Розробка уроку по темі "Закон зюереження енергії"

Ознайомлення учнів з історією  розвитку знань про явища природи  в фізиці. 

На прикладі уроку по темі:

 “Закон збереження енергії”.

Тема: Закон збереження повної механічної енергії.

Мета: ознайомити учнів із законом збереження і перетворення енергії. Показати, що в замкненій системі, сума кінетичної і потенціальної енергії стала, а в незамкненій – вона змінюється на величину роботи зовнішніх сил. Узагальнити матеріал про значення законів збереження. Формувати світогляд учнів на прикладах нестворюваності та незнищуваності матерії при переході від однієї системи тіл в іншу.

Обладнання: штатив з підвішеною на динамометрі кулькою, візок для демонстрації перетворення потенціальної енергії в кінетичну, кулька, ящик з піском, чайник з кришкою, електроплитка.

Перевірка домашнього завдання. //Проводиться через фронтальне опитування учнів//.

1.                        Що розуміють в фізиці під словом енергія? //Здатність тіл виконувати роботу//.

2.                        Які види механічної енергії ви знаєте? //Потенціальна, кінетична//.

3.                        Що розуміють під потенціальною енергією? //Можливість тіл виконати роботу//.

4.                        Чи можна твердити, що підняте тіло має певну потенціальну енергію, якщо не вказаний рівень відліку? //Значення потенціальної енергії залежить від рівня відліку//.

5.                        За якою формулою визначається потенціальна енергія піднятого над поверхнею Землі тіла? //En = mgh//.

6.                        Чи можна визначати потенціальну енергію тіла за однією і тією ж формулою для різних за природою сил? //Ні//.

7.                        Чи може потенціальна енергія тіла бути від’ємною? //Може, якщо відстань від нульового рівня від’ємна. Наприклад потенціальна енергія каменя який  лежить на дні ями, відносно верхнього краю//. 

8.                        За якою формулою визначається кінетична енергія тіла? //Ек = mv²/2//.

9.                        Чи може кінетична енергія бути від’ємною? //Ні, тому що в вираз для кінетичної енергії швидкість входить в квадраті. А квадрат і від’ємного і додатного числа додатній//.

10.                   Чи залежить значення кінетичної енергії від системи відліку? //Залежить, тому що швидкість в різних системах відліку різна//.

11.                   Чи може тіло одночасно мати потенціальну і кінетичну енергію?

//Може, наприклад літак який летить на певній висоті//.

Пояснення нового матеріалу.

Сукупність тіл в фізиці називають системою. Система тіл може перебувати в різних станах. (Підручник фізики лежить на лабораторному столі скраю – один стан, після переміщення на середину стола – інший стан. Учні в класі сидять за партами в одному порядку – один стан, в іншому – другий стан). Як же можна охарактеризувати стан системи? Для цього потрібно задати розміщення всіх тіл і їх швидкості для кожного моменту часу. Якщо тіл багато то і числових значень координат і швидкостей буде дуже велике число. Цього практично зробити неможливо. Таким методом можна описати лише взаємодію двох тіл. Однак стан системи в фізиці можна охарактеризувати і однією величиною – енергією. Енергія – це загальна єдина міра різних видів руху матерії (механічного, біологічного, теплового). Процес перетворення енергії обов’язково супроводжується зміною енергії тіл, які входять до системи: в одних тіл енергія збільшується, в інших зменшується.

Саме поняття енергії було встановлене людиною і є продуктом її мислительної діяльності. Енергія не речовинна субстанція, а атрибут матерії, кількісна міра її руху, тобто одне з найзагальніших понять у фізиці. Його запровадження є результатом творчої активності багатьох вчених.

Тіло підняте над поверхнею Землі має потенціальну енергію. Якщо його відпустити воно впаде на поверхню Землі. //Демонструємо падіння кульки в посудину з піском//. Ставимо запитання до класу. Де поділась потенціальна енергія? Кудись зникла? Чи перетворилась в інший вид енергії? Частково відповідь можна отримати аналізуючи спостережувані явища природи. Розглянемо що буде відбуватись з візком на якому розміщений вантаж, перекинутий через блок і з’єднаний з колесом візка. Піднімаємо тягарець на певну висоту (надаємо потенціальної енергії). Відпустимо вантаж. Що спостерігаємо? //Відповідь учнів – візок почав рухатись//. Доки буде рухатись візок? До того часу поки вантаж не опуститься на платформу. (Потенціальна енергія вантажу відносно візка стане рівна нулю). Робимо висновок: потенціальна енергія перетворилась в кінетичну. 

Наводимо приклади перетворення енергії з одного виду в інший. Енергія пружності натягнутого лука перетворюється в кінетичну енергію стріли. Теплова енергія води в чайнику, яка кипить перетворюється в механічну енергію кришки яка періодично піднімається (проводиться демонстрація). Перетворення енергії стиснутої пружини в енергію руху кулі в пружинному пістолеті. Таких прикладів можна навести дуже багато. Досліджуючи процеси перетворення енергії в різноманітних явищах, вченими був встановлений закон який пояснює процес перетворення енергії під час взаємодії тіл. Даний закон отримав назву – закону збереження енергії.

На сьогоднішньому уроці розглянемо історію встановлення цього закону, його застосування при поясненні явищ природи. Тема сьогоднішнього уроку: “Закон збереження і перетворення енергії”. //Записуємо тему уроку на дошці//.

Закон збереження й перетворення енергії формулюється так: енергія ніколи не зникає і не виникає з нічого, вона лише перетворюється з одного виду в інший або переходить від одного тіла до іншого.

Згідно з цим законом відбувається перетворення механічної енергії у внутрішню (при багаторазовому згинанні дроту він нагрівається), електричної в механічну (в електродвигунах) чи внутрішню (електрочайник), енергії світла в механічну (автомобілі які використовують електроенергію вироблену фотоелементами) чи електричну (калькулятор). Закон збереження енергії є самостійним законом природи і з інших законів його вивести не можна. Він випливає з усієї сукупності фактів, які є в розпорядженні сучасної науки.

Закон збереження енергії дає можливість розв’язувати задачі які іншими методами розв’язуються дуже складно або зовсім не розв’язуються.

Закони збереження – це всезагальні закони, які пояснюють порядок у навколишньому світі. Вони виступають ніби загальним законодавством для всіх явищ природи. Причому законодавством абсолютним: усе, що узгоджується з цими законами, може відбуватися, а може й ні, але все, що не узгоджується те повністю заборонене. (Кулька може впасти з стола, а може й не впасти. А з підлоги піднятись без дії сили на стіл не може). Ці закони збереження є наслідком первісних фундаментальних властивостей навколишнього світу, а саме його симетрії. Зокрема, закон збереження енергії пов’язаний з майже очевидною властивістю часу – його однорідністю. Будь-який фізичний експеримент, незалежно від того, коли його виконано, - сто чи двісті років тому, вчора, сьогодні чи через тисячу років, має дати однаковий результат. Або, інакше кажучи, фізичні закони не змінюються з часом. Фізики цей висновок формулюють так: час має властивість однорідності. (Пояснити легко – математично вивести важко).

Будь-який закон має цінність лише постільки поскільки він дає можливість проникати в таємниці природи. Скориставшись законом збереження енергії, вчені змогли з’ясувати зміст найскладніших процесів, які відбуваються в біологічних системах. Незважаючи на велику складність проведення точних фізичних вимірювань на живих організмах удалося підтвердити справедливість закону збереження енергії з точністю до 0,2%.

Віра в справедливості цього закону основа на тому, що він є результатом фізичної науки, до якого йшла фізика важким, довгим, а часом і зигзагоподібним шляхом. Вся історія розвитку фізики доводить справедливість цього закону. 

Першим напрямком розвитку науки який зумовив відкриття закону збереження і перетворення енергії була ідея збереження руху. Вона була вперше висловлена ще в античну епоху. Вже тоді сформувалась впевненість в тому, що ніщо безслідно не зникає і не виникає ні з чого. Цю думку висували Демокріт , а пізніше Лукрецій Кар. Але це були лише геніальні здогади. Розвиток ця ідея отримала лише в ХVII столітті. Галілей встановлює закон інерції. Але в Галілея ще немає визначення міри руху. Цю міру руху ввів французький вчений Рене Декарт (mV). Правда в Декарта, ще не було поняття маси, він говорив про

“величину тіла”, розуміючи під цим те, що зараз виражається поняттям маси.

Гюйгенс вперше ввів вираз mV²  - прообраз кінетичної енергії. Ньютон не надавав цьому закону суттєвого значення і не вважав його універсальним – він для нього всього лише наслідок основного закону динаміки. Німецький філософ і математик Г.Лейбніц (1646 – 1716), заперечує декартову  міру руху mV як універсальну і вважає такою величину яку ввів Гюйгенс - mV², називаючи її “живою силою”. Отже, в ході розвитку механіки в XVII – XVIII ст. висувається ідея збереження деяких величин, які є мірою механічного руху. Такий перший напрямок розвитку науки, який підготовив відкриття закону збереження і перетворення енергії.

Другий напрямок був зв’язаний не з теоретичною, а прикладною механікою і полягав в постійному утвердженні думки про неможливість вічного двигуна і в формуванні поняття роботи. (не можна купити товари на 110 гр. заплативши лише 100гр.). Розглядаємо приклади “вічних” двигунів за малюнками. Пояснюємо в чому їх хибність. Зауважуємо, що в всіх випадках робота не може бути більшою ніж величина затраченої енергії. Пристрої іноді були настільки оригінальними, що не завжди можна було легко пояснити чому даний двигун не працює. Бажаючих створити “perpetum mobile” було так багато, що в 1775 році французька Академія наук прийняла рішення не брати для розгляду жодних проектів “вічних” двигунів. Томас Юнг (1773 – 1829) вперше використав термін “енергія” замість терміну “жива сила”. Отже другий напрямок розвитку фізики, який підготовив відкриття закону збереження енергії, пов’язаний з розв’язанням проблеми неможливості побудови вічного двигуна.

Третій напрямок – це вивчення перетворення одних форм руху матерії в інші і перш за все вивчення взаємозв’язку механічних і теплових явищ. Загальний закон збереження і перетворення енергії був встановлений лише в середині XIX ст. Розуміння перетворення форм руху взагалі були відсутні в фізиці XVII – XVIII ст. Причина цього – в абсолютизації вчення Ньютона. Були придумані особливого виду матерії – флюїди, які являлись носіями окремих сил: магнітних, електричних, гравітаційних і передавались від одного тіла до іншого. Однак досліди англійця Румфорда і англійця Х. Деві, Фарадея, Ерстеда, Р. Майера, Гельмгольца, Джоуля показали неспроможність теорії флюїдів.

Таким чином, остаточне встановлення закону збереження і перетворення енергії пов’язане з іменами Майера, Джоуля і Гельмгольца. В їх працях отримали відображення три сторони закону: філософсько-теоретична (Майер), експериментальна (Джоуль) і математична (Гельмгольц). Всі троє зійшлись в одному пункті – всі явища природи відбуваються так, що рух закономірним чином перетворюється із одного виду в інший і зберігається  при цьому в кількісному відношенні. 

До кінця 50-х років XIX ст. завершився період боротьби навколо закону і він став, за словами Планка, “непорушною основою всього природознавства і був прийнятий в число аксіом, які являються основою і вихідним пунктом подальшого дослідження”.

Перевіримо кількісне співвідношення під час перетворення енергії. На кожному учнівському столі знаходиться штатив з закріпленим динамометром, на якому є фіксатор (брусок пінопласту). Якщо під’єднати до динамометра тягарець (100 г) і відпустити його то він опуститься і розтягне пружину. Потенціальна енергія сили тяжіння перетворюється в енергію деформації пружини. Фіксатор відмітить відстань на яку видовжилась пружина. Ця відстань рівна висоті падіння тягарця. Знімемо тягарець. Виміряємо відстань від фіксатора до упору динамометра. Ця відстань рівна видовженню пружини (5см). //Учні проводять вимірювання. Для цього на робочих столах знаходяться штативи з закріпленими динамометрами//. Знаючи, що жорсткість пружини динамометра 0,4 Н/см , користуючись калькулятором, знаходимо значення потенціальної енергії тягарця і енергії пружності пружини.

Епот. = mgh = 0,1кг·10м/с²·0,05м = 0,05 Дж.

Епружн. = kx²/2 = 40 Н/кг·(0,05м)²/2 = 0,05 Дж.

Отже вимірювання показали, що потенціальна енергія тягарця перетворилася в енергію деформації пружини.

А тепер ще раз розглянемо падіння кульки в посудину з піском. //Демонструємо падіння кульки//. Потенціальна енергія піднятої над столом кульки перетворюється в кінетичну енергію руху. Але після падіння кулька зупинилась і знаходиться в спокої. І кінетична, і потенціальна енергія рівні нулю. Де ж поділась енергія? Вона перетворилась в внутрішню енергію кульки і піску (їх температура збільшилась), а також частина енергії витрачається на залишкову деформацію (в піску утворилась заглибина). В кінцевому випадку енергія перетворюється в внутрішню енергію (енергію руху молекул).

А тепер використаємо закон збереження енергії для пояснення явищ природи.

Закріплення матеріалу проводимо даючи учням слідуючі запитання.

1.                        Спортсмен, щоб подолати більшу висоту перед стрибком розбігається. Для чого він це робить? //За таких умов потенціальна енергія (висота стрибка) збільшується не лише за рахунок сили м’язів а й за рахунок кінетичної енергії//.

2.                        Чому футболіст, перед тим, як вибити якомога далі м’яч від воріт, розбігається? //До удару ногою, додається кінетична енергія спортсмена//.

3.                        Стиснуту пружину, зв’язали і кинули в кислоту. Кислота роз’їла пружину. Де поділась потенціальна енергія стиснутої пружини?

//Перетворилась в внутрішню. Температура кислоти підвищилась//.

4.                        Дрова винесли на другий поверх і спалили. Де поділась потенціальна енергія дров? //Кількість теплоти яка виділилась при згорянні на другому поверсі буде більшою, ніж коли б дрова згоріли на першому//.

5.                        Чому важко ходити по піску? //Частина енергії м’язів витрачається на зміну потенціальної енергії піску (утворюються сліди)//.

6.                        В одному з творів Леонардо да Вінчі є така задача: “В якому випадку гвіздок глибше ввійде в дошку: тоді, коли його забивати звичайним способом, чи тоді, коли він приліплений воском до молотка? //Коли приліплений воском. Бо на перемагання сил тертя буде витрачатися кінетична енергія і молотка і гвіздка набута під час замахування. А коли гвіздок вставлений в дошку лише енергія молотка”.

7.                        Щоб підняти яке-небудь тіло над землею потрібно виконати роботу по збільшенню його потенціальної енергії. Ця робота здійснюється в різних випадках за рахунок різних джерел. Двигун ліфта отримує енергію від електромережі, літак піднімається за рахунок згоряння палива. Але за рахунок якої енергії піднімається вверх повітряна куля? //На місце легшого газу в балоні кулі, опускається повітря, потенціальна енергія якого зменшується//.

Підсумок уроку. Вчитель оцінює знання учнів, вказує на головне в даній темі. Відмічає активних.

Завдання додому. Відповідний параграф підручника і запитання після нього.

Якщо залишився час то можна розв’язати таку задачу. На яку висоту підніметься тіло, кинуте вертикально вгору з швидкістю 20 м/с?

V =20 м/с                mV²/2 = mgh;                V²/2 = gh;          h =V²/(2g).

  h - ?                        h = 20²/(2·10) = 400/20 = 20 (м).