Практикум учителей физики «Методика проведения физического эксперимента и решение экспериментальных задач»

§ 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КУРСА «ОТКРЫТАЯ ФИЗКА» ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «БАЛЛИСТИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ» В 10-м КЛАССЕ (ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕТОД) Как показывает опыт преподавания механики, решение задач на движение тела, брошенного под углом к горизонту, дается учащимся нелегко. С подобными задачами справляются только хорошо успевающие ученики. Вместе с тем значение этих задач для понимания основных идей механики важно и значимо. При их решении со всей очевидностью выясняется значение начальных условий: на тело действует одна и та же сила тяжести, а, в зависимости от того, как направлена начальная скорость и каковы начальные координаты, траектория движения оказывается различной, хотя все эти движения по характеру одинаковы. Траекторию движения тела, брошенного под утлом к горизонту, можно получить в натурном эксперименте со струей воды или баллистическим пистолетом. Однако более точные результаты, приводящие к определению формы траектории, а также графики самого движения можно получить с помощью компьютера. Демонстрационный эксперимент поставленный с использованием компьютерного моделирования позволяет формировать у учащихся обобщенные экспериментальные умения. При этом учащимися усваивается цикл научного познания, который воспроизводится в процессе школьного физического экспериментирования и состоят из следующих этапов: — выдвижение гипотез; — выявление и накопление фактов; — установление сущности явления; — вывод следствий. Для этого в процессе изучения нового материала необходима организация такой деятельности учащихся, которая включала бы в себя: — постановку и осмысливание цели исследования; — выдвижение и обоснование гипотезы, которую следует проверить с помощью эксперимента; — выяснение условий, необходимых для его постановки; — планирование хода эксперимента; — конкретное осуществление плана; — анализ данных и формулирование выводов. Как один из вариантов использования исследовательского метода при объяснении нового материала мы предлагаем рассмотреть фрагмент урока физики по теме «Баллистическое движение». Учитель. В многочисленных войнах на протяжении всей истории человечества враждующие стороны, доказывая свое превосходство, использовали сначала камни, копья и стрелы, а затем и ядра, снаряды и бомбы. Успех сражения во многом определялся точностью попадания в цель. При этом точный бросок камня, поражение противника летящим копьем или стрелой фиксировалось воином визуально. Это позволяло (при соответствующей тренировке) повторять свой успех в следующем сражении. Значительно возросшая с развитием техники скорость и соответственно дальность полета снарядов и пуль сделали возможными дистанционные сражения. Однако разрешающей способности глаза было недостаточно для точного попадания в цель. До XVI века артиллеристы пользовались таблицами, в которых на основе практических наблюдений были указаны углы, ветер, дальность полета, но меткость попадания была очень низкой. Возникла проблема научного предсказания — как достигнуть высокой меткости попадания снаряда. Впервые разрешить эту проблему удалось великому астроному и физику Галилео Галилею, исследования которого стимулировали появление баллистики (от греческого слова ballo — бросаю). Баллистика — раздел механики, изучающий движение тел в поле силы тяжести Земли. Итак, как вы уже наверное догадались, тема нашего урока: «Баллистическое движение», цель: изучить баллистическое движение, исследуя экспериментально его особенности. Заслугой Галилео Галилея стало то, что он впервые предложил рассматривать баллистическое движение как сумму простых, в частности, он предложил данное движение представить как результат сложения двух прямолинейных движений: равномерного движения по оси Ох и равнопеременного движения по оси Оу. Для описания баллистического движения в качестве первого приближения удобнее всего ввести идеализированную компьютерную модель, в данном случае модель «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» на компьютере. В условиях данной модели тело будем рассматривать как материальную точку, движущуюся с постоянным ускорением свободного падения, при этом пренебрегая изменением высоты подъема тела, сопротивлением воздуха, кривизной поверхности Земли, ее вращением вокруг собственной оси. Это приближение существенно облегчает расчет траектории тел. Однако такое рассмотрение имеет определенные границы применимости. Например, при полете межконтинентальной баллистической ракеты нельзя пренебрегать кривизной поверхности Земли. При свободном падении тел нельзя не учитывать сопротивление воздуха. Но для достижения поставленной цели в условиях данной модели мы можем пренебречь вышеуказанными величинами. Итак, посмотрим внимательно на модель. Какие параметры мы имеем возможность изменять? Учащиеся. Модель позволяет изменять: во-первых, начальную скорость; во-вторых, начальную высоту и в-третьих, угол направления движения тела. Учитель. Верно. С помощью данной модели мы постараемся решить экспериментально первую задачу, которую ставил перед собой Галилео Галилей, т. е. попытаемся выяснить, какова форма траектории баллистического движения. Для этого зададим первоначальные значения параметров модели: скорость, равную 25 м/с; угол, равный 30°. Выберем точку вылета снаряда в начале отсчета, для этого выставим значение высоты равное нулю. Теперь посмотрим эксперимент. Что представляет собой траектория баллистического движения? Учащиеся. Траекторией баллистического движения является парабола. Учитель. Правильно. Но можем ли мы сделать окончательный вывод о том, что форма баллистической траектории является парабола? Учащиеся. Нет. Необходимо проверить правильность высказанной Галилеем гипотезы, произведя несколько экспериментов, изменяя каждый раз параметры модели. Учитель. Хорошо. Давайте вначале изменим угол направления движения снаряда. Для этого изменим данный параметр на модели, т. е. вместо 30°, выставим 20°. А остальные величины оставим неизмененными. Рассмотрим эксперимент. Изменилась ли форма траектории баллистического движения? Учащиеся. Нет, форма траектории осталась прежней. Учитель. Теперь попробуем увеличить значение угла до 40°, оставив остальные параметры. Посмотрим, что происходит с формой траектории? (Ставит эксперимент.) Учащиеся. Форма траектории остается прежней. Учитель. Давайте посмотрим, измениться ли ее форма, если мы будем уменьшать или увеличивать другие параметры модели. Например, увеличим скорость движения снаряда до 40 м/с, оставив угол и высоту прежними, и пронаблюдаем за движением снаряда. Изменилась ли траектория баллистического движения? Учащиеся. Нет. Форма траектории не меняется. Учитель. А сейчас уменьшим значение скорости движения до 15 м/с, оставив значение угла и высоты прежними. Пронаблюдаем, изменится ли при этом форма траектории? Учащиеся. Форма траектории не изменяется. Учитель. Как вы думаете, изменится ли форма траектории, если мы будем уменьшать либо увеличивать значение высоты подъема тела? Учащиеся. Наверное форма траектории останется прежней. Учитель. Проверим это с помощью компьютерного эксперимента. Для этого изменим значение высоты подъема снаряда до 15 м. Внимательно проследим за траекторией движения снаряда. Какова ее форма? Учащиеся. Форма траектории по-прежнему парабола. Учитель: Итак, можем ли мы на основе всех проделанных опытов сделать окончательный вывод об изменении формы траектории баллистического движения? Учащиеся. Изменив все параметры, мы доказали экспериментально, что при любых значениях угла, высоты, скорости движения снаряда форма траектории остается неизменной. Учитель. Таким образом, первая задача нами решена. Гипотеза Галилео Галилея оказалась верной — формой траектории баллистического движения является парабола. Но Галилей также предложил баллистическое движение рассматривать как результат сложения двух прямолинейных движений: равномерного по оси Ох и равнопеременного по оси Оу. Поэтому второй нашей с вами задачей будет: доказать экспериментально справедливость гипотезы Галилея, т. е. убедится в том, что движение по оси Ох является действительно равномерным. Если движение является равномерным, то какой, по вашему мнению, параметр должен оставаться неизменным? Учащиеся. Скорость, так как равномерное движение — это движение с постоянной скоростью. Учитель. Верно. Это означает, что проекция скорости на ось Ох — Vx останется неизменной. Итак, исследуем движение снаряда, выпущенного из начала координат (т. е. высота равна нулю) в режиме «Стробоскоп», имеющимся на модели, так как именно в этом режиме на траектории через равные промежутки времени указывается направление вектора скорости выпущенного снаряда и его проекции на горизонтальную и вертикальную оси: Vx, Vy. Зададим скорость, равную 25 м/с. Какие параметры мы должны изменять, проводя экспериментальное доказательство? Учащиеся. Мы должны менять угол и высоту. Учитель. Хорошо. Зададим угол движения снаряда, равный 45°, а значение высоты, равное нулю. Пронаблюдаем за проекцией скорости на ось Ох — Vx. Что с ней происходит во время движения? Учащиеся. Она останется постоянно Учитель. То есть движение по оси Ох в данном случае является равномерным. Уменьшим значение угла вылета снаряда до 15°. Является ли теперь движение по оси Ох равномерным при условии, что высота подъема останется прежней? Учащиеся. Да. Движение по оси Ох по-прежнему является равномерным. Учитель. Увеличим высоты подъема тела до 20 и., а угол оставим прежним. Какое движение совершает тело по оси Ох? Учащиеся. Снаряд совершает равномерное движение по оси Ох. Учащиеся. Итак, мы попробовали изменить все параметры, но при этом мы задали лишь один модуль скорости, равный 25 м/с. Попробуем проделать вышеописанные действия, задав другое значение модуля скорости, например, равное 10 м/с (рассуждения проводятся по аналогии, как при значении V = 25 м/с). Какой вывод можно сделать о характере движения вдоль оси Ох, пронаблюдав несколько экспериментов, изменяя каждый раз значения параметров модели? Учащиеся. Экспериментально мы доказали верность гипотезы Галилея о том, что движение тела вдоль оси Ох является равномерным. Учитель. Верно. Тем самым мы решили вторую познавательную задачу. Третья задача заключается в доказательстве справедливости гипотезы, высказанной Галилеем, о том, что движение вдоль оси Оу является равнопеременным. Какие параметры мы должны изменять в данном случае? Учащиеся. Мы будем изменять угол, высоту и скорость движения снаряда. Учитель. Хорошо. Тогда зададим первоначальные значения: угла равное 15°, высоты — равной 10 м. И скорости — равной 20 м/с. Пронаблюдаем, что происходит со значением скорости и величиной вектора скорости движения снаряда? Для этого один из ребят в классе поможет мне зафиксировать значения проекции вектора скорости на ось Оу — Vy через равные промежутки времени, например, через каждые 5 секунд. (Проводят опыт фиксируя значения на доске.) Сравним эти значения между собой, для этого найдем разницу: из V2 вычтем V1, из V3 вычтем сумму V2 + V1 и т. д. Что мы видим, сравнив значения проекции скорости на ось Оу через равные промежутки времени? Учащиеся. Эти значения равны между собой. Учитель. Правильно. А сейчас еше раз внимательно посмотрите эксперимент и ответьте на вопрос: как изменяется вертикальная составляющая вектора скорости Vy до точки, показывающей максимальную высоту подъема тела, и после того, как тело прошло через эту точку? Учащиеся. Вначале движения до точки hmax значение проекции скорости на ось Оу — Vy уменьшается до нуля, затем увеличивается до тех пор, пока тело не упадет на землю. Учитель. Итак, мы убедились в том, что в результате баллистического движения, значение проекции вектора скорости на ось Оу изменяется через равные промежутки времени на одинаковую величину. Таким образом, мы можем сделать вывод, что движение тела вдоль оси Оу является равнопеременным. Но можем ли мы считать сформулированный нами вывод окончательным? Учащиеся. Нет. Необходимо проверить правильность высказанной Галилеем гипотезы, произведя несколько исследований, изменяя каждый раз параметры модели. Учитель. Давайте увеличим угол вылета снаряда до 30°, а остальные параметры оставим прежними. Посмотрим, что будет происходить с величиной вектора скорости? (Проводятся аналогичные рассуждения и подсчеты, приведенные выше и учащимся предлагается сделать вывод.) Учащиеся. Величина вектора скорости изменяется за равные промежутки времени на одинаковую величину. Учитель. Что можно сказать о движении тела вдоль оси Оу? Какое оно? Уменьшим угол вылета снаряда до 10°, изменится ли характер движения? (Проводятся аналогичные рассуждения и подсчеты, приведенные выше и учащимся предлагается сделать вывод.) Учащиеся. Нет. Движение вдоль оси Оу по-прежнему является равнопеременным. Учитель. Попробуем изменить значение скорости движения снаряда, увеличим ее до 30 м/с. Движение вдоль оси Оу по-прежнему остается равнопеременным? (Проводятся аналогичные рассуждения и подсчеты, приведенные выше и учащимся предлагается сделать вывод.) Учащиеся. Да. Характер движения не изменяется. Учитель. А если мы изменим высоту подъема тела, увеличив ее до 15 м, каким сейчас будет его движение вдоль оси Оу? (Проводятся аналогичные рассуждения и подсчеты, приведенные выше и учащимся предлагается сделать вывод.) Учащиеся. Движение вдоль оси Оу остается равнопеременным. Учитель. Выставим значение высоты подъема тела, равное нулю. Пронаблюдаем, как будет двигаться снаряд вдоль оси Оу в данном случае? (Проводятся аналогичные рассуждения и подсчеты, приведенные выше и учащимся предлагается сделать вывод.) Учащиеся. Снаряд будет двигаться равнопеременно. Учитель. Изменяя все параметры, убедились ли мы в справедливости гипотезы Галилео Галилея? Учащиеся. Да, мы убедились в справедливости высказанной Галилеем гипотезы и доказали экспериментально, что движение тела вдоль оси Оу, в условиях баллистического движения является равнопеременным. (Далее учитель вводит формулы расчета основных величин, согласно теории, предложенной в выбранном вами учебнике.) Учитель. Но хочу вам напомнить, что все полученные нами результаты справедливы лишь для идеализированной модели, когда можно пренебречь сопротивлением воздуха. Реальное движение тел в земной атмосфере происходит по баллистической траектории, существенно отличающейся от параболической из-за сопротивления воздуха. Чем больше скорость тела, тем больше сила сопротивления воздуха и тем существенней отличие баллистической траектории от параболы. При движении снарядов и пуль в воздухе максимальная дальность полета достигается при угле вылета 30° — 40°. Расхождение простейшей теории баллистики с экспериментом не означает, что она не верна в принципе. В вакууме или на Луне, где практически нет атмосферы, эта теория дает правильные результаты. При описании движения тел в атмосфере учет сопротивления воздуха требует математического расчета, которых мы не будем приводить из-за громоздкости. Отметим лишь, что расчет баллистической траектории запуска и выведения на требуемую орбиту спутников Земли и их посадки в заданном районе осуществляют с большой точностью мощные компьютерные станции. По сказанному есть вопросы? ' Учащиеся. Задают вопросы. Учитель, отвечает на вопросы учащихся, задает задание на дом, благодарит за работу. Учащиеся. Записывают задание на дом и покидают класс.

Похожие:

	Рабочая программа дисциплины Целью изучения дисциплины является: изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, законами и...		Представленная на городской конкурс мультимедийных пособий для учителей... В пособии рассматривается методика проведения 6 уроков обучения основам языка гипертекстовой разметки документов
	Программа курса, тематическое и поурочное планирование Практическая работа №1. Решение экспериментальных задач по темам «Важнейшие классы неорганических соединений» и «рио»		План Введение 3 Глава Методика проведения нетрадиционных уроков физики... «Методика проведения нетрадиционных форм уроков и внеклассных мероприятий по физике»
	Презентация «Решение задач с помощью кругов Эйлера». Презентация... Интегрированное занятие математического кружка (математика + информатика) в 5-м классе по теме "Решение задач с помощью кругов Эйлера....		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ПР№1. Решение экспериментальных задач по темам «Важнейшие классы неорганических соединений» и «Реакции ионного обмена»
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Тема урока: Практическая работа «Решение экспериментальных задач по теме «Гидролиз. Реакции ионного обмена»		Повышение квалификации учителей по курсу «методика формирования информационной... В статье представлен опыт проведения занятий по дополнительной профессиональной образовательной программе повышения квалификации...
	Соли. Основания. Цели урока Методы: работа с технологическими картами, беседа с учащимися, лабораторные опыты, демонстрационный эксперимент, работа по карточкам...		Программа по футболу для образовательных учреждений направлена на... Футбол всеми любимая и доступная для любого возраста игра, для организации и проведения которой, необходим минимальный набор спортивного...
	«Решение задач по физике координатным методом» в 10 «а» классе Я, Кутузова Светлана Николаевна, учитель физики высшей категории, преподаю физику в		Проект «Книга на уроке» Урок физики в 7 классе «Решение задач на... Обучающие: сформировать умение применять формулы расчета механической работы и мощности для решения расчетных и качественных задач...
	Методические рекомендации по изучению дисциплины «Методика физического... Курс «Методика физического воспитания детей с проблемами в развитии» призван подготовить студентов к работе с детьми, имеющими отклонения...		Для создания экспериментальной установки и проведения моего эксперимента... Понятие «вязкость» можно рассматривать с двух точек зрения: с точки зрения молекулярной физики и с точки зрения механики
	Урок физики в 10 классе по теме: «Деформации и силы упругости» Образовательные: углубить и систематизировать знания о деформации твердых тел, сформулировать закон Гука, рассмотреть причинно-следственные...		Методика утренней гимнастики в старшей группе На основе полученных данных в ходе эксперимента мы создали систему воспитания младших школьников. Вам предлагается два варианта проведения...