Методична розробка занять з дисципліни "Фізика і астрономія" для ЗФПО з розділу "Механіка"

Вступ

Заняття № 1

Тема: Фізика як наука: предмет, методи, фізичні величини.

Лекція № 1

Мета: Ознайомити студентів зі структурою курсу, з базовими поняттями фізики;

           Сформувати мету вивчення дисципліни та методи її досягнення;

           Сформувати поняття про форми запису фізичних величин та їх одиниць.

Тип заняття:

лекція

Структура заняття:

1. Організаційна частина

а) Перевірка готовності групи

2. Актуалізація опорних знань

3. Повідомлення теми, мети  та основних завдань

4. Мотивація навчальної діяльності

5. Вивчення нового матеріалу

Фізика – це наука, що вивчає найпростіші і найбільш загальні закономірності явищ природи, властивості і будову матерії та закони її руху.

Матерія - це усе те, що реально існує поза  нашою свідомістю і що може сприйматися нашими органами чуттів безпосередньо чи за допомогою приладів.

Розрізняють два види матерії - речовина і поле.

Матерія перебуває у вічному і безперервному русі, загальною мірою якого є енергія.

       Мета, яка ставиться при вивченні фізики, полягає в ознайомленні з основними фізичними явищами, їх механізмами, закономірностями та практичним застосуванням.

Фізична величина – це величина, що характеризує фізичні властивості матерії чи особливості фізичних явищ природи. Ознакою фізичних величин є їх вимірність.

Вимірювання фізичної величини зводиться до порівняння даної величини з однорідною їй величиною, взятою за еталонну одиницю: довжину вимірюють порівнюючи її з еталоном довжини метром, масу тіла – кілограмом. Не можна порівнювати значення різнорідних величин. Всі величини у фізиці мають бути приведені до міжнародної системи одиниць „СІ”.

         Для скорочення записів великих і малих значень фізичних величин використовують

Префікси і множники

для утворення кратних і частинних одиниць

Математичні дії зі степеневими виразами:

1. При множенні (діленні) степеневих виразів показники степенів додаються (віднімаються)

               10³∙10² = 10⁵     (3+2=5)       (1000∙100 = 100000 = 10⁵ )

               10⁶/10³ =10³      (6-3=3)        (1000000/1000 = 1000 = 10³ )

               10^-3∙10⁵ =10²     (-3+5=2)      (10^-3 =0,001=1/1000, 0,001·100000 = 10² )

               10³/10^-2 =10⁵     (3-(-2)=5)    (1000/ 0,01=100000= 10⁵ )

2. При піднесенні степеневих виразів до степеню показники степенів перемножаються

              (10³)² = 10⁶     (3·2=6)       (1000∙1000 = 1000000 = 10⁶ )

              (10^-2)³ =10^-6    (-2·3=-6)       (0,01∙0,01∙0,01 = 0,000001= 10^-6 )

              √10⁸  =10⁴       (√=1/2=> 8·1/2=8/2=4)      

              √10^-2 =10^-1         (√=1/2=> -2·1/2=-2/2=-1)

3. При додаванні (відніманні) степеневих виразів необхідно привести їх до одного степеню, а потім додавати (віднімати) числові частини виразів
               

Графіки та їх побудова:

Для фізичного аналізу використовують також графіки різних залежностей. Будуються вони за загальними правилами:

• складають таблицю зі значеннями аргументу та функції;
• будують координатні осі (вісь абсцис х – аргумент, ординат у – функції);
• наносять точки та з’єднують їх.

7. Підведення підсумків

Повідомлення домашнього завдання: 

1). Конспект

2). Стр.7-16 [1]

3). Таблиця префіксів

Розділ 1.  Механіка

Заняття № 2

Тема:  Кінематика матеріальної точки. Характеристики руху.

Лекція № 2

Мета: Ознайомити студентів основними поняттями та термінами механіки;

           Пояснити основні характеристики механічного руху;

           Характеризувати основні види механічного руху;

           Показати використання розглянутого матеріалу для розв’язку задач.

Тип заняття:

 лекція

Структура заняття:

1. Організаційна частина

а) Перевірка готовності групи    б) Розгляд домашнього завдання

2. Актуалізація опорних знань

3. Повідомлення теми, мети  та основних завдань

4. Мотивація навчальної діяльності

5. Вивчення нового матеріалу

План:  

1.    Предмет механіки.
2.    Характеристики руху.
3.    Види механічного руху.

1. Предмет механіки.

Механіка – розділ фізики, що вивчає механічний рух, механічні  взаємодії та рівновагу тіл. Основна задача механіки –  визначення положення тіла і його швидкості в будь-який момент часу за відомими початковими умовами.

Кінематика – розділ механіки, в якому вивчається рух без врахування причин, що його зумовили.

    Механічний рух – це зміна взаємних положень тіл у просторі з плином часу.

 Для опису руху тіла використовують поняття:

• Матеріальна точка - це тіло, розмірами якого можна знехтувати порівняно з відстанню його переміщення в просторі.
• Тіло відліку – це умовно нерухоме тіло чи система тіл, відносно яких визначають положення інших тіл.
• Система відліку – це сукупність тіла відліку, зв’язаної з ним системи координат і синхронізованих годинників у різних точках простору.

2.   Характеристики руху.
   • Траєкторія – уявна лінія, яку описує матеріальна точка під час руху.
   • Шлях – відстань між двома заданими точками, відрахована вздовж траєкторії.

                                                              [l]=1м - метр

• Вектор переміщення –  вектор , проведений із початкового положення матеріальної точки у кінцеве її положення.                  
• Швидкість – величина, яка характеризує шлях пройдений за одиницю часу.

          [ν]=1м/с – метр за секунду

•  Прискорення –  величина,  яка показує зміну швидкості за одиницю часу.

                при υ₀=0 

                                                                                  [а]=1м/с² – метр за секунду квадраті

3.   Види механічного руху та їх графічне зображення.

  3.1 Прямолінійний рух: траєкторія є прямою лінією, тому .

        а) Рівномірний рух – рух, при якому тіло за будь-які рівні проміжки часу

                здійснює однакові переміщення.

       Швидкість залишається  сталою

       Рівняння координати:

б) Нерівномірний  рух – рух, при якому тіло за рівні проміжки часу здійснює неоднакові переміщення.

Швидкість змінюється протягом всього часу:

Середня швидкість – відношення всього пройденого шляху за повний час руху тіла.

;

в) Рівноприскорений рух – рух, при якому за рівні проміжки часу швидкість змінюється однаково.

           ,      ,  - прискорення постійне.

      Швидкість: ;

      Переміщення (шлях): або  ;

      Рівняння координати: .

г) Вільне падіння – рух тіла лише під дією земного тяжіння за відсутності сторонніх

     впливів. За відсутності повітря всі тіла, незалежно від їхньої маси падають на Землю з   

     однаковим прискоренням, що називається прискорення вільного падіння g=9,81м/с².

     Вільне падіння є рівноприскореним рухом у вертикальному напрямку, тому 

     характеристики змінюються: х на у, s на h, a на g :

     Швидкість: ;

     Переміщення (шлях): або  ;

     Рівняння координати: .

           3.2 Криволінійний рух: траєкторія є кривою. Найпростішим криволінійним рухом є рух по колу.

                       Рівномірний рух по колу – періодичний рух, при якому швидкість змінюється за

                        напрямом і не змінюється за величиною.

                     Для характеристики такого руху вводять два види швидкості:

• лінійна υ – характеризує величину модуля швидкості ;
• кутова ω – характеризує зміну напрямку вектора швидкості, де Δφ – зміна кута радіус вектора точки. [ω]-1рад/с.

            Прискорення при рівномірному русі по колу в будь якій точці направлене по радіусу до його

            центру і виражається формулою: , де R – радіус кола.

6. Закріплення вивченого матеріалу:

Задача 1.  Визначити гальмівний шлях автомобіля, що рухався зі швидкістю 72км/год, якщо він зупинився за 5с.

Задача 2. Поїзд, відходячи від станції, рухається рівноприскорено. На першому кілометрі шляху він збільшив швидкість на 12м/с². На скільки зросте його швидкість на другому кілометрі шляху?

7. Підведення підсумків

Узагальнення матеріалу

Повідомлення домашнього завдання: 

1). Конспект.

2). Завдання №2.

      Розділ 1.  Механіка

Заняття № 3

Тема:  Динаміка  матеріальної точки. Закони Ньютона.

Лекція № 3

Мета: Пояснити основні поняття динаміки;

           Сформувати розуміння змісту законів Ньютона;

           Навчити використовувати набуті знання для розв’язку задач.

Тип заняття:

 лекція

Структура заняття:

1. Організаційна частина

а) Перевірка готовності групи    б) Розгляд домашнього завдання

2. Актуалізація опорних знань

3. Повідомлення теми, мети  та основних завдань

4. Мотивація навчальної діяльності

5. Вивчення нового матеріалу

План:  

1. Завдання динаміки
2. Закони Ньютона
3. Гравітаційні взаємодія

1.   Завдання динаміки.

Динаміка – розділ механіки, в якому вивчається рух матеріальних об’єктів з урахуванням їхніх взаємодій. Взаємодії між тілами змінюють стан руху і виражаються силами. Основна задача динаміки – за відомими силами, що діють на тіло, визначити закон його руху, координати та швидкість в будь-який момент часу.

2. 1-й Закон Ньютона: будь-яке тіло зберігає стан спокою чи прямолінійного рівномірного руху, якщо на нього не діють ніякі сили чи дія сил скомпенсована.

Інертність – це властивість тіла зберігати стан спокою чи рівномірного прямолінійного руху.

Системи відліку, відносно  яких тіло буде знаходитися у спокої чи прямолінійному рівномірному русі, при скомпенсованих зовнішніх діях, називаються інерціальними.

Маса – це міра інертності тіла      [m]=1кг– кілограм.

2-й Закон Ньютона: сила, яка надає тілу прискорення, рівна добутку маси тіла на здобуте ним прискорення.

Сила – це міра взаємодії між тілами (характеризується величиною і напрямком дії).                              

[F]=1Н– Ньютон             (це така сила, яка надає тілу

масою 1кг прискорення 1 м/с² )

Якщо на тіло діють кілька сил рівнодійну знаходиться за правилами додавання векторів.

3-й закон Ньютона: Два тіла  взаємодіють одне з одним силами, які  рівні по величині і протилежні за напрямком     F=  ̶ F´

3.  Гравітаційні взаємодія – взаємодія, що властива всім тілам у всесвіті і виявляється у їх взаємному притяганні. Вона здійснюється за допомогою гравітаційного поля, що існує навколо будь якого тіла і проникає крізь будь які матеріали.

Закон всесвітнього тяжіння: сила гравітаційного притягання будь яких двох тіл прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

,  де G =6,67∙10^-11Н∙м²/кг² – гравітаційна cтала.

Формула вірна за умови, що розміри тіл значно менші за відстань між ними.

Сила тяжіння – сила, з якою Земля притягує до себе тіла: . Вона направлена вертикально вниз. Будь яке тіло в межах поля тяжіння Землі має вагу.

Вага – це сила, з якою тіло діє на нерухому горизонтальну опору в наслідок сили тяжіння Землі                  [P]=1Н– Ньютон 

Стан тіла, при якому його вага дорівнює нулю, називається невагомістю.

             Під дією сили тяжіння навантажене тіло зазнає деформації. Це викликає появу сил реакції – 

           сили пружності , де k – жорсткість.

6. Закріплення вивченого матеріалу:

Задача 1.  Визначити модуль сили під дією якої швидкість тіла масою 2кг за 10с зменшилася від 5м/с до нуля.

Задача 2.  Хлопчик, що біжить зі швидкістю 4м/с, доганяє візок, що рухається зі швидкістю 1м/с, і стрибає на нього. З якою швидкістю після цього рухатиметься візок? Маса хлопчика 50кг, маса візка – 100кг.

7. Підведення підсумків

Узагальнення матеріалу

Повідомлення домашнього завдання: 

1). Конспект.

2). Завдання №3.

      Розділ 1.  Механіка

Заняття № 4

Тема:  Імпульс. Робота і енергія. Закони збереження.

Лекція № 4

Мета: Пояснити зміст понять „ імпульс ”, „ енергія ”, „ робота ”;

           Сформулювати закони збереження та пояснити їх наслідки;

  Навчити використовувати набуті знання для розв’язку задач

Тип заняття:

 лекція

Структура заняття:

1. Організаційна частина

а) Перевірка готовності групи    б) Розгляд домашнього завдання

2. Актуалізація опорних знань

3. Повідомлення теми, мети  та основних завдань

4. Мотивація навчальної діяльності

5. Вивчення нового матеріалу

1. Імпульс – це міра механічного руху         [p]=1кг·м/с

       Закон збереження імпульсу: повний  імпульс замкнутої системи тіл зберігається (залишається сталим) при будь-яких взаємодіях всередині системи

m₁υ₁+m₂υ₂=m₁υ₁′+m₂υ₂′  або

         Замкненою є система, на яку не діють зовнішні сили, або їх дія скомпенсована.

Практичним застосуванням наслідків закону збереження імпульсу є реактивний рух – рух, що виникає при віддаленні від тіла з певною швидкістю його частини (ракета).

     2. Робота та енергія.

        Для виведення тіла зі стану спокою (чи руху) необхідно прикласти до нього силу, виконати

         роботу та затратити енергію.

Енергія – це величина, що характеризує стан механічної системи (тіла) в даний момент часу

[Е]=1Дж – Джоуль

Виділяють два типи механічної енергії:

• Кінетична – енергія руху
• Потенціальна – енергія взаємодії   (енергія тіла, піднятого над землею)

              Повна механічна енергія виражається їх сумою:

Закон збереження енергії: повна енергія тіл замкненої системи залишається сталою. Енергія не виникає і не зникає, а переходить з одного виду в інший.     

            Змінити стан системи можна виконуючи роботу, тоді:

Робота – це величина, що характеризує зміну механічної енергії системи (тіла) внаслідок дії

на неї сили (характеризує процес ):

A=F·S·Cosα                 де α – кут між напрямками сили і переміщення  

                                    [A]=1Дж – Джоуль

Потужність – це величина, що характеризує швидкість виконання роботи

 ,       [N]=1Вт – Ватт

6. Закріплення вивченого матеріалу:

Задача 1.  Визначити масу і швидкість тіла, що має імпульс 8 кг·м/с та кінетичну енергію 16Дж.

Задача 2.  Яку роботу треба виконати, щоб по підняти вантаж масою 100г на висоту 2м і надати йому швидкості 3м/с?

7. Підведення підсумків

Узагальнення матеріалу

Повідомлення домашнього завдання: 

1). Конспект.

2). Завдання №4.

Розділ 1. Фізичні основи механіки

Заняття № 5

Тема:  Тематичний залік №1.

Тематичний залік №1

Мета: Провести підсумковий контроль та оцінити рівень знань, умінь, навичок студентів по  темі.

Тип заняття: підсумковий контроль

Структура заняття:

1. Організаційна частина

а) Перевірка готовності групи

2. Актуалізація опорних знань

3. Повідомлення теми, мети  та основних завдань

4. Мотивація навчальної діяльності

5.  Перевірка знань студентів              

      План:

1. Пояснення студентам порядку виконання завдань, особливостей побудови питань та структури дачі відповідей на подані типи завдань
2.    Видача варіантів завдань
3.    Виконання студентами завдання
4.    Збір виконаних завдань, їх перевірка, аналіз, оцінка

Залікова робота з фізики по темі „ Механіка ”

I. Одиниці СІ

Вказати основні одиниці СІ за схемою:

Приклад:           Маса – міра інертності тіла – m – кілограм – кг

II. Теоретичні завдання

Сформулювати закон або дати означення поняттю чи явищу та вказати відповідну формулу:

III. Практичні завдання

1.Перевести величини в основні одиниці СІ

2. Виконати математичні операції

3. Розв’язати дві з запропонованих задач:

1. Із гармати вилітає ядро масою 10кг. Середня сила тиску порохових газів 1,2МН,  а час руху ядра в стволі 0,005с. З якою швидкістю ядро вилітає зі ствола?

2. Людина масою 70кг спускається сходами довжиною 20м, яка розміщена під кутом 30° до горизонтальної площини. Знайти роботу сили тяжіння.

3*. Літак має чотири двигуни, сила тяги кожного 103кН. Яка потужність  двигунів при русі  літака зі швидкістю 864 км/год.?  

4*. Під дією двох взаємно перпендикулярних сил 3Н і 3Н тіло перемістилося рівномірно на 20м по   напрямку рівнодіючої. Знайти роботу кожної сили окремо та їх спільну роботу.

6. Перевірка робіт

Таблиця оцінювання

7. Підведення підсумків

Обговорення результатів

Аналіз роботи групи