реакции, считают сумму масс покоя вступающих в реакцию компонентов равной сумме масс конечных продуктов. На уроках физики необходимо объяснить химические реакции с точки зрения закона сохранения релятивистской массы.

Окончательное развитие понятия мессы получает при изучении основ квантовой физики (седьмой существенный признак). Для более глубокого усвоения этого признака необходимо ознакомить учащихся с современными экспериментальными фактами, вскрывающими специфику трактовки массы квантов электромагнитного поля -фотонов. Здесь следует разобрать движение фотонов в поперечном (опыт Эддинктона, и продольном (красное смещение в спектре белых карликов; опыт Р.Паунда и Р. Ребки) гравитационных полях.

Предложенная методика проверилась в школах Санкт-Петербурга. Эксперимент показал, что учащиеся с интересом воспринимают материал и достаточно глубоко его усваивают.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Узнать стоимость написания работы -->

Читайте также: