Методика вивчення законів збереження в шкільному курсі фізики

Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України Криворізький Педагогічний інСТИТУТ ДВНЗ «Криворізький національний університет»

КАФЕДРА ФІЗИКИ ТА МЕТОДИКИ ЇЇ НАВЧАННЯ

КУРСОВА РОБОТА

`'МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ`'

Студентки IV курсу групи ФІ-08

Трофимчук Альони Миколаївни Керівник:

к. ф.-м. н., доцент Кадченко Валентина Миколаївна КРИВИЙ РІГ-2012

ЗМІСТ

ВСТУП РОЗДІЛ I. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ У ФІЗИЦІ

1.1 Методологічна роль законів збереження у фізиці

1.2 Аналіз навчальної програми середньої та старшої школи з фізики…

Висновок до розділу I

РОЗДІЛ II. МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ

2.1 Закон збереження енергії

2.2 Закон збереження імпульсу

2.3 Закон збереження електричного заряду Висновок до розділу II

ВИСНОВКИ СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Фізика — це наука про найбільш загальні властивості і форми руху матерії. Фізика допомагає учням пізнавати навколишній світ.

Одним із найголовніших завдань фізики є дослідження закономірностей природних явищ і знаходження способів застосування цих явищ у житті людини. Задача учителя не тільки знати фізику, а й оволодіти науково-обгрунтованим арсеналом прийомів і способів передачі знань учням.

Фундаментальні фізичні закони — це найбільш повне на сьогоднішній день, але наближене відображення об'єктивних процесів у природі. Різні форми руху матерії описуються різними фундаментальними теоріями. Кожна з цих теорій описує цілком певне явище: механічний або тепловий рух, електромагнітні явища, тощо.

Закони збереження фізичних величин — це твердження, згідно з якими чисельні значення цих величин не змінюються з часом, за певних умов.

Закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу відносяться до числа тих найбільш фундаментальних принципів фізики, значення яких важко переоцінити. Роль цих законів особливо зросла після того, як з’ясувалося, що вони далеко виходять за рамки механіки і представляють собою універсальні закони природи. До цих пір не було виявлено жодного явища, де б порушувались ці закони. Вони безпомилково «діють» і в області елементарних частинок, і в області космічних об'єктів, у фізиці атома і фізиці твердого тіла та являються одними з тих небагатьох загальних законів, які лежать в основі сучасної фізики.

Відкривши можливість іншого підходу до розгляду класичних механічних явищ, закони збереження стали потужним інструментом дослідження, яким кожного дня користуються фізики. Ця найважливіша роль законів збереження як інструмента дослідження обумовлена рядом причин.

1. Закони збереження не залежать ні від траєкторій частинок, ні від характеру діючих сил. Тому вони дозволяють отримати ряд досить загальних і важливих висновків про властивості різних механічних процесів, не занурюючись в їх детальний розгляд за допомогою рівнянь руху. Якщо, наприклад, виявляється, що якийсь процес суперечить законам збереження, то одразу можна стверджувати: цей процес неможливий і безглуздо намагатися його здійснити.

2. Той факт, що закони збереження не залежать від характеру діючих сил, дозволяє використовувати їх навіть тоді, коли сили взагалі невідомі. В цих випадках закони збереження є єдиним і незамінним інструментом дослідження.

3. Навіть в тих випадках, коли сили відомі, закони збереження допомагають розв’язувати багато задач про рух частинок. Всі ці задачі можуть бути розв’язані за допомогою рівнянь руху, але застосування законів збереження дуже часто дозволяє отримувати розв’язок більш простим шляхом.

Актуальність обраної теми полягає в тому, що сучасна фізика вивчає величезну кількість різних процесів у природі. Не всі з них піддаються вивченню і поясненню з точки зору механізму процесу. Тим не менш наука йде вперед і загальні концепції існування природи відомі вже сьогодні. Якраз на цьому етапі перед вчителем і постала проблема створення таких методів пізнання, які б змогли пояснити непізнане і невідоме.

У даній роботі мова піде про методику вивчення законів збереження, на яких сьогодні і тримається сучасна картина світу.

Об'єктом дослідження є процес вивчення закону збереження енергії, імпульсу, заряду в шкільному курсі фізики.

Предметом дослідження служать методи і прийоми навчання при вивченні закону збереження енергії, імпульсу, заряду в шкільному курсі фізики.

Мета дослідження :

ь розглянути методологічну роль законів збереження енергії, імпульсу, заряду;

ь виявити особливості вивчення законів збереження в середній та старшій школі;

ь проаналізувати вікові особливості учнів;

ь визначити зв’язки між явищами збереження і перетворення енергії;

ь розкрити можливості вдосконалення навчання фізики;

ь розробити рекомендації та методичні вказівки, щодо вивчення тем «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду».

Завдання дослідження:

ь вивчити і проаналізувати наукову і навчальну літературу з теми «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду»;

ь зібрати методичні рекомендації, щодо вивчення тем пов’язаних із законами збереження;

ь ознайомитись з методикою викладання тем «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду»;

ь описати умови при яких закони збереження справедливі;

ь оцінити перспективи і подальший розвиток методики вивчення законів збереження.

РОЗДІЛ I. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ У ФІЗИЦІ

1.1 Методологічна роль законів збереження у фізиці

методика вивчення фізика шкільний Місце фізики в системі загальноосвітніх предметів визначається особливостями фізики серед інших наук. Сучасна фізика є найважливішим джерелом знань про навколишній світ, основою науково-технічного прогресу і разом з тим одним з найважливіших компонентів людської культури[9].

Фізика є наукою, що відкриває фундаментальні закони природи. Фізичні теорії і фізичні методи дослідження все більше проникають в інші природничі науки (хімію, астрономію, біологію тощо) і дають важливі результати. Фізику вважають теоретичною основою сучасної техніки, багато галузей якої виникли на базі фізичних відкриттів.

Фізика вивчає первинні структури матерії і відповідні їм найпростіші форми її руху. Цим вона створює природничо-наукову базу для сучасного світогляду[7]

Значення того чи іншого навчального предмета визначається через його специфічні особливості та ознаки. Фізика як навчальний предмет навчального плану середньої школи дозволяє озброїти учнів основами фізики — науки про природу. Зміст, система і методологія фізики відкривають великі можливості для формування наукового світогляду учнів, вироблення практичних умінь і навичок, дійових навичок самостійної роботи. При реалізації цих завдань розвиваються розумові здібності учнів, зокрема логічне мислення учнів, як відображення вищої логіки — логіки природи. Фізика має величезний виховний потенціал[6].

Сучасний етап розвитку загальноосвітньої школи спрямований на виховання учнів засобами навчального предмета. Виховання невіддільне від мислення, формування наукової картини світу і оволодіння методами пізнання природи. Наукове мислення як психічний процес, полягає в узагальненому відображенні суб'єктом суттєвих зв’язків і відносин дійсності.

Перехід школи на нову систему фізичної освіти передбачає вивчення в основній школі систематичного курсу. Систематизація змісту навчального матеріалу кожного розділу курсу фізики на основі понять, законів, деяких ідей фізичної теорії та фізичної картини світу дозволяє виділити загальнонаукові поняття, фундаментальні закони, основними з яких є закон збереження і перетворення енергії, імпульсу, заряду[9]

У концепції модернізації освіти підкреслено, що вирішення завдань навчання фізики в основній школі неможливо без розкриття універсального характеру законів збереження, без показу їх значення в науці і техніці. Вивченню енергетичних характеристик фізичних явищ, речовини і поля відводиться значна частина навчального матеріалу курсу фізики. Відображення універсальності закону збереження і перетворення енергії важливо для формування наукової картини світу, зокрема її ідей про матеріальну єдність світу, енергії - кількісної міру руху, рух — спосіб існування матерії[2]

Фізична картина світу — частина наукового світогляду. Формуючи світогляд, розвиваючи теоретичне мислення учнів, важливо залучати їх увагу до процесів зміни, властивим матеріальним об'єктам. Для фізичних форм руху існує єдина кількісна міра, якою є енергія. Встановлення єдиної міри руху обумовлено тим, що фізичні форми руху здатні перетворюватися друг у друга в певних кількісних співвідношеннях. Це стверджує закон збереження і перетворення енергії.

В даний час проблема відбору змісту навчального матеріалу в основній школі, послідовність його вивчення, які забезпечували б засвоєння енергії як заходи руху і взаємодії об'єктів природи, знаходяться в центрі уваги педагогічної науки.

В основній школі (на першому ступені навчання) раніше не вивчався закон збереження і перетворення енергії. Розглядалося перетворення окремих видів енергії в інші без вивчення закону збереження механічної енергії, закону збереження енергії в теплових процессах[9]. Досвід вивчення цих питань на першій ступені обмежений. Строго, логічно, несуперечливо ввести поняття енергії вкрай важко. Енергія — це теоретичне поняття, вона характеризує рух і взаємодію різних видів матерії. На відміну від більшості інших понять енергія являє собою абстракцію більш високого рівня, необхідну для формування в учнів фізичної картини світу. Дослідження психологів (П.Я. Гальперін, В. В. Давидов, О.М. Леонтьєв, Ж. Піаже, C.JI. Рубінштейн) показують, що учні 7−9 класів здатні до освоєння системи знань з фізики[14]. Психологи вважають важливою властивістю особистості школяра підліткового віку можливість абстрактних узагальнень, освоєння розумових дій, характерних для наукового мислення, оперування емпіричними і теоретичними методами пізнання природи. Змістовне узагальнення розглядається нами як теоретичне узагальнення, що формується в учнів при вивченні курсу фізики в основній школі, на рівні понять, законів, ідей фізичної картини світу. Систематизируючими факторами теоретичних узагальнень можуть слугувати поняття енергії, а також закон збереження і перетворення енергії.

Даний висновок базується на результатах багаторічного досвіду середньої загальноосвітньої школи по змістовному узагальненні, зокрема за методикою формування поняття енергії. Істотний внесок у формування поняття енергії при вивченні фізики в середній школі внесли такі видатні вчені методисти, як JI.A. Іванова, І.К. Кікоїн, А.К. Кікоїн, В. В. Мултановський, В. Н. Мощанский та ін. 14]. Ними досліджено поняття енергії на різних рівнях теоретичного узагальнення: закон збереження і перетворення енергії, фізична картина світу, природнича картина світу.

Значимість поняття енергії у формуванні наукового світогляду при вивченні курсу фізики основної школи змушує звертатися до теоретичних передумов вивчення взаємодії, енергії і закону збереження і перетворення енергії, що відображає єдність природи. Рівень засвоєння учнями поняття енергії визначається багатьма факторами. Найважливішим із них є методична підготовка вчителя. Удосконалення методичної підготовки студентів — майбутніх вчителів фізики є однією з умов підвищення наукового рівня викладання курсу фізики основної школи.

Вивчення наукової літератури, спостереження навчального процесу з фізики дозволили визначити і обгрунтувати принципи відбору змісту навчального матеріалу та розробити методику формування поняття енергії в курсі фізики основної школи. Поняття енергії і закон збереження енергії пронизує всі розділи курсу фізики. Зміст навчального матеріалу, що відноситься до даного поняття і закону, можна розглядати як систему понять, ідей природничо-наукової картини світу і методів наукового пізнання[9]. Система включає: поняття видів енергії, взаємодії фізичних об'єктів, властивості збереження і перетворення енергії; ідеї фізичної картини світу (рух як спосіб існування матерії, енергія як кількісна міра руху, універсальність закону збереження енергії, матеріальна єдність світу). Система наукових знань тісно взаємопов'язана з методами пізнання природи. Закон збереження і перетворення енергії є також методом перевірки результатів дослідження не тільки у фізиці, але й в інших природничих науках.

Проведено аналіз методологічних функцій загальнонаукових понять взаємодії та енергії[14]. В результаті взаємодії об'єктів змінюється їх енергія. Енергія є спільною кількісною мірою руху і взаємодії всіх видів матерії. Поняття енергії пов’язує воєдино всі явища природи. Є якісно різні форми руху матерії, які здатні перетворюватися один в одного в строго певних кількісних співвідношеннях. Закон збереження і перетворення енергії реалізує методологічний принцип збереження.

Аналіз становлення і розвитку поняття енергії показує, що основна властивість енергії - збереження на початку було встановлено при механічних, теплових, а потім електромагнітних і квантових взаємодіях. Принцип історизму, покладений в основу конструювання змісту навчального матеріалу, передбачає врахування даного факту в послідовності вивчення видів енергії, починаючи з механічної енергії і внутрішньої енергії систем об'єктів.

У систематичних курсах фізики у відповідності з різними формами руху матерії розглядають різні форми енергії. Матеріал про закон збереження енергії кожного розділу фізики можна розглядати як дидактичну підсистему, пов’язану з емпіричним та теоретичним методами пізнання.

Виявлено тенденції вдосконалення викладу матеріалу про енергію у вітчизняних та зарубіжних курсах фізики. У механіці систематичних курсів фізики поняття механічної енергії вводиться з використанням зв’язку роботи і механічної енергії (терема про кінетичну енергію). Внутрішня енергія в термодинаміці вивчається на основі експерименту, а закон збереження і перетворення енергії розглядається у зв’язку з першим законом термодинаміки. В електродинаміці енергія електромагнітного поля і закон збереження і перетворення енергії застосовується при поясненні дії електричних машин і коливального контуру; у квантовій фізиці при вивченні теорії Бора, енергії зв’язку та поясненні дії ядерного реактора.

Методика формування поняття про енергію спирається на психологічні теорії поетапного формування розумових дій та видів узагальнення. Для оцінки досягнень використовуються різні типи систематизації, що дозволяють виявити рівні засвоєння енергії і закону збереження і перетворення енергії[14].

На підставі принципів формування в учнів основної школи поняття енергії визначена змістовна модель. Вона включає цілі вивчення системи понять, пов’язаних з поняттям енергії та її збереження. Основний зміст моделі відноситься до механіки, термодинаміки, основам електродинаміки, елементам квантової фізики курсу фізики загальноосвітньої школи. Узагальнення навчального матеріалу про енергію і законів збереження енергії проводиться в кінці курсу фізики дев’ятого класу на основі ідей фізичної картини світу. Найважливішими з них є ідеї про енергію як міру руху матерії, єдності і пізнаванності світу, незнищенності руху матерії, універсальності закону збереження енергії.

В основу введення поняття енергії в кожному розділі курсу покладена відомий пізнавальний ланцюжок діяльності: мета — мотив — досвід-визначення величини — одиниця величини в СІ - приклади застосування поняття[14].

У механіці закон збереження енергії розглядається на прикладі тіла, піднятого над Землею. Логічний ланцюжок вивчення даного закону такий:

Перший закон термодинаміки виражає закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища. Схема його вивчення в курсі фізики 9 класу наступна:

При вивченні основ електродинаміки розвивається поняття енергії. Учні дізнаються про енергію електричного поля, магнітного поля, електромагнітного поля. Закон збереження і перетворення енергії поширюється на електричні явища:

Так, дія ідеального коливального контуру пояснюється періодичними перетвореннями енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки. Повна енергія ідеального контуру постійна.

Вивчаючи елементи квантової фізики, учні дізнаються про енергію атома і ядра, знайомляться з квантовим характером випромінювання і поглинання світла. Закон збереження і перетворення енергії учні застосовують при вивченні ядерного реактора.

Незважаючи на відмінності схем вивчення закону збереження і перетворення енергії, в них можна виділити загальні риси. У всіх розділах розглядаються приклади його використання для пояснення механічних, теплових, електричних, квантових явищ. Ці приклади показують, що для фізичних форм руху існує єдина кількісна міра, якою є енергія. Встановлення єдиної міри руху обумовлено тим, що фізичні форми руху здатні перетворюватися одна в одну в певних кількісних співвідношеннях[16].

Вивчення енергетичних понять і закону збереження і перетворення енергії супроводжується аналізом демонстраційних дослідів і лабораторних робіт. Методика формування поняття енергії та вивчення закону збереження і перетворення енергії передбачає різні форми проведення уроків.

1.2 Аналіз навчальної програми середньої та старшої школи з фізики

У 2011;2012 навчальному році завершується перехід загальноосвітніх навчальних закладів на вивчення предметів за новими різнорівневими навчальними програмами, які створено на основі Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти[9].

В основній школі, 7−9 кл., вивчається завершений базовий курс фізики, який закладає основи фізичних знань. Навчання фізики у 7−9 класах проводитиметься за програмою «Фізика. Астрономія» У 8−9 класах з поглибленим вивченням фізики викладання здійснюється відповідно до «Збірника навчальних програм для загальноосвітніх закладів з поглибленим вивченням предметів природничо-математичного та технологічного циклу»

У старшій школі вивчення фізики відбувається залежно від обраного профілю навчання: на рівні стандарту, академічному або профільному. Зміст навчального матеріалу для 10 та 11 класів визначається програмами для загальноосвітніх навчальних закладів[9]/

Для більшої ясності важливим є вивчення навчальної програми з фізики для середньої та старшої школи з державними вимогами до рівня загальноосвітньої підготовки учнів.

З поняттям закон збереження механічної енергії учні вперше зустрічаються у 8 класі на початку II семестру, після розділу «Механічний рух» та «Взаємодія тіл». На той час учні вже знайомі з поняттям механічна взаємодія, тиск, пружність, вага, які є основою для подальшого вивчення розділу «Робота і енергія.»

Основна школарівень стандарту[12]

Як бачимо за навчальною програмою, реалізується такий підхід, щодо вивчення закону збереження енергії: спочатку вводиться поняття робота, а вже потім на основі нього виводиться поняття енергія. У основній школі учні отримують лише початкові знання з даної теми, які необхідні їм для подальшого вивчення фізики. Такий метод навчання можна простежити і аналізуючи підручники з фізики 8 класу під ред. Коршака[10] «…робота у фізиці - величина, що характеризує перетворення енергії одного виду в інший, яке відбувається у даній фізичній системі». Далі на розгляд учням дається декілька прикладів розв’язання задач, з детальним поясненням ходу розв’язку та отриманої відповіді. Після розгляду прикладів у § 45 автор зазначає доречним дати учням таке визначення: робота визначається як зміна величини, що дорівнює й описує стан тіла у довільний момент часу. Цю величину називають енергією. Фізична величина, що описує стан тіла і зміна якої визначає роботу, називається енергією. Після якого вводять поняття «кінетична енергія», зазначаючи, що кінетична енергія є величиною відносною. У підручнику важливе місце відведено на виведення формули для кінетичної енергії:розглянемо тіло масою m, на яке діє сила. Напрям дії сили збігається з напрямом переміщення. Роботу, яку виконує ця сила Модуль переміщення:

Тому Такий метод є зручнішим, оскільки ним можна користуватися навіть в разі змінної сили і довільної траєкторії. Після параграфу наведені питання для самоконтролю учнів:

1.Чому кінетична енергія є величиною відносною?

2. Як робота пов’язана з кінетичною енергією?

У § 46 розглядається поняття «потенціальна енергія» і робота сили тяжіння. Необхідно звернути увагу учнів на те, що робота вили тяжіння дорівнює зміні потенціальної енергії з протилежним знаком. Закон збереження та перетворення енергії вивчається у § 49 при детальному розгляді взаємодії тіла масою m та стиснутої пружини, деформація якої .

Дещо іншою методикою користується Божинова у підручнику з фізики за 8 клас[5]: поняття енергія також вводиться на основі поняття робота, але дещо відрізняється поетапність викладення матеріалу даного розділу, так у § 25 вводиться поняття робота разом з потенціальною енергією за тим же принципом, що і в Коршака. Поняття кінетична енергія з законом збереження та перетворення енергії розглядаються у § 26. Нажаль, у цьому підручнику немає виводу формули для кінетичної енергії, що може спричинити нерозуміння фізичного сенсу поняття, з боку учнів. Розповідь учителя має підкріплюватись такими демонстраціями: перехід одного виду механічної енергії в інший (коливання кульки); виконання роботи за рахунок кінетичної енергії тіла (рух візка по похилій площині). Проте перевагами є те, що підручник дуже добре проілюстрований та з великою кількістю прикладів та задач якісного характеру, що надають можливість учням подумати, знайти правильну відповідь, висловити свої міркування, щодо даної задачі. Наприклад: чому легковим автомобілям дозволено їздити містом з більшою швидкістю, ніж вантажним?

Вдруге учні зустрічають з поняття закону збереження енергії у 10 класі під час вивчення розділу «Динаміка» методика вивчення закону збереження енергії така ж, але питання на багато порядків складніші, якісні задачі вимагають більш детального пояснення та розуміння, тепер закон збереження енергії використовується не лише в механіці, а й у розділі механічні коливання, розділі термодинаміки, електродинаміки. Тепер учні мають змогу розв’язувати задачі користуючись поняттям закони збереження, що значно спрощує та прискорює розв’язок[3].

Старша школарівень стандарту[12]

У 10 класі поряд з темою закон збереження енергії вивчається закон збереження імпульсу. При вивченні закону збереження імпульсу вводять ряд нових фізичних понять.

Засвоєння деяких з них дуже важливо для вивчення всього розділу. До числа цих понять слід віднести такі: сила, вага, невагомість, механічна система, замкнута механічна система, зовнішні сили, внутрішні сили, консервативні сили.

Проаналізуємо підручник з фізики за 10 клас[8]: поняття імпульс належить до тих фізичних величин на які поширюється закон збереження, що дає можливість визначати імпульси тіл та їх стан після взаємодії. Методика навчання є такою: у § 41 розглядають задачу про взаємодію двох тіл, де за допомогою III закону Ньютона та імпульсів тіл виводять закон збереження імпульсу. У цьому розділі також розглядають поняття «пружний» та «непружний» удари. Після параграфу учням на самостійне опрацювання дається блок задач, деякі з них позначені *(зірочкою), що говорить про складність завдань.

Методика навчання за підручником з фізики за 10 клас Божинової[4] майже не відрізняється, лише додається певна кількість додаткових демонстрацій та лабораторних робіт. Наприклад: реактивний рух, пружний та непружний удари кульок.

Для учнів 10 класу характерною для учбового процесу є систематизація знань з різних предметів, встановлення предметних зв’язків. Все це створює грунт для оволодіння загальними законами природи і суспільного життя, що приводить до формування наукового світогляду.

У 9 класі у I семестрі учні одразу переходять до вивчення розділу «Електромагнітні явища». У цьому розділі учні знайомляться з такими поняттями як заряд, електрон, іон, поле. Ці поняття є суто абстрактними, що ускладнює розуміння учнями матеріалу. У цьому розділі фізики значну увагу необхідно надати наочності: фізичний експеримент, аналогії, модельні уявлення, комп’ютерна презентація, схеми, креслення, малюнки, таблиці. При вивченні цього розділу відбувається розширення та поглиблення в розумінні учнів поняття матерія. До цього вони знали лише один вид матерії - речовина. Тепер знайомляться з іншим (особливим) видом матерії - полем. В навчальній програмі висунуті до учнів вимоги такого типу[9]:

Основна школа-рівень стандарту[12]

При аналіз підручника з фізики за 9 клас Божинової виявилося, що краще розпочати з електромагнітної взаємодії, а точніше з дослідів, які її ілюструють (електризація паперу та оргскла), далі на основі електромагнітної взаємодії вводять поняття електричний заряд-це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію. У процесі вивчення висвітлюються основі властивості заряду, та вводиться поняття «Електричне поле» та електрична взаємодія, на основі демонстрацій (заряджена куля та підвішені кульки на нитках).У § 3 під час демонстрації процесу електризації (тертя ебонітової палички вовною) формулюють закон збереження електричного заряду: повний заряд замкненої системи тіл або частинок залишається незмінним під час усіх взаємодій.

У підручнику з фізики за 9 клас методика викладання ідентична з попередньою, але про поняття як закон збереження електричного заряду взагалі не згадується[11].

Висновок до розділу I

Фізика — фундамент природничо-наукової картини світу. Її вивчення сприяє формуванню наукового світогляду учнів, оволодіння діалектичним методом мислення, вмінням розуміти закони природи і використовувати їх в інтересах людини і суспільства.

Саме це завдання — формування наукового світогляду — є однією з першочергових задач, здійснюваних у закладах загальної освіти.

Коли говорять про розвиток мислення учнів у процесі навчання фізики, то перш за все мають на увазі формування фізичних понять, так як вони сприяють озброєнню учнів найважливішою формою мислення — понятійним мисленням і тому, що поняття становлять ядро?? системи наукових знань.

Одним з найважливіших понять фізики є поняття «енергія». Це поняття широко використовується не тільки у фізиці, але й в інших природничих науках — хімії, біології. Формування поняття «енергія» має важливе значення для розвитку у учнів наукового світогляду і для політехнічної підготовки.

Природно-науковим вираженням незнищуваності руху є закон збереження і перетворення енергії, який Енгельс назвав «великим основним законом руху».

РОЗДІЛ II. МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ

2.1 Закон збереження енергії

Не дивлячись на те, що поняття «енергія» не нове, єдиної думки про визначення його не існує. Професор А. Б. Млодзеевський, талановитий викладач і відомий фізик, не одноразово зазначав, що з усіх понять фізики найнезрозумілішим є поняття «енергії». Воно одночасно і одне з найпоширеніших, і одне з найскладніших. До нього необхідно призвичаїтись і навчитись правильно використовувати в розрахунках[1].

Проаналізуємо найбільш поширені означення поняття енергія.

Існують різноманітні види руху матерії. Всі види матерії перетворюються одна в одну строго в визначеній кількості. Звідси і виникає можливість виміряти різні види руху матерії деякою спільною мірою. Це і основою наступного визначення: енергія-це спільна, єдина кількісна міра різних форм руху матерії[1]. З іншого боку, кожному зі станів механічної системи відповідає певне значення енергії. Перехід від одного стану до іншого супроводжується зміною енергії системи. У випадку механічних процесів цей перехід відбувається в процесі виконання механічної роботи. Звідси, і інше формулювання поняття «енергія», енергія — функція стану системи.

І нарешті, найпоширенішим в навчальній літературі є визначення того, що енергія — властивість тіл виконувати роботу.

Кожне із зазначених формулювань в науковому і методичному плані є довершеними. Але питання про класифікацію видів та форм руху матерії, в даний час не має чіткого та однозначного роз’яснення. До того ж перше формулювання представляє собою дуже глибоке значення, до якого учнів необхідно підводити поступово, в напрямку накопичення знань, умінь та навичок, а також розвитку мислення.

Інше формулювання має певні недоліки. Перш за все, яким чином виокремити енергію як функцію із множини інших функцій стану системи. Складним і для учнів буде поняття «стан системи». Це поняття потребує завчасної підготовки як в галузі накопичення знань, так і в галузі розвитку мислення учнів при вивченні енергетичних явищ. В цьому значенні починати з такого трактування не варто, проте необхідно підвести учнів, які закінчують середню школу до розуміння цього поняття.

З третього формулювання поняття енергії зрозуміло, що перед тим як вводити (визначати)поняття, необхідно дати означення поняттю «робота». У той же час суть поняття «робота» може бути розкрите тільки через поняття «енергія». В цьому випадку порушуються елементарні вимоги, щодо логіки про недопущення тавтології: енергія — властивість тіла виконувати роботу, робота — міра переходу енергії.

Мають місце також різні методи, щодо формування поняття «енергія» і «робота» при вивченні механіки в середній школі[14].

1) Вводиться поняття «енергія» незалежно від «роботи», з послідовним розкриттям зв’язку між ними. Суть цього підходу заключається у пошуках величини, що зберігається:

де — кінетична і - потенціальна енергії.

Пізніше вводять роботу як зміну енергії в механічних процесах[15]:

Недоліком такого підходу в середній школі є те, що учні мають стежити за збереженням величини, значення якої дізнаються після її виводу[14].

2)Одночасно ввести поняття енергії та роботи із рівняння, що пов’язує роботу зі зміною кінетичної енергії. При такому підході до вивчення енергетичних понять починають з розгляду розгону та гальмування тіл. Ніяка сила не може миттєво змінити напрям руху. Знаючи переміщення, отримують рівняння:

Перша частина рівняння кінетична енергія, друга частина — механічна робота. Потенційну енергію вводять як «запас» із якої виникає кінетична енергія. Через виявлення далі сталої суми кінетичної і потенціальної енергії вводять поняття механічна енергія, як величина, яка не тільки не змінюється в механічних процесах, але й таку, що може перетворюватись.

Цей підхід доступний для школярів і міг би бути прийнятим в школі. Але в ньому в достатній мірі не враховується те, що в середній школі учні мало знайомі з поняттям механічна робота і механічна енергія[14].

3) Розвивати уявлення про роботу і енергію, отримані у 8 класі, і відповідно будувати методику вивчення енергетичних понять у 10 класі.

Даючи короткий науково-методичний аналіз понять енергія і робота, ми зазначали, що до поняття енергії необхідно підводити учнів через поняття робота[15].

Урок необхідно починати з короткого повторення пройденого матеріалу про роботу, запропонувавши учням відповісти на такі питання: що називають механічною роботою? Назвіть одиниці вимірювання роботи. Яким чином вони визначаються?

Після цього необхідно переходити до введення поняття «енергія». Починати формувати це поняття краще з досліду[14]. Підняти гирю над столом. Звернути увагу учнів на те, що гиря не рухається, а отже роботи не виконує, але якщо гиря почне падати, то виконається робота. В наступному досліді показати стиснуту пружину, яка вирівнюючись, рухає кульку, теліжку, або рухає тягар, виконуючи при цьому роботу. Зробити висновок, що якщо тіло або декілька тіл взаємодіють між собою, то вони мають енергією. Тому можна сказати, що піднята гиря, стиснута пружина мають енергією. Енергія це фізична величина, що характеризує можливість тіла (або декількох тіл)виконувати роботу. Тіло тільки тоді може виконувати роботу, коли воно має енергію. Чим більшу роботу виконує тіло, тим більшу енергію воно має. Тому енергію можна розглядати як, свого роду «запас» можливої енергії. Дуже важливо, щоб учні усвідомили, що тіло, яке має енергію знаходиться у особливому стані. В результаті виконаної роботи тіло переходить із одного стану в інший: гиря опускається, пружинка розпрямляється. Виконана робота є мірою зміни енергії при переході тіла з одного стану в інший.

Далі формуються поняття двох основних видів механічної енергії - кінетичної та потенціальної[14]. При введені поняття кінетична енергія, необхідно з учнями повторити матеріал про механічну роботу, і зупинитись на тому, що для виконання роботи необхідна сила і шлях вздовж якого ця сила буде діяти. Після цього необхідно привести декілька прикладів і дослідів. Для того, щоб пояснити учням від чого залежить кінетична енергія, пропонуємо показати дослід по переміщенню рухомим візком бруска поставленого на його шляху.

Потім дослід необхідно змінити, пускати візок з різної висоти (з різною швидкістю), роблять висновок, що чим більша швидкість тіла, тим більшу роботу воно може виконати, тобто більшою енергією володіє. Використовуючи візки різної маси, демонструємо, що енергія залежить від маси тіла, що рухається. Підводячи підсумки зазначаємо, що чим більша маса тіла, що рухається, і чим більша його швидкість, тим більша його кінетична енергія. Одночасно з висновками записуємо на дошці формулу для кінетичної енергії:

Для учнів 8 класу вивід формули не є обов’язковим, тим паче, що він ґрунтується на використанні поняття «прискорення», з яким вони ще не знайомі. Фізична суть цієї формули стане зрозумілою учням у старших класах[15].

Повторюючи раніше вивчене неодноразово звертаємо увагу на те, що коли тіло має енергію воно може виконувати роботу. Але такою змогою володіють не всі тіла, що рухаються. Цю думку доречно пояснити, наприклад наступним дослідом: розтягуємо пружину, до кінця якої причеплений вантаж. Стискаючись, пружина підіймає вантаж, а отже виконує роботу. Таким чином вводимо поняття потенціальної енергії, як енергії, котра залежить від взаємного розташування тіл, або частин тіла. Після пояснення записується рівняння для енергії системи:

Приводячи учням приклади різних систем і тіл, говоримо про те, що дуже часто зустрічаються системи (тіла), які володіють і кінетичною, і потенціальною енергіями. В той час же в житті ми можемо спостерігати перетворення одного типу механічної енергії в іншу: механічну в теплову, механічну в електричну.

Основною задачею на цьому етапі є пояснення учням взаємоперетворень кінетичної та потенціальної енергії. При вивченні цієї теми необхідно спиратися на наступний дослід: коливання кульки підвішеної на нитці. Під час аналізу необхідно звернути увагу учнів на перетворення кінетичної енергії в потенціальну, а також на те, що в будь-якій точці, між крайнім нижнім і верхнім положенням, кулька має як і кінетичну енергію, так і потенціальну. Основуючись на тому, що кінетична енергія збільшилась, а потенціальна зменшилась (або навпаки) разом з учнями формулюємо закон збереження механічної енергії: в замкненій системі, при відсутності сил тертя сума кінетичної і потенціальної енергії зберігається. Особливу увагу приділяємо, тому що закон збереження механічної енергії стосується тільки замкнених систем, де відсутнє тертя, якщо ж силами тертя не нехтують закон не справджується. Робота сил тертя йде на зменшення кінетичної енергії. Але при цьому під дією сили тертя потенціальна енергія не збільшується, як це було у випадку дії сили тяжіння і сили пружності. Це є наслідком того, що сили тертя не залежать від відстані між тілами, що взаємодіють, а залежать від відносних швидкостей. Робота цих сил залежить від форми траєкторії, а не від початкового та кінцевого положення тіл у просторі[14].

Важливим і невід'ємним елементом шкільної фізичної освіти є експеримент, як засіб отримання учнями пізнавальної інформації, забезпечення наочності під час вивчення фізики, а також формування практичних вмінь та навичок учнів. За словами Л. Мальдештама, «…ні підручник, ні вчитель недостатні для того, щоб навчити фізики. Учень повинен хоч трохи працювати дослідно сам. Він повинен хоч поверхово, але сам бачити. Сам чути, сам відчувати ті явища, про які йому говорять"[16]

Найпоширенішою формою самостійної експериментальної роботи є фронтальні лабораторні роботи. Особливо слід відзначити ті з них, дидактична мета яких виявлення чи перевірка кількісних закономірностей. На відміну від інших груп лабораторних робіт вони відіграють головну роль в усвідомленні експериментального характеру фізики та її методів дослідження[6].

Важливими вимогами до фронтальних лабораторних робіт зазначеного типу є простота виконання, доступність обладнання, і, головне, — забезпечення належної наочності вимірювань[6]. Наприклад: дослідження механічного руху з урахуванням закону збереження енергії.

2.2 Закон збереження імпульсу

При вивченні закону збереження імпульсу вводять ряд нових фізичних понять. Засвоєння деяких з них є важливим для вивчення усього розділу. До цих понять слід віднести такі: механічна енергія, внутрішні сили, консервативні сили[14].

Поняття «замкнена механічна система» є суто ідеалізацією. Тому дуже важливо при розгляді конкретних задач говорити про те, як рухаються тіла в фізичній системі і яким чином діють на них зовнішні сили. Якщо ці сили відсутні (або ними можна знехтувати), то необхідно використовувати закон збереження імпульсу, якщо зовнішні сили діють, то сумарний імпульс сили, що діє на систему і дорівнює він сумарній зміні імпульсу системи.

Формулювання фізичного закону найчастіше будується на основі відповідної формули, і в ряді випадків це дає позитивний результат (другий закон Ньютона, закон всесвітнього тяжіння, закон Ома і т.д.).

Зовсім по-іншому справа йде з законом збереження імпульсу. Відтворюючи його, учні найчастіше говорять про рівність імпульсів тіл системи до взаємодії і після взаємодії, випускаючи з уваги ту обставину, що імпульс зберігається і під час взаємодії[14].

Спробуємо розібратися з причиною цього явища. По-перше, в шкільних підручниках і ряді інших навчальних посібників при виведенні закону збереження імпульсу дійсно розглядають імпульси тіл, що входять в замкнуту систему, до взаємодії і після взаємодії. В результаті в пам’яті учня відкладається інформація такого вигляду: «Якщо в замкнутій системі тіл і їх імпульси до взаємодії -, ,…, після взаємодії - ,…, то

+ +…=++…

Абсолютно ж вірне і коректне формулювання закону збереження імпульсу, наявне в тих же підручниках, — «Векторна сума імпульсів всіх тіл, що входять в систему, залишається незмінною при будь-яких рухах і взаємодіях тіл системи» — залишається десь на «задвірках пам’яті».

По-друге, запропоновані в шкільному підручнику завдання, що ілюструють закон збереження імпульсу, не сприяють його глибокому розумінню: в процесі їх вирішення, як і раніше порівнюються імпульси тіл, що входять в систему до і після взаємодії[15].

І, нарешті, в ряді посібників автори дають алгоритм вирішення задач на закон збереження імпульсу, одним з пунктів якого є припис порівняти суму імпульсів тіл, що входять в замкнуту систему, до взаємодії і після взаємодії.

В результаті у багатьох школярів не сформовано розуміння закону збереження імпульсу в усій повноті. Оперуючи по суті справи «законом рівності імпульсів тіл до і після взаємодії», вони залишаються безсилими перед завданнями, в ході вирішення яких необхідно розглядати імпульс системи в певний момент взаємодії.

Для простоти суджень розгляд закону збереження імпульсу цілком вірогідно розпочати з замкненої системи, що складається з двох тіл, що стикаються маси, яких однакові, а швидкості різні. Виводимо цей закон на основі другого та третього законів динаміки, що є цілком логічним.

Доводимо, що зміна імпульсів двох тіл, що стискаються однакові за модулем, але різні за знаком. Важливо звернути увагу учнів на те, що під час удару модулі сил з якими тіла взаємодіють, змінюються, залишаючись весь час рівними між собою.

Далі формулюємо закон збереження імпульсу: геометрична сума імпульсів тіл, що складають замкнену систему, залишається постійною при будь-яких взаємодіях тіл цієї системи між собою[16].

Сумарний імпульс тільки перерозподіляється між тілами, що взаємодіють. Закон обов’язково має бути проілюстрований прикладами та дослідом. Можна продемонструвати такий дослід: візки, які взаємодіють і розташовані на коліщатках.

Перші задачі добре було б розв’язати графічно, для того, щоб учні краще роз’яснили, що мова йде про геометричну (векторну) суму імпульсів.

На наступному етапі корисно розв’язати задачу такого типу: снаряд, випущений з пушки, розірвався в верхній точці, при цьому утворилося три частинки, дві з яких розлетілися під прямим кутом один до одного. Маса першої частинки, а її вектор швидкості. Маса іншої -, а вектор швидкості -, а вектор швидкості третьої - .Визначити графічно напрям польоту третьої частинки. Яка її маса?

Увагу учнів необхідно звернути на те, що імпульс — величина відносна, а закон збереження імпульса справедливий для всіх інерційних системах відліку. Це важливе положення в розвитку ідей відносності в механіці має бути закріплено на прикладах: Мяч масою 1 кг рухається по полю, зі швидкістю, модуль якої 4 м/с відносно поля. Визначити його імпульс:

а) відносно Землі;

б) відносно футболіста 1, що біжить до м’яча зі швидкістю, модуль якої 5 м/с відносно Землі;

в) відносно футболіста 2, що веде м’яч по полю.

Розв’язок:

а) записуємо вираз для імпульсу м’яча відносно Землі:

б) запишемо вираз для імпульса м’яча відносно футболіста, що біжить до м’яча відносно Землі:

в) записуємо вираз для імпульса м’яча відносно футболіста, що веде м’яч по полю:

Щоб показати справедливість закону збереження в будь-якій інерціальній системі відліку, запишемо закон збереження для двох взаємодіючих візків відносно двох інерціальних системах відліку. Проведемо образний дослід. На платформі, яка рухається рівномірно і прямолінійно, перебуває у стані спокою візок масою

В напрямку зворотньому до руху платформи рухається візок масою, зі швидкістю відносно платформи. Швидкість візків після зіткнення відносно платформи —. Проведений аналіз образного досліду дозволяє зробити висновок: якщо збереження імпульсу виконується при русі відносно однієї системи відліку, що рухається відносно будь-якої іншої системи відліку, що рухається відносно першої прямолінійно і рівномірно, тобто закон збереження імпульсу виконується в будь-якій інерціальній системі відліку.

У 10 класі при вивченні релятивістської механіки вказуюють, що при релятивістських швидкостях сума релятивістських імпульсів, що створюють замкнену систему, залишається постійною при будь-яких взаємодіях між тілами, тільки імпульс залежить від швидкості таким чином[11]:

Корисно було б розглянути границі використання закону збереження закону імпульсу:

1) Використовується лише в інерціальних системах відліку;