Програма факультативного курсу з фізики з технічним спрямуванням

Пояснювальна записка

Програма факультативного курсу розроблена згідно «Фізика. Навчальна програма для 10-11 класів. Академічний рівень» та «Фізика. Навчальна програма для 10-11 класів. Рівень стандарту». Факультативний курс призначений для реалізації цілей та завдань фізичної освіти, розвитку і вихованню учнів, і є важливим елементом профільно-професійної підготовки, оскільки забезпечує формування в учня технічних знань та розвитку технічного мислення, розуміння прикладного аспекту фізики як науки, оцінювання комплексу індивідуальних особливостей учня з погляду готовності до успішного навчання за спеціальністю, у якій фізика відіграє роль базового навчального предмета.

Метою факультативного курсу є поглиблення, доповнення і систематизація навчального матеріалу розділів «Механіка», «Молекулярна фізика» та «Основи термодинаміки» з урахування його теоретичного та практичного значення; відображення зв’язку теорії з практикою. При формуванні змісту факультативного курсу враховано принцип доступності навчального матеріалу з метою забезпечення мотиваційної спрямованості учнів. Основними цільовими напрямами факультативного курсу є реалізація індивідуальних можливостей учнів, розвиток конструкторських здібностей, інтеграція загальнонаукових і технічних знань та умінь.

Факультативний курс пропонується для викладання за рахунок годин варіативної складової навчального плану. Зміст факультативного курсу складено таким чином, що передбачає його розгляд учнями після вивчення відповідної теми в процесі урочної діяльності, спираючись на отриманні знання з фізики середньої школи. Залежно від завдань навчання і об’єктивних умов навчально-виховного процесу учитель має можливість виділити зі змісту факультативного курсу інформацію, яка підлягає вивченню у процесі навчання.

Факультативний курс складається із 3 розділів, які містять 6 тем у своєму складі, кожний з яких є логічно завершеним інформаційним блоком відповідно до навчальних програм. Кожна тема розділів містить елементи технічних знань, які формуються за рахунок прикладного аспекту навчальної дисципліни та поглиблюються з урахуванням попередньо вивченого матеріалу, і можуть бути використанні учнями як під час уроків фізики, так і самостійній практичній діяльності. Таким чином, запропонований факультативний курс «Закони механіки, молекулярної фізики та термодинаміки в техніці та технічних пристроях» доповнює технічну складову навчального матеріалу, формує зацікавленість предметом як рушійною силою науково-технічного прогресу, реалізує варіативну складову навчально-виховного процесу з фізики, яка виражається в індивідуальному змісті навчання для кожного учня з урахуванням його власних особливостей.

Програма факультативного курсу

«Закони механіки, молекулярної фізики та термодинаміки в техніці та технічних пристроях»

10 клас

(105 годин, 3 годин на тиждень)

Розділ 1. Механіка (63 години)

Тема 1. Кінематика (18 годин)

Механічний рух та його види. Системи відліку (інерціальні та неінерціальні): їх властивості та особливості. Роль вибору системи відліку в будівництві колій, конструюванні приладів для визначення кутів поворотів, кутової швидкості та прискорення. Неінерціальні системи відліку: сили інерції. Врахування сили Коріоліса для космічних станцій та руху тіл на поверхні Землі. Залежність гальмівного шляху автомобіля від його швидкості. Прискорення вільного падіння тіл: його роль в будівельній справі та авіації. Доцентрове прискорення. Роль фізичних величин обертального руху в технічних характеристиках побутових приладів. Визначення швидкості руху різноприводних автомобілів. Причини неточних показів автомобільних спідометрів. Принцип роботи та будова курвіметра та гіроскопа. Центрифугування та його роль у виробництві та побуті.

Демонстрації

1. Вплив сили Коріоліса на рухомі тіла в різних півкулях Землі.
2. Гальмівний шлях.
3. Зміна прискорення вільного падіння в різних точках нашої планети.
4. Різні види спідометрів.
5. Схема будови курвіметра та гіроскопа.
6. Принципи центрифугування на прикладі сушки для овочів.

Практичні завдання

1. Визначення фізичних величин, від яких залежить гальмівний шлях транспортних засобів.
2. Визначення прискорення вільного падіння за допомогою машини Атвуда.
3. Вимірювання відстані між двома точками на картах за допомогою курвіметра.

Учні знають:

поняття: механічний рух, інерціальна та неінерціальна системи відліку, сила Коріоліса, доцентрове прискорення, гіроскоп, курвіметр, центрифугування; характеристики: систем відліку, побутових приладів з обертаючими частинами; будову та принцип роботи: спідометру, курвіметру та гіроскопу; сфери практичного застосування: прискорення вільного падіння, гіроскопа, центрифугування.

Учні уміють:

пояснити механізм виникнення сили Коріоліса; пояснити: вплив сили Коріоліса на рух тіл на поверхні Землі, процес фіксування швидкості автомобільним спідометром, метод визначення прискорення вільного падіння, основні принципи роботи курвіметра та гіроскопа, принципи центрифугування; користуватися: спідометром, машиною Атвуда, курвіметром; експериментально підтвердити: залежність гальмівного шляху від швидкості руху тіл, сталість прискорення вільного падіння.

Тема 2. Динаміка (24 години)

Вимірювання сили. Види динамометрів (механічні, свердлильні, ротаційні, електроні, медичні, тягові): їх будова та використання. Інерція та інертність. Будова та принцип дії крокоміра. Використання явища інерції у фільтрах та сепараторах. Імпульс тіла і його роль в космосі. Прояв та вплив третього закону Ньютона у військовій справі та конструюванні гелікоптерів. Невагомість у медицині. Космічна металургія та її перспективи. Деформація тіл та її використання в автомобілебудуванні, меблевому виробництві. Роль сили тертя в машинобудівництві. Будова та сфери використання амбразиметра. Роль рівноваги тіл в будівництві. Прості механізми в сільському господарстві. Практичне використання архімедового гвинта в шнекових машинах.

Демонстрації

1. Будова та принцип роботи динамометрів.
2. Схема будови крокоміра.
3. Принципова схема будови гвинтів літальних апаратів.
4. Принцип роботи та схематична будова підйомних кранів.

Практичні завдання

1. Вимірювання сил за допомогою динамометрів.
2. Фіксування кількості кроків за допомогою крокомірів.
3. Дослідження простих механізмів та опис їх основних характеристик.

Учні знають:

поняття: сили, динамометра, інерції та інертності, крокоміра, імпульс тіла, невагомості, амбразиметра, прості механізми, шнекова машина, архімедів гвинт; характеристики: різних видів динамометрів, фільтрів та сепараторів, гелікоптерів, простих механізмів; будову та принцип роботи: динамометрів, крокоміра, амбразиметра; практичне значення: явищ інерції, імпульсу тіл, третього закону Ньютона, невагомості, деформації тіл, рівноваги тіл; сфери практичного застосування: явищ інерції у вимірювальних приладах та очисних установках, невагомості в медицині, деформації тіл у машинобудуванні, простих механізмів у сільському господарстві.

Учні уміють:

пояснити принцип роботи: крокоміра, сепаратора, фільтрів, амбразиметра, архімедового гвинта, шнекових машин; пояснити методи врахування законів Ньютона на виробництвах; користуватися: динамометрами, простими механізмами, крокоміром, архімедовим гвинтом.

Тема 3. Закони збереження в механіці (9 годин)

Закон збереження імпульсу та його прояв у вогнепальній зброї, гірокомпасі та принципі руху космічних кораблів. Реактивна сила, її залежність від різних факторів. Способи створення реактивної сили. Ракетні двигуни. Основні елементи конструкції ракетних рушійних установок. Закон збереження енергії. Перетворення енергії в технічних пристроях. Абсолютно пружний  та непружний удари в будівництві, нафтопромисловості та фізиці елементарних частинок. Розв’язування задач технічного спрямування.

Демонстрації

1. Схема будови вогнепальної зброї.
2. Реактивний рух та реактивні апарати.
3. Перетворення енергії в механізмах.
4. Абсолютно пружний та непружний удари двох тіл.

Практичні завдання

1. Виготовлення моделі реактивного двигуна.
2. Запуск гідропневматичних, пневматичних і порохових моделей ракет.
3. Розв’язування задач технічного спрямування.

Учні знають:

поняття: реактивного руху, реактивної сили, реактивного двигуна, абсолютно пружного та непружного ударів; закони: збереження імпульсу, збереження енергії; характеристики ракетного палива; будову та принцип роботи: гірокомпасу, вогнепальної зброї, ракетних двигунів, ракетних рушійних установок; способи створення реактивної сили; правила поводження із вибухонебезпечними речовинами; практичне значення: закону збереження імпульсу, закони збереження та перетворення енергії; сфери практичного використання: законів збереження імпульсу та енергії, абсолютно пружного та непружного ударів.

Учні уміють:

пояснити: механізм руху космічних кораблів, процес перетворення енергії; розрізняти: пружні та непружні удари; читати схеми будови космічних кораблів та ракет; конструювати за схемами різні моделі ракет; розв’язувати задачі технічного змісту із застосуванням законів: збереження імпульсу, збереження енергії.

Тема 4. Механічні коливання та хвилі (12 годин)

Механічні коливання та умови їх виникнення. Використання механічних коливань в дорожньо-будівній та сільськогосподарській техніці. Маятники та їх види. Сейсмограф та навігаційні прилади: їх будова та галузі використання. Вимірювання прискорення вільного падіння маятниковим гравіметром. Будова та принцип роботи лазерних нівелірів. Музичні інструменти. Будова та використання вібраційного частотометра. Врахування резонансу при будівництві та проектуванні. Звук: його характеристики та діапазони. Будова шумоміру. Використання ультразвуку в медицині (ультразвукова терапія, ультрофонофорез, дезінфекція). Принцип роботи дефектоскопа. Свисток Гальтона. Інфразвук/ультразвук в метрології та геології.

Демонстрації

1. Механічні коливання. Утворення поперечних та повздовжніх хвиль.
2. Принципова будова сейсмографу.
3. Маятник в лазерному нівелірі.
4. Вібраційний частотометр.
5. Резонанс та його негативні наслідки.
6. Принцип роботи свистка Гальтона.

Практичні завдання

1. Вимірювання прискорення вільного падіння маятниковим гравіметром.
2. Отримання різного тону звуку за допомогою музичних інструментів.
3. Вимірювання рівня шуму за допомогою шумоміру та порівняння отриманих результатів із санітарними нормами.

Учні знають:

поняття: механічних коливань, механічної хвилі, маятника, сейсмографа, гравіметра, нівеліра, частото метра, резонансу, звуку, шумоміру, дефектоскопії, свистка Гальтона; види: механічних хвиль, маятників, навігаційних приладів; діапазони звукових хвиль; характеристики: механічних коливань, механічних хвиль, звуку; будову: сейсмографу, лазерного нівеліра, маятникового гравіметра, шумоміра, свистків, вібраційного частотометра; сфери практичного застосування: механічних коливань, маятників, резонансу, ультразвуку та інфразвуку; способи боротьби із резонансом та шумом (згідно санітарних норм).

Учні уміють:

пояснити механізм утворення механічних коливань, поперечних і повздовжніх хвиль, звукових хвиль у музичних інструментах, резонансу; пояснити принцип роботи: сейсмографа, графіметра, нівеліра, частотометра, свистків; пояснити методи вимірювання: прискорення вільного падіння маятниковим гравіметром, дефектоскопії; користуватися: маятниковим гравіметром, шумоміром; порівнювати отримані експериментальні значення із табличними та робити висновки.

Розділ 2. Молекулярна фізика (42 години)

Тема 1. Властивості газів та рідин (18 годин)

Властивості газів. Дифузія. Дифузійна металізація, її принципи та види. Заходи безпеки під час витоку природного горючого газу. Роль дифузії в текстильній промисловості. Види осмосу (зворотній, аномальний, електроосмос) та їх практичне застосування. Роль дифузії нейтронів в роботі ядерних реакторів. Тиск рідин, газів та твердих тіл. Принципи вимірювання швидкості літальних апаратів (трубка Піто, авіаційні повітряні системи вимірювання швидкості). Будова та принцип дії гальмівної системи автомобіля. Ефект сифона в сантехніці. Методи отримання вакууму та його практичне використання. Отримання зріджених газів. Зрідженні гази у вибуховій та військовій техніці. Холодильні агенти, їх види та властивості. Перспективи використання низькотемпературної ізоляції. Поняття сублімації та десублімації. Будова та принцип роботи термосублімаційного принтеру. Отримання твердих покриттів за допомогою десублімації. Пароутворення та конденсація. Будова та принцип дії зволожувачів повітря (пористі, кип’ятильні, парові). Ректифікаційна колона та її використання в різних сферах виробництва. Конденсаційна техніка як чинник зменшення екологічного впливу опалювальних установок. Отримання та використання насиченої пари (будівель галузь, хімічна та парфумерна промисловість). Різні види гігрометрів (конденсаційний та волосяний) та їх сфери застосування. Способи зменшення та збільшення поверхневого натягу. Будова та принцип роботи сталагмометра. Явище адгезії та його практичне використання. Створення миючих засобів. «Ефект лотоса» та його використання в промисловості. Капіляри в побутових приладах. Негативний вплив та способи боротьби з наслідками капілярних явищ під час будівництва.

Демонстрації

1. Дифузія парфумів.
2. Схема дифузії нейтронів.
3. Принципова схема будови авіаційних повітряних систем вимірювання швидкості.
4. Схема гальмівної системи автомобіля.
5. Принцип утворення зображення в термосублімаційному принтері.
6. Отримання насиченої пари.
7. Капілярні явища.

Практичні завдання

1. Конструювання маніпуляторів та роботів, які працюють на законах гідростатичного тиску.
2. Виготовлення безлопатевого вентилятора та пояснення принципів його роботи.
3. Вимірювання вологості повітря за допомогою гігрометра.
4. Дослідження фізичних властивостей миючих засобів.

Учні знають:

поняття: дифузійна металізація, осмосу, тиску, ефекту сифона, вакууму, трубка Піто, зрідженого газу, холодильного агенту, низькотемпературної ізоляції, десублімації, термосублімації, ректифікаційної колони, сталагмометра, адгезії; види: дифузійної металізації, осмосу, холодильних агентів, зволожувачів повітря, гігрометрів; властивості: газів, рідин, зріджених газів, насиченої пари, поверхневого натягу; будову: трубки Піто, авіаційної повітряної системи вимірювання швидкості, гальмівної системи автомобіля, термосублімаційного принтеру, зволожувачів повітря, конденсаційної техніки, сталагмометра; методи: отримання вакууму, насиченої пари; сфери практичного застосування: дифузії нейтронів, ефекту сифона, зріджених газів, низькотемпературної ізоляції, вакууму, ректифікаційної колони, насиченої пари, десублімації, явища адгезії, «ефекту лотоса»; способи зміни поверхневого натягу тіл, боротьби з негативними наслідками капілярних явищ, заходи безпеки під час витоку природного горючого газу.

Учні уміють:

пояснити способи вимірювання швидкості літальних апаратів; пояснити принцип роботи: термосублімаційного принтеру, зволожувачів повітря, сталагмометра, безлопатевого ветилятора; користуватися: гігрометром, термосублімаційним принтером; використовувати отримані знання для конструювання: маніпуляторів, роботів, безлопатевого вентилятора; досліджувати властивості газів, рідин, миючих засобів, капілярних явищ та робити висновки.

Тема 2. Властивості твердих тіл (8 годин)

Властивості кристалічний та аморфних тіл. Використання дорогоцінних каменів. Аморфні матеріали в записуючому обладнані. Шкідливий вплив анізотропії під час виробництва. Властивості рідких кристалів. Рідкі кристали в інформаційній техніці. Перспективи використання рідких кристалів у електрооптиці та комунікаційних системах. Модель «розумних» вікон на базі рідких кристалів. Види полімерів, методи їх дослідження та використання у різних сферах життя. Наноматеріали та перспектива використання їх у космічній техніці.

Демонстрації

1. Будова кристалічних та аморфних тіл.
2. Рідкі кристали в екранах телевізора та моніторах.
3. Полімери та схематичне зображення їх будови.
4. Модель нанороботів.

Практичні завдання

1. Дослідження властивостей аморфних тіл на прикладі бурштину.
2. Дослідження на міцність різних типів полімерних матеріалів.

Учні знають:

поняття: кристалічного тіла, аморфного тіла, анізотропії, рідких кристалів, полімерів, наноматеріалів; властивості: кристалічних та аморфних тіл, рідких кристалів, полімерів; сфери практичного застосування: дорогоцінних каменів, аморфних матеріалів, рідких кристалів, полімерів, наноматеріалів; методи дослідження полімерів.

Учні уміють:

розрізняти кристалічні та аморфні тіла; досліджувати фізичні властивості: кристалічних та аморфних тіл, полімерів.

Розділ 3. Основи термодинаміки (16 годин)

Контактні методи вимірювання температури. Безконтактні методи вимірювання температури (пірометри, тепловізори, фотопірометри). Види теплообміну. Принцип роботи духової шафи. Роль теплообміну в будівництві. Адіабатний процес. Ефект Джоуля-Томсона та його практичне значення. Цикл Карто та цикл Отто. Двигуни Дизеля та Стірлінга: будова та принцип роботи. Альтернативні палива для транспорту. Холодильники та льодогенератори. Будова та принцип роботи кондиціонерів.

Демонстрації

1. Термометр та його принцип роботи.
2. Будова пірометра.
3. Модель принципу роботи духової шафи.
4. Двигуни Дизеля та Стірлінга.
5. Принципова схема холодильника та кондиціонера.

Практичні завдання

1. Вимірювання температури тіл різними методами.
2. Спостереження адіабатичного розширення газу.
3. Виготовлення моделі двигуна Стірлінга.

Учні знають:

поняття: температури, пірометра, тепловізора, фотопірометра, адіабатного процесу, ефекту Джоуля-Томсона, циклу Карно, циклу Отто, теплової машини, холодильника, кондиціонера; види: теплообміну, теплових двигунів, палив для транспорту; характеристики: засобів вимірювання температури, теплових двигунів, холодильних машин; будову: пірометру, тепловізора, духової шафи, двигуна Дизеля, двигуна Стірлінга, холодильника, кондиціонера; методи вимірювання: контактні та безконтактні; сфери практичного застосування: теплопровідності, конвекції, випромінювання, адіабатного розширення, теплових двигунів, холодильних машин; заходи безпеки під час роботи з тепловими та холодильними машинами.

Учні уміють:

пояснити: природу теплових явищ, фізичний зміст температури; пояснити принцип роботи: пірометра, тепловізора, духової шафи, двигуна Дизеля, двигуна Стірлінга, холодильника, кондиціонера; користуватися: термометрами, пірометром; використовувати отримані знання для конструювання різних видів двигунів; досліджувати властивості палива.