НАВЧАЛЬНІ ДЕМОНСТРАЦІЇ ПРИ  ВИВЧЕННІ   РОЗДІЛУ: "РОБОТА, ПОТУЖНІСТЬ, ЕНЕРГІЯ"(7-й клас)

Мета роботи: ознайомитись з методикою та технікою проведення  навчального експерименту  під час розгляду у 7-му класі питань, пов'язаних з вивченням понять: робота, потужність, різних видів механічної енергії.

Обладнання: трибометр, динамометр,  штатив,  метр,  брусок,  метроном,                        самохідний візочок, набір вантажів, пружина спіральна, жолобок, кульки, маятник Максвела, модель тарана, водяна турбіна, блок, демонстраційний динамометр, похила площина, електродвигун.

Підготовка до роботи:
1. Ознайомитись з навчальним  матеріалом  розділу "Робота, потужність, енергія"  підручників  фізики  7-го класу, визначити його погодинний розподіл [6, 9].
2. Ознайомитись з цільовою програмою вивчення теми: “ Робота, потужність, енергія” у 7 класі.
3. Ознайомитись з цільовою програмою фахової підготовки майбутнього вчителя.

Цільова програма (А) до змісту теми: „Робота, потужність, енергія” рівень первинної обізнаності.
№    Перелік пізнавальних задач    Урок    Тема
1
2
3    Робота
Потужність
Енергія    ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ    УЗЗ
УЗЗ
УЗЗ

Цільова програма (Б) щодо змісту фахової підготовки
майбутнього вчителя.
№    Перелік пізнавальних задач з курсу МВФ    Знання до лабораторного практикуму    Знання після лабораторного практикуму
1

2

3

5
6
7    Особливості методики викладання фізики в 7 класі.
Задачі і зміст навчання фізики в середній школі.
Розвиток мислення і творчих здібностей учнів.
Розв’язування задач з фізики.
Форми організації уроків з фізики.
Методика викладання теми “ Робота, потужність, енергія” у 7 класі    РГ

РГ

РГ

РГ
РГ
РГ    ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ

ПВЗ
ПВЗ
ПВЗ

Еталоні завдання для вступного контролю (шкільний курс фізики; первинний рівень фахової обізнаності):
1.    (А: ПВЗ) Змоделюйте поняття: робота, потужність, енергія, кінетична та потенціальна енергія.
2.    (А: ПВЗ) Від чого залежить значення роботи, як її розрахувати?
3.    (А:ПВЗ) Від яких факторів залежить коефіцієнт корисної дії  у демонстраціях з застосуванням трибометра?
4.    (А: ПВЗ) Для яких дослідів необхідний трибометр?
5.    (А: ПВЗ) В чому суть принципу дії водяного тарана, водяної турбіни? 
6.    (А: ПВЗ) Чи виконує людина механічну роботу, тримаючи в руках відро з водою? Чи є у цьому випадку дія сили?
7.    (А: ПВЗ) Учень протягом дня виконував такі види праці: читав книжку, піднімався на другий поверх, тримав у руках тарілку, відповідав на запитання вчителя, піднімав угору стілець, перетягував по підлозі ящик. В яких випадках виконувалась механічна робота?
8.    (А: ПВЗ) Чи виконує людина механічну роботу, тримаючи в руках відро з водою? Чи є у цьому випадку дія сили?
9.    (А: ПВЗ) В якому випадку треба прикласти більшу силу, щоб підняти відро з колодязя на однакову висоту: коли ми рівномірно підніматимемо відро чи з наростаючою швидкістю? В якому випадку виконується більша робота якщо відро підняти на однакову висоту?
10.    (А: ПВЗ) Дві автомашини разом з вантажем мають однакову масу. Одна з них навантажена металевим брухтом, а друга–сіном. Яка з них має більшу потенціальну енергію відносно поверхні шляху?
11.    (А: ПВЗ) Назвіть випадки, коли тіла мають кінетичну енергію?
12.    (А: ПВЗ) По гладенькому горизонтальному льоду котиться стальна кулька. Припустимо, що опору рухові кульки (тертя об лід, опру повітря) немає. Чи виконується при цьому робота.

Теоретичні відомості:
Швидкість виконання роботи в техніці характеризують особливою величиною, яку називають потужність. Потужність дорівнює відношенню роботи до часу, за який її було виконано. Щоб обчислити потужність, треба роботу поділити на час, за який цю роботу виконано. Потужність –  величина стала, якщо за кожну одиницю часу виконується однакова робота. Якщо робота протягом часу t виконується нерівномірно, то відношення А/t визначає середню потужність.
Якщо тіло або кілька тіл, які взаємодіють між собою (система тіл), можуть виконати роботу, то кажуть, що вони мають енергію. Енергія – це фізична величина, що показує, яку роботу може виконати тіло (або кілька тіл). Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшу енергію воно має. У процесі виконання роботи енергія тіла змінюється. Виконана робота дорівнює зміні енергії.
Потенціальною енергією називають енергію, яка визначається взаємним положенням взаємодіючих тіл або частин того самого тіла. Потенціальну енергію має всяке пружне деформоване тіло. Потенціальну енергію стиснутого газу використовують у роботі теплових двигунів, у відбійних молотках, які широко застосовуються у гірничій промисловості, при будівництві шляхів, вийманні твердого ґрунту.
Енергією, яку має тіло внаслідок свого руху, називають кінетичною енергією. Кінетична енергія тіла залежить і від його маси. Чим більша маса тіла й швидкість, з якою воно рухається, тим більша його кінетична енергія.
Швидкість виконання роботи описується величиною, яка називається потужність. Механічна робота виконується,  коли  тіло рухається під дією сили. Якщо є сила, а немає переміщення, то немає роботи. Механічна робота прямо пропорційна довжині шляху. Механічна робота прямо пропорційна силі. Всі підняті над Землею тіла мають потенціальну енергію за рахунок якої виконується робота. Швидкість виконання роботи описується величиною, яка називається потужністю.

ХІД     РОБОТИ
1. Продемонструвати досліди для введення поняття роботи, вимірювання роботи при переміщенні тіла [13, с.60].
Візок,  навантажений  гірею,  переміщують  на   деяку відстань. Силу, яка діє на візок вимірюють динамометром (мал. 1).
Гирю підносять на деяку висоту. Силу, яка  діє  на гирю вимірюють динамометром (мал.2). Механічна робота виконується,  коли  тіло рухається під дією сили.
На гирю, підвішену до  пружини, діють сила пружності пружини. Проте гиря не переміщується  (мал. 3).  Якщо є сила, а немає переміщення, то немає роботи.
Навантажений візок під  дією сили переміщується спочатку на  відстань 0,5 м, а тоді під дією тієї  ж сили на відстань 1 м.  Механічна робота прямо пропорційна довжині шляху.
мал. 1                          мал. 2                                   мал. 3
Навантажений візок під дією сили переміщують на  1 м.  Фіксують значення сили,  яка виконує роботу.  Навантаження візка збільшують і дослід повторюють. Динамометр  показує  зростання значення сили. Механічна робота прямо пропорційна силі.
2. Перевірити «Золоте» правило механіки [8, с. 143].  Для цього закріпимо кінець нитки на штативі і розмістимо на ній рухомий блок, до якого прикріплений тягарець масою 1 кг (мал. 4). Щоб  розмірно підняти його  без  застосування блоку на висоту 0,5 м, треба подіяти на нього силою 9,8 Н.  Виконана при цьому робота  А = 9,8 Н  0,5 м  = 4,9 Дж. До вільного кінця нитки прикріпимо динамометр і позначимо на лінійці його початкове положення. Поступово підніматимемо динамометр доти, поки вантаж не переміститься на 0,5 м. Динамометр при цьому показуватиме силу 4,9 Н, а шлях, який він пройшов, дорівнюватиме 1 м. Виконана робота А = 4,9 Н  1 м = 4,9 Дж. Отже, підіймати вантаж за допомогою рухомого блока легше, ніж без нього. Проте при цьому точка прикладання сили на мотузку пройде шлях у два рази більший. Виграшу в роботі одержати не можна. Це і є “золоте” правило механіки, сформульоване ще в античні часи.



мал. 4                                           мал. 5             мал. 6
3. Провести досліди для введення понять енергія, потенціальна енергія піднятого над поверхнею Землі тіла, деформованої пружини [13, с. 65].  Гиря встановлена на стиснутій пружині (мал. 5). Розтискуючись гиря піднімає вантаж на деяку висоту, виконуючи механічну роботу.
На самохідному візку піднято вантаж. При падінні вантажу візок приходить в рух (мал. 6).

мал. 7                                  мал. 8
4. Кінетична   енергія,   здійснення   роботи   за   рахунок кінетичної енергії тіла [13, с. 65].
При  падінні   вантажу   на самохідному візку, візок  починає рухатись. При цьому здійснюється робота по переміщенню візка.
Вода витікає з піднятої на деяку висоту посудини. Потік води, попадаючи на водяне колесо, примушує його обертатися (мал. 7).
До  похилого  жолоба  приєднаний  горизонтальний жолоб, на   якому   лежить  невеликий  дерев’яний  циліндр.  Якщо скочувати кулю з різної висоти,  то можна побачити, що чим більша висота, тим  більша  швидкість  кулі,  тим  далі вона пересуне циліндр, тобто виконає більшу роботу (мал. 8) [8, с. 147]. Енергія, яку має рухоме тіло називається кінетичною. Дослідіть від чого вона залежить.
5. Збереження  та перетворення механічної енергії.
До штатива підвішують пружину від відерця Архімеда з гирею 1 кг.  Протягом  декількох  секунд спостерігають повільні коливання пружинного  маятника,  при  яких  його  потенціальна енергія періодично  перетворюється  в кінетичну і навпаки.  Потім маятник зупиняють і,  ставлять його то в середнє, то в верхнє, то в нижнє  положення.  Для  кожного  положення вказати діючі сили, швидкість і вид енергії гирі і пружини.
М’яч  падає з деякої висоти,  набуваючи кінетичної енергії. В  момент  удару кінетична енергія  переходить   в потенціальну енергію пружно деформо¬вବного тіла, яка в свою чергу, перетворюється в кінетичну енергію,  і м’яч  підскакує  майже  до початкової висоти.
Перехід потенціальної енергії в кінетичну і навпаки досить наочно можна продемонструвати за допомогою маятника Максвела (див. мал. 9)


мал. 9          мал. 10                          мал. 11

6. Визначити потужність, яку розвиває електродвигун [7, с. 138]. Лабораторний електродвигун закріплюють на лапці штатива корпусом вниз. На вісь його намотують нитку, до вільного кінця якого підвішуюють брусок від лабораторного трибометра. Затискачі електродвигуна з’єднують через вимикач з батареєю акумуляторів напруга 3-4 в (мал.10). По одному з ударів метронома пускають електродвигун і починають рахувати удари. Коли брусок піднімається на висоту 50-60 см, струм вимикають і перестають рахувати удари. Подальші виміри, необхідні для обрахування потужності, учні проводять самостійно в ході лабораторної роботи.
7. Визначення потужності, яку розвиває елетродвигун самохідного візочка [ 7, с. 139]. На столі встановлюють самохідний візок та метроном.
Відпускають метроном і в такт з одним із його ударів включають електродвигун. Спостерігають прямолінійний і рівномірний рух візка вздовж переднього краю демонтраційного столу. Приблизно через 10 сек візок зупиняють. За допомогою демонстраційного метра вимірюють пройдений шлях, а потім на класній дошці обраховують швидкість руху візка.
Після цього за гачок візка зачіплюють трубчатий динамометр (мал. 11) і тягнуть візок вздовж стола приблизно з такою ж швидкістю, яку вона мала при роботі  електродвигуна. Сила, яку покаже динамометр, буде рівна силі тяги двигуна візка. Результат вимірювання також записують на класній дошці. Знаючи величину сили тяги та швидкість руху візка, визначають потужність, яку розвиває електродвигун. Вона виявляється рівною приблизно 03 вт.

Додаткові експериментальні завдання.
1.    Обчисліть потужність, яку ви розвиваєте, збігаючи по сходах з першого на другий поверх. Для цього, знаючи власну вагу, виміряйте по вертикалі висоту поверху і час піднімання. Запишіть наслідки обчислення в кінських силах. Повторіть дослід повільно піднімаючись  вгору. Порівняйте наслідки обох дослідів. Порівняйте наслідки обох дослідів. Яка залежність між величиною потужності та швидкістю руху тіла?
2.    Невеличку стальну кульку, наприклад, з велосипедного шарикопідшипника, пустіть з деякої висоти на мармурову дошку. Чому кулька підскакує на дошці і кінець кінцем зупиниться?
3.    Підвісьте кульку на пружині. Пружину спочатку стисніть, а потім відпустіть. Простежте за рухом кульки. Поясніть причину послідовного піднімання і опускання кульки.
4.    Пружину стисніть, зв’яжіть ниткою, закріпіть один кінець до підставки, а другого притуліть кульку. Перепаліть нитку. Що сталося з пружиною  кулькою?
5.    Зігніть у півколо картону смужку і закріпіть її на двох підставках. З верхнього положення пустіть кульку. Яке явище ви спостерігаєте? Які перетворення енергії ви спостерігаєте?

Еталоні завдання для підсумкового контролю рівня фахової обізнаності.
1.    (Б:ПВЗ) Учому полягає відмінність у визначенні понять робота, потужність, енергія у 7-му та у 9-му класах?
2.    (Б:ПВЗ) Продемонструйте “Золоте” правило механіки за допомогою блока?
3.    (Б:ПВЗ) Запропонуйте спосіб зменшення впливу тертя при вивченні "Золотого правила" ме¬хବніки, якщо використовувати трибометр (важіль, блок, гвинт)?
4.    (Б:ПВЗ) Проілюструйте "Золоте правило механіки" та рівність робіт на похилій площині, застосовуючи трибометр?
5.    (Б:ПВЗ) Як ввести поняття енергії, потенціальної та кінетичної енергій?
6.    (Б:ПВЗ) Як можна продемонструвати перехід одного виду механічної  енергії в    інший?
7.    (А: УЗЗ) Сформулюйте  закон збереження енергії на 1-му та 2-му ступенях вив¬чення фізики у середній школі.
8.    (А: УЗЗ) Для яких дослідів необхідний трибометр?
9.    (Б:ПВЗ) Як продемонструвати потенціальну енергію деформованої пружини, кінетичну енергію кульки, яка скочується?
10.    (А: УЗЗ) Динамометр з вантажем показує 4 Н. Що покаже динамометр при рівномірному русі вантажу вертикально вгору (вертикально вниз)?
11.    (А: УЗЗ)  Припустимо, що масу вантажу, який рухається  по  дошці трибометра,     збільшили у 2 рази. Як необхідно змінити масу гирі, яка  приводить у рух трибометр, щоб система знову рухалась рівномірно?
12.    (Б:ПВЗ) Які  з  пропонованих дослідів у більшій мірі відповідають вимогам,     що ставляться до демонстраційного експерименту? Чому?
13.    (Б:ПВЗ) Опишіть досліди для визначення потужності при підніманні вантажу та електродвигуна самохідного візочка.
14.    (А: УЗЗ) Учень протягом дня виконував такі види праці: читав книжку, піднімався на другий поверх, тримав у руках тарілку, відповідав на запитання вчителя, піднімав угору стілець, перетягував по підлозі ящик. В яких випадках виконувалась механічна робота?
15.    (А: УЗЗ) Зобразіть графічно роботу, виконану силою 20 Н, на шляху 12 м.
16.    (А: УЗЗ) Якщо дерев’яний брусок занурити у воду і не тримати рукою, він випливе на поверхню. Проти якої сили виконується робота під час занурення бруска на певну глибину. Чому дорівнює потенціальна енергія зануреного дерев’яного бруска відносно поверхні рідини?
17.    (А: УЗЗ) Дві кульки однакової маси – одна залізна, друга пустотіла склянка лежить на поверхні стола. Яка з них має більшу потенціальну енергію відносно підлоги і чому?
18.    (А: УЗЗ) Якщо раптово зупинити автомобіль, то неприкріплений вантаж може пошкодити кузов. Чим це пояснити? Яку енергію має вантаж під час руху автомобіля?
19.    (А: УЗЗ) Іноді у скляних банках з консервованими овочами зривається кришечка, що супроводить сильним звуком. Яке перетворення енергії при цьому відбувається?