Методика формирования понятия массы в курсе физики средней школы

Введение понятия масса очень важно. Этот вопрос волновал ученых с давних времен. Массу рассматривали как количество материи. С середины 19 века начинает обсуждаться вопрос об определении величины массы. Подвергается критике определение Ньютона, который определял ее как величину, пропорциональную объему тела и его плотности. Появляется ряд других определений.

Существовало много и методов в

ведения понятия массы. Вопрос о том, как лучше определять или вводить понятие массы, обсуждали и в 19в., и в 20в., его обсуждают и в настоящее время.

Поэтому актуальность данной проблемы подтолкнула меня к изучению введения данного понятия.

Основная цель курсовой работы состояла в изучении и анализе методики формирования понятия массы в курсе физики средней школы. Объектом использования курсовой работы являлся процесс обучения физики в средней школе, а предметом исследования: методика формирования основных физических понятий. Для достижения основной цели работы потребовалось решение следующих задач:

Анализ научно-методической литературы по теме исследования.

Рассмотрение различных определений понятия массы.

Оценка подходов к введению понятия массы в 6, 9, 11 классах.

В ходе выполнения курсовой работы использовались следующие методы исследования:

Теоретический анализ методической литературы по данной теме исследования.

Анализ учебников физики и программы курса физики 6, 9 и 11 класса.

Понятие массы в физической науке

Масса (от греческого μάζα) — одна из важнейших физических величин. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала "количество вещества" в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес. Тесно связана с понятиями "энергия" и "импульс" (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя).

В Парижской палате мер и весов хранятся эталоны фундаментальных единиц измерения - массы (килограмм) и длины (метр). Эталон массы представляет собой гирьку из сплава платины и иридия и помещен в эту палату еще в 1889 году. Копии эталона хранятся также и в России, во ВНИИ метрологии им. Менделеева, который, собственно, и создал в 1893 году Главную палату мер и весов, предшественницу этого института.

Масса в ньютоновой механике.

Как хорошо известно, масса в ньютоновой механике обладает рядом важных свойств, и проявляется, так сказать, в нескольких обличиях:

1. Масса является мерой количества вещества, количества материи.

2. Масса составного тела равна сумме масс составляющих его тел.

3. Масса изолированной системы тел сохраняется, не меняется со временем.

4. Масса тела не меняется при переходе от одной системы отсчета к другой, в частности, она одинакова в различных инерциальных системах координат.

5. Масса тела является мерой его инертности (или инерции, или инерционности, как пишут некоторые авторы).

6. Массы тел являются источником их гравитационного притяжения друг к другу.

Обсудим более подробно два последних свойства массы.

Как мера инерции тела, масса тела выступает в формуле, связывающей импульс тела р и его скорость v:

p = mv. (1.1)

Масса входит также и в формулу для кинетической энергии тела Ек:

Eк = p2/2m = mv2/2. (1.2)

В силу однородности пространства времени импульс, и энергия свободного тела сохраняются в инерциальной системе координат. Импульс данного тела меняется со временем только под воздействием других тел:

dp/dt = F, (1.3)

где F - сила, действующая на тело. Если учесть, что по определению ускорения а

a = dv/dt, (1.4)

и учесть формулы (1.1) и (1.3), то получим

F = mа. (1.5)

В этом соотношении масса снова выступает как мера инерции. Таким образом, в ньютоновой механике масса как мера инерции определяется двумя соотношениями: (1.1) и (1.5). Одни авторы предпочитают определять меру инерции соотношениями (1.1), другие - соотношением (1.5). Для предмета нашей статьи важно лишь, что оба эти определения совместимы в ньютоновой механике.

Обратимся теперь к гравитации. Потенциальная энергия притяжения между двумя телами с массами М и m (например, Земли и камня), равна

Ug = - GMm/r, (1.6)

где G - 6,7×10-11 Н×м2кг-2 (напомним, что 1 Н = 1 кг×м×с2). Сила, с которой Земля притягивает камень, равна

Fg = - GMmr/r3, (1.7)

где радиус-вектор r, соединяющий центры масс тел, направлен от Земли к камню. (С такой же, но противоположно направленной силой камень притягивает Землю.)

Из формул (1.7) и (1.5) следует, что ускорение тела, свободно падающего в гравитационном поле, не зависит от его массы. Ускорение в поле Земли обычно обозначают g:

G = Fg/m = - GMr/r3. (1.8)

Как нетрудно оценить, подставив в формулу (1.8) значения массы и радиуса Земли (Мз " 6×1024 кг, Rз " 6,4×106 м), g " 9,8 м/с2.

Впервые универсальность величины g была установлена Галилеем, который пришел к выводу, что ускорение падающего шара не зависит ни от массы шара, ни от материала, из которого он сделан. С очень высокой степенью точности эта независимость была проверена в начале XX в. Этвешем и в ряде недавних экспериментов. Независимость гравитационного ускорения от массы ускоряемого тела в школьном курсе физики обычно характеризуют как равенство инертной и гравитационной массы, имея при этом в виду, что одна и та же величина m входит как в формулу (1.5), так и в формулы (1.6) и (1.7).

Мы не будем здесь обсуждать другие свойства массы, перечисленные в начале этого раздела, поскольку они кажутся самоочевидными с точки зрения здравого смысла. В частности, ни у кого не вызывает сомнения, что масса вазы равна сумме масс её осколков:

m = Smi (1.9)

Никто не сомневается также в том, что масса двух автомобилей равна сумме их масс независимо от того, стоят они или мчатся с предельной скоростью навстречу друг другу.

Соотношении Эйнштейна Е = mс2. Естественно задать вопрос, каким образом осуществляется в литературе и умах читателей мирное сосуществование взаимоисключающих формул:

Е0 = mс2 (1.10)

Е = mс2 (1.11)

Прежде чем искать ответ на этот вопрос, еще раз напомню, что согласно первой формуле массе покоящегося тела отвечает энергия покоя Е0, а согласно второй любое тело с энергией Е имеет массу Е/с2. Согласно первой масса тела не меняется при его движении. Согласно второй масса тела растет с ростом скорости тела. Согласно первой фотон без массы, согласно второй у фотона есть масса, равная Е/с2.

Чтобы ответить на поставленный вопрос о сосуществовании формул, нам придется обратиться к истории создания, интерпретации и признания специальной теории относительности.

Обычно рождение теории относительности связывают со статьей Эйнштейна 1905 г., в которой была четко сформулирована относительность одновременности. Но, разумеется, работа над созданием и интерпретацией теории началась задолго до 1905 г. и продолжалась долгое время после этого.