Тема: «Решение задач на применение законов сохранения в механике» (Урок 1)

Дата проведения: 9ноября 2011 года

Время проведения: 15.30

Школа: Назарбаев Интеллектуальная школа г. Семей

 Учитель: Сенина Наталья Ивановна, учитель физики

Участники: учащиеся 9-10 классов

 Предмет: физика

 Цели и задачи урока: выработать умения и навыки решения задач по данной теме Образовательная: сформировать понятия «импульс тела», «импульс силы»; добиться усвоения учащимися формулировки и вывода закона сохранения импульса.

 Развивающая: содействовать формированию научного мировоззрения, продолжить совершенствование навыков решения задач с учетом теоретических знаний.

 Воспитательная: содействовать развитию внимательности, инициативности, трудолюбия, творческих способностей, показать объективность проявления закона сохранения импульса, учёт и использование его на практике.

Тип урока: применение знаний на практике. Форма проведения урока: практикум по решению задач.

Ожидаемый результат: · владеть терминологией на казахском, русском и английском языках, изученной во время урока; · Уметь использовать полученные знания для объяснения смысла законов сохранения, применять знания для решения задач

Структура урока:

1. Организация начала урока 

2. Актуализация опорных знаний 

3. Осознание и осмысление учебного материала.

4. Усвоение новых знаний

 5. Первичная проверка понимания учащимися нового материала

6. Закрепление новых знаний

7. Задание на дом

8. Подведение итогов урока.

9. Рефлексия

 Ход урока:

1.Организация начала урока. (Камера направлена на учителя)

Добрый день, уважаемые участники online урока. Тема сегодняшнего урока «Решение задач на применение законов сохранения в механике»

 Глоссарий урока

 Импульс силы Impulse force Күш импульсi
Импульс тела Body impulse Дененiң импульсi
Замкнутая система Closed system Тұйық жүйе
Упругий удар Elastic blow Серпiмдi соққы
Неупругий удар Not elastic blow Серпімсіз соққы
Реактивное движениеJet propulsion Реактивті қозғалыс
Ракета Rocket Зымыран

Законы сохранения в механике Основными законами сохранения в механике являются закон сохранения импульса закон сохранения энергии.

 Сегодня мы познакомимся с законом сохранения импульса. В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной прилюбых взаимодействиях тел этой системы между собой – гласит закон сохранения импульса. Знание закона дает возможность выполнения расчетов взаимодействия различных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц. Энергия не возникает из нечего и не исчезает бесследно, она переходит от одной системы к другой. Этот закон является одним из важнейших законов во всех науках о природе. Любой теоретический вывод проверяется «испытанием» на справедливость этим законом. Вопросы: Явление сохранения скорости постоянной при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации. Явление изменения объема или формы тела. Сила, возникающая при деформации, стремящая вернуть тело в первоначальное положение. Английский ученый, современник Ньютона, установил зависимость силы упругости от деформации. Единица массы. Английский ученый, открывший основные законы механики. Векторная физическая величина, численно равная изменению скорости за единицу времени. Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Сила, возникающая благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел. Мера взаимодействия тел. Раздел механики, в которой изучают закономерности механического движения материальных тел под действием приложенных к ним сил.

1.Актуализация опорных знаний

Сегодня на уроке мы с вами не только будем ставить опыты, но и доказывать их математически. Зная основные законы механики, в первую очередь три закона Ньютона, казалось бы, можно решить любую задачу о движении тел. Ребята, я вам продемонстрирую опыты, а вы подумайте, можно ли в этих случаях используя только законы Ньютона решить задачи? Проблемный видео- эксперимент.

 

 Опыт №1.Скатывание легкоподвижной тележки с наклонной плоскости. Она сдвигает тело, находящееся на ее пути. Можно ли найти силу взаимодействия тележки и тела? (нет, так как столкновение тележки и тела кратковременное и силу их взаимодействия определить трудно).

 Опыт №2. Скатывание нагруженной тележки. Сдвигает тело дальше. Можно ли в данном случае найти силу взаимодействия тележки и тела?

Сделайте вывод: с помощью каких физических величин можно охарактеризовать движение тела?

Вывод: Законы Ньютона позволяют решать задачи связанные с нахождением ускорения движущегося тела, если известны все действующие на тело силы, т.е. равнодействующая всех сил. Но часто бывает очень сложно определить равнодействующую силу, как это было в наших случаях. Если на вас катится игрушечная тележка, вы можете остановить ее носком ноги, а если на вас катится грузовик? Вывод: для характеристики движения надо знать массу тела и его скорость.

 1. Осознание и осмысление учебного материала.

Поэтому для решения задач используют еще одну важнейшую физическую величину - импульс тела. Понятие импульса было введено в физику французским ученым Рене Декартом (1596-1650 г.), который назвал эту величину "количеством движения” "Я принимаю, что во вселенной… есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает”. Позже такое определение было уточнено Исааком Ньютоном. Согласно Ньютону, «количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе». Найдем взаимосвязь между действующей на тело силой, временем ее действия, и изменением скорости тела. Пусть на тело массой m начинает действовать сила F. Тогда из второго закона Ньютона ускорение этого тела будет а. Вспомните как читается 2 закон Ньютона? Запишем закон в виде С другой стороны: Или Получили формулу второго закона Ньютона в импульсной форме. Обозначим произведение через р: Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела. Импульс р – векторная величина. Он всегда совпадает по направлению с вектором скорости тела. Любое тело, которое движется, обладает мпульсом. Определение: импульс тела – это векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость и имеющая направление скорости. Как любая физическая величина, импульс измеряется в определенных единицах. (р) = (кг* м/с ) Вернемся к нашему равенству . В физике произведение силы на время действия называют импульсом силы. Импульс силы показывает, как изменяется импульс тела за данное время. Декарт установил закон сохранения количества движения, однако он не ясно представлял себе, что количество движения является векторной величиной. Понятие количества движения уточнил голландский физик и математик Гюйгенс, который, исследуя удар шаров, доказал, что при их соударении сохраняется не арифметическая сумма, а векторная сумма количества движения. Эксперимент (видео с «Демотреком») Импульс обладает интересным свойством, которое есть лишь у немногих физических величин. Это свойство сохранения. Но закон сохранения импульса выполняется только в замкнутой системе. Система тел называется замкнутой, если взаимодействующие между собой тела, не взаимодействуют с другими телами. Импульс каждого из тел, составляющих замкнутую систему, может меняться в результате их взаимодействия друг с другом. Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел В этом заключается закон сохранения импульса. Примеры: ружье и пуля в его стволе, пушка и снаряд, оболочка ракеты и топливо в ней.(видео с пушкой) Закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса выводится из второго и третьего законов Ньютона. Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух тел – шаров с массами m1 и m2, которые движутся вдоль прямой в одном направлении. С небольшим приближением можно считать, что шары представляют собой замкнутую систему. Из опыта видно, что второй шар движется с большей скоростью (вектор изображен более длинной стрелочкой). Поэтому он нагонит первый шар и они столкнуться. Математический вывод закона сохранения А сейчас мы с вами побудим "полководцами”, используя законы математики и физики сделаем математический вывод закона сохранения импульса. , так как время действия сил одно и тоже, то можно записать -начальные скорости тел, - конечные скорости , , так как левые части уравнений равны, то и правые тоже: , сгруппируем члены уравнений - закон сохранения импульса (для упругого удара) Если удар неупругий , то закон сохранения импульса примет вид: Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате. Демонстрация опытов. Опыт 1.Надуть резиновый шарик и отпустить его. Вопрос: За счёт чего шарик приходит в движение? Вывод: Шарик приходит в движение за счёт того, что из него выходит воздух. Учитель: Движение шарика является примером реактивного движения, и вы правильно указали причину движения шарика. Опыт 2. Ученик встаёт на легкоподвижную тележку, спрыгивает с неё. Тележка движется в противоположную сторону. Вопрос: Что общего в первом и во втором опытах? Вывод: Тележка и шарик пришли в движение, потому что от них что-то отделилось (ученик, воздух). После этого учащиеся формулируют определение реактивного движения: Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение. Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие? За счет чего возникает такое движение? Почему отклоняется трубка? Почему взлетает воздушный шарик? Почему движется ракета? Как рассчитать скорость , которую может развить ракета? К.Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Попробуем и мы вывести формулу для расчета максимальной скорости движения. Задание: используя закон сохранения импульса рассчитать максимальную скорость движения ракеты. Учащиеся делают в тетради следующую запись: Согласно третьему закону Ньютона: где Fl - сила, с которой ракета действует на раскаленные газы, a F2 - сила, с которой газы отталкивают от себя ракету. Модули этих сил равны: Fl=F2. Именно сила F2 и является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета. Если импульс выброшенных газов равен mгvг , а импульс ракеты mpvp, то из закона сохранения импульса получаем: mгvг = mpvp Откуда скорость ракеты: vp = mгvг/mp Таким образом, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истекания газов , и чем больше отношение - mг / mp Вопрос: В каких случаях справедлива эта формула? Ответ: выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Такого быть не может, так как мгновенное сгорание - взрыв. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому для точного расчета используют более сложные формулы.Вопрос: От чего зависит скорость движения? Ответ: Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского. Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского. Включение следует сказать, что современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорости в 8-12 км/с. Для третьей космической скорости (16,4 км/с) необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки носителя почти в 55 раз, что на практике реализовать невозможно. Следовательно, нужно искать другие способы построения ракетоносителей.

 2. Усвоение новых знаний.

Первичная проверка понимания учащимися нового материала. Прежде чем приступить к решению задач вспомним некоторые моменты.

Закрепление изученного материала.

1) Что называется импульсом тела ? 2) Назовите единицы измерения импульса тела в СИ? 4) В чем заключается закон сохранения импульса? 5) При каких условиях выполняется этот закон? 6) Какую систему называют замкнутой? 7) Почему происходит отдача при выстреле из ружья?

 3. Закрепление знаний при решении задач.

Алгоритм решения задач: • Понять предложенную задачу (увидеть физическую модель).

• Анализ (построить математическую модель явления):

 • Выбрать систему отсчета.

 • Выделить систему взаимодействующих тел и выяснить, какие силы для нее являются внутренними, а какие – внешними.

• Определить импульсы всех тел системы до и после взаимодействия.

• Если в целом система незамкнутая, сумма проекций сил на одну из осей равна нулю, то следует написать закон сохранения, лишь в проекциях на эту ось.

 • Если внешние силы пренебрежительно малы в сравнении с внутренними (как в случае удара тел), то следует написать закон сохранения суммарного импульса (p = 0) в векторной форме и перейти к скалярной.

• Если на тела системы действуют внешние силы и ими нельзя пренебречь, то следует написать закон изменения импульса (Δp = FΔt) в векторной форме и перейти к скалярной.

• Записать математически все вспомогательные условия.

• Полученную систему уравнений решить относительно искомой величины.Решение проверить и оценить критически.

Задача №1: Два шара массами 8 кг и 20 кг движутся навстречу друг другу. Скорость первого шара 5 м/с, второго 3 м/с. Определите направление скорости шаров после неупругого удара и ее числовое значение.

Задача №2 Два мальчика стоят на роликовых коньках. Масса первого мальчика 50 кг, второго 60 кг. Трение о дорогу равно нулю. Первый мальчик бросает второму мальчику шар, масса которого 5 кг, с горизонтальной скоростью 6 м/с относительно Земли. Определите скорость первого мальчика, когда он бросил шар, и скорость второго мальчика, когда он его поймал.

Задача №3: Снаряд, летевший горизонтально со скоростью 600м/с, разорвался в воздухе на два осколка, массы которых 1/3 и 2/3.Первый осколок получил скорость, равную 800м/с, под углом 300 к горизонту. Определите числовое значение и направление скорости второго осколка

 Задача №4: Два пластилиновых шарика, отношение масс которых равно 4 , после соударения слиплись и стали двигаться по гладкой горизонтальной поверхности со скоростью u .Определите скорость легкого шара до соударения ,если он двигался втрое быстрее тяжелого , а направления движения шаров были взаимно перпендикулярны. Трением пренебречь.

 Задача №5: Кузнечик сидит на конце соломинки длиной l , которая лежит на гладком полу. Кузнечик прыгает и попадает на другой конец соломинки. С какой минимальной начальной скоростью относительно пола он должен прыгнуть, если его масса М, а соломинки m? Сопротивление воздуха и трение не учитывать. 4. Задание на дом: Предлагаем дома доказать выполнение закона сохранения импульса. (Видео-задача.)

Подведение итогов урока. Учитель подводит итоги, выставляет оценки.

5. Рефлексия.

В качестве рефлексии предлагается заполнить таблицу из приложения.

 Лист самооценки

Тема урока

Что понял?

Что не понял?

Что было особенно интересно?

Что еще необходимо повторить, чтобы справиться с домашним заданием?


Литература 1. Кем В., Кронгард Б., Койшибаев Н. Физика 10-11: Мектеп, 2010. 2. Генденштейн Л.Э, Дик Ю.И. Физика 10,11 изд. «Илекса». 3. Кирик Л.А., Дик Ю.И. «Сборник заданий и самостоятельных работ, 10,11 кл.», изд. «Илекса». 4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: Учебник для 10, 11 кл. с углубленным изучением физики в 3 томах – М.: Просвещение, 2010. 5. Физика: Учебник для 10, 11 кл.: Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф. – М.: Дрофа, 2001. Адреса образовательных сайтов в Интернет 1. Образовательное сообщество Казахстана http://www.uchi.kz/ 2. Российское образование. http://www.edu.ru, http://www.ege.edu.ru 3. Естественно-научный образовательный портал (химия, биология, физика, математика) http://www.en.edu.ru