Основные проблемы изучения темы «Механика» в средней школе
При изучении темы «Механика» у школьников возникают проблемы в понимании основных законом динамики – законов Ньютона. Эти проблемы обусловлены противоречием между наглядностью этих законов (действительно, каждый ученик хорошо себе представляет механическое движение, многократно его наблюдал, и имеет интуитивные представления о закономерностях этого движения) и теоретической глубиной данной темы.
Действительно, еще в древности Аристотель очень наглядно и убедительно объяснил причину движения. Он задал простой вопрос – если по дороге осел тащит арбу, то в чем причина движения арбы? – имеющий простой интуитивных ответ – причина движения арбы – действие осла.
Этот ответ не подвергался сомнению вплоть до Галилея, который увидел ошибку Аристотеля – причины прямолинейного равномерного движения вообще не существует, если тело приведено в движение, то при отсутствии помехи тело будет двигаться бесконечно долго:
...степень скорости, обнаруживаемая телом, ненарушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними; это можно заметить лишь на горизонтальной плоскости, ибо при движении по наклонной плоскости вниз наблюдается ускорение, а при движении вверх— замедление. Отсюда следует, что движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается.
Эта интуитивная ошибка присутствует и на уроках физики: если спросить учащихся до изучения данной темы (а иногда и после ее изучения) «В чем причина прямолинейного равномерного движения, например, автомобиля по ровной прямолинейной дороге?», то очень часто можно услышать, что причина движения автомобиля в данном случае в работе двигателя. Этот ответ связан с тем, что действительно, если выключить двигатель, то автомобиль очень быстро остановится.
Именно поэтому необходимо очень подробно объяснять основные законы динамики, пользуясь не только формулировками из учебника,
Вот, например, какие формулировки первого, второго и третьего законов Ньютона можно найти в учебниках:
Автор 1 закон Ньютона 2 закон Ньютона 3 закон Ньютона
О.Ф. Кабардин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущие тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела Сила, действующая на тело равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению
С.В. Громов
10 класс Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Если на частицу массой m окружающие тела действуют с силой F, то эта частица приобретает такое ускорение а, что произведение ее массы на ускорение будет равно действующей силе Силы взаимодействия двух частиц всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль соединяющей их прямой
С.В. Громов
8 класс. Любое тело, до тех пор, пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Произведение массы тела на его ускорение равно силе, с которой на него действуют окружающие тела Силы, с которыми взаимодействуют два тела, всегда равны по величине и противоположны по направлению
И.К. Кикоин Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущее тело сохраняет скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел скомпенсировано) Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение Тела действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению
но и возвращаться к первоисточникам:
1 закон (в авторской формулировке Ньютона)
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.
Ньютон писал в своих «Началах»:
Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Сила проявляется, единственно, только в действии и по прекращении его в теле не остается. Тело продолжает затем удерживать свое новое состояние вследствие одной только (силы) инерции. Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы.
Кроме этого, нужно проводить ряд демонстрационных экспериментов, в том числе и мысленный опыт Галилея.
Опыты Галилея. Возьмем наклонную плоскость, поместим на ее вершину шарик. Если шарик будет скатываться с наклонной плоскости и попадать на неровный горизонтальный участок, то он скоро остановится. Если горизонтальный участок будет ровным, шарик прокатится дальше. Значит, если бы со стороны горизонтального участка не было никаких помех движению, то шарик бы двигался бесконечно долго. А это значит, что для того, чтобы тело двигалось, не нужно воздействие другого тела. Значит, причин равномерного прямолинейного движения нет.
Кроме этого Галилей доказывает тот факт, что в двигающемся равномерно и прямолинейно теле нет никаких изменений. Он говорит: никаким опытом нельзя доказать присутствие прямолинейного равномерного движения или его отсутствие. Если нет изменений – равномерное прямолинейное движение, как и покой, – это состояние тела, а не процесс.
Основные выводы:
Причин равномерного прямолинейного движения нет:
- Если на тело не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано, то тело движется равномерно и прямолинейно
- Если тело движется равномерно и прямолинейно, то на него не действуют другие тела или действие тел скомпенсировано.
- Если тело находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, то система отсчета связанная с ним инерциальна.
- Только в инерциальных системах отсчета имеет место применение законов динамики.
Еще одна проблема возникает при изучении понятия "инерция". Данное понятия проще всего рассматривать, ставя его в противопоставление понятию инертность, так лучше запоминается. Инертность и инерция слова похожие, но имеющие разный смысл.
Инертность – свойство тел препятствовать изменению характера своего движения (скорости).
Инерция – это состояние равномерного прямолинейного движения или покоя.
Ситуации, когда можно путать инерцию и инертность:
- При резкой остановке автобуса пассажиры отклоняются вперед. (Вследствие инертности, которая характеризуются массой, пассажиры не могут мгновенно уменьшить свою скорость. Пол автобуса толкает пассажира назад, тело отклоняется вперед.)
- Автомобиль движется по прямому горизонтальному шоссе с постоянной по величине и направлению скоростью. (Инерция, по определению.)
- При резком повороте автомобиль заносит. (Инертность, дорога силой трения стремится развернуть автомобиль, но не может вследствие большой инерции.)
- На столе стоит стакан с водой. (Инерция, по определению).
Учитель физики
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №4 с. Яжелбицы
