Урок "Машини та механізми. Золоте правило механіки. Коефіцієнт корисної дії"

Урок №6

Тема уроку:Машини та механізми. Золоте правило механіки. Коефіцієнт корисної дії.

Мета: знайомити учнів з особливостями простих механізмів; установити міжпредметні зв'язки між історією та фізикою; учити визначати різницю між машинами та механізмами; експерименталь­ним шляхом вивести та сформулювати «золоте правило» механіки й показати його практичне застосування; сформувати уявлення про ККД, причини неможливості досягнення його 100 % реальними ма­шинами і механізмами; розвивати практичні навички дослідницької діяльності, уміння аналізувати та робити висновки; виховувати вмін­ня співпрацювати, поважати іншу точку зору, доводячи свою.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання:

• картки з завданнями для експериментальних груп;
• картки з тестовими завданнями;
• плакати з зображенням механізмів та машин;
• мультимедійний проектор
• штативи лабораторні — 5 штук,
• лінійки або вимірювальні стрічки — 5 штук,
• блоки — 2 штуки,
• динамометри лабораторні — 5 штук,
• нитки,
• дерев'яні лінійки — 2 штуки,
• дерев'яний брусок з одного боку з наждачним папером,
• важіль,
• набори тягарців — 3 штуки.

План уроку

                 І. Організаційний момент

                 ІІ. Актуалізація опорних знань

                 ІІІ.  Мотивація вивчення нового матеріалу

                 ІV. Оголошення теми та очікування навчальних результатів

5. Надання необхідної інформації
6. Інтерактивна вправа (вивчення нового матеріалу)
7.                     Рефлексія результатів
8.                  Підсумки
9.  Домашнє завдання

Хід уроку

1. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ

• Привітання;
• зазначення зв'язку теперішньої теми з поперед­ньою.
  2. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ

У ході бесіди учні повторюють, як виникає ме­ханічна робота, записують її формулу, формулюють поняття механічної енергії та визначають зміни, що відбуваються з енергією тіла, коли воно здійснює роботу, наводять приклади виконання роботи.

Учитель. Людина протягом всієї історії її іс­нування намагається полегшити собі виконання роботи. За допомогою чого вона це робить? Учні. За допомогою машин та механізмів.

3. МОТИВАЦІЯ ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Учитель. На лівому узбережжі Ніла, на краю пусте­лі Сахара, височать знамениті єгипетські піраміди, кам'яні глиби фараонів. Нас вражають їхні розмі­ри, велич та загадковість. Так, наприклад, висота піраміди Хеопса 137 м, а щоб обійти її, необхідно пройти не один кілометр. За словами історика Геродота, піраміду Хеопса будували близько 20 років, а дорогу до неї — 10 років. Побудована ця дорога з 2 мільйонів 300 тисяч кам'яних блоків, маса кож­ного — 2,5 тонн.

Яким чином людина, яка не має великої сили, спромоглася звести ці споруди?

Учні. Для зведення пірамід люди використовували прості механізми: похилу площину, блоки та ва­желі.

Учитель. Давайте перевіримо, чи так все було, як ви кажете. Повернімося на багато років назад, в епоху, коли піраміди будувалися.

   Демонстрація фрагмента фільму «Астерікс та Обелікс. Місія Клеопатра», де йдеться про зве­дення єгипетських пірамід за допомогою простих механізмів, та обговорення побаченого. (Слайд №1)

 

 

 

 

 

 

                 ІV. Оголошення теми та очікування навчальних результатів

   Учитель. Сьогодні на уроці ми з вами пригадаємо, що таке прості механізми, ознайомимося з поняттям «машина», з'ясуємо, що є між ними спільного і у чому різниця. Попрацювавши у творчій експериментальній лабораторії, сформулюємо «золоте правило» механіки і з'ясуємо, за якими параметрами можна судити про якість механізмів. А наприкінці уроку за допомогою тестування перевіримо, наскільки гарно ви засвоїли новий матеріал.

V.Надання необхідної інформації

VI. Інтерактивна вправа (вивчення нового матеріалу)

Механізм — це пристрій, що передає рух або перетворює один вид руху на інший. Машина — це механізм або сукупність механізмів для перетворення енергії з одного виду на інший. Прості механізми — це пристрої, які змінюють сили за значенням та за напрямом. За допомогою простих механізмів можна змі­нювати напрям дії сили, прикладеної до тіла. Чи значить це, що за допомогою простих механізмів можна отримати виграш у роботі?

Зараз ми з вами це і з'ясуємо. Для цього про­поную вам об'єднатися в групи по четверо. Кожна група отримає індивідуальне завдання і працювати­ме з простими механізмами: з важелем, нерухомим блоком, рухомим блоком та похилою площиною.

Робота кожної групи оцінюється максимум у 6 балів.

І Робота в малих групах

 Завдання для групи № 1.

Дослідження співвідношення сил та відстаней під час використання важеля, а також встановлення співвідношення роботи, необхідної для підняття тіла на висоту h, з роботою сили, прикладеної до важеля.

Мета: сформулювати висновок про те, який виграш у силі дає важіль; з'ясувати співвідношен­ня корисної й витраченої роботи для підйому тіла на цю висоту.

Обладнання: штатив лабораторний, важіль, на­бор тягарців масою по 100 г, динамометр лаборатор­ний, лінійка.

Хід роботи

1. Важіль установіть на штатив і врівноважте йо­го в горизонтальному положенні за допомогою розташованих на його кінцях пересувних га­йок.

2. Ліворуч від осі обертання на відстані 20 см під­вісьте два тягарця масою по 100 г.

3. Визначте силу тяжіння яка діє на тягарці за допомогою формули:

F₁ = mg

4. Праворуч від осі обертання на відстані 10 см підвісьте до важеля динамометр.

5.Виміряйте висоту від горизонтального рівня точки підвісу тягарців h₁ і точку підвісу дина­мометра h₂, запишіть отриманий результат

6.Прикладіть до динамометра постійну силу у вертикальному напрямі вниз таким чином, щоб повернути важіль до горизонтального поло­ження. Запишіть значення прикладеної сили

7.Визначте співвідношення між силами F₁  і  F₂

8.Визначте співвідношення між силами відстаня­ми h₁  і h₂

9.Обчисліть значення корисної роботи за форму­лою:

10. Визначте виконану роботу за формулою:

 

 

11. Сформулюйте висновок, відповівши на такі пи­тання: 

• Який виграш у силі дає важіль (незначними розбіжностями знехтувати)?
• Як відрізняються отримані значення виконаної та корисної роботи?

 Завдання для групи № 2

Дослідження співвідношення сил та відстаней під час використання нерухомого блоку, а також визначення співвідношення виконаної й корисної роботи під час використання нерухомого блоку.

Мета: дійти висновку, чи дає виграш у силі нерухомий блок; з'ясувати співвідношення між ко­рисною й виконаною роботою під час використання нерухомого блоку.

Обладнання: штатив лабораторний, нерухомий блок, нитка, набір тягарців масою 100 г, динамо­метр лабораторний, лінійка.

Хід роботи

1. Нерухомий блок установити на штатив.

2. Перекинути нитку через нерухомий блок.

3. Прикріпіть до лівого кінця нитки два тягарця масою 100 г так, щоб нижній кінець нитки роз­ташовувався біля поверхні стола.

4. Визначте силу тяжіння F₁ , яка діє на тягарці за допомогою формули:

 F₁ = mg=

5. Прикріпіть до правого кінця нитки гачок ди­намометра й прикладіть постійну силу, спря­мовану вертикально вниз. Перемістіть тягарці вертикально на висоту h₁=10см.

6. Запишіть показання динамометра

    F₂ =

7. Зверніть увагу на те, що гачок динамометра зміститься від початкового положення на 10 см, тому:

                 h₁= h₂ = 10см

8.Визначте співвідношення між силами F₁  і  F₂

9.Визначте співвідношення між силами відстаня­ми h₁  і h₂

10.Обчисліть значення корисної роботи за форму­лою:

11. Визначте виконану роботу за формулою:

      Ав =F2h2

12. Сформулюйте висновок, відповівши на такі пи­тання: 

• Чи відрізняються показання динамометра від ваги вантажу (незначними розбіжностями знех­туйте)?
• Чи збіглися числові значення корисної й ви­траченої роботи?

 

Завдання для групи № 3 та 4

Дослідження співвідношення сил та відстаней, а також корисної й виконаної роботи під час вико­ристання похилої площини.

Мета: дійти висновку про те, який виграш у силі дає похила площина; з'ясувати співвідно­шення між корисною й виконаною роботою під час використання похилої площини.

Обладнання: штатив лабораторний, дерев'яна лінійка (для групи 3 — гладка лінійка, для гру­пи 4 — лінійка, покрита наждачним папером), дерев'яний брусок, набір тягарців масою по 100 г, динамометр лабораторний, лінійка.

Хід роботи

1.За допомогою динамометра визначте силу тя­жіння F₁ що діє на дерев'яний брусок, та за­пишіть її

2.Установіть лінійку на штатив похило, під ку­том приблизно 30°.

3.Виміряйте довжину похилої площини l  та за­пишіть її

4. Брусок покладіть на похилу площину та за до­помогою динамометра (прикладаючи постійну силу) перемістіть його від початку до вершини похилої площини. Запишіть значення прикла­деної сили F₂ .

5.За допомогою лінійки виміряйте висоту похи­лої площини та запишіть її h=:

6. Визначте співвідношення між силами F₁ і F₂

7. Визначте співвідношення між силами відстаня­ми l і h

8. Обчисліть корисну роботу за допомогою фор­мули:

 

9. Обчисліть виконану роботу за формулою: 

 

10. Сформулюйте висновок, відповівши на запи­тання:

• Який виграш у силі дає похила площина (не­значними розбіжностями знехтуйте)?
• Чи збіглися значення корисної та виконаної роботи?

Завдання для групи № 5

Дослідження співвідношення сил та відстаней, а також корисної та виконаної роботи під час ви­користання рухомого блоку.

Мета: дійти висновку про те, який виграш у силі дає рухомий блок; з'ясувати співвідношення між корисною й виконаною роботою під час вико­ристання рухомого блоку.

Обладнання: штатив лабораторний, рухомий блок, нитка, набор тягарців масою по 100 г, дина­мометр лабораторний, лінійка.

Хід роботи

1. Рухомий блок на нитці прикріпіть до штатива.

2.Визначте силу тяжіння, що діє на два тягарця масою по 100 г, за формулою:

 F₁ = mg=

3.До гачка, підвішеного до центра рухомого бло­ку, прикріпіть ці два тягарця.

4.До вільного кінця нитки, перекинутої через блок, прикріпити гачок динамометра й, перемі­щуючи динамометр, рівномірно вгору підняти тягарці на висоту h ₁=10см від початкового положення.

5. Під час переміщення заміряйте, наскільки пе­ремістився гачок динамометра:

                                           h ₂ =

6. Також під час переміщення запишіть значення прикладеної сили:

F₂ =

7.Визначте співвідношення між силами F₁  і  F₂

8.Визначте співвідношення між силами відстаня­ми h₁  і h₂

9.Обчисліть значення корисної роботи за форму­лою:

10. Визначте виконану роботу за формулою:

 

 

11. Сформулюйте висновок, відповівши на такі пи­тання: 

У скільки разів відрізняються показання дина­мометра від ваги вантажу?

У скільки разів відрізняється переміщення гач­ка динамометра від переміщення вантажу?

 Як співвідносяться числові значення корисної й витраченої роботи?

Після закінчення роботи кожна група звітує про отриманий результат, заповнюючи таблицю на дошці. Відбувається обговорення результатів роботи.

 

 

 

 

VII. РЕФЛЕКСІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ

Учні формулюють свої висновки:

1. Жоден з простих механізмів не дає вигра­шу в роботі: у скільки разів виграємо в силі, у стільки разів програємо у відстані.

Учитель. Це твердження є «золотим правилом» механіки:

 

Виконана робота завжди більша, ніж корисна.

У ч и т е л ь. За співвідношенням між виконаною та ко­рисною роботою можна судити про якість механіз­му. Саме це співвідношення називається коефіцієн­том корисної дії механізму:

 

Чи може ККД механізму бути більшим за 100 %? Чому?

У ч е н ь. Ні, тому що під час виконання корисної ро­боти за допомогою механізмів треба ще виконати додаткову роботу, наприклад, на подолання тертя в рухомих частинах, а також на переміщення цих частин.

Учитель. Отже, час перевірити, наскільки гарно ви засвоїли знання, які отримали сьогодні. Пропоную вам відповісти на тестові завдання. Максимальний бал за тестування — 6.

 Варіант 1

1.Виберіть правильне твердження. Який з наве­дених нижче механізмів дає найбільший ви­граш у роботі?

а) Похила площина;

б) важіль;

в) жоден простий механізм виграшу в роботі не дає.

2.Які перетворення енергії відбуваються під час падіння тіла без початкової швидкості? Опір повітря не враховувати.

а) Кінетична — потенційна;

б) потенційна — внутрішня;

в) внутрішня — потенційна;

г) потенційна — кінетична.

3.Яке співвідношення називається «золотим пра­вилом» механіки?

 

 

 

 

4. За допомогою простого механізму була здій­снена корисна робота А₁ виконана при цьому робота дорівнює А2. Який з наведених нижче виразів визначає коефіцієнт корисної дії меха­нізму?

 

 

 

 

 

 

 

5. Установіть відповідність.

 

 

 

 

 

Варіант  1

1.Виберіть правильне твердження. Який з наве­дених нижче механізмів не дає виграшу в ро­боті?

а) Похила площина;

б) важіль;

в) жоден простий механізм виграш у роботі не дає.

2. М'яч кинули вертикально вгору. Які перетво­рення енергії відбуваються під час переміщен­ня м'яча із точки кидання до найвищої точки траєкторії? Опір повітря не враховувати.

а) Кінетична — потенційна;

б) потенційна — внутрішня;

в) внутрішня — потенційна;

г) потенційна — кінетична.

      3. Як називається співвідношення  

а) Правило рівноваги важеля;

б) «золоте правило» механіки;

в) коефіцієнт корисної дії;

г) закон збереження енергії.

4. За допомогою простого механізму була здій­снена корисна робота А₂, виконана при цьому робота дорівнює А₁. Який з наведених нижче виразів визначає коефіцієнт корисної дії меха­нізму?

 

 

 

 

 

 5. Установіть відповідності 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 варіант 1 — в (1 бал)	2                 1	варіант — в (1 бал)
2 — г (1 бал)	2	— а (1 бал)
3 — а (1 бал)	3	— 6(1 бал)
4 — а (1 бал)	4	— в (1 бал)
5. 1 — в (0,5 бала)	5.	2 — в (0,5 бала)
2 — г (0,5 бала)	3	— б (0,5 бала)
3 — б (0,5 бала)	4	— г (0,5 бала)
5 — а (0,5 бала)	5	— а (0,5 бала)

   Після тестування учні обмінюються аркушами з відповідями та здійснюють взаємоперевірку. Пра­вильні відповіді учитель вивішує на дошці:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитель. Бали, які ви отримали за тестування, складіть з балами за експериментальну роботу у групах — це і буде ваша оцінка за урок.

VIII. ПІДСУМКИ

Стисла бесіда про те, чим займалися на уроці та які результати отримали.

Учитель

• Як на вашу думку, для чого потрібен був сьо­годнішній урок?
• Які знання та навички ви сьогодні отримали?
• Чи були якісь труднощі та чому вони виникли?
• Чи можете ви в повсякденному житті застосу­вати знання, набуті сьогодні?
• Наведіть приклади, як саме ви б їх застосову­вали.

IX. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

      Підготувати презентації про застосування простих механізмів та «золотого правила» механіки