Методика изучения законов Ньютона в средней школе

Этот вывод желательно подкрепить выразительными опытами с движением по инерции с крайне малым трением дисков из сухого льда или же тел на воздушной подушке.

Далее высказывается мысль, что силу трения можно компенсировать. Последнее легко осуществить, равномерно перемещая шайбу, например, с помощью клюшки, непрерывно подталкивающей ее с силой , равной и противоположно направленной силе трения (рис. 3 б).

рис. 3

Простейшим наглядным примером равномерного движения, легко осуществимого на опыте, является движение шарика или бруска по наклонной плоскости, которой придан такой уклон, чтобы сила трения компенсировалась равнодействующей силы реакции желоба и силы тяжести.

Обобщая пройденное, делают вывод, с которым учащиеся уже знакомились: материал о сложении сил, направленных по одной прямой: «Тело под действием двух равных и противоположно направленных сил будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно».

Наконец, должно быть сформировано первоначальное понятие об инерциальных системах отсчета. До сих пор во всех опытах и примерах за систему отсчета, в которой оказывался справедливым закон инерции, принималась Земля. На конкретных примерах следует показать, что закон инерции выполняется также в системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно Земли.

Все опыты по инерции, рассмотренные выше, с равным успехом и теми же результатами можно провести, например, в равномерно движущихся поезде, теплоходе или самолете.

В результате проделанной работы учащиеся должны усвоить, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного поступательного движения в инерциальных системах отсчета, если на него не действуют другие тела или если силы, с которыми они действуют, уравновешиваются.

Для закрепления и углубления полученных понятий в классе и дома учащиеся решают в основном качественные задачи-вопросы. Желательно, однако, и решение несложных экспериментальных задач, например, такой:

Объяснить, какие уравновешенные силы действуют на движущийся равномерно вниз шарик в стеклянной трубке с водой (рис. 4 а); на поднимающийся равномерно вверх пузырек воздуха (рис. 4 б).

Рис. 4

Необходимо также решение задач политехнического содержания:

Плуг равномерно движется по борозде. Можно ли сказать, что он движется по инерции?

Интересна задача «Самый легкий способ путешествовать», составленная по материалам «Занимательной физики» Я.И. Перельмана.

Второй закон Ньютона

Опыт и логика подсказывают, что если действующие на тело силы не уравновешиваются, то его движение должно изменяться. Существующую при этом количественную закономерность удалось впервые сформулировать в своих «Началах» И. Ньютону в виде следующей аксиомы или закона движения: Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Математическизаконвыражается формулойВсе величины, входящие в эту формулу: сила , масса m, количество движения и время t, у Ньютона независимые.

В настоящее время в учебниках физики второй закон Ньютона чаще всего записывается в виде. (Впервые выражение силы, как величины, равной массе, умноженной на ускорение, дается в «Механике» Эйлера; 1736 г.) Следует, однако, иметь в виду, что зависимость. не эквивалентна полностью формуле Она верна только при условии m =const, что практически имеет место при скоростях, далеких от скорости света, когда зависимостью массы от скорости можно пренебречь.

Из сказанного выше следует, что для изучения второго закона Ньютона в форме предварительно требуется ввести понятия массы, силы и ускорения. Различные методические системы изучения второго закона Ньютона отличаются в основном тем, как вводятся данные фундаментальные физические понятия.

Наиболее распространенной системой является такое построение учебного материала, когда массу и силу стараются определить независимо друг от друга и от второго закона Ньютона: массу путем взвешивания на весах, а силу — статическим методом — с помощью пружинных динамометров, которые градуируют весом гирь. При этом масса иногда трактуется как мера количества вещества в теле. Такой упрощенный, устаревший подход к формированию важнейших понятий динамики для советской школы неприемлем.

В настоящее время многие методисты считают предпочтительной такую систему, при которой сначала вводится понятие силы. При этом сила трактуется как «мера действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения». После этого изучаются способы измерения сил с помощью эталонных пружин или динамометров, и устанавливается зависимость ускорения тел от сил:

«Величину , равную отношению модуля силы к модулю ускорения, называют массой (точнее, инертной массой)».

Масса тела выступает как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением ,а соотношение выступает как определение массы и второй закон Ньютона. При данном методическом подходе в качестве основной единицы выступает единица силы, что противоречит системе СИ.

Понятие о силе вводится на основе уравнения , которое одновременно является и определением силы и вторым законом Ньютона. По мнению многих методистов в этом заключается главная трудность этого подхода. Выход из данного положения находится за счет использования других физических законов, определяющих зависимость силы от других величин, например, от координат.

Методика формирования понятия «масса тела»

Первоначальное понятие о массе тел учащиеся получают в начале изучения предмета физика на основе опытов, в которых используются упругие шары, а также шары или тележки, соединенные пружинами. Здесь же вводится понятие о единице массы—килограмме как массе платиноиридиевого эталона. Учащиеся знакомятся также с измерением массы на рычажных весах.

Данные сведения следует восстановить в памяти учащихся в более старших классах. Как показывает опыт, демонстрации упругого взаимодействия тел желательно позже дополнить демонстрациями взаимодействия наэлектризованных тел и взаимодействия тел посредством магнитного поля (рис. 5 а, б).