САҚТАЛУ ЗАНДАРЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ

Мақсаты: Физика курсы үшін өте қажетті “импульс”, “жүмыс”,”энергия” үғымдары мен сақталу завдарын оқушыларға түсіндіру әдістемесін беру.

 

Жоспары:

1. Импульстың сақталу заңы.

2. Жұмыс және энергия ұғымдарына ғылыми әдістемелік талдау жасау.

3. Механикалық жұмыс.

4. Механикалық энергия және оның сақталу заңы.

 

Әдебиеттер:

1. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Акитай Б.Е. Физика. 9 сынып. Алматы: Дофа-Кітап, 2004. 78-88 бб.

2. Теория и методика обучения физике в школе. Часные вопросы / Под ред. С.Е. Каменецкого. М.: Академия, 2000. Ч. 1. С.60-70.

3. Құдайқұлов М., Жаңабергенов Қ. Орта мектепте физиканы оқыту әдістемесі. Алматы: Рауан, 1998. ХVІ-тарау. 152-169 бб.

4. Методика преподавания физики / Под ред. В.П.Орехова и А.В. Усова. М.: Просвещение, 1980. Гл.22-23. С.273-310.

 

Студенттердің өзіндік жұмысына тапсырма: “Машиналарды қолдану және оларда энергияның түрленуі” тақырыбына реферат жазып келу.

  1. Импульстің сақталу заңы

 

Импульстің сақталу заңын оқып үйрену үшін алдымен оқушыларды бірқатар маңызды ұғымдармен: механикалық жүйе, тұйық механикалық жүйе, сыртқы күштер, ішкі күштер, консервативтік күштер, күш импулъсі ұғымдарымен таныстыру керек.

Тұйық механикалық жүйе идеалданған ұғым болып табылады. Берілген физикалық жүйедегі денелердің қозғалысын қарастырғанда оларға сыртқы күштердің әсерін қарастыру өте маңызды. Егерде бүл күштер жоқ болса (немссе олар еленбесе), онда импулъстің сақталу заңын қоддануға болады; егерде сыртқы күштер әсер етсе, овда жүйеге әсер ететін күш импульсі жүйе импульсінің өзгерісіне тең болады.

Импульстің сақталу заңын оқып-үйрену үшін, түйық жүйедегі массалары бірдей, жылдамдықтары әртүрлі екі дененің өзара әсерлесуі

 

қарастырылады. Импульстің сақталу заңы Ньютонның екінші және үшінші заңынан қорытылып шығады.

Әсерлескен екі дененің импульстерінің өзгерісі модульдері бойынша тең де, бағыттары қарама-қарсы болатыны дәлелденеді.

Ары қарай заң түжырымдалады: тұйық жүйені құрайтын денелердің импульстерінің векторлық қосындысы уақыт өтуімен осы денелердің кез келген қозғалысында және өзара әрекеттесуінде өзгермейді.

Импульстің сақталу заңына міндетті түрде эксперименттік тәжірибе көрсетіліп, мысалдар келтіріліп, есептер шығарылуы тиіс. Мынандай, тәжірибелерді көрсетуге болады: рельспен қозғалатын арбашаның өзара әсерлесуі, екі шардың, өзара әсерлесуі, жеңіл арбаша үстіне қойылған бұрандалы, ойыншық және т.б.

Мысал ретінде судағы қайықтан денені лақтырғанда, зеңбіректен атқан кезде оның кері тебілуі және т.б. келтіруге болады.

Импульстің геометриялық қосындысы (векторлық) жайында түсіндіру үшін, есеп шығарғанда алдымен графиктік есептерден бастаған дұрыс. Мысалы мына түрдегі есепке тоқталайық.  «Радиактивті ядро бөлінгенге дейін біршама жылдамдықпен қозғалып импульске ие болады. Бөлінген кездегі жарықшақтардың импульстерінің қосындысы бастапқы импульсқе тең екенін көрсетіндер».

Бұл есепті шығарғанда химиямен байланысын қарастырған дұрыс. Ыдыраған кездегі атом ядросының импулъсі және жарықшақтардың импулъсі берілген. Есептің шешуі графиктік түрде 9-суреттс көрсетілген.

Оқушыларға импульстің сақталу заңы барлық инерциялы санақ жүйелерілде орындалатынын және импулъстің салыстырмалы шама екенін түсіндіру қажет. Бекіту үшін мынадай жатгығуларды оръшдауға болалы. Мысалы: массасы 1 кг доп футбол алаңында модулі бойынша 4 м/с жылдамдықпен қозғалады. Оның импульсін әртүрлі санақ жүйесіңце анықтаңдар: а) алаңға қатысты; ә) алаңға қатысты допқа қарай 5 м/с жылдамдықпен қозғалған №1 футболшыға байланысты; в) допты алаңмен қозғалтып келе жатқан №2 футболшыға қатысты.

Ш е ш у і: а) Доп импульсін алаңға қатысты санақ жүйесіндс жазайық.

mv=4 кг м/с,

мұндағы доптың алаңға қатысты жылдамдығы.

ә) Допқа қарай жүгіріп келе жатқан №1 футболшымен байланысқан санақ жүйесіне қатысты доптың импульсі:

mvд1=m(vда+v)= 9кгм/с;

мұнда v футболшы жылдамдығының модулі; vд1— осы фугболшыға қатысты доптың жылдамдығы; vда —доптың алаңға қатысты жылдамдығыыың модулі.

б) Допты алып келе жатқан №2 футболшымен байланысқан санақ жүйесіидегі импульсі:

mvд2=0

мұндағы vд2 доптың осы футболшыға қатысты жылдамдығы.

Импульсінің сақталу заңы кез келген инерциялық санақ жүйесінде орындалатынын дәлелдеу үшін мынадай ойша тәжірибе жасайық.

Бір қалыпты және түзу сызықты vп  жылдамдықпен қозғалып бара жатқан платформаның үстіндегі массасы m1тыныштықтағы арбашаның платформаға қарағандағы жылдамдығы болатын, массасы m2 арба келіп соғылады (10-сурет). Соқтығысудан кейінгі арбашалардың платформаға қарағандағы ортақ жылдамдығын деп белгілейік. Оқушыларға Жерге және платформаға байланысты санақ жүйелері үшіп импульстің сақталу заңын жазуды және сақталу заңы санақ жүйесін таңдауымызға байланыстылығын анықтауды ұсынамыз. Ойша тәжірибеге талдау жасай отырып шығаратын қорытынды: егерде импульстің сақталу заңы бір санақ жүйесінде орындалса, онда осы жүйеге қатысты бірқалыпты түзусызықты қозғалатын жүйеде де орындалады. Яғни, импульстің сақталу заңы кез келген инсрциялы санақ жүйесінде орындалады.

10-сурет

Сонымен бірге дене релятивистік жылдамдықпен қозғалатын болса, тұйық жүйедегі релятивистік импульстің коеындысы, денелер арасындағы кез келген өзара әсерлесуде тұрақты болып қалады. Ал, импульс р жылдамдықпен мына түрде байланысады:

 

Классикалық механиканың қолдану шегін қарастырайық. Жарық жылдамдығынан әлдеқайда аз жылдамдықтарда ( <<с) қатыпасы

, сондықтан да дененің импульсі  тең болады.

Бұл тендік Ньютон механикасы үшін дұрыс.

Импульстің сақталу заңын оқып-үйрену негізгі мектеп курсында реактивті қозғалысқа қолданумен аяқталады. Ракетаның қозғалыс жылдамдығын анықтағанда импульстің сақталу заңы қолданылады. Ракета қабықшасының жылдамдығы:

vр.қаб=-m2 v2/mр.қаб

мүндағы mр.қаб ракета қабықшасының массасы; vр.қаб ракета қабықшасының жылдамдығы; m2 және v2 – жанған отынның массасы мен газдың ағу жылдамдығы.

 

  1. Жұмыс және энергия ұғымдарына ғылыми-әдістемелік талдау жасау

 

Энергия ұғымы туралы жан-жақты қарастырғапымызға қарамастан, энергияның толық анықтамасы туралы біртұтас пікір қалыптаспаған.

Ғылымда механикалық жұмыс ұғымы энергияға қарағанда бүрын енгізіліп, соның негізінде энергия ұғымы тұжырымдалған. Оны физиктердің жүйенің бір күйінен екінші күйіне өту процесі көбірек қызықтыруымен түсіндіруге болады.

Мектепте жұмыс ұғымын қалыптастыруда бірқатар қиындықтар кездеседі; оқушылардың көптеген физикалық ұғымдар туралы, мысалы жылдамдықты, массаны, температураны жәнс т.б. мектепке оқуға келгенше біледі, ал мектепте оларды тереңірек оқытады. Ал оқушылардың жұмыс туралы ұғымы ғылыми қөзқарасқа сәйкес келмейді.

Энергия ұғымының көп кездесетін анықтамаларын талдап көрсетейік.

Материя қозғалысының көптеген түрі бар. Материя қозғалысының барлық түрлері бір-біріне белгілі бір сандық қатынаста айнала алады. Осыдан барып материя қозғалысының әр түрін бірдей шамамен өлшеуге болатындығы шығады. Яғни, энергия әр турлі материя қозғалысының сандық өлшемі болып табылады.

Екінші жағынан механикалық жүйенің белгілі бір күйіне тән энергия сәйкес келеді. Бір күйден екіншісіне өту жүйенің энергиясының өзгеруімен анықталады. Механикалық процесс жағдайында бұл ауысу жұмыс істеу арқылы іске асырылады. Осыған байланысты, басқаша анықтама:

Жүйенің энергиясы оның күйінің функциясы болып табылады.

Ал орта мектептегі анықтамасы: энергия – денелердің жұмыс істеу қабілеттілігін анықтайды.

Жоғарыда келтірілген энергияның анықтамаларының әрқайсысы, оны ғылыми және әдістемелік жағынан толық ашпайды. Шындығында материяның формасы мен қозғалысының түрлерінің классификациясына байланысты сұрақтар анық, әрі нақты емес. Оның үстіне бірінші анықтама оқушыларға білім беру сатыларындағы алған білімдерін дамыту мақсатында жалпылауға арналған. Тек қана механикалық құбылыстарды оқу кезінде «қозғалыс мөлшері» ұғымының физикалық мағынасын ашу қиын.

Екінші анықтаманың да кемшіліктері бар. Дененің күйін анықтайтын көптеген шамалардан энергияны қалай бөліп алып қарастыруға болады. Орта мектеп оқушылары үшін «жүйенің куйі» қарапайым ұғым емес. Бұл ұғым да энергияға байланысты құбылыстарды оқып үйренгенде оқушылардың білімдерін толықтыруда, ойлау қабілеттерін дамытуда көптеген қосалқы жұмыстарды қажет етеді.

Сондықтан да осындай мағынадағы анықтамамен энергия ұғымын қалыптастыруды бастауға болмайды. Бірақта орта мектепті бітіретін оқушыларды энергияның осы анықтаманы түсінуге алып келу қажет.

Үшінші анықтамадан энергия ұғымын енгізу үшін алдымен жұмыс ұғымын анықтау керек. Сонымен бірге жұмыс ұғымы энергия ұғымы арқылы ашылады. Мұндай жағдайда логикаға қойылатын қарапайым талап (бір сөздің мәнін қайталай беру) бұзылады (яғни энергия дененің жұмыс істей алатындығын көрсетеді, ал істелген жұмыс энергияның өзгерісіне тең).

Орта мектепте механиканы оқып үйренгенде энергия менжүмыс үғымын қалыптастарудың әртүрлі жолдары бар.

1. Энергия үғымы жүмысқа байланыссыз енгізіліп, соңынан олардың өзара байланысы анықталады. Мұнда механикалық процестерде сақталатын кинетикалық және потенциалдық – mgh энергиялардың қосындысы арқьшы қарасгырылады. Одан кейін механbrалық процестердегі кинетикалық энергияның өзгерісі ретінде жұмыс ұғымы енгізіледі.

2. Кинетикалық энергияның өзгерісі және жұмысты байланыстыратын теңдеу арқылы энергия және жұмыс ұғымы бірге енгізіледі. Бұл жағдайда энергетикалық ұғымдарды оқып үйрену денелердің екпіндей немесе тежелу кезіндегі қозғалысын қарастыру арқылы басталады. Ешқандай күш қозғалыслы бірден тоқтата алмайды.

Тежелу жолын есептегенде мына теңдеуді алады

Теңдіктің сол жағы кинетикалық энергия, ал оң жағын механикалық жұмыс деп атайды. Дене осындай энергия алу үшін, ол осыған сәйкес жолды жүріп өтуі қажет. Потенциалды энергия кинетикалық энергияның пайда болуының «қоры» ретінде енгізіледі. Кинетикалық энергия мен потенциалдық энергияның қосындысының тұрақтылығынан механикалық энергия ұғымы енгізіледі. Механикалық процестерде ол сақталып қана қоймайды, әрі бір-біріне айнала алады.

3. Негізгі мектепте алған жұмыс және энергия ұғымдарын дамытып, одан ары бағдарлы немесе жалпы білім беретін мектепте жогарғы сыныптың механика қурсында энергетикалық ұғымдарды оқыту әдісін қарастарады.

Жоғарыдағы таңдауларға қарағанда жұмыс және энергия үғымдары бір-біріне жақын, олай болса оқыту үрдісінде олардың айырмашылықтарын көрсете білу қажет.

Жұмыс процесті сипаттайды, ал энергия механикалық жүйенің күйін сипаттайды. Сондықтан да дененің алған энергиясы туралы айтуға болады, ал оның жұмысының сандық мәні мынаған теңдеуге болмайды.

Жұмыс энергияның өзгеруін сипаттайтын физикалық шама, яғни энергияның өзгерісінің өлшемі болып табылады.

 

  1. Механикалық жұмыс

 

Бағдарлы мектепте механикалық жұмыс ұғымын оқып үйренуді бірнеше кезендерге бөлуге болады.

1 кезең – негізгі мектепте өткен жұмыс ұғымы туралы алған білімдерін қайталау. Дененің қозғалу бағыты бойынша әсер ететін күштің жұмысы күш пен жолдың көбейтіндісіне тура пропорционал

2 кезең – механикалық жұмыс ұғымының анықтамасын одан ары дамытып нақтылау. Тұрақты күштің жұмысы күш пен орын ауыстыру векторларының модульдерінің көбейтіндісін сол векторлар арасындағы бұрыштың косинусына көбейткенге тең. өрнегіндегі мәндеріне әртүрлі шамалар беріп зерттеудің нәтижесінде, жұмыстың оң, теріс және нольге тең болатандығын анықтау.

3 кезең  –  жұмыстың механикадағы барлық күштер арқылы өрнектелетін теңдеуін   қарастыру:  – ауырлық

күшінің жұмысы; серпімділік күшінің жұмысы;

А=Ғ үйкl үйкеліс күшінің жүмысы.

4 кезең – жұмысты график түрінде бейнелеу және есептеу, күш тұрақты болғанда немесе сызықтық түрде өзгерген жағдайда.

5 кезең – қуат ұғымын нақтылау. Негізгі мектепте, оқушылар қуат үғымының анықтамасымен танысады   . Ал жоғарғы сыныпта қуаттың өрнегін алып, оны талдайды. Қортындысында әртүрлі қозғалтқыштардың кесте түрінде берілген қуатымен танысады.

6 кезең – жұмыстың салыстырымдылық сипатын ашу. Жұмыстың санақ жүйесіне байланысты анықталатанын нақты мысалдар арқылы түсіндіру қажет. Мысалы: қолында сумкасы бар оқушы, қозғалыстағы лифте түр. Лифтпен байланысқан санақ жүйесінде және «Жермен» байланысқан санақ жүйесіндегі күштің жұмысы туралы не айтуға болады? Қол сумкаға белгілі бір тұрақты күшпен әсер етеді. Лифтпен айланысқан санақ жүйесінде жұмыс нольге тең (орын ауыстыру жоқ). Ал «Жермен» байланысқан санақ жүйесінде лифт қозғалыста, яғни жүмыс істеледі.

 

  1. Механикалық энергия және оның сақталу заңы

 

Негізгі мектеп курсында оқушылар энергия туралы мағлұмат лды. Ал жалпы білім беретін мектептің жоғарғы сыныптарында оны одан ары дамытып және энергия ұғымын қалыптастыру қажет.

Механикалық знергияның ең қарапайым түрі кинетикалық энергия. Ол барлық жағдайда (материялық нүкте үшін де) масса мен жылдамдықтың квадратының көбейтіндісімен анықталады. Потенциалдық энергия өзара әсерлесу күштеріне байланысты болғандықтан өрнегі өзгеріп отырады. Сондықтан да механикада энергия ұғымын кинетикалық энергиядан бастап қалыптастырған дұрыс.

Кинетикалық энергия. Жұмыстың анықтамасын және Ньютонның екінші заңын пайдаланып материялық нүктеге әсер ететін кез келген күштің жұмысы кинетикалық эпергияның өзгерісіне, яғни өрнегіндегі жылдамдықтың өзгерісіне тең екенін көрсету қиын емес. Кинетикалық энергия үшін күштің қай түрі болса да, ауырлық күші ме, серпімділік күші ме, үйкеліс күші ме бәрі бір. Егерде күш жұмысы оң болса (А > 0) кинетикалық энергия артады (), теріс болса (А < 0) кинетикалық энергия кемиді(). Жүйенің кинетикалық энергиясы, осы жүйеге кіретін денелердің кинетикалық энергияларының қосындысына тең болады.

Кинетикалық энергия жұмыс сияқты санақ жүйесіне байланысты болады.

Потенциалдық энергия. Механикада энергияның бұл түрін қарастырғанда оқушылар оның кем дегенде екі дененің өзара әсеріне байланысты өзгеретінін білулері қажет.

Біріншіден – мұғалім оқушыларда потенциалдық энергия ұғымын қалыптастырғанда потенциалдық энергия денелер жүйесіне байланысты екеңдігін ескеруі керек.

Екіншіден оқушылардың негізгі мектепте алған потенциалдық энергия үғымын кеңейтіп, тек қана Жер бетінен жоғары орналасқан денелердің ғана емес, серпімді деформацияланган денелердің де потенциадцық энергиясы болатынын көрсетіп, өрнегі беріледі.

Үшіншіден – денелер жүйесінің нөлдік деңгейін анықтау өз қалауымызша алынатынын ескерту қажет. Потенциалдық энергия осы нөлдік деңгейді таңдауымызға байланысты болады.

Потенциалдық энергияны анықтаудағы нөлдік деңгей үғымын енгізу әдістемесін қарастырайық. Мұнда мынандай маңызды кезеңдерді көрсетуге болады.

1. Потенциалдық энергияның өзін емес өзгерісін анықтайды. Мысалы: Жер бетіне жақын маңдағы ауырлық күші үшін:

мүвдағы һ1 және һ2 дененің жерден бастапқы және соңғы күйлерінің биіктігі.

Деформацияланған серіппенің потенциалдық энергиясының өзгерісі

Мұндағы — серпімділік коэффиценті, және серіппенің бастапқы және соңғы деформациясы.

Жұмыс энергияның өзін емес өзгерісін анықтайды, сондықтан да энергияның өзгерісінің ғана физикалық мағынасы бар. Осыдан барып жүйенің потенциаддық энергиясы нөлге тең деңгейі ерікті түрде таңдап алынады.

2. Жүйенің нөлдік деңгейіне көбінесе потенциаяық энергиясы аз болатын күйін таңдайды.

Оқушыларға мысалдар арқылы потенциалдық энергия бастапқы санақ денесін таңдауға байланысты екенін, ал нөлдік деңгейді тавдау энергияның өзгерісіне әсер етпейтінін көрсету керек.

Потенциаддық энергия инерциалды санақ жүйелерін таңдауға байланысты емес, себебі ол өзара әсерлесуші денелердің арасындағы қашықтыққа байланысты функция болып табылады.

Кинетикалық және потенциалдық энергия үғымын бекіту үшін еселтер шығарылады. Бұл жаттығу немесе практикалық сипаттағы есептер болуы мүмкін. Мысалы тежелу жолын анықтауға арналған.

Оқушылар сыртқы күштер тек кинетикалық энергияны өзгертетінін, ал өзара әсерлесу – потенциалдық энергияны -өзгертпейтінін түсіне бермейді. Потенциалдық энергияның өзгерісі өзара әсерлесуші күштің (ішкі күш) істеген жұмысымен анықталады.

Осы қарастырғандардан барып істелген жұмыстың есебінен кинетикалық энергия артқанда потенциалдық энергия кемиді (және керісінше), яғни тұйық жүйеде энергияның сақталу заңы орындалады.

Үйкеліс күші әсер еткендегі энергияның сақталу заңын міндетгі түрде қарастыру керек. Бұл кезде үйкеліс күшінің жұмысы жүйенің кинетикалық энергиясын азайтады. Соған қарамай үйкеліс күшінің әсерінен потенциалдық энергия артпайды, тартылыс және серпімділік күштерінің (консервативтік күштер) жағдайындағыдай. Себебі үйкеліс күші өзара әсерлесетін денелердің ара қашықтығына емес, олардың салыстырмалы жылдамдығына байланысты. Бұл күштің жұмысы оның кеңістіктегі алатын бастапқы немесе соңғы орындарына емес, траекториясына байланысты.

 

%d такие блоггеры, как: