Охотник Галина Григорівна, вчитель фізики КЗ «СЗШ № 23» Кам'янської міської ради

 

Систематизація знань учнів і проблема дидактичних зв’язків, їх пошук та ефективне втілення у навчальному процесі

 

 

 

Викладання загальнонаукових предметів має забезпечити безперервний характер навчання, формувати в учнів цілісну наукову картину світу. Це передбачає систематизацію й узагальнення знань про природу на основі розкриття основних ідей науки (ідеї атомізму, близькодії, корпускулярнохвильового дуалізму та ін.) і еволюції фізичної картини світу (ФКС).

Як показує практика, роботу з формування наукової картини світу слід проводити систематично протягом усіх років навчання під час вивчення конкретних розділів фізики.

Учнів доцільно ознайомити з першими спробами узагальнити уявлення про світ, які були зроблені вченими ще в античну епоху. Люди здавна намагалися звести в єдину систему свої знання про навколишній світ, його будову і походження. Це намагання ґрунтувалося на тому, що всі явища, що відбуваються в навколишньому світі, пов’язані між собою.

Учнів підводять до висновку, що гіпотези стародавніх філософів щодо будови світу займають важливе місце в історії природознавства. Хоча їхні уявлення про ФКС дещо наївні і застарілі, та погляди на природу як на єдине ціле, зв’язок явищ, розвиток і неперервні зміни заслуговують на увагу і зараз.

Важливо підкреслити, що люди протягом століть шукали і продовжують шукати загальні закони природи. А. Ейнштейн писав: «людина намагається якимось адекватним способом створити собі просту і ясну картину світу. Цим займається художник, поет, філософ і природодослідник... Найвищим обов’язком фізиків є пошук тих загальних елементарних елементів, з яких... можна одержати картину світу».

На кожному етапі розвитку фізики необхідна була систематизація знань, об’єднана загальними ідеями і принципами. Така систематизація здійснюється в рамках ФКС.

ФКС – це цілісна система фундаментальних фізичних понять, законів і ідей, які відбивають усю сукупність фізичних знань на даному етапі їх розвитку.

ФКС є частиною природничо – наукової картини світу, яка, в свою чергу, входить  в загальну наукову картину світу.

 

 

Звертають увагу учнів на те, що увесь шлях розвитку фізики― це процес становлення,

розвитку і зміни фізичних картин світу.

 

Основні  питання,  які  характеризують  ФКС	Фізична картина  світу  ( ФКС )
	Механічна	Електродинамічна і релятивістська	Квантово – польова
1.                  Час  виникнення  ФКС   2.                  Імена  вчених,  які  зробили  основний внесок  у  створення ФКС     3.                  Основні  поняття               4.                  Найважливіші  принципи                         5.                  Філософські  ідеї	XVI – XVII  ст..     Г. Галілей, Р. Декарт, І. Ньютон         Матерія як  речовина (атомна,  дискретна будова)    Рух  механічний       Простір  та  час абсолютні,  незалежні один  від  одного     Принцип відносності  Галілея Закони  Ньютона Принцип  дальнодії  (миттєвість  передачі  дії) Детермінізм  Лапласа           Класичний  атомізм; механіцизм	Кінець XIX –  початок  XX ст..   М. Фарадей, Дж. Кл. Максвелл А. Єйнштейн         Матерія як  речовина  (дискретність)  та поле   неперервність) Рух                 переважно  електромагнітний Простір  та  час фізично  відносні     Принцип відносності  Галілея – Ейнштейна Рівняння  Максвелла Принцип  близькодії  (кінцевість швидкості  передачі  дії) Детермінізм  Лапласа в       поєднанні                з  елементами статистичного  підходу Еквівалентність   Континуалізм	Перша третина XX ст..   Г. Лоренц,   А. Ейнштейн, М. Планк,  Н. Бор,   Л. де Бройль,   В. Гейзенберг,   Є. Шредінгер,  П. Дірак   Матерія як  єдність речовини  та  поля (кванти) Рух описується  хвильовим   рівнянням Простір         та                    час утворюють чотирьох- мірну  симетрію     Принцип  квантування   Рівняння Шредінгера  Принцип  близькодії  (кінцевість швидкості) Квантовомеханічна  причинність  Співвідношення  невизначеностей Принцип доповнення Стихійний  діалектичний матеріалізм
6.         Основні  світоглядні  висновки	Матеріальна єдність  світу Причинна зумовленість  явищ  природи Обізнаність  світу

 

Модернізація навчання фізики пов’язана в першу чергу з тенденцією наближення змісту предмету до рівня сучасної науки, тому вона потребує при побудові шкільного курсу максимального поєднання основ класичної і сучасної фізики, поступового введення в традиційний учбовий матеріал нових ідей і термінології, методів дослідження, загальних концепцій для вироблення в учнів нового стилю мислення. З цією метою при структуруванні курсу фізики для середньої школи використовується в поєднанні як логіко-історичний, так і системно-структурний підхід.

Перший з них проявляється в тому, що в програмі і в підручниках враховується той факт, що науковість викладання тісно пов’язана з відображенням у свідомості учнів етапів наукового пізнання матеріального світу. Тому структура учбового матеріалу традиційно зберігає послідовність історичного розвитку ідей фізики.

Другий (системно-структурний) підхід значно збагатив програму фізики, дозволив раціональніше та ефективніше побудувати весь курс та порівняно самостійні в ньому розділи. При структуруванні враховується, що наукові факти, поняття, закономірності, методи дослідження, теорії та ідеї складають сутність основ науки та їх можна виділити в якості головних логічних одиниць (структурних елементів), що являються елементами загальної конструкції  курсу та поєднуючих весь учбовий матеріал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здогадка ― це важлива ланка розв’язання творчих задач з фізики. Крім того, це ще й спосіб розуміння. Щоб настроїти свідомість учня на здогадку, потрібний інтерес, який мобілізує увагу. Тоді утворюються нові асоціації, а знання, що є в пам’яті учнів, актуалізуються відповідно до контексту навчальної задачі. Потім виникає стан шукання, викликаний створеною конкретною ситуацією. Тоді послідовність операцій, які приводять учнів до здогадки, можна подати так:

 

 

 

Трапляються випадки, коли після здогадки задача відразу перестає цікавити учня: він впевнений, що розв’язав її. Але виразити словами остаточну думку, зробити висновок, вказати конкретне рішення учень не може. Щоб уникнути цього, слід додержувати певної послідовності операцій після здогадки. Вибір саме такої послідовності потрібний для того, щоб відновити емоційну стійкість учнів після здогадки. Цю послідовність можна записати так:

 

 

 

 

Теоретичні узагальнення в фізичній науці відносяться до декількох різних рівнів:

•      Узагальнення на рівні окремих фізичних понять (швидкість, маса, сила, робота, енергія...);

•      Узагальнення на рівні окремих законів (закон Ома, Кулона, Джоуля-

Ленца...);

•      Узагальнення на рівні фізичних теорій (класична механіка, електродинаміка та ін.);  Узагальнення (якісні) на рівні єдиної фізичної картини світу.

 

 

Узагальнення знань учнями є важливою умовою глибокого засвоєння навчального матеріалу, створює міцний фундамент для розширення знань, забезпечує розвиток мислення. Якість засвоєння узагальнених знань визначається метою, засобами і способами узагальнення в системі навчальної діяльності.

Під час вивчення фізики значну увагу приділяють розгляду різних величин і законів, завдяки чому створюються сприятливі умови для узагальнення знань у процесі розкриття їх змісту і встановлення зв’язків між ними.

На початковому етапі вивчення фізики користуються індуктивним методом, але пізніше його треба поєднувати з дедуктивним. Це дає можливість формувати як емпіричний, так і теоретичний типи мислення, істотно прискорити практичне застосування знань учнями.

При узагальненні знань з фізики за допомогою індуктивного методу порівнюється ряд окремих явищ певного класу для знаходження в них спільного. Як правило, в цьому разі узагальнення завершується побудовою порівняльних таблиць тієї чи іншої форми, які містять у собі систематизовані знання. Якщо навчальний матеріал узагальнюється з використанням дедуктивного методу, то із загального, властивого цілому класу явищ, виділяються окремі явища. Такий підхід найчастіше реалізують, визначаючи часткові співвідношення із загальних, які є аналогічною формою запису фізичних законів та їх фізичної інтерпретації.

Як показує аналіз літературних джерел і практики навчання, узагальнення знань традиційно розглядають як кінцеву мету вивчення певного класу явищ, окремої теми або розділу курсу фізики. Однак кінцевою метою всієї пізнавальної діяльності людини є також успішне розв’язання різних практичних завдань наукового або виробничого характеру.

Отже, узагальнення знань з фізики слід розглядати не тільки як засіб формування цілісної картини розглядуваних явищ, а й як засіб підготовки учнів  до розв’язування задач, спочатку навчальних, а потім — науково-виробничих; узагальнені знання мають стати засобом розв’язування задач. У цьому разі критерієм якості узагальнення знань є не запам’ятовування і пригадування, а в першу чергу операційна ефективність у застосуванні до аналізу конкретних фізичних ситуацій.

Орієнтація на розв’язання задач під час узагальнення знань відповідає також вимогам психології навчання: знання, які були метою навчальної діяльності, застосовані потім як її засіб, засвоюються глибше.

 

Відповідно до видів узагальнення за змістом можливі два способи побудови класифікаційної схеми.

 

Перший спосіб — знайти спільне в окремих співвідношеннях, побудувати загальне співвідношення і застосувати його до класу явищ. Його реалізують, застосовуючи індуктивний метод (наприклад, виводять рівняння першого закону термодинаміки на основі узагальнення рівняння теплового балансу та закону збереження механічної енергії). У цьому разі на початковому етапі класифікаційна схема має вигляд структури, яка центрується. Вона хоч і зручна для запам’ятовування, однак в операційному відношенні малоефективна.

Тому доцільно інверсувати схему, переорієнтувати в ній структурні зв’язки на протилежні. При цьому співвідношення, знайдені раніше на основі аналізу емпіричних матеріалів, стають наслідком розкриття одного або кількох загальних (основних) співвідношень.

 

Другий спосіб — виділити часткові співвідношення із загального. Його застосовують найефективніше тоді, коли навчальний матеріал розділу вивчають на основі дедуктивного методу (наприклад, кінематику рівноприскореного руху, процеси в ідеальних газах тощо). Класифікаційна схема в цьому разі набирає вигляду розгалуженої структури, зручної для застосування під час розв’язування задач.

 

Для формування в учнів наукового стилю мислення на основі учбового змісту предмету важливе значення має систематизація, класифікація та узагальнення фізичних понять та закономірностей. Здійснення цих логічних операцій розвиває в учнів фізичне мислення, дозволяє їм усвідомити етапи побудови та сутність сучасної фізичної картини світу.

Розуміння та засвоєння кожного поняття пов’язані з визначенням його місця в системі інших фізичних понять. Будь-яке поняття, якщо його відірвати від інших і не визначити його місця та взаємозв’язки з іншими поняттями, залишається не засвоєним, незрозумілим та зникає з пам’яті. А якщо це поняття основне, то подальша побудова системи понять в даному розділі чи розділі фізики стає неможливим. Але якщо учень уміє встановлювати зв’язки між поняттями, систематизувати їх, йому легко виявити причинно-наслідкові зв’язки фізичних явищ.

У формуванні основних понять курсу фізики велику роль відіграє і їх класифікація, так як вона дозволяє учням легко, не втрачаючи лишнього часу, засвоювати споріднені поняття. Класифікація дозволяє їх розмежовувати та вірно користуватися поняттями, об’єднаними в єдину систему.

Вирішальне значення для формування понять має узагальнення, при

якому уточнюється їх об’єм і зміст.

 

 

 «На  кожній  стадії  ми  намагаємося  знайти  пояснення,   яке знаходиться у згоді з уже відкритими ідеями»

  А.Ейнштейн        

 

Приклад систематизації, класифікації та узагальнення понять в розділах «Кінематика» та «Динаміка» показано на схемі. Систематизація понять та законів в цих розділах відіграє важливу роль як для осмислення закономірностей, які вивчаються, так і для їх запам’ятовування. Завдяки систематизації у школярів розвивається аналітико-синтетичне мислення та вироблюється уміння швидко розкривати причинно-наслідкові зв’язки.

 

 

 

 

«Кто  не  знаком  с  законами  движения, тот   не  может  познать  природы»

Галилео   Галилей

 

 

В кінематиці систематизацію учбового матеріалу зручно проводити у

відповідності з видами траєкторії.

 

 

Рівномірний прямолінійний рух	r 	r rconst a  0
Прямолінійний рівноприскорений рух	r r                      a 	r  –  збільшується r a const
Прямолінійний  рівноуповільнений рух	r   r                   a 	r – зменшується r a const
Рівномірний рух по колу	 a	r  – змінюється  тільки за  напрямком, =const 2                     a   const R
Прискорений рух по кривій  лінії	r                                                 a	r  – збільшується  і змінюється  за  напрямком, вектори a   та   r r утворюють гострий  кут
Сповільнений рух по кривій  лінії	r  r               a	r  – зменшується  і змінюється  за  напрямком, вектори    a    та  r r утворюють  тупий  кут

 

 

 

«Наука  починається  тоді, коли починають  вимірювати» Д. І. Менделєєв

Навчальний експеримент виступає одночасно як метод навчання, джерело знань і засіб навчання. 

Навчальний експеримент безпосередньо зв'язаний з науковим фізичним експериментом, під яким розуміють систему цілеспрямованого вивчення природи шляхом чітко спланованого відтворення фізичних явищ в лабораторних умовах з подальшим аналізом і узагальненням одержаних за допомогою приладів експериментальних даних. Від спостереження експеримент відрізняється активним втручанням у хід фізичних явищ за допомогою експериментальних засобів.

 

Структурно- логічна схема виконання роботи

 

 

 

 

 

 

 

Особливості розв’язування задач з кінематики

 

Задачі в кінематиці поділяються на два типи:

Ι тип – за відомими значеннями швидкості (прискорення) визначити рівняння руху тіла.

 

ΙΙ тип – за відомими рівняннями руху тіла визначити параметри його руху, тобто знайти координату, переміщення, швидкість або прискорення.

 

Під час розв’язування задач кінематики необхідно:

 

1.           Уважно вивчити умову задачі, її зміст і запитання.

 

2.           Проаналізувати дані і встановити доцільність зведення їх до певної системи одиниць (СІ).

 

3.           Визначити тип задачі (якісна, обчислювальна).

 

4.           Зробити короткий запис умови задачі за допомогою умовних позначень і вхідних даних в обраній системі одиниць.

 

5.           Встановити характер руху (рівномірний, рівнозмінний) і його вид (прямолінійний, криволінійний, обертальний), обрати тіло відліку і напрями осей координат так, щоб математичні описання були якомога простішими.

 

6.           Виконати малюнок в обраній системі координат, вказати напрями переміщення, швидкості і (або) прискорення. Малюнок слід виконувати акуратно з дотриманням (по можливості) масштабу і основних правил креслення, оскільки правильність та чіткість малюнка визначає можливість аналізу наступної  дії.

 

7.           Спроектувати на координатні осі вектори переміщення, швидкості або прискорення і записати закон (рівняння руху в загальному вигляді).

 

8.           Виконати математичні перетворення виразів для визначення шуканих величин.

 

9.           Визначити одиницю фізичної величини та її числове значення.

 

10.       Проаналізувати знайдені результати.

 

11.       Записати відповідь та її короткий фізичний зміст.

 

Фізична  величина	Прямолінійний  рух		Круговий  рух
	рівномірний	рівноприскорений
Переміщення, шлях ( S );  [ м ]	S = υt	at2            S 0t   2 2 02 0 t     S                                    2a             2	S Rt S  2Rn
Час  ( t ),            період  ( T );  [ с ]	S                     t   	2S t00  a	1                       T   
Швидкість ( υ );    [ м ] с	S  t	0  at	R  2R
Кутова  швидкість ( ω );  [ рад       ] с			                         t  2
Прискорення   ( а ),  прискорення вільного  падіння   ( g );  [ м 2 ] с		                  a  0 t 2 02 a  2S	2 a  R
Висота  ( h );   [ м ]		qt2               h 0t   2 2 02 h  2q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На уроках фізики учні мають набути основних умінь і навичок розв’язування графічних задач. Найбільш поширеним типом таких задач є задачі на читання і побудову графіків. У курсі механіки – це графіки залежності кінематичних величин від часу, сили пружності від деформації; у молекулярній фізиці – це графіки залежності між основними параметрами стану газу, визначення роботи газу за допомогою графіку залежності тиску від об’єму.

Учні 8-го класу, наприклад, під час вивчення теплових явищ повинні навчитись читати графіки зміни температури тіла при нагріванні, плавленні, пароутворенні; учні 11-го класу під час вивчення світлових явищ мають уміти будувати зображення предмета в плоскому дзеркалі і в тонкій лінзі.

Як відомо, розв’язування різних типів задач – процес творчий, який може бути забезпечений тільки тоді, коли учні міцно засвоять теоретичний матеріал і оволодіють основними прийомами розв’язування задач. У цьому значну допомогу учням подає алгоритмізація розв’язування графічних задач.

                                               

 

 

 Вибравши масштаб,  побудувати графіки  залежності швидкості

 

        від часу  на  кожній  з          ділянок. З’єднайте  їх             між собою.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«...Поняття  є  дороговказною  зорею в  приголомшуючому  хаосі сприйнять

і  навчають  нас  здобувати  загальні  істини  з  окремих спостережень»

А. Ейнштейн

Вивчення руху тіла, кинутого під кутом до горизонту

 

Формування будь-якого поняття має будуватися на принципах дидактики. Саме така послідовність відповідає принципам науковості й наступності. Так, у кінематиці вивчаються лінійні рухи без пояснення причин, що викликають ці рухи, а саме дії сил. Приступаючи до вивчення динаміки, варто повернутися до вивченого раніше з метою мотивації введення поняття сили. Для цього слід наголосити, що сила – це причина зміни швидкості. Оскільки швидкість – векторна величина, тепер необхідно проаналізувати різні випадки руху тіл, врахувавши, що вид руху визначається напрямом початкової швидкості. Зокрема:

 

1) якщо вектор сили і швидкості колінеарні, то сила викликає лише зміну модуля швидкості, при цьому напрям руху збігається з лінією дії сили – рух

                                                                                                                         r      r

прямолінійний: прискорений (F і _ збігаються за напрямком) чи

                                                                        r         r

сповільнений (F і _ – антипаралельні). У випадку сталої сили – рівноприскорений і рівноуповільнений відповідно;

 

                                                                                           r                           ^r

2) якщо вектори сили F і швидкості _ – взаємно перпендикулярні, то

r

змінюється лише напрям швидкості – рівномірний (за умови F =const) рух по колу;

 

                                                                                    r                       ^{r                                                               0};

3) якщо вектори сили F і швидкості _ напрямлені під деяким кутом γ (γ ≠ 0 90⁰; 180⁰), то сила змінює і напрям, і модуль швидкості – траєкторія руху буде криволінійною – криволінійний рух.

 

Відповідно для лінійного руху треба сформувати поняття про тангенціальне прискорення, для руху по колу – поняття нормального прискорення, а в третьому випадку – як тангенціального, так і нормального прискорень.

 

Найсуттєвішими елементами базових знань при цьому є такі:

 

1)    будь-який  криволінійний рух розглядається як складний, що є результатом прямолінійних рухів: рівномірного (вздовж дотичної до траєкторії) – руху за інерцією та прискореного вздовж лінії дії сили;

 

2)    криволінійний рух – це рух, спричинений дією зовнішніх сил, тобто головну роль відіграє динамічний аспект руху.

 

Такий підхід приводить до спрощення процесу усвідомлення учнями характерних ознак руху і водночас дає змогу простежити причинно-наслідкові зв’язки та взаємозумовленість між кінематичними і динамічними величинами, тобто сформувати цілісність явища в його розвитку.

 

 

Спираючись на знання учнів з кінематики, записуємо рівняння руху в

горизонтальному напрямі.

 

 

у                        Рух   уздовж  Ох

↓           

Сили  не  діють                      g                            ↓                                       Рух   рівномірний                                                    ↓                                        _х _ох  const

↓

Рівняння  руху

                          ↓               ↓        

r

₀ x  x_o _xt x _xt

при   t = 0,            t  ( 0; )

r                                х₀ = 0                  ― час  польоту ₀

О х                      υ_х

 

 

 

 

 

 

y

Траєкторія  руху  тіла

 

Координата  точки  кидання

х₁ = 0                                   

Координата  точки  падіння

⁰² sin2 x₂ 

q

                                

відстань  від  точки  кидання

до  точки  падіння  ―  дальність  польоту  ( L )

                                                                        

_в.п.  ⁰² sin2^ y                                                            L 

q

r

₀

α

            0  x1                        х_в.п.         х2 = L     х

 

 

Рівняння траєкторії  ( виведення )

x  t y  t 

 

 

 

 

q y   20 cos2  x2  tq x ―

 

                                                                                                  ― рівняння                   

траєкторії  руху  тіла        y  ax²  bx  c ―  рівняння  параболи

 

Висновок: траєкторія руху тіла ― парабола, вітки параболи напрямлені

донизу

 

 

 

 

 

 

y                         Рух  уздовж  Оу

↓

r

Діє сила  тяжіння  F_тяж

r                   q ↓

r

Рух з  прискоренням  q

↓ q = const

↓

      Рівняння руху                               

qt²

              y  y₀ _0yt   при  t = 0,  y₀ = 0

2

r    _0у ₀ qt²

             y _0yt  при  t 0;  ―  час  польоту

2

α

0 х                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координати  

       у                 найвищої точки  траєкторії

 

             x_в.п.        y_в.п.                  

2q

r                  q ↓ у_в.п. ―  максимальна  висота  піднімання  тіла

 

⁰² sin

H 

2q

у_в.п.=Н                              А

r

₀

α          

0     х₁                                                   L x                   

L

               

2

 

 

 

q y   2                 02 cos2  x2  xtq

 

                                                         ―  рівняння траєкторії  руху  тіла

 

 

 

 

 

 

Рух тіла, кинутого горизонтально

Окремий випадок руху тіла, кинутого під кутом до горизонту

 

            у Час  польоту  тіла    t           

Дальність  польоту  L ₀

r

₀

^{y в}

             Н                                            Для довільного  моменту  часу  польоту  tq_{       }     

x 0

r

_г

 

α                                    ₀²  q²t²

                                                                                    r              r

_в 

 

          

0                                                        L            x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особливості розв’язування задач динаміки

 

Під час розв’язування задач динаміки слід враховувати, що задачі

динаміки поділяються на два типи:

 

                   Ι  тип – за відомими значеннями сил, що діють на тіло, необхідно встановити рівняння руху;                    ΙΙ  тип – за відомим рівнянням руху знайти сили, що діють на тіло.

 

Для розв’язування задач динаміки використовуються закони Ньютона і кінематичні закономірності. У задачах динаміки вважається, що вся маса тіла зосереджена в центрі мас тіла, тобто тіла вважаються матеріальними точками. Якщо в задачі не обумовлено інакше, то нитки, стержні, троси вважаються нерозтяжними і невагомими, тобто зв’язані ними тіла мають однакові прискорення, а сила натягу в усіх точках троса або стержня однакова.

 

Етапи розв’язування задач динаміки мають такі особливості:

 

1.     Побудова моделі фізичного явища повинна супроводжуватися схематичним малюнком, на якому слід вказати сили, що діють на тіло (по можливості з дотриманням масштабу), а також напрямки прискорення і швидкості;

 

2.     Обирати напрями осей системи відліку слід так, щоб хоча б одна з них співпадала з напрямом прискорення;

 

3.     Записати ΙΙ закон Ньютона у векторній формі та у проекціях на осі системи координат треба для кожного тіла окремо.

 

Якщо у системі діють сили тертя, то необхідно записати вирази, які

пов’язують ці сили із силами нормальної реакції відповідних опор.

 

Досвід показує, що учні натрапляють на значні труднощі під час вивчення законів динаміки та розв’язування відповідних задач.

Оскільки глибоке розуміння законів динаміки сприяє розвитку фізичного мислення учнів, слід в своїй практичній роботі надавати особливого значення вивченню цього розділу, а під час розв’язування задач прищеплювати навички аналізу та логічного мислення, раціонального записування формул і обчислень.

 

         

 

 

У процесі узагальнення теми «Основи динаміки» необхідно повторити закони та доречно скласти таблицю.

 

 

 

Перший  закон Ньютона		Другий закон  Ньютона	Третій  закон  Ньютона
1. Розглядає стан  спокою  та  рівномірного прямолінійного  руху за  умови,  що  сили  не  діють		1.   Вводить: •      силу як  причину  зміни  швидкості  тіл; •      масу  як  міру  інертності  тіл	1.   Розглядає систему  взаємодіючих  тіл,  дає  можливість  розв’язувати  задачу одночасного  руху  взаємодіючих  тіл
2. Встановлює основні  властивості простору й  часу  однорідність         ізотропність	— та	2.  Встановлює зв’язок  між  силою  та  прискоренням: r         r F  ma r       r     r     r           r F  F1  F2  F3  Fn        — рівнодійна  сил,  які  діють  на  тіло;  напрям прискорення  збігається  з  напрямом             рівнодійної  r сили. Якщо  F  0, то  r                    r a  0,  const, що  відповідає  рівномірному  руху.	2.  Сили взаємодії  виникають  парами,  є  силами  однієї  природи,  вони  прикладені до  різних  тіл,  рівні  за  значенням  і  протилежні  за  напрямком r          r F1  F2
		3.  Дає  можливість розв’язувати  пряму  й  обернену задачі  динаміки  в  разі  руху  одного тіла	3.  Виявляє закон  діалектики  —  закон  боротьби  та  єдності  протилежностей
		4.  Виражає причинно – наслідковий  зв’язок  у  природі:  сила  —  причина,  прискорення —  наслідок

 

 

 

 

 

Після розгляду законів динаміки необхідно повторити види сил та скласти таблицю.

 

Сили	Природа  сил	Формула закону	Залежність сил  від параметрів	Напрям сил
Сили пружності контактні	Електромагнітна Причина  виникнення: зміщення  частинок тіла однієї  відносно  іншої, обумовлене взаємодією атомів і молекул	Закон Гука Fx= – kx	Від координат окремих частинок деформованого тіла	Проти зміщення частинок тіла
Сили  тертя контактні	Електромагнітна Причина виникнення: 1. Шорсткість  поверхонь  тіл 2.  Взаємне           притягання     молекул (атомів)     стичних  тіл	Сила тертя  спокою Fтер ≤ μспN Сила  тертя  ковзання Fтер. к.=μкN N	Від швидкості тіл	Протилежно напряму швидкості тіла  відносно поверхні
Гравітаційні сили  діють при  безпосередньому контакті  та коли  його  немає	Гравітаційна Причина виникнення: наявність гравітаційних полів	m m           F  G 1 2 2 R	Від відстані між  тілами	Вздовж  лінії,  яка сполучає центри  тяжіння взаємодіючих об’єктів – центральні сили

 

 

 

 

 

 

 

 

Природа  сил

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формування обсягу і змісту поняття «сила» в механіці

 

1.                        Початковий етап. Вводяться, розглядаються і фіксуються як означення якісні характеристики сили, розуміння яких доступне учням на базі раніше вивчених фізичних явищ, понять і фактів:

 

•          сила ― фізична величина;

•          сила ― причина зміни швидкості;

•          сила ― причина деформації;  сила, подібно до швидкості, має напрям.

 

 

2.                        На другому етапі обсяг і зміст поняття «сила» розширюються й поглиблюються:

 

•          розглядаються два види сил (сила тяжіння і сила пружності);

•          вводиться одиниця сили;

•          розглядається зв’язок між силою тяжіння і вагою тіла;  наводяться варіанти конструкцій приладів для вимірювання сили.

 

3.                        Як окремий етап виділяється поняття «векторні величини» і на базі цього стверджується, що:

 

•          сила ― векторна величина;  дія сили на тіло залежить від її модуля, напрямку і точки прикладення.

 

4.                        На заключному етапі вводиться поняття «рівнодійна сила» і розглядається додавання двох сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Елементи і зв’язки поняття «сила»

 

 

 

 

 

Дидактична модель процесу формування поняття «сила» в механіці

 

Етап	Елемент моделі	Елемент моделі поняття  ”сила”		Тема за   підручником  ( клас )
Вступ  до поняття	1.  Конкретно – чутливе  сприйняття	Поняття  „сила” бере  початок  з уявлень  про  м’язові  зусилля  людини		Сила ( 7 )             Сила  тяжіння,  сила  пружності. Одиниця  вимірювання  сили. Сила ― векторна  величина.  Динамометр
	2.   Аналіз властивостей  і  відношень,  що  приводять  до  виділення  ознак  поняття	Сильний          ―         слабкий  ( метод  порівняння ). Сила ― причина  зміни  швидкості  тіл
	3.               Синтез           ознак  ( формування  основного  змісту  поняття )	Сила ― міра  взаємодії.  Види  сил.  Як можна  вимірювати  силу
	4. Виділення  класу  поняття  ( формування  знань  про  його  обсяг )	Сила ― фізична  величина.  Вимірювання, позначення.  Одиниці  вимірювання.  Розмірність.  Сила ― векторна  величина
Визначення місця поняття „сила”  в системі фізичних понять	5.   Встановлення кількісних  і  якісних  зв’язків  поняття  „ сила „  з  іншими  ( формування повного  змісту  поняття )	Формула  для  визначення  сили. Зв’язок  з  іншими  фізичними  величинами		Сила  тяжіння.  Вага тіла.  Сила  пружності.  Сила  Архімеда
Закріплення  й поглиблення знань  про  зміст  та  обсяг  поняття  „сила”	6.   Затвердження ознак  понять,  вивчення  родових  і  видових  понять	Аналіз  сили  як  векторної  величини.  Як визначити  векторну  величину.  Правила  складання  сил		Сила ― векторна  величина.  Складання двох  сил,  напрямлених вздовж                     однієї  прямої  ( 7 ). Складання  векторів  ( 9 )
	7.   Затвердження ознак  методу  змісту  та  обсягу  поняття,  що  приводить  до  класифікації видових  понять	Види механічних  сил.  Формули  для  визначення  різних  сил
Застосування поняття  для пояснення  явищ реального  світу та розв’язування практичних задач	8.                      Конкретизація застосування  поняття	Розв’я тем: 1. 2. 3. 4. 5.	зування        задач      з  Сила            тяжіння. Вага тіла. Складання  двох  сил, напрямлених  вздовж  однієї  прямої.  Рівнодійна  сила. Тиск твердих  тіл.  Визначення                  сили  через  тиск. Сила  Архімеда. Визначення  сили,  якщо  відоме  значення роботи	Сила тяжіння (7)   Складання  сил  (7)         Тиск  ( 7 )       Робота  ( 7 )

 

Етап	Елемент моделі	Елемент моделі поняття  „сила”	Тема  за  підручником (клас)
		1.      Другий                         закон  Ньютона. 2.      Визначення гравітаційної  сили  взаємодії  між  тілами. 3.      Вертикальний рух  під  дією  сили  тяжіння. 4.      Рух тіла,  кинутого  під  кутом  до  горизонту. 5.      Рух тіла,  кинутого  горизонтально. 6.      Сила  пружності. 7.      Вага тіла,  що  рухається  з  прискоренням. 8.      Рух тіл  під  дією  сил  тяжіння  і  пружності. 9.      Рух кількох  зв’язаних  тіл. 10.  Рух тіла  під  дією  кількох  сил.	Закон класичної  механіки ( 9 )
Формування універсальної картини  світу	9.  Систематизація поняття  на  базі  теоретичного  узагальнення	Узагальнення           поняття „сила” у  вигляді  схеми	Сила, другий  закон  Ньютона  ( 9 )

 

Якісне засвоєння обсягу і змісту будь-якого поняття, в тому числі поняття «сила», досягається за умови реалізації процесу навчання з урахуванням таких компонент, як аналіз і синтез, на базі яких складені схема й таблиця. Подання поняття «сила» у вигляді схеми дає змогу наочно зобразити всі зв’язки й елементи поняття і дати повну характеристику цьому поняттю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рух під  дією  однієї  сили

 

Вид руху	Пояснювальний рисунок	Основне рівняння  і  його  проекції  на  Ох;  Оу
Рух  тіла  під  дією  сили ваги          ( по  вертикалі )	r	υ0 = qt,  тому  що  υ = 0  t   0 ,  υ = υ0 – qt, q 2                             hm   2q
Рух  тіла  під  дією сили  ваги   ( тіло  кинуте під  кутом  до  горизонту ) ― тіло  бере  участь  у двох  рухах:  по  х ―  рівномірно;  по  у  ― прискорено	у     q          υy        A     rх                    hm rх                   r                   r 0 у α   0 x	0х 0 cos, oy 0 sin, qy  q , qt2                   y 0tsin         . 2  x2 y2 у  будь –  якій  точці, де х 0 cos, y 0y  qyt , y 0 sin qt , 2 sin tпольоту          0 , q 2 sin 2                      hmax  0 , 2q 02 sin2 S  q
Рух  тіла  під  дією сили  ваги   ( тіло  кинуте  горизонтально ) ― тіло  бере  участь  у двох  рухах:  по  х ―  рівномірно;  по  у  ― прискорено	r0 x   rх                  q rу r h y                 S	S 0t, x xt, qt2        q t 2 h   , y   , tпадіння  , S  ,    ,  де  q  qy , х 0, у  qyt
Рух  тіла  під  дією  сили  ваги   ( ІСВ  на  орбіті )	r            r Fт Fдоц М т                                         аrдоц	2                           a  , R  h                           r       r Fm Fдоц, Mm Fm  G 2 , R  h Fдоц а    , т 2  M h  G Rh2 R

 

Рух під  дією  декількох  сил

 

Вид руху	Пояснювальний малюнок	Основне  рівняння  і  його  проекції на  Ох;  Оу
Рух по  прямій  поверхні	у аr r N             r                            r       Fтер Fт х r               mq	r     r       r      r      r Fт Fтер Nmqma Ох: Fт  Fтер  ma Оу:  N  mq
Рух  по  похилій  площині	у               аr                        r            r             N Fт х r       Fтер          mqr	r     r       r      r      r Fт Fтер Nmqma Ох: Fт  Fтер  mqsin ma Оу: N  mqcos 0
Рух  угору  і  вниз  під  дією  сили  пружності	у                               r                  r Fпр Fпр аr аr     mqr mqr а)                б)	r        r      r Fпр mqma а) Оу:  Fпр  mq  ma F  mq  a б) Оу:  Fпр  mq  ma F  mq  a

 

Увігнутий  та  опуклий  міст	у                аr r                                   N r                    N r r r mq   r   r            mq а а)                б)	r      r      r N  mq  ma m а) Оу:  N  mq  2 R m2 б) Оу:  N  mq      R
Обертання  тіла  на  мотузці ( „мертва  петля” )	r      r                    mq r Т аr                       аr r Т          у r mqr	r      r      r T  mq  ma верх m2                     Оу: T  mq  , R низ m2                   Оу: T  mq   R m2                            T  mq   R
Автомобіль  на  повороті   ( тіло  на  обертовому диску )	у r N r                                 а F r      N mq r r          а Fтер                      х    mqr	r       r r           r NmqFтер ma Ох: N  2 m R Оу: N mq
Конічний маятник      ( вагон  на  повороті )	у                                   у    α                                N r T a х          ar х       mqr mqr	r      r      r Т  mq  ma m2                       Ох: T sin   R Оу: T cos mq
Велосипедист  на повороті   ( куля  в  обертовому  конусі )	у r   у N N ar х a       х                                               mq mqr	r      r      r N  mq  ma m2                       Ох: N cos   R Оу: Nsinmq
Рух  зв’язаних  тіл	у      T                T               ar ar   m1qr m2qr	r r         r m1q T  m1a                                      r r         r m2q T  m2a   Ох: T m1q  m1a T m2q  m2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особливості розв’язування задач статики

 

Під час розв’язування задач статики треба враховувати, що тіла розглядаються в стані рівноваги, тобто за відсутності механічного руху. Методами статики можуть розглядатися умови рівноваги сил і в рухомих системах відліку.

 

Якщо тіло не обертається, а може рухатися тільки поступально і при цьому знаходиться в рівновазі, то рекомендується така послідовність розв’язування задач.

 

1.     Виконати малюнок, вказавши на ньому всі сили, що діють на тіло або матеріальну точку. Вектори сил на малюнку бажано виконувати з дотриманням масштабу.

 

2.     Обрати систему відліку. Напрями осей координат обрати так, щоб було зручно визначати проекції сил, що діють на тіло.

 

3.     Записати рівняння рівноваги. Якщо сил не більше трьох, то зручно побудувати трикутник сил і, використовуючи теорему Піфагора, синусів або косинусів та інші властивості трикутника, знайти невідому величину.

 

Якщо тіло має вісь обертання, треба:

 

1.     Виконати малюнок, вказавши на ньому сили, і позначити лінії дії сил.

 

2.     Скласти рівняння моментів сил. Якщо вісь обертання за умовою задачі не задано, треба вибрати таку точку тіла, яку можна при розгляді умови рівноваги вважати нерухомою. Через цю точку провести вісь, відносно якої визначити обертальні моменти з урахуванням їх знаків.

 

3.     Записати рівняння моментів сил (умову рівноваги тіла).

 

4.     Розв’язати складену систему відносно невідомої величини.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклади рівноваги

 

Рухомий  блок	r F1 L                            d2         d1  r F2	Правило моментів F1 ∙2d = F2 d,                      F     F Сила  дорівнює  половині  навантаження А п = F1 L A 3 = F2 h
Кронштейн	F                х F     mq   у	Умови рівноваги               r    r       r F1  F2  mq  0 Ох:   F1  F2 cos 0 Оу: mq  Fsin 0 F1  F2 cos mq  F2 sin
Вантаж   на  тросах	у                    Fr1 Fr2 0                    х mqr	r     r       r F1  F2  mq  0 Ох: F2 cos F1 cos 0 Оу: F1sin F2 sin mq  0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особливості розв’язування задач коливального руху

 

Під час аналізу умови задачі слід визначити, яким є характер коливального руху, тобто яким рівнянням він описується. Якщо закон руху в задачі явно не описано або його треба визначити (пряма задача динаміки), то слід розглядати сили, що діють між тілами, які входять до коливальної системи. Наявність сил тертя, як правило, змушує робити додатковий аналіз щодо застосовності формул гармонічного руху. Слід також з’ясувати, чи змушуючи сила є квазіупружною, тобто чи описується її залежність від координати рівнянням, подібним до закону Гука (F = – kx), і для яких значень зміщення x цей закон справджується. Роль квазіупружної сили може відігравати рівнодійна сили всесвітнього тяжіння і сили пружності (математичний маятник, коливання рідини у сполучених посудинах), електростатична сила, рівнодійна кількох сил різної природи. Обов’язковими умовами виникнення коливального руху є виникнення сили, напрямленої до положення рівноваги (у сторону, протилежну зміщенню тіла), та наявність у тіла (або системи тіл, що приймають участь у коливаннях) інертних властивостей.

 

Властивості тіл і силових полів, якщо в задачі не обумовлено інакше, приймаються такими: пружини невагомі й абсолютно пружні, тобто жорсткість їх не залежить від видовження; силові поля – однорідні й потенціальні; тіла – матеріальні точки; стержні, нитки, на яких підвішено або закріплено тіла, – нерозтяжні й невагомі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогія  між поступальним  і  обертальним  рухами

 

Назва  рівнянь  та фізичних  величин	Поступальний рух	Обертальний рух
Система кінематичних  рівнянь  руху	at2                S  S0 0t   2 0  at a=const	t2                  0 0t    2 0 t const
Причина руху	r F –  сила	r M – момент  сили
II закон  Ньютона	r      r F  ma	M  J
Міра інертності	т – маса	N          J  miri2 – момент i1 інерції
Кількість руху	r       r pm – імпульс	L  mR –  момент r імпульсу
Зміна  кількості  руху	r              p      r   F –  II  закон t Ньютона	L      r   M – основне t рівняння динаміки обертального  руху
Закон  збереження кількості  руху	Закон  збереження  імпульсу: p=const	Закон  збереження  моменту імпульсу: L=const
Кінетична енергія	Ek  2 m 2	J Ek  2 2
Теорема  про  зміну кінетичної  енергії	m22        m12                Ек                                          2          2	J22         J12                   Ek                                             2         2
Робота	A = FS	A = M∆φ

 

 

Гармонічне  коливання:  x  Asint ₀ 

 

Період  ( Т ),   частота  (ν )  і  циклічна  частота ( ω )  зв’язані  співвідношеннями:            

 _ 1 ;         2_; Т _ ^2; Т 2_ ; T  2_ ^m

                      Т                                                                            k

 

 

 

 

 

 

Закони збереження  в  механіці

 

 

 

Структурно – логічна  схема  до  теми  

«Закони  збереження  у  механіці»

 

 

 

 

 

Застосування законів  збереження  у  побуті  і  техніці

 

Зіткнення  тіл  ( непружний  удар )	r1 r2      т1 т2                                          х		Закон збереження  імпульсу r    r        r т11 т22 т1 т2                 r       r r т11 т22  т1 т2 ОХ : т11 т22 т1 т2
Настільний теніс			Рух  кульки  по складній  кривій.  Обертаючись  навколо
		осі,  кулька  утягує в  обертання  прилягаючи  до  неї  шари  повітря,  виникає  різниця  тисків над  кулькою  і  під  нею.

 

Пульверизатор		Закон збереження  енергії.  Швидкість  повітря,  що  подається  повітродувкою  ( 1 )  у  горизонтальну  трубку  ( 2 ),  велика,  а  тиск  у  ній  малий.  Під дією  атмосферного  тиску  рідина  ( 3 )  піднімається  по  трубці  ( 4 )  і розбризкується  струменем  повітря.
Газовий  пальник	полум’я       суміш:                               газ + повітря   повітря повітря       газ	Для  згорання  газу необхідний  кисень.  Газ  перед  спалюванням  змішується  з  повітрям. Газ  по магістралі  рухається  з  великою  швидкістю,  його  тиск  менше,  ніж  тиск навколишнього  повітря,  тому  остання  засмоктується  через  отвори  в  трубці і  змішується  з  газом.  Суміш,  що  утворилася,  згоряє  смолоскипом  над пальником.  Регулюючи  отвори,  регулюємо  полум’я.
Карбюратор	повітря             4              паливо             1                        2 3              5   суміш:   паливо  +  повітря	У  ДВЗ,  що працюють  на  легкому  рідкому  паливі,  змішування  палива  з  повітрям відбувається  в  спеціальному  приладі  ―  карбюраторі.  Повітряна  заслінка  ( 4 )  регулює  надходження  повітря,  що  проходить  через  дифузор  ( 1 ), у  стінці  якого  проходить  трубка  ( 2 ),  з’єднана  з  поплавковою камерою,  у  якій  на  постійному  рівні  знаходиться  пальне.  По  трубці  ( 2 )  паливо  засмоктується  в  змішувальну  камеру,  розпорошується, перемішуючись  з  повітрям.
Піднімальна  сила крила  літака	r                     r Fп F	У  системі „крило  ―  набігаючий  потік”  виникає  такий  рух  повітря,  який призводить  до  того,  що  тиск  над  крилом  менше,  ніж  під  ним. Перепад   тисків  забезпечує  силу  F,  що  діє  на  крило,  Fп ― піднімальна  сила,  F оп ―  сила  опору,  що  врівноважується силою  тяги  двигуна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальні зауваження до розв’язування задач з теми  «Основи термодинаміки»

 

На етапі аналізу умови задачі і створення математичного описання моделі явища слід звертати особливу увагу на умови перебігу даного явища, оскільки від цього залежатиме правильність побудови моделі.

 

Умови задач, в яких йдеться про випаровування, розчинення речовин, утворення мономолекулярних шарів (плівок нерозчинних у воді речовин на її поверхні), слід аналізувати так, щоб точно встановити, чи застосовні до розглядуваного явища чи його етапу макроскопічні описання. Наприклад, при утворенні плівки на поверхні рідини може розглядатися зміна енергії поверхневого шару (макроскопічне описання, яке використовує поняття сил поверхневого натягу) або утворення мономолекулярного шару, для якого слід використовувати такі поняття, як розмір молекули, маса молекули (мікроскопічне  описання).

 

 

      Число Авогадро       N_A = 6,02∙10²³ моль^-1

      Молярна маса          M = N_A m₀                   M = M_r∙10^-3кг ∕моль

      Кількість речовини     ν = ^m           Концентрація  молекул    n = ^N

                                                                                                M                                                                               V

      Кількість молекул     N = ^m N_A

M

      Основне рівняння  МКТ         p nE p = nkT

      Середня кінетична  енергія       E kT T = t + 273K

      Стала Больцмана      k = 1,38∙10 ^-23Дж ∕К

      Співвідношення між  тиском,  концентрацією  молекул  і  абсолютною  температурою:

E =  kT →    p = nE →  p = nkT

      Рівняння Менделєєва – Клапейрона           pV = ^m RT        

M

      Універсальна газова  стала     R = 8,31  Дж ∕(К∙моль)

      Відносна вологість  повітря     φ = ^p 100 %

p_нас

      Відносне видовження      ^{l2  l1}

l₀

      Механічна напруга     _ ^F  E_ Е –  модуль  Юнга S

      Поверхневий  натяг в  рідинах       F = σl            h = ^2

lr

Під час вивчення розділу «Молекулярна фізика» учителю слід постійно підкреслювати єдність статистичного і термодинамічного методів. В цьому відношенні корисно узагальнювати та систематизувати знання школярів про статистичний та термодинамічний підходи до описування теплових явищ. Узагальнення знань доречно провести в кінці вивчення цього розділу, а зв’язок між цими підходами представити в вигляді схеми:

 

 

 

 

 

 

 

Задачі, в яких розглядаються процеси з ідеальними чи реальними газами, слід аналізувати для точного визначення типу процесу (ізотермічний, ізохорний, ізобарний, адіабатний) на кожному етапі перебігу явища.   

 

 

 

 

 

 

 

 

Ізотермічний

процес           

          p     T₁       T₂     T₃ V                                                   p

0                                         V 0                                  T              0                                T T₁ < T₂ < T₃

  

 

 

            Ізобарний процес        

                  p p                                                 V                         p₂

                                                                                                   

    0                                  V 0                                T               0                 T₁ T 

p₂ < p₁         

                                                                                                                                                                 

            Ізохорний процес        

 

 

p V                                                         p V

         

V₂

 

 

 

 

0                               V                      0           T                       0                             T

V₂ > V₁

 

Задачі, для розв’язування яких треба виконати перетворення описання процесу з газом у певній системі термодинамічних параметрів (pV, VT, pT) в іншу систему потребують точного визначення типу процесу на кожному етапі.

 

         

Слід мати на увазі, що графік кругового процесу утворює замкнену фігуру в усіх системах параметрів.

Дуже уважно слід аналізувати умови задач, у яких розглядаються процеси теплообміну, що супроводжуються переходом речовини з одного агрегатного стану в інший, оскільки на певних етапах перебігу явища іноді необхідно провести обчислення для того, щоб пересвідчитись, чи дійсно можливі ті чи інші процеси.

 

Процес	Кількість  теплоти	Графік	Ділянка графіка
Нагрівання Охолодження	Q  Cmt2 t1	Q,Дж   К	АВ,  СД,  ЕК, КЕ,  ДС,  ВА
Плавлення    Кристалізація	Q = λm		ВС      СВ
Випаровування ( кипіння )     Конденсація	Q = Lm		ДЕ       ЕД
Згорання  палива	Q = qm

 

Під час розв’язування задач, в яких розглядається виконання механічної роботи за рахунок згорання пального у тепловому двигуні, слід на етапі аналізу умови задачі та побудови фізичної моделі явища звернути увагу на те, про яку потужність або роботу йдеться в умові задачі. Потужність, яку може розвинути двигун, не завжди повністю використовується, коефіцієнт корисної дії теплового двигуна, як правило, не враховує втрат потужності у механізмах, що передають механічний рух від двигуна до коліс.

 

Перший    закон термодинаміки	Коефіцієнт корисної  дії
Q = ∆U + A	A                  Q  к 100%  1 Q2 100%  T1 T2 100%                    Qз                                          Q1                                                T1

Систематизуючі таблиці і структурні схеми можна складати на останньому уроці вивчення відповідних тем. Проте найкращий ефект одержується тоді, коли кістяк таблиці чи схеми дається учням на початку вивчення тем, який вони заповнюють у процесі вивчення. На останньому ж уроці обговорюють відповідні таблиці чи схеми, згадуючи відповідний матеріал у певній послідовності.

 

 

 

 

 

 

 

Застосування  першого  закону  термодинаміки до  процесів  зміни  ідеального  газу

 

Процес  зміни стану  газу	Одержана кількість  теплоти,Q	Виконана робота,A	Зміна внутрішньої енергії,∆U	Запис  першого закону термодинамі ки	Формулювання першого закону термодинаміки
Ізохорне нагрівання, V = const	Q > 0	A = 0	∆U > 0	Q = ∆U	Уся  передана  до газу                         кількість теплоти  перетворюється  у  його  внутрішню  енергію
Ізотермічне розширення, T = const	Q > 0	A > 0	∆U = 0	Q = A	Уся  передана  газу  кількість  теплоти витрачається  на  виконання  ним  же  роботи
Ізобарне розширення, p = const	Q > 0	A > 0	∆U > 0	Q = ∆U + A	Підведена  до газу  кількість теплоти  йде  на  зміну                       його  внутрішньої  енергії                           і виконання  роботи
Адіабатне розширення	Q = 0	A > 0	∆U < 0	A = - ∆U	Під                         час розширення  газу  виконується  робота за  рахунок  його  внутрішньої  енергії

 

 

 

Стан  речовини  залежно  від  її  температури

 

 

Температура речовини	Стан речовини	Фазові переходи
0 К – tплавл	Кристалічні тіла	Плавлення, координаційне плавлення
tплавл – tпросв	Рідкі кристали	Орієнтаційне плавлення
tпар – 10 4 К	Газ
Тпотр	Тверде тіло,  рідина,  газ	Рівновага трьох  фаз
10 4 К – 10 5 К	Плазма ( йони  і  вільні  електрони )
10 5 К – 10 8 К	Плазма ( голі  ядра  і  вільні  електрони )
10 8 К –10 13 К	Плазма ( протони  й  електрони )
10 13  К і  вище	Плазма  ( перетворення елементарних   частинок )

Крива  рівноваги  рідини і  пари  на  ( p; Т ) - діаграмі

Р

Р_к                                       К

    

Рідина 

Пара

0                                Т_к       Т

 

Діаграма  рівноважних станів  речовини  

( для  випадку,  коли плавлення  супроводжується  зменшенням  об’єму )

 

p₂

Тверде                                                  тіло

p1                                             

С                  В

 

Узагальнена  схема фазових  переходів  речовини

 U

 

Конденсація

•                  •         •

•                  •       •      •                      

•                  •       •         •

Кристалізація                                  

•                  •    •     •  •   •  •

•                  •       •   • •                                            Безладдя

•                  • •  •      • •  •  •

Кипіння

•                  •  •  •  •  •  •  •

•                  •  •  •  •  •  •  • 

•                  • •  •  •  •  • •                                                                           Ближній порядок                                     Плавлення

 

        Дальній  порядок

                                                                                                              Т

 

У фізиці часто зустрічається та сама залежність між різними фізичними величинами. Наприклад, вивчаючи лінійне і об’ємне розширення тіл від нагрівання, закон Шарля і Закон Гей-Люссака та ін., помічаємо, що між величинами існує лінійна залежність виду у=kx+b і що графіки різних за змістом фізичних законів аналогічні за формою.

 

 

 

Лінійна  залежність  між  фізичними  величинами

 

 

p  p0 qh (залежність  тиску  рідини  від  глибини) x  x0 t (залежність   координати   від   часу) t 0  at (залежність    швидкості     від         у                                                                                   часу) 0 t (залежність   кута    повороту від  часу)           y = b + k x Lt  L0  L0t 0         (залежність лінійного розширення   твердих  тіл від температури)     b Vt  V0 V0t 0          (залежність об’ємного                                                                 розширення твердих   тіл   і  рідин  від  температури)     0                                   x Vt  V0 V0t 0          (закон Гей – Люссака)                                                                pt  p  p0t 0           (закон Шарля) Rt  R0  R0t 0         (залежність опору  провідника від  температури)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особливості  розв’язування  задач електродинаміки

 

Розв’язування задач, у яких розглядається взаємодія нерухомих зарядів, слід починати з виконання малюнка. Для обчислення потенціалу електричного поля треба спочатку проаналізувати умову задачі з метою визначення розміщення точки (поверхні) з нульовим  .

 

Щоб спростити знаходження шляху розв’язування задачі на розрахунок електричних кіл, слід послідовно виділяти в складних колах ділянки з паралельними та        послідовними       з’єднаннями.        Доцільно     проаналізувати    коло   з    метою знаходження точок з однаковим потенціалом і виключити з погляду провідники, які їх з’єднують.

 

Для кіл змінного струму доцільно використовувати векторні діаграми, які теж треба виконувати з дотриманням масштабу.

 

Задачі, у яких йдеться про магнітні поля струмів, також слід розв’язувати з використанням малюнків. Визначати напрям дії сили на провідник у складних випадках допомагає таке правило: «на провідник зі струмом у магнітному полі сила діє у напрямку ослабленого магнітного поля». В усіх випадках, коли йдеться про рівновагу зарядів, провідника зі струмом, рамки (контуру), на малюнку обов’язково треба зобразити і сили (пари сил) неелектромагнітного походження та записати умову рівноваги. Розв’язуючи задачі на основний закон електромагнітної індукції, треба насамперед встановити причини та закон зміни у часі магнітного потоку.

 

Якщо розглядати логічну структуру розділу «Електродинаміка», то в ній необхідно виділити: формування поняття електромагнітного поля і електричного заряду; вивчення взаємодії поля і речовини, електричних і магнітних властивостей речовини; вивчення законів струму та електричних кіл; знайомство з елементами СТВ; показу основних технічних застосувань електродинаміки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон  Кулона	Закон  збереження заряду	Напруженість	Потенціал	Електроємність
q R     F  k    1 2q2	n q1  0 ni	F               E   q0 q            E  k 2 R	A              q0 q            k  R	q                С    C  0S  d

 

 

 

 

 

 

 

Величина	Значення  величини	З’єднання споживачів
		паралельне	послідовне
Електричний заряд, q;  [ Кл ]	q=It	q=q1+q2+∙∙∙	q=q1=q2=∙∙∙
Сила  струму,  I; [ А ]	U      P I   R U	І=І1+І2+∙∙∙	І=І1=І2=∙∙∙
Напруга, U; [ В ]	A              U   IR q	U=U1 =U2=∙∙∙	U= U1+U2+ ∙∙∙
Опір, R; [ Ом ]	l   U R        S   I	1      1       1    R R1 R2	R=R1+R2+∙∙∙
Робота, А;   енергія, W; [ Дж ]	A=IUt	U 2               A  t R	A=I2Rt
Потужність,  Р; [ Вт ]	A                    P   t	U 2                P   R	P=I2R

 

Математика  ―  это  не  просто  язык  физики,

это  язык  и  логика  вместе,    это  орудие  для  размышления.

Р. Фейнман

 

Кожний розділ курсу фізики має свою теоретичну основу, фундамент, на якому

базується виклад матеріалу і на якому найдоцільніше проводити узагальнення і систематизацію знань: в класичній механіці ― закони Ньютона, далі ― закони термодинаміки і основи МКТ і т.

д. Однак вивчення електродинаміки відбувається не на основі такого фундаменту: йдеться про систему рівнянь Максвелла (СРМ), в основному про два перші рівняння, які є фізичною сутністю системи.

Практика показує, що подолати методичні складності підчас ознайомлення учнів із СРМ можна, якщо вибрати значно полегшений шлях вивчення СРМ, який базується на вивченні двох перших рівнянь Максвела:

1)  Запис рівнянь Максвела в інтегральній формі без наявності струму провідності (для електричного і магнітного полів в діелектричному середовищі):

dФ  El dl  dt ;

l

dN

^ В_l dl ₀₀ dt , де N=ES для ділянок з однорідним полем.

_l

2)  Отримання плоскої електромагнітної хвилі якісно (за допомогою системи малюнків).

3)  Запис цих рівнянь Максвелла для квадратного контуру (зі стороною α):

^B

                                   _{a }  a² E = - Bu

t

B ² B = ₀₀Eu

                                   _a ₀₀               a

t

4)                        Виведення з цих рівнянь формули швидкості (u) поширення електромагнітної хвилі в середовищі   1   1

u  і  у  вакуумі      c , енергії електромагнітної хвилі,

                                              00                                                                                                                        00

пояснення природи світла.

5)                        Пояснення тиску плоскої електромагнітної хвилі, тиску світла. Згідно із запропонованою методикою структурно-логічна схема узагальнення і систематизації знань з електродинаміки може виглядати так.

 

 

Загальнонаукова математична підготовка учнів не дає можливості в школі вивчати

рівняння Максвелла. Але учням необхідно розкрити основні ідеї Максвелла в доступній для них формі та в сучасних уявленнях. В основному це зводиться до того, що під електромагнітним полем розуміють один з видів матерії, в якому і за допомогою якого в просторі і в часі здійснюється електромагнітна взаємодія.

На  узагальнюючому уроці в 11 класі можна розповісти учням про оцінку теорії Максвела і повторити її суть, співвідношуючи основні положення теорії з рівнянням, але не розкриваючи при цьому їх математичної символіки.

 

r                                      divE   0                                   Er  q                                 S               0   	Електричне  поле  нерозривно  зв’язане  з  електричними зарядами;              силові  лінії  поля  починаються  чи  закінчуються на  зарядах.
r divB  0                                       r          BS  0                                   S                                	В природі  відсутні  вільні  магнітні  заряди,  це  значить,  що  лінії магнітного  поля  замкнені  (вони  ніде  не  починаються  та  ніде  не закінчуються).
r                                           r      dB                                    rotE   dt  r   Et   t  	Змінне з  часом  магнітне  поле породжує  вихрове                       електричне                поле                  (закон  електромагнітної  індукції).
r                                r          dE         r                         rotB 00     0 j dt                        r                      N   Bt  0I 0 t  	Вихрове магнітне  поле  створюється  під  час  руху  електричних  зарядів та  при  зміні  з  часом  електричного  поля.  У  вакуумі  струм провідності  може  бути  відсутнім,  і  тоді  магнітне  поле  буде створюватись  тільки  змінним  електричним  полем.

 

 

Організація самостійної  роботи  учнів  з  фізики  на  основі  використання елементів методу  моделювання

 

Ознайомлення учнів з методами науки – одна з найважливіших вимог принципу науковості у вивченні фізики. Серед багатьох методів наукового пізнання вагоме місце займає метод моделювання, який широко використовується не лише у фізиці, а й у багатьох інших галузях науки.

Застосування методу моделювання в навчальному процесі – одне з актуальних питань сучасної педагогіки і відповідних методик. І це цілком закономірно, адже сам процес формування знань пов’язаний з перетворенням у свідомості учня одних моделей на інші, які є похідними від перших, але точнішими, з більшим наближенням до абсолютної істини. Використання моделей з навчальною метою допоможе виділити і відобразити найважливіші для пізнання зв’язки в явищах, які часто бувають недоступними для безпосереднього спостереження, розкрити механізм перебігу відповідних процесів, ознайомити учнів з експериментальною базою сучасної фізики. Крім названих дидактичних можливостей метод моделювання може бути використаний також для самостійної роботи учнів на уроках фізики. Самостійна робота – це такий вид діяльності, за якого учні здобувають нові знання без допомоги вчителя або під його керівництвом.

 

Суть методу моделювання полягає в тому, що об’єкт пізнання замінюють моделлю. Модель – це уявна або математично реалізована система, яка, відображаючи або відтворюючи об’єкт дослідження, здатна замінювати його так, що її вивчення дає нову інформацію про цей об’єкт.

 

З метою використання для організації самостійної роботи учнів необхідно ознайомити з основними ідеями і поняттями цього методу. Для опанування моделювання як методу наукового пізнання недостатньо ознайомити учнів з науковим трактуванням понять моделі й моделювання, демонструвати їм різні навчальні моделі і процес моделювання фізичних явищ. Потрібно щоб учні самі брали участь у побудові моделей досліджуваних об’єктів, процесів та явищ, вивчали їх за допомогою моделювання. Така діяльність сприяє тому, що учні сприймають модель як особисто ними відкриту. Крім здобутих знань в учнів з’являється впевненість у своїх силах, у них розвивається і підтримується стійкий пізнавальний інтерес до предмета. Навички самостійної роботи є необхідною умовою самоосвіти після закінчення навчального закладу.

 

            

Однією з умов самостійної роботи є систематизація навчального матеріалу та його закріплення під час розв’язування відповідних задач. Математичним називають таке моделювання, коли модель і оригінал мають різну фізичну природу, а явища, або процеси, що характеризують їх, описуються рівняннями однакової форми, і між змінними цих рівнянь існують однозначні співвідношення. В основу математичного моделювання покладено аналогію фізичних явищ, яка розглядається як найзагальніший випадок подібності, властивий і явищам різної природи. Досить ефективно використовують на практиці аналогії між електричними й механічними явищами. Для цього потрібно скласти певні групи аналогій між величинами, що характеризують ці явища. В даному разі використовуються дві групи аналогій.

Першу групу аналогій називають аналогією за напругою, другу – за струмом. Ця назва походить від фізичних величин електродинаміки, які моделюють силу в механіці. У таблиці вказана відповідність між основними й похідними фізичними величинами механіки й електродинаміки обох груп аналогій. У першій колонці таблиці наведено параметри механічної системи, у другій та третій – електродинамічних систем.

На початковому етапі необхідно детально пояснити учням таблицю. Після цього звернути увагу на те, що у випадку математичного моделювання (на основі аналогій) треба відмежуватися від якісних характеристик моделі і досліджуваного об’єкта й перейти від іменованих чисел до абстрактних, а після одержання результату знову перейти до іменованих чисел. Цілком зрозуміло, що в цьому разі коефіцієнти пропорційності між аналогічними параметрами моделі та оригіналу мають певну розмірність.

 

 

Механічна  величина	I  група  аналогій ( за  напругою )	II  група  аналогій ( за  струмом )
Координата – x	Електричний заряд – q	Магнітний потік – Ф
Маса – т	Індуктивність – L	Ємність – С
Час – t	Час – t	Час – t
Швидкість –  dx dt	Сила струму – I  dq dt	Напруга (ЕРС) –   d dt
Прискорення – a  d dt	Швидкість зміни сили струму – dI dt	Швидкість зміни напруги – dU dt
Сила – F  m d dt	Напруга –  L dI dt	Сила  струму – I  C dU dt
Коефіцієнт жорсткості F                          k   x	Величина, обернена до ємності – 1  U                                                  С      q	Величина,  обернена  до індуктивності – 1  I                                                  C     
Коефіцієнт швидкості тертя –  F 	Опір електричний R  I	Провідність                            1      I  R 
Кінетична  енергія поступального  руху m2                     Wk   2	Магнітна енергія струму            LI 2                            Wм    2	Електрична енергія конденсатора CU 2                       Wе   2

 

 

 

Аналогія  гравітаційного  і  електричного  полів

 

Гравітаційне поле	Електростатичне  поле
Закон всесвітнього  тяжіння   GmM F         2 r Fr2 G        2 ;   m = M m	Закон Кулона   kQq                                           F  2 ; r F r2 k     2                  ; Q = q    ε = 1 q
Напруженість
F g = m GM                                           g = 2 r g =1 2 h	F Е =  q kQ                                            Е = 2 r  Е = 1 2 d
Енергія і  потенціал
GmM                                        Wn   r W    n m GM                                             r	kqQ                                            Wn   r W                                               n q kQ                                                 r
Робота
A  Fr2  r1 GmM                                 A  r2  r1 r1r2 A  m1 2 A Fhcos	A  Fr2  r1 kqQ                                     A  r2  r1  r1r2 A  q1 2 A  Fdcos

     

 

 

 

 

Загальні зауваження  до  розв’язування  задач  теми  «Електричний  струм  в  різних середовищах»

 

Задачі цього розділу явища, що супроводжують проходження електричного струму у різних середовищах і потребують описання явищ на макроскопічному або мікроскопічному рівнях. Наприклад, розглядаючи проходження струму через електроліти, можна користуватися законами Фарадея (макроскопічний  рівень) або, якщо є потреба визначити потенціали іонізації, рухомість іонів – розглядати процеси, що відбуваються з одиничними атомами, молекулами (мікроскопічний рівень).

 

Носіями електричного струму в різних середовищах є заряджені частинки

 

Середовище	Носії заряду
Метали	Вільні електрони
Електроліти	Позитивні і  негативні  іони
Напівпровідники	Електрони і  дірки
Вакуум	Електрони емісії
Гази, плазма	Електрони і  іони

                 

При повторенні теми «Електричний струм в різних середовищах» на уроках порівнюються особливості електричного струму в металах, рідинах, вакуумі, газах та напівпровідниках. У відповідності з циклом пізнання узагальнення знань проводиться так, що спочатку повторюються дослідні факти, які розкривають природу носіїв заряду в тому чи іншому середовищі. При цьому особлива увага звертається на висновки експериментів.

Наступний етап повторення ― опис наближеної моделі явища провідності  в  різних середовищах.

Для подальшого порівняння електричного струму в різних середовищах використовуються положення класичної електронної теорії про механізм провідності та характер залежності сили струму від напруги. Вольт-амперна характеристика дозволяє повторити багато питань курсу. Пряму лінію вольтамперної характеристики металевого провідника учні пояснюють прямою пропорціональною залежністю сили струму від напруги, встановленою Омом. Більш складну залежність сили струму від напруги для газу дозволяє розглянути перехід несамостійного розряду в самостійний.

У відповідності з циклом пізнання (факти → модель → наслідки → експеримент) розглядаються важливі наслідки класичної електронної теорії – залежність опору середовища від температури та інших факторів. Завершується повторення теми оглядом експерименту, який показує застосування вивчених в даній    темі   закономірностей (передача   електричної         енергії        на    відстань,

електрометалургія та ін.)

Загальні зауваження  до  розв’язування  задач  теми  «Електромагнітні  коливання»

 

Задачі, в яких розглядаються електромагнітні коливання, можна умовно поділити на такі групи:

•      задачі, в яких розглядаються процеси у коливальному контурі;

•      задачі, в яких розглядається проходження змінного електричного струму у колах, що містять котушки індуктивності, трансформатори, конденсатори та активні опори.

Під час аналізу умови задачі даного розділу слід, перш за все, з’ясувати, чим визначається частота коливань струму – змінною ЕРС (напругою) зовнішнього джерела струму чи параметрами кола.

Для аналізу явищ у колах змінного струму, у яких струм виникає внаслідок дії змінної напруги, ефективним є використання векторних діаграм.

Під час перевірки загальних розв’язків задач усього розділу методом підстановки одиниць фізичних величин, не завжди обов’язковим є приведення їх до основних одиниць. Іноді ефективнішим і швидшим є використання тільки одиниць електричних величин.

 

 

Магнітна  індукція	Магнітний потік	Електромагнітна  індукція	Сила Ампера,   сила  Лоренца
M               B  maks IS	BScos	                  t  L I t	r r FA  BIl sinB,I  FЛ  qBsinBr,r

 

 

             CUmax2          LImax2                                              Imax                                             U max

                             _                            I _           U _

                   2             2                                                     

Загальні  зауваження  до розв’язування  задач  теми  «Оптика»

 

У шкільному курсі фізики розглядаються лише найпростіші явища поширення світла у різних середовищах та утворення зображення у найпростіших оптичних приладах. Під час розв’язування задач даного розділу дуже велике значення має правильність побудови ходу променів в оптичних приладах. Тому рекомендуємо виконувати побудови за допомогою лінійки і циркуля, дотримуючись, по можливості, масштабу. Формулювання відповіді та описання проміжних побудов для задач слід обов’язково доповнювати повною характеристикою зображення (дійсне – уявне; пряме – обернене; збільшене – незмінних розмірів – зменшене).

 

Коливання  і  хвилі

 

Геометрична  оптика

                              1 1 1                    1      1 

D  F  f  d n1_{ R}1  _R2 _

Хвильова оптика Закони  поширення  хвиль

k^ sin_           α = β

d

  2k 1 ― min                                                                        sin  1  n2  n

                       2                                                                                                                    sin ₂               n₁



  2k ―  max 2

Квантова оптика Закони  фотометрії p _ NhStC^1_ R E _ R¹₂ cos_ h_ A_ K ; K _ m^e2 _ q_eU_{3    } ^Nh

                                                                   2                                                                                                 t

m  Ch^₂ ; P  ^hC^;  ^C E  ^_S   _^_S^W_t

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальні зауваження  до  розв’язування  задач  теми  «Елементи  теорії  відносності»

 

Необхідність використання співвідношень спеціальної теорії відносності виникає, як правило, або при описанні рухів макроскопічних тіл з недосяжними на даному етапі розвитку техніки швидкостями, або при описанні реальних рухів заряджених частинок у прискорювачах, частинок високих енергій у космічних променях. Найчастіше релятивістські співвідношення використовуються для розрахунків реальних процесів, що відбуваються у прискорювачах (як циклічних, так і лінійних).

 

^1^1^²2 ; t _ ^t02 ;     l _ l₀ 1_^C²₂ ; m _        ^m2

                      1 С2                                                                     1 C2                                                                                                                                                                                          1 C2

                                    ^{r                                                     m rr}

_{P }       ^0 ; _{Рівняння  руху:}     ^P _ F^r ;                            t

                                                                                               mC2          ; Енергія  спокою:      E₀ = mC2

Енергія  рухомого  тіла:  E _

При збільшенні  енергії  будь – якої  нерухомої  системи  на  ∆Е,  її  маса зростає 

E⁰

на m₀  C₂

 

Щоб краще зрозуміти розділ, присвячений вивченню основ теорії відносності, доцільно використовувати ряд аналогій, авторами яких були видатні вчені – фізики.

 

Аналогія Лоренца. Знаменита гіпотеза про скорочення довжини тіла в напрямі руху виникла на основі подібності електромагнітних і молекулярних сил, які визначають відстань між молекулами і, отже, форму самого тіла.

 

Аналогія Ейнштейна. Йдучи від часткового до загального, А. Ейнштейн переносить    принцип     відносності          Галілея       для    механічних    явищ на

електромеханічні та оптичні, а потім й на будь – які фізичні явища (структурнофункціональна узагальнююча аналогія).

До цього виду аналогій слід віднести і подібність властивостей простору і часу, виявлену німецьким ученим Г. Мінковським.

Цими аналогіями вдається зцементувати розрізнені питання спеціальної теорії відносності. Крім того, під час пояснення цих питань потрібно стимулювати мислений експеримент, оскільки іншого в школі здійснити неможливо.

 

 

Загальні  зауваження  до розв’язування  задач  теми  «Квантова  фізика»

 

Задачі, в яких розглядаються питання, що належать до нашого розділу, описують      взаємодію   електромагнітного       поля   (світла,       рентгенівського випромінювання) з речовиною.

 

                     Закони фотоефекту

 

Ι  закон  фотоефекту   ( закон  Столєтова ):    I сила  фотоструму  насичення  прямо 

пропорційна

до  потужності  поглинутого  випромінювання:  I=kP, де k ― світлочутливість  фотокатода.

0                                      P 

 

II  закон  фотоефекту  ( закон  Ейнштейна ):                                                 кінетична енергія   фотоелектронів   не   залежить       W_min від   потужності поглинутого випромінювання і                                                                лінійно залежить  від  частоти:   W_k = hν – A,                                                                                     A ― робота виходу;                                                                                          ν_min ― червона межа  фотоефекту. 

       

         0

νmin                            ν

            A

                       

 

        W_k                                                           Графік залежності  W_k   від  довжини  хвилі: λ_max  ― червона  межа фотоефекту.                                                              Nhν ≥ N₁A  ― загальна  умова  фотоефекту,  де

          A                                                   N ― кількість  квантів  в  одноразовому  акті;

                                                                  N₁ ― кількість  вирваних  фотоелектронів  у                  0                                    цьому  акті.

λ_max                     λ

              

 

Для того, щоб підкреслити дуалізм властивостей світла корисно заповнити таблицю, в якій указані основні фізичні величини, що відображають єдність дискретності (перервності) та континуальності (неперервності) матерії:

 

Фізичні  величини,   що використовуються  для описання  хвильових властивостей	Фізичні  величини, що використовуються  для описання  квантових властивостей  світла	Формули,  які об’єднують обидва  класи  фізичних  величин
Частота, ν   Період, Т   Довжина хвилі,  λ = υТ	Маса фотона,  т   Швидкість  фотона,  С Імпульс  фотона,  р = тС     Енергія фотона,  Е = 2 тС	h                           т  2 C h p   C   Е = hν h   mC

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Застосування системно структурного підходу щодо будови курсу фізики та вивчення основних фактів, понять та закономірностей можна розглянути на прикладі розділу «Ядерна фізика». Його структуру характеризує малюнок.

Найбільший інтерес для навчання в цій загальній картині ядерної фізики представляють наукові поняття. Вузловим моментом тут являється концепція матеріальної єдності речовини і поля, основа якої укорінена в особливостях і зв’язках головних понять і явищ ядерної фізики та її теоретичної бази – квантової теорії. При класифікації понять проводять їх ділення на:

•      фізичні об’єкти як види матерії;

•      фізичні явища та процеси, які протікають в них та з ними;

•      фізичні величини, які характеризують окремі сторони та властивості явищ і об’єктів;

•      основні одиниці фізичних величин;

•      прилади і апаратура, за допомогою яких проводяться експериментальні дослідження.

 

Система  основних понять  ядерної  фізики

 

 

Побудова системи основних понять ядерної фізики пов’язана також з відображенням їх взаємозв’язків. При побудові систем понять для кожного розділу фізики враховується, що кожне нове поняття повинно формуватися на базі відомого матеріалу; крім того воно повинно бути дійовим, тобто включатись у формування наступних понять системи.

 

Загальні зауваження  до  розв’язування  задач  теми   «Фізика  атома»

 

Даний розділ включає задачі, в яких розглядаються процеси в електронних оболонках і ядрі атома.

Для розв’язування задач на випромінювання і поглинання енергії атома слід визначити, в якому стані перебуває речовина, оскільки математичні описання, засновані на постулатах Бора, можуть бути застосовані лише до речовин в атомарному (атоми не взаємодіють між собою) стані.

Умови задач на радіоактивні перетворення слід аналізувати з огляду на закон збереження енергії і закон збереження імпульсу. Наприклад, у задачах на анігіляцію частинок слід враховувати, що імпульс системи частинка – античастинка має залишатись незмінним і після реакції. Це означає, що утворюється не один фотон, а два, геометрична сума імпульсів яких дорівнює сумі імпульсів частинок до взаємодії.

Під час обчислення енергетичних ефектів ядерних реакцій у числі, що є

результатом, слід залишати чотири або й більше значущих цифр.

 

 

R  ^40h2 ;         E  mC²; m  Zm_P  Nm_n - М_я ;         N  N₀ 2^Tt _{Zme 2}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальні зауваження  до  розв’язування  задач  теми  «Елементарні  частинки»

Задачі цього розділу, як правило, потребують застосування фізичних закономірностей, які вивчалися в інших розділах шкільного курсу фізики. Тому треба уважно аналізувати їх умови з метою виділення відомих закономірностей. Найпростішими для побудови математичного описання явищ є ті задачі, в яких використовуються закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Аналізуючи перетворення елементарних частинок, слід завжди попередньо оцінювати можливість застосування законів класичної механіки, тобто перевіряти значення швидкостей частинок після і до взаємодії (або перетворення), виконуючи проміжні обчислення.

 

 

 

№	Тип  перетворення	Схема перетворення	Хто відкрив	Рік відкриття
1	α - розпад	ZAXZA42Y24He	Е. Резерфорд	1899
2	β - - розпад	ZA X ZA1Y  e ~e	Е. Резерфорд	1899
3	β + - розпад	ZA X ZA1Y  e ~e	Жоліо - Кюрі	1934
4	К - - захват	ZAX  eZA1Y ~e	Л. Альварес	1937
5	γ - випромінювання	AZ* XZAX 	П. Віллард	1900
6	Спонтанний поділ  ядер	ZAXZAYZAZAY	К. Петржак та ін	1940
7	Протонний	ZA XZA11Y11H	Дж. Черні  та  ін.	1970
8	Двопротонний	ZA XZA22Y11H11H	Дж. Черні  та  ін.	1983

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Назва  закону	Зміст  закону	Що  пояснює  закон
		У  фізиці	У  хімії	У  біології
1.  Закон  збереження маси  речовини	У  замкнутій  системі  маса  речовини  залишається сталою	Перехід  тіла  з одного агрегатного стану  в  інший.  Рівняння  теплового  балансу.  Газові  закони електролізу.	Хімічні реакції.  Кристалогідрати. Електролітична  дисоціація.	Перехід речовини  крізь мембрани.  Асиміляція. Дисиміляція.
2.                    Закон  збереження електричного  заряду	У  замкнутій  системі  алгебраїчна сума   електричних  зарядів  залишається  сталою.	Електризація. Поляризація частинок  і  діелектриків.	Рівняння  хімічних реакцій. Електролітична  дисоціація.  Іонообмін.	Живлення рослин. Біопотенціали. Іонний баланс клітин.
3.      Закон збереження  числа  нуклонів	Сума  зарядових  чисел  і масових  чисел  до  реакції  і  після  реакції  відповідно  дорівнюють одна  одній	Ядерні  реакції	Хімічні реакції
4.                 Закон збереження  імпульсу	Для  замкнутої системи  геометрична  сума  імпульсів  тіл  під  час  будь – яких  взаємодій  залишається сталою.	Реактивний рух. Абсолютно пружний, абсолютно не пружний удари.  Ракетні реактивні двигуни. Ядерні перетворення.		Рух  деяких живих організмів ( медузи ). Викидання насіння  диким огірком.
5.  Закон  збереження  і  перетворення  енергії	Енергія  в  природі  не  виникає  з нічого  і  не  зникає  безслідно,  вона  перетворюється  з  однієї  форми  в іншу.  Кількість  енергії  в  замкненій  системі  залишається  незмінною.	Взаємоперетво- рення потенціальної і   кінетичної енергії в  механіці. Закон  Бернуллі. Розширення  і стиснення газів. Перехід  речовини з  одного стану  в  інший.  Закон  фотоефекту  та  ін.	Реакції  сполучення,  заміщення, розпаду. Явище  гідратації іонів.  Екзо-     та ендо – термічні реакції.  Енергія кристалічної решітки.	Асиміляція, дисиміляція. Вивільнення енергії при розщепленні молекул  АТФ. Перетворення енергії  в процесі  травлення, дихання, світлових подразнень.

 

Узагальнююча  таблиця  різних  видів взаємодії  світла  з  речовиною

 

Відомо, теорія випромінювання і поглинання світла мала важливе значення для формування всієї сучасної фізичної картини світу. Подолання труднощів, які виникли під час аналізу проходження електромагнітного випромінювання крізь рухомі середовища, привело до створення теорії відносності.

 

Дослідження Планка, присвячені проблемі теплового випромінювання, поклали початок квантовій теорії, яка є фізичною теорією мікросвіту. Разом з тим, випромінювання є поки що єдиним джерелом інформації про космічні об’єкти. Аналіз випромінювання, що приходить із космосу, зумовив відкриття пульсарів, підтвердив гіпотезу про розширення Всесвіту.

 

Взаємодія світла з речовиною вивчається у шкільному курсі фізики в різних темах і розділах. Тому важливо під час повторення навчального матеріалу в 11 класі систематизувати і узагальнити ці знання. Для цього пропонується узагальнююча таблиця різних видів взаємодії світла з речовиною. Під терміном «світло» розумітимемо електромагнітне випромінювання, довжини хвиль якого у вакуумі лежать у діапазоні від 10^-2 до 10⁷нм (1см), тобто інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання, а також гамма-випромінювання. Спочатку необхідно нагадати учням положення, які є загальними для всіх видів взаємодії світла з речовиною. У процесі взаємодії світла з речовиною проявляються його квантові властивості. Згідно з квантовою теорією ця  взаємодія зводиться до взаємодії фотонів з атомами, молекулами, ядрами та іншими частинками речовини. Результат цієї взаємодії залежить від значення енергії фотона і від властивостей речовини – її стану, зв’язку між її частинками тощо.

 

Важливо підкреслити, що під час взаємодії з речовиною фотон завжди зникає (поглинається), віддаючи свою енергію, масу й імпульс речовині (атому, молекулі чи ядру). Це спричиняє збудження атомів, молекул (або ядер) з наступним випромінюванням ними світла (розсіювання світла, теплове випромінювання); вибивання частинок з речовини; різного роду фото реакції та взаємоперетворення. При цьому завжди виконуються закони збереження енергії й імпульсу. Пригадавши ці загальні положення, доцільно перейти до розгляду таблиці взаємодії світла з речовиною, аналізуючи разом з учнями кожний вид взаємодії, його умови і характер, схему і практичне застосування. Таблиця розрахована на класи з поглибленим вивченням фізики, але її можна використати і в масовій школі, внісши певні корективи (опустити взаємодії, не передбачені програмою, наприклад теплове випромінювання, комбінаційне розсіювання тощо).

 

 

 

 

Тип  частинки,   з якою  взаємодіє фотон	Характер взаємодії	Умови взаємодії	Де проявляється  або  застосовується
1.  Атом, молекула,  атомне  ядро	Передача імпульсу  ( механічна  дія )	h p  n 1 C	Відхилення хвостів  комет  від  Сонця
2. Атом, молекула	Збудження  атомів  і  молекул  у процесі  їх теплового  руху  (теплове  випромінювання)	Закон  Кірхгофа rT                   T T	У термометрах, оптичній  пірометрії
3.  Атом,  молекула	Резонансне  поглинання                 і  спонтанне  випромінювання	h Ai ; довжина хвилі розсіюваного фотона   не  змінюється	Під  час  відбивання  і  проходження  крізь прозорі  середовища,  у  спектроскопії
4. Атом,  молекула,  йон	Фото- люмінесценція	Правило Стокса hлюм  h; λлюм>1. Антистоксове  свічення hлюм  h; λлюм<1	У  лампах  денного світла,  фосфоресцентних  екранах        (спінтарископ, кінескоп ),   люмінесцентному  аналізі,  світлових  фарбах
5. Молекула	Комбінаційне розсіювання  світла	Молекула  не збуджена h  h; молекула збуджена h  h	Для  дослідження  структури  складних молекул
6. Молекула	Фотохімічна  реакція	h Ea Закон Бунзена –Роско
7.  Зв’язаний  в атомі  або  в речовині електрон	Фотоефект	h Ai ; рівняння Ейнштейна: m2              h Ai   2	У  фотоелементах
8.  Електрон вільний  або  слабко  зв’язаний  в  атомі	Комптонівське розсіювання	h  Eзв ;  1 к 1 cos	У              гамма        - спектроскопії,  для дослідження   γ – випромінювання атомних  ядер
9. Атом  збуджений	Вимушене   ( індуковане ) випромінювання	Атом випромінює такий  самий  фотон    ( за  частотою,  фазою  і  напрямом поширення)  як  той,  з  яким  він взаємодіє	В                  оптичних квантових генераторах,  нелінійній  оптиці
10. Електричне  поле  атомного ядра  або електрона	Народження  електронно – позитронної пари	h 2m0C 2 , X   e  e  X	У виникненні  електронно – фотонних  злив  у  космічних променях,  для визначення  енергії фотонів
11. Атомне  ядро	Резонансне  розсіювання фотонів  ( ефект  Мессбауера )	h  Eзв.ядра ; довжина хвилі розсіюваного γ – фотона не  змінюється	У                      ядерному годиннику,                   для  вимірювання  досить  малих  змін  енергії
12. Атомне  ядро	Ядерний фотоефект	h  Eзв.нуклона	12Д11р01п
13.  Елементарна  частинка	Взаємоперетворення елементарних частинок	h  m0C 2	р   п 

 

Проблема узагальнення і систематизації знань завжди була однією з важливих проблем методики фізики. Є необхідність синтезу фізичних теорій в єдину природничо-наукову картину світу. Виникає запитання, на якій основі провести такий синтез, щоб він не став механічним поєднанням відірваних одна від одної теорій, а навчальний курс – простим набором фактів із різних природничих дисциплін?

Відповідь на це запитання дає аналіз структурно-логічної схеми взаємозв’язку між фізичними теоріями, яка побудована з урахуванням сучасної їх класифікації і об’єднуючих тенденцій.

   

Пропонована схема чітко вказує на те, що синтез фізичних теорій приводить кінець кінцем до квантової теорії поля, яка дає єдиний погляд на матерію, розглядає і об’єднує фундаментальні взаємодії, розкриває їх мікромеханізм.

Справді, саме фундаментальні взаємодії лежать в основі і зумовлюють сутність усіх фізичних об’єктів і явищ. Вони відповідають як за рух  і зміну стану фізичних об’єктів, так і за будову матерії на всіх її рівнях, у тому числі й на рівні елементарних частинок. Як відомо, хімічні реакції й біологічні процеси також зумовлені фізичними взаємодіями, зокрема, електромагнітними. Вибух зорі і ріст квітки, політ бджоли і рух нейтрино відбуваються в результаті взаємодії елементарних частинок.

Ось чому узагальнення і систематизація знань на основі концепції взаємодії сприятимуть формуванню в учнів природничо-наукової картини світу та уявлень про взаємозв’язок між різними науками.

 

 

Під час вивчення фундаментальних взаємодій важливо розкрити їх квантовий механізм; взаємодії між будь-якими об’єктами природи – це випромінювання і поглинання елементарними частинками квантів відповідних полів, які можуть бути як дійсними, так і віртуальними частинками. Так, наприклад, електромагнітна взаємодія між частинками, що мають електричний заряд, здійснюється за допомогою фотонів – квантів електромагнітного поля. Одна частинка випромінює фотон, а друга поглинає цей фотон і навпаки.

В результаті взаємодій частинок змінюється їх енергія, імпульс та інші величини. Важливо підкреслити, що енергія й імпульс передаються з кінцевою швидкістю і деякими порціями – квантами – в момент взаємодії, тобто змінюється стрибкоподібно, а не неперервно. Така якісна квантово-релятивістська модель взаємодії цілком доступна для учнів.

На наступному етапі узагальнення знань за допомогою цієї моделі можна дати загальну інтерпретацію всіх фізичних теорій, звести їх в єдину природничонаукову картину світу. При цьому важливо показати співвідношення між динамічними і статистичними теоріями, розкривши фундаментальність імовірнісних закономірностей і ознайомити учнів з принципом відповідностей, який виражає загальну закономірність процесу розвитку фізики. Завдяки цьому принципу історія фізичної науки постане перед учнями не як хаотична й катастрофічна зміна фізичних теорій, а як закономірний і послідовний процес розвитку пізнання. Різні фізичні теорії слугують конкретним втіленням особливостей фундаментальних взаємодій у різних просторових і предметних областях. Саме деяким конкретним втіленням цих особливостей взаємодій в астрофізиці, фізиці твердого тіла, електроніці, фізичній хімії, біофізиці, екології і необхідно присвятити основну частину курсу фізики випускного класу. На попередній схемі зображена можлива структурно-логічна схема вивчення навчального матеріалу у випускному класі.

                   

               Шляхи  пізнання:  одиничне → часткове → загальне.

 

Умова конкретних фізичних знань про окремі предмети та явища ще не є доказом формування правильного світогляду. Ця розрізнена інформація має бути систематизована та узагальнена; на основі знань щодо об’єктів необхідно зробити висновки світоглядного характеру. Так, якщо з курсу природознавства початкової школи учні набули знання про явища, пов’язані з переходом води з одного стану в інший (лід — вода — пара), то їх знання, без сумніву, відображають певний рівень узагальнення. Але щоб дійти висновку, який має світоглядне значення, необхідно узагальнення на більш високому рівні: має бути здійснений перехід від одиничних суджень (лід — вода — пара) через особливі — перехід речовини з однієї фази в іншу (тверда — рідка — газоподібна) – до світоглядної ідеї про те, що поступові і непомітні кількісні зміни ведуть до корінних якісних змін. Схематично сказане можна зобразити так:

 

 пара                                                    газоподібний

                                                                                                                                    

вода            лід                                 рідкий                      твердий

                           ( 4  клас )                                               ( 7  –  9  класи )

 

                                                кількість    — якість                                                        ( 10 – 11  класи )

 

Кожна світоглядна ідея має бути сприйнята учнями, лише в результаті засвоєння наукових фактів та положень на основі їх узагальнення.

Поступово з переходом учнів з класу в клас, в ході вивчення фізики розвивається їх уявлення про поле. У випускному класі шляхом порівняння властивостей речовини і поля встановлюється їх подібність та відзнаки; дуалізм «хвиля – частинка» дозволяє школярам глибоко вникнути в сутність діалектичної єдності двох видів матерії.

 

 

 

Перехід від знань до світоглядних переконань здійснюється в процесі вироблення в учнів умінь робити узагальнені висновки. Змістом цих висновків мають бути світоглядні ідеї.

 

 

Області застосування  фізичних  теорій

 

3∙10 ⁸м ∕с                         Швидкість    світла

 

 

         0 10 ^-12                           10 ^-2 10 ⁸                       10 ¹⁸                      10 ²⁸ l, м

Систематизація знань учнів на основі внутрішньо- та між предметних зв’язків у процесі вивчення фізики – це ґрунт подальшого інтелектуального зростання наших вихованців, необхідна передумова формування наукового світогляду. Але йдеться про засвоєння, а не про пасивне заучування. Знайти якісь формули чи визначення недостатньо: треба вміти застосовувати свої знання в практичній діяльності, наприклад, для пояснення явищ природи.

Сила мислення, багатство уяви, гострота спостережливості, зосередженість волі – це ті психічні властивості, без яких немає ґрунтовної підготовки особистості з фізики, які дають людині можливість правильно орієнтуватися в природних обставинах, самостійно здобувати знання і плідно їх застосовувати у своїй праці. Ось чому все більше уваги вчителів фізики привертає питання систематизації знань учнів, і особливо цікавою є проблема дидактичних зв’язків, їх пошуків та ефективне втілення у навчальному процесі. Що передбачає спрямування навчання на виховання пізнавальних здібностей учнів, на їхній всебічний і гармонійний розвиток.

Індивідуальний стиль учителя фізики може виявитися в його творчості, майстерному          володінні    специфікою          мови фізики,        умінні    узагальнювати навчальний матеріал, який передбачає систематизацію знань учнів на основі внутрішньо- та між предметних зв’язків.

Саме безпосередній внутрішній зв’язок, тобто контакт між знаннями, здобутими учнями під час вивчення різних тем фізики, встановлюється за умови свідомого сприймання окремих явищ природи. Лише в такому разі є підстави стверджувати, що ці явища, вивчені учнями, для них стають зрозумілими.

Багато матеріалу для досягнення цієї мети дають узагальнюючі уроки. На узагальнюючих уроках розкривається своєрідність сприймання фізичного явища кожним учнем, бо його розглядають під іншим кутом зору. Крім того, учням необхідно лише простежити за процесом узагальнення.

Ефективність узагальнюючих уроків зумовлена, по-перше, строгою педагогічною послідовністю у формуванні одного і того самого поняття про певне явище, по-друге, наявністю зв’язку між текстом підручника і логічним розглядом. Усе завдання має бути спрямоване на розвиток мислення невідривно від естетичного враження.

Якщо фізика допомагає розвиткові логічного мислення учнів, то узагальнюючі уроки сприяють збагаченню їхньої творчої уяви. Крім того, такі уроки прищеплюють інтерес до явищ природи, збуджують активність до пізнання.

Формування глибоких та міцних знань школярів сприяє систематичне узагальнення знань шляхом обзорних бесід, лекцій, розв’язування задач. Узагальнення знань проводиться не тільки на уроках вивчення нового матеріалу, але і на спеціальних уроках, які одержали умовну назву – уроки узагальнення та поглиблення знань. Як правило, такі уроки завершають вивчення розділів або великих тем курсу.

 

 

 

 

Література:

 

1.           Аксельруд В. В.,  Повстемський В. І. Педагогічні  технології  у  викладанні  фізики.  ―  Харків.  Видавнича  група «Основа»,  2006.

 

2.           Балл  Г. О.  Гуманістичні  засади педагогічної  діяльності  //  Педагогіка  і  психологія.  ―  1994.  ―  № 2.

 

3.           Белостоцкий П. И., Максимова Г. Ю., Гомулина Н. Н. «Компьютерные технологии: современный урок физики и астрономии». – Газета «Физика» №20, 1999.

 

4.           Гомулина Н. Н. Компьютерные обучающие и демонстрационные программы. – Газета «Физика», 1999, № 12.  

 

5.           Гончаренко  С. У.,  Розенберг  М. Й.  Методика навчання  фізики  середній  школі.  ―  Київ,  «Радянська  школа»,  1970.

 

6.           Коршак  Є. В.  Викладання  фізики  в школі.  ―  Київ,  «Радянська  школа»,  1979.

 

7.           Лапінський  В. В.,  Терещук  Б. М.  Фізика. Основні  поняття  та  закони.  ―  Київ,  «А.С.К.»,  1998.

 

8.           Онищук  В. О.  Типи,  структура, методика  уроку  в  школі.  ―  К.,  1983.

 

9.           Пєхота  О. М.  та  ін.    Освітні технології:  Навч. – метод.  посібник.  ―  К.:  А.С.К.,   2001.

 

10.       Пометун О.,  Пироженко  Л.  Сучасний  урок.  Інтерактивні  технології навчання:  Науково – методичний  посібник.  ―  К.:  А.С.К.,  2003.