Кировский институт повышения квалификации и переподготовки работников образования
Научная лаборатория «Моделирование процессов обучения физике»
Элементарная физика
Справочные материалы
Пособие для студентов ССУЗ
Киров
2008
ББК 74.265. 1
Э 44
Печатается по решению редакционно-издательского совета Кировского института повышения квалификации и переподготовки работников образования
Авторы: Ю. А. Сауров, С. И. Арасланова (Кировский авиационный техникум), С. Н. Лютина (Кировский технологический колледж), Ю. М. Новоселова (Нолинский техникум механизации сельского хозяйства), Г. Г. Вшивцев (Вятский государственный техникум профессиональной технологии управления и сервиса).
Рецензенты: заслуженный учитель школы РФ Н. В. Бахтин, кандидат педагогических наук, доцент Г. А. Бутырский
Научный редактор – профессор Ю. А. Сауров
Э 44 Элементарная физика: Справочные материалы. Пособие для студентов ССУЗ / Под ред. Ю. А. Саурова. – Киров, 2008. – 148 с.
В пособии представлен дидактический материал для обобщения знаний студентов ССУЗ по физике. Особое внимание уделяется структурам знаний, методам научного познания, вопросам мировоззрения.
Книга будет полезна учителям физики и школьникам старших классов.
© Кировский ИПК и ПРО, 2008
© Ю. А. Сауров, 2008 (идея проекта, редактирование)
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика – фундаментальная наука о природе. За время своего развития она накопила громадные системы знаний, разбросанные по разным источникам. В школьном курсе физики изучаются самые необходимые для современного человека физические знания. Вот почему специально пишут учебники.
Для того, чтобы хорошо и осознанно понимать физику, необходимо, во-первых, знать её «строительный» материал – это знания. К ним относят факты, физические величины, законы, принципы, теории, представления физической картины мира. Во-вторых, надо владеть научным методом познания физических объектов и явлений. Это и значит владеть физическим мышлением.
В пособии систематизированы основные знания курса физики старшей школы. Но при систематизации знаний на материале фундаментальных физических теорий – механики, молекулярной физики, электродинамики, квантовой физики – главное внимание уделено методу познания мира природы и техники. Этот естественнонаучный метод в главных чертах представлен такой логикой:
§ Выделение изучаемых фактов
§ Построение гипотезы под задачу познания
§ Выбор или построение моделей для разработки теории
§ Получение следствий и их применение.
Познание любого явления начинается с выделения фактов в результате наблюдений и размышлений. Далее выдвигается гипотеза (предположение) о природе, причине явления. Эта гипотеза позволяет предсказать другие факты, которые ранее не были известны, т.е. получить следствия. Справедливость гипотезы проверяется экспериментом. Если предсказание экспериментально подтверждается, то модель (гипотеза) правильно отражает изучаемое свойство явления. И эту модель, это знание принимают как истинное. Но, напомним, что оно все равно справедливо только при определенных условиях. Если же эксперимент не подтверждает гипотезу, то она не верна. И её отбрасывают. И в познании надо выдвигать новые гипотезы вновь и вновь.
Уважаемые студенты, физическое мышление не освоить, если самостоятельно не решать задачи, не выполнять простейшие экспериментальные исследования объектов и явлений. Теоретические знания и служат для проведения исследований. Предлагаемые ниже обобщения надо как можно чаще использовать. И тогда придет успех.
ВВЕДЕНИЕ
С ОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Всё физическое знание можно разделить на фундаментальное и прикладное; прикладное по объему доминирует. Фундаментальное физическое знание представлено, прежде всего, теориями. Физическая теория – это относительно замкнутая и устойчивая система понятий, описывающая определенный круг физических явлений. Теория – основная и ведущая форма научного знания. Различают следующие виды теорий: феноменологическая, микроскопическая, макроскопическая, фундаментальная, прикладная.
В школе изучают четыре фундаментальных физических теории: механику, статистическую физику (молекулярную физику), электродинамику и квантовую физику. В принципе они описывают все физические явления всей известной пространственно-временной области.
Функции теории: объяснительная, предсказательная (эвристическая), систематизирующая, коммуникативная и др. Состав теории: научные факты, идеи, физические объекты и их модели, идеализированные объекты, теоретические конструкты (умозрительно построенные объекты), принципы, понятия, законы, постулаты, гипотезы, методы и приемы исследования и др. Два известных метода познания (теоретический и экспериментальный) реализуются следующими приемами: абстрагирование (выделение признака, фиксация его знаком), идеализация (создание мысленных объектов), наблюдение, выдвижение гипотез, моделирование и работа с моделями, проведение мысленных (натурных) экспериментов, планирование экспериментов, интерпретация результатов.
Школьники должны быть знакомы с различными структурами физических знаний, но, прежде всего, со структурой теории. Такая систематизация знаний школьной физики усваивается непросто. Ниже для примера приведена структура и содержание механики.
ОСНОВАНИЕ. Понятие о макроскопическом теле. Понятие о механическом движении. Материальная точка как основная модель тела. Система отсчета как средство описания движения материальной точки. Виды механического движения. Основные характеристики механического движения (время, координата и др.).
ЯДРО. Взаимодействие. Принцип дальнодействия. Принцип относительности. Законы Ньютона. Законы взаимодействий (уравнения для силы упругости, всемирного тяготения, трения). Законы сохранения.
СЛЕДСТВИЯ (ВЫВОДЫ). Описание механических колебаний. Объяснение явлений природы и техники: равновесие тел, невесомость, простые механизмы и др. Решение различных задач.
Структура физических знаний при изучении явления, закона иная. Часто используют логику цикла познания: факты – модель – следствия – эксперимент. Возможно использование и такой логической схемы: выделение явления – описание явления (физическими величинами, законами) - применение явления.
Основные черты современного физического мышления таковы:
· признание объективности и познаваемости мира,
· логика познания в следующей форме: сначала выделение объектов и явлений, затем их описание и применение,
· описание явлений с помощью разных моделей, разных языков,
· ограниченность любого знания.
В настоящее время стиль современного мышления связывают с принципом универсального эволюционизма (академики В. С. Степин, Н. Н. Моисеев). Суть его такова:
· Вселенная объективно существует; на уровне элементарных частиц четко фиксируется материальное единство мира.
· Вселенная непрерывно эволюционирует, это внутренне присущее ей свойство – самоорганизация, но рост разнообразия и сложности материального мира не означает «сознательность процессов».
· Эволюция подчиняется закономерности: изменчивость, наследственность, отбор.
· Два типа механизмов отбора – адаптационный и бифуркационный, первый приводит к эволюционным изменениям в системе, второй – к революционным (не предсказуемым) изменениям.
· Вероятностный характер процессов эволюции; однонаправленность стрелы времени.
· Методы изучения объектов мира с точки зрения «замкнутой» (изучение извне) и «открытой» (изучение из внутри) систем взаимодополняют друг друга; существует согласованность и синтез научных знаний.
Определение и состав ФКМ. Физическая картина мира вносит ясность в понимание человеком МИРА и себя в нем. Систематизация знаний в ФКМ помогает их сознательному использованию, открытию новых знаний. ФКМ идейно связана с другими картинами мира, в целом задает основу естественнонаучной картины мира. Итак, физическая картина мира – это обобщенная модель природы о материи, движении, взаимодействии, пространстве-времени, причинности, закономерностях. В состав ФКМ входят: исходные идеи, область познания (Мегамир, Макромир, Микромир), основные понятия (пространство, время, материя, вещество, поле и др.), основные законы (принципы), основные выводы (и их интерпретация – мировоззрение).
В содержание ФКМ входят знания о методах и методиках исследования (познания). Наука это не только знания, но деятельность. А деятельность – это, прежде всего, методы, методики, приемы. Ниже в таблице систематизированы знания о методах.
 |
В содержание ФКМ входят и представления о развитии системы физических знаний. Можно выделить следующие з акономерности развития физики: социально-культурная обусловленность возникновения физического знания; периоды эволюционного и революционного развития; абсолютность и относительность физического знания; поступательность развития физики (выраженная в принципах дополнительности и соответствия); существование фундаментального и прикладного знания, их относительное изменение; усиление влияния научного знания на практику; интеграция и дифференциация знания; усиление ведущей роли теоретического знания.
Физика – великая наука нашего времени. Она несет громадные возможности познания и преобразования нашего мира. А значит, при хорошем знании и умелом использовании физики мы сможем сделать нашу жизнь более успешной, востребованной, нужной обществу.
I МЕХАНИКА
В любом элементарном курсе физики сначала изучают две фундаментальные физические теории – механику и молекулярную физику. В первой вводится фундаментальная модель материи – материальная точка. Для неё формулируются законы Ньютона, закон всемирного тяготения. Фундаментальным для физики является и понятие механического движения, как изменения положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел. Даже элементарные частицы изменяются свое положение в пространстве с течением времени!
В молекулярной физике рассматривается принципиально новый метод познания и описания физических систем – статистический метод. Он применим тогда, когда система состоит из большого числа объектов и описать их законами Ньютона невозможно. Например, даже при описании движения 100 частиц надо построить и решить систему из 100 уравнений. При этом надо знать для всех частиц начальные условия (начальные координаты и скорости), что в принципе невозможно сделать. Как одновременно измерить эти физические величины!? Именно поэтому ученые построили новый метод описания движения таких физических систем – статистический метод.
Обе эти теории прекрасно действуют в настоящее время. Они объясняют множество физических явлений, широко применяются в науке и технике.
В курсе механики в основном изучают основы классической механики материальной точки, отдельные вопросы механики твердого тела и упругого тела.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ МЕХАНИКИ КАК ТЕОРИИ
|
|
|
|
| ||||
 | ||||
ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ
-
|
- Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.
1.
|
2. Абсолютно твёрдое тело – модель тела, когда размерами тела нельзя пренебречь.
3. 
Система отсчёта: тело отсчёта, часы, система координат.
| ||||
 | ||||
 |
 |
Характеристики движения
| Физические величины | Кинематические законы | ||||||||||||||||||||||
· Координаты тела – x,y,z
·
· Скорость
· Пройденный путь
· Средняя скорость
· Ускорение
| Равномерное прямолинейное движение – движение тела, при котором за равные промежутки времени тело проходит одинаковое расстояние.
Равноускоренное прямолинейное движение – движение тела, при котором за равные промежутки времени скорость увеличивается одинаково.
|
- перемещение
1.
|
2. Закон сложения скоростей
-
|
- Расчёты характеристик движения тел
- Расчет траектории движения космических объектов (ракет, планет, комет и др.)
- Баллистика.
Вопросы и задания по теме «ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ»
1.1 Прочитайте предложенный список физических объектов и явлений: мерцают звезды, катится шар, снежный ком тает, облака движутся, летит голубь, горит лампа, сверкает молния, маятник часов колеблется, тормозит автомобиль. Выделите из перечисленных явлений только механические. Определите в каждом механическом явлении физический объект.
2.1 В каком случае используют понятие средней скорости?
2.2 Чем отличаются векторные величины от скалярных? Приведите примеры таких величин в механике.
2.3 Что показывает модуль вектора ускорения?
2.4 Уравнение зависимости проекции скорости движущегося тела от времени:
υ x =3+2 t (м/с). Каково соответствующее уравнение проекции перемещения тела?
2.5 В каком случае путь и перемещение могут совпадать?
2.6 Дан график зависимости υx(t). Составьте задание по графику и решите их.
2.7 Можно ли зная среднюю скорость за определенный промежуток времени найти перемещение, совершенное телом за любую часть этого промежутка?
2.8 За какое время, двигаясь равнозамедленно с ускорением a, тело уменьшает вдвое начальную скорость υ0? Какой путь проходит тело за это время?
3.1 В стихотворении И.А. Бунина «В поезде» есть такие строки:
Вот мост железный над рекой
Промчался с грохотом под нами …
Что писатель – пассажир выбрал за систему отсчета?
3.2 Стратонавты рассказывают, что если не обращать внимание на показания приборов, то не возможно определить, поднимается или опускается аэростат и движется ли он вообще? Чем это можно объяснить?
3.3 Луна обращается вокруг Земли так, что одна её сторона постоянно обращается к Земле. Какова траектория движения центра земли относительно космонавта, находящегося на Луне?
3.4 Может ли тело в одно и тоже время в одной системе отсчета сохранять свою скорость, а в другой – изменяться?
3.5 Строго говоря, связанная с Землей система отсчета, не является инерциальной. Обусловлено ли это:
а) тяготением Земли;
б) вращение Земли вокруг оси;
в) движением Земли вокруг Солнца?
3.6 Какой вид имела бы траектория падающего шарика в связанной с ним системе отсчета?
3.7 Опишите эксперименты Р. Бойля и Г. Галилея, подтвердивших постоянство ускорения тел, свободно падающих на Землю.
Домашнее задание
В каких случаях из перечисленных ниже, тела можно принять за материальную точку или за модель твердого тела.
Примеры:
1. Определение скорости движения Луны вокруг Земли.
2. Определение дальности полета снаряда.
3. Расчет подъемной силы крыла самолета.
4. Расчет давления трактора на грунт.
5. Расчет времени движения поезда мимо железнодорожной станции.
6. Расчет времени движения поезда от одного города до другого.
7. Расчет средней скорости движения корабля в море.
8. Расчет распределения груза в трюме корабля для обеспечения его плавучести.
Ответ оформить в виде таблицы, где записать номер примера в соответствующей графе.
| Материальная точка | Модель твердого тела |
