Методика изучения законов Ньютона в средней школе

Решение основной задачи механики - определение положения тел и любой момент времени — требует знания их начальных координат, скорости и ускорения, которые возникают при взаимодействии тел. Последнее является предметом изучения динамики.

Динамика составляет важнейшую часть классической механики. Ее главная задача – изучение взаимодействий тел, которыми объясняются, прежде всего, различные изменения их движений. В основе динамики лежат три закона. Впервые их в общем виде сформулировал гениальный английский физик Исаак Ньютон (1643 – 1727). Теперь эти законы называют его именем. Открытие законов движения Ньютона было подготовлено многовековой человеческой практикой, трудами многих поколений ученых. Законы механического движения с их многочисленными и важными следствиями имеют огромное научное и мировоззренческое значение. Они позволяют понять и объяснить многие явления и в космосе и в микромире. Классической механикой введены в науку важнейшие физические понятия: «масса», «сила», «импульс» (количество движения), энергия и др. особо отметим, что законы сохранения энергии и импульса не знают исключения в любых явлениях макро- и микромира. Законы классической механики составляют научную основу техники многих отраслей народного хозяйства: строительства, машиностроения, транспорта и др. поэтому изучения динамики следует в полной мере использовать в целях политехнического обучения учащихся. Показывая научную и практическую значимость законов механики, нужно вместе с тем в доступной форме дать учащимся первоначальные понятия и о границах применения. Учителю следует помнить, что было время, когда законы классической механики казались всеобъемлющими и способными объяснить и описать все явления природы. Наглядные образы, представления и понятия, почерпнутые учащимися в окружающей жизни, и теперь наталкивают их на «механическую» трактовку и «механические» образы при изучении вопросов физики, где они неприменимы. Многие явления природы не могут быть сведены только к механическому взаимодействию тел уже потому, что материя в природе существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Явления, например, в электромагнитном поле подчиняются законам Максвелла, а не законам Ньютона. Но и движения, с которыми мы связываем определенные физические тела, не всегда могут быть объяснены законами Ньютона. Классическая механика не может удовлетворительно описать движения множествачастиц - молекул, объяснить законы, которым подчиняются элементарные частицы, движение тел со скоростями, близкими к скорости света. Соответствующие законы устанавливаются статистической механикой, квантовой механикой и теорией относительности. Определенные сведения о данных разделах современной физики учащиеся получают в старших классах. Однако некоторые первоначальные представления о границах применимости законов Классической механики ученики должны получить уже в самом начале изучении физики.

При этом учащиеся должны осознать, что успехи современной науки вовсе не отрицают и не зачеркивают механику Ньютона. Более того (согласно принципу соответствия), они утверждают незыблемость ее законов для определенных предельных условий: классическая механика - это механика макротел, движущихся со скоростями, далекими от скорости света. Данные условия выполняются в огромной сфере практической и научной деятельности человека на Земле и в космосе. В этом и заключается непреходящее значение механики Ньютона.

При изучении динамики в VIII классе следует принять во внимание знания учащихся по механике, полученные в VI классе, а также их жизненный опыт и представления.

Основное содержание учебного материала видно наследующего возможного варианта примерного поурочного планирования темы:

1-й урок. Понятие с динамике. Закон инерции. Краткие сведения о жизни и научном подвиге Галилео Галилея.

2-й урок. Взаимодействие тел. Ускорение тел при взаимодействии.

3-й урок. Масса тел как мера их инерциальных свойств.

4-й урок. Масса тел как мера их гравитационных свойств.

5-й урок. Определение массы тел взвешиванием. Сила.

6-й урок. Второй закон Ньютона. Единица силы в СИ.

7-й урок. Измерение сил. Динамометр. Сложение сил.

8-й и 9-й урок. Углубление и закрепление материала на второй закон Ньютона. Решение задач.

10-й урок. Третий закон Ньютона. Решение задач.

11-й урок. Повторений и обобщение пройденного (краткие сведения о жизни и научной деятельности И. Ньютона).

Из истории открытия закона инерции. При изучении данного материала несомненную пользу принесут сведения из истории открытия закона инерции. В адаптированном виде они могут быть использованы и на первом, и на последующих уроках, а также на внеклассных занятиях.

Повседневные наблюдения и практический опыт приводили человека к мысли о том, что тела не приходят в движение сами собой. Для перемещения тел их надо тянуть, толкать, словом прилагать к ним некоторую «силу». Аристотель (384—322) называл такие движения насильственными и считал, что они прекращаются по прекращению действия силы. Отсюда следовал вывод: движение тел обусловлено действием на них сил. Ошибка таких рассуждений, как известно, заключается в том, что в них не принимаются во внимание силы, препятствующие движению.

Наряду с указанными взглядами постепенно возникла мысль о том, что существует и некая «внутренняя» сила, ответственная за движение тел. «Всякое движение,— писал Леонардо да Винчи (1452—1519),— стремится к своему сохранению, или каждое тело движется постоянно, пока в нем сохраняется действие его двигателя». Другой итальянский ученый Джованни Батиста Бенедетти (1530—1590) ввел «представление об «импето» («впечатление»), сохраняющемся в теле, которому сообщается скорость. Следующий шаг делает Галилео Галилей (1564 — 1642). Он детально изучил движение тел по наклонной плоскости. Галилей экспериментально доказал, что шар скатывается по наклонной плоскости ускоренно, а поднимается замедленно. На этом основании он сделал вывод: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то … движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Галилей еще не даст общей формулировки принципа инерции. Он связывает открытое им свойство тел только с их движением в горизонтальном направлении (и ошибочно с движением по идеально гладкой поверхности земного шара). Но он первый понимает явление инерции столь глубоко и правильно применяет его. В его формулировке впервые производится абстрагирование от сопротивления движению тел. Однако Галилей еще не располагает обобщенным понятием силы и не принимает в явном виде во внимание силы реакции опоры и силу тяжести.

Впервые от действия тяготения абстрагируется Рене Декарт (1596—1650). «Полагаю, — писал он, — что природа движения такова, что, если тело пришло в движение, уже этого достаточно, чтобы оно его продолжало с той же скоростью и в направлении топ же прямой линии, пока оно не будет остановлено или отклонено какой-либо другой причиной».

На новую ступень обобщения, опираясь на труды своих предшественников, и прежде всего Галилея, закон инерции поднял И. Ньютон, который включил его в число важнейших трех аксиом или законов движения в следующем виде: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Поскольку всякое движение относительно, возникает вопрос: что принять за систему отсчета? Движение одного и того же тела в одной системе отсчета может быть равномерным и прямолинейным, а в другой в то же самое время — переменным и криволинейным.

Галилей считал закон инерции справедливым в системе отсчета, связанной с Землей, а Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое «по самой своей сущности и безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным».

Определение Ньютона лишено физического смысла, поскольку нельзя построить систему отсчета, не связав ее с конкретными телами. В системе же отсчета, связанной с Землей, закон инерции, строго говоря, не выполняется, как во всякой вращающейся системе (этот факт, как уже указывалось, привел Галилея к ошибочному утверждению о справедливости закона инерции для равномерного движения тел по окружности). Тем не менее, фундаментальный закон механики — закон инерции был открыт. Объясняется это тем, что для системы «Земля», в которой практически и велись все многовековые наблюдения, отступления от закона инерции относительно невелики. Эта система с достаточной для практических целей точностью может быть принята за инерциальную. Практически точно закон инерции выполняется в системе отсчета, связанной с «неподвижными» звездами.

• Формирование понятия об инерции
• Второй закон Ньютона
• Методика формирования понятия «масса тела»
• Методика формирования понятия «сила»
• Зависимость между силой, массой и ускорением. Второй закон Ньютона
• Измерение сил. Динамометр. Сложение сил
• Закрепление и углубление материала на второй закон Ньютона
• Третий закон Ньютона
• Заключительное занятие по теме «Законы движения Ньютона»