Урок-дослідження "Закон Гука"

Закон Гука. Динамометр

Мета

Навчальна: актуалізувати наявні в учнів знання про будову речовини, на основі яких познайомити з принципом щільної «упаковки» атомів твердого тіла; сформувати в учнів стійке уявлення про природу виникнення сили пружності, сили міжатомної взаємодії; увести поняття видовження, жорсткості; познайомити з формулюванням та алгебраїчним записом закону Гука, а також із видами руху тіла під дією сили пружності; виробивши вміння записувати, аналізувати закон Гука й інші закономірності, робити перетворення алгебраїчних величин та одиниць; за можливості самостійно визначати порядок дій, складати план практичної діяльності, виконувати його; сформувати навички вимірювання фізичних величин (k) непрямим методом на основі прямих вимірювань кількох величин (F _упр і x).

Розвивальна: продовжити розвиток умінь аналізувати результати фізичних дослідів, робити відповідні висновки, прогнозувати результат дії сили пружності на зміну форми тіла залежно від його жорсткості.

Виховна: показати роль наукових знань у пізнанні природи й облаштуванні людського побуту; показати, як ця тема позначається в природі (циліндрична форма колосів, трубчаста форма кісток; порівняння міцності аркушів паперу, складеного в різні форми — циліндра, паралелепіпеда тощо).

Учні мають:

формулювати: закон Гука;

записувати: формулу закону Гука;

характеризувати: залежність сили пружності від деформації;

пояснювати: причину виникнення сили пружності.

знати нові поняття: сила пружності, видовження, жорсткість.

Технічні засоби навчання, наочні посібники

1.  Аркуш картону, гумовий шнур, вантаж масою 100 г із двома гачками, мішечок із піском.

Міжпредметні зв’язки: біологія, математика.

Перебіг уроку

І. Організація класу

ІІ. Перевірка домашнього завдання. Актуалізація опорних знань

1.         Опитування теоретичного матеріалу у формі дидактичної гри «Доміно».  Декілька учнів отримують картки, які складаються із запитання і відповіді. Починає той учень, у картці якого написано «Старт», а закінчує той у картці якого вказано «Фініш». Кожен учень уважно стежить за ходом гри, щоб не пропустити своєї відповіді і поставити запитання.

2. Інтерактивна вправа «Поясни з фізичної точки зору». Пояснюють  прислів’я та приказки, що підготували вдома.

2. Яка сила виникає за деформації тіла?

Далі вчитель пропонує розглянути деформації з точки зору молекулярно-кінетичної теорії. Що відбувається зі взаємним розташуванням молекул за різних видів деформації?

Тіла складаються з молекул. На кожну молекулу діють із боку інших молекул сили притягання й сили відштовхування, які врівноважують одне одного. За деформації рівновага порушується. За розтягування сили притягання між молекулами збільшуються й створюють силу пружності, за стискання збільшуються сили відштовхування, які й повертають молекули у вихідне положення. Ці сили завжди спрямовані проти деформації.

• Яка ж природа сил пружності?

Молекули складаються з атомів, які, своєю чергою, складаються із заряджених частинок — позитивних і негативних. Тому сили пружності створюються взаємодією між зарядженими частинками, тобто природа цих сил електромагнітна.

3. Закон Гука

Спочатку необхідно ввести визначення абсолютного видовження.

• Абсолютне видовження — це величина, на яку зменшується або збільшується довжина тіла, що деформується, за зовнішнього навантаження. Позначення: Δl.

.

Запитання до класу: «Від чого залежить величина абсолютного видовження?»

Проведення фронтального експерименту

Устаткування: штатив, пружина (гумовий шнур), набір важків, лінійка.

Мета: встановити залежність між силою пружності й абсолютним видовженням пружини.

Опис ходу експерименту: закріпивши пружину (гумовий джгут) у штативі, по черзі підвішують до неї 1, 2, 3 вантажі. Щоразу визначають видовження пружини. Оскільки вантаж на пружині перебуває в стані спокою, то сила, з якою розтягує пружину вантаж, дорівнює силі пружності.

Використовуючи отримані дані, учні будують графік залежності видовження пружини від прикладеної сили. Для побудови графіку треба величину абсолютного видовження відкласти на осі абсцис, прикладену силу — на осі ординат. Ця пряма — графік прямої пропорційності. Тобто сила пружності, що виникає в тілі, прямо пропорційна абсолютному видовженню.

Прямо пропорційну залежність зручно записати у такому вигляді:

,

де коефіцієнт k — жорсткість тіла.

Уперше залежність F_пр і Δl експериментально довів видатний англійський учений Роберт Гук у 1640 р. Він отримав математичний запис цієї залежності, яка тепер має назву закон Гука.

• Закон Гука — сила пружності, що виникає в тілі під час деформації, прямо пропорційна абсолютному видовженню і напрямлена в бік, протилежний деформації.

Різновиди сили пружності: сила пружності, що виникає в натягнутій нитці, називається силою натягу нитки й позначається T, сила реакції опори N (див. рис.).

4. Жорсткість тіла

Із закону Гука можна визначити жорсткість:

; .

Фізичний сенс жорсткості:

— це жорсткість тіла, за видовження якого на 1 м виникає сила пружності 1 Н.

Жорсткість залежить від форми, розмірів і матеріалу тіла.

Експериментальні завдання «Залежність сили пружності від жорсткості тіла»

Для проведення досліду беруть пружини однакової довжини, що мають різну жорсткість. За підвішування вантажів однакової маси до пружин різної жорсткості порівнюють абсолютні видовження цих пружин.

Робота в групах. Клас ділиться на групи (кількість кратна 4). Кожна група отримує картку із завданням.

Перевірте на досліді, що сила пружності пропорційна абсолютному видовженню.

Дослідіть, як залежить сила пружності від абсолютного видовження. Переконайтеся в справедливості закону Гука на досліді.

Устаткування:

1. Гумовий джгут, пружина.

2. Лінійка.

3. Набір важків.

4. Штатив.

Висновок: сила пружності прямо пропорційна абсолютному видовженню.

Завдання для 1-ї групи

Користуючись приладами, наявними на столі, переконатися в залежності сили пружності від роду матеріалу.

Яке тіло має більшу жорсткість? Чому зроблений такий висновок?

Устаткування:1. Гумові джгути (з різних сортів гуми), пружина, дріт.

2. Набір важків.

3. Штатив.

Висновок: сила пружності залежить від роду матеріалу, від його пружних властивостей.

Завдання для 2-ї групи

Як залежить сила пружності від розмірів тіла: довжини й площі поперечного перерізу? Проведіть дослід і переконайтеся, зробіть висновок.

Устаткування:

1. Два гумові джгути однакової довжини, але різні за перерізом.

2. Два гумові джгути з однаковим перерізом, але різної довжини.

3. Набір важків.

4. Штатив.

Висновок: сила пружності залежить від розмірів тіла, прямо пропорційна до площі поперечного перерізу й обернено пропорційна до довжини тіла.

Завдання для 3-ї групи

Дослідіть залежність сили пружності від форми тіла. Зробіть висновок, провівши досліди. Устаткування:

1. Тіла різної форми, але з одного матеріалу — картону.

2. Смужка, накутник, циліндр.

3. Набір важків.

а                                                                б

Висновок: сила пружності залежить від форми тіла. Пружні властивості тіл збільшуються, якщо тіло в перерізі має форму кута, кола, тавровий і двотавровий переріз.

Після виконання експериментального завдання кожна група коротко формулює отримані висновки, які учні фіксують у робочих зошитах.

Експериментальні завдання « Міцність і форма»

1. Устаткування: аркуш паперу формату А-4 (4 шт.), два підручники з фізики, учнівський пенал.

Завдання: придумати конструкцію, щоб за допомогою аркуша паперу, розташованого на двох підручниках, утримати учнівський пенал.

Щоб утримати пенал, необхідно скласти аркуш паперу гармошкою.

2. Досліджувати міцність аркуша паперу, якому надають різної форми — циліндра, паралелепіпеда, трикутної призми.

Стебла рослин, злаків мають трубчасту форму, молоденькі пагони теж згорнуті в трубочку — так краще встояти на вітрі. Кістки, м’язи, суглоби зазнають деформації. Кістки трубчасті, суглоби заповнені губчастою речовиною. Хрящі діють як амортизатори, пом’якшуючи різкі поштовхи, і виконують захисні функції тіла за струсів. У людини й тварин кістки черепа, грудної клітки мають округлу форму. Шкаралупа яєць, горіхів, панцир жуків, раків, черепах. Така форма пом’якшує удари, різкі поштовхи, оберігаючи життєво важливі органи.

V. Закріплення нового матеріалу

1. За графіками визначте, яке тіло має найбільшу жорсткість.

2. Від чого залежить жорсткість підвісів та опор?

VІ. Підбиття підсумків уроку

VII. Домашнє завдання

• Вивчити відповідний параграф підручника, відповісти на запитання після параграфа, виконати вправу після параграфа та відповідні завдання за задачником.
• Підготувати інформацію про прояви сили пружності в живій природі, організмі людини.