ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
______________________________________________________
О.Ю. Петрова, т.В.Смекалина, о.Л.Хабибулина
ПОВТОРЯЕМ ФИЗИКУ
10 КЛАСС
Учебное пособие
Издательство ТПУ
Томск 2011
П 31
|
УДК 53 П 31 Петрова О.Ю., Смекалина Т.В., Хабибулина О.Л. Повторяем физику. 10 класс: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. – 114 с.
В учебном пособии представлена попытка структурирования предмета физики. Материал физики изложен так, как обычно излагается геометрия. Учебный материал распределен по четырем разделам: «Определения физики», «Экспериментальные законы физики (аксиомы)», «Теоремы физики (формулы)» и «Модели физики». Предполагается, что явно выраженная единая структура учебной дисциплины представит собой дидактический параметр, облегчающий восприятие и запоминание материала. Учебное пособие предназначено для учителей физики, абитуриентов и все тех, кто интересуется физикой как наукой и методиками преподавания физики. Данное издание – второе, исправленное.
УДК 53
Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета
Рецензенты Заслуженный деятель науки Российской федерации, доктор физико-математических наук, профессор ТГАСУ Л. Е. Попов
Доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института сильноточной электроники СО РАН Р. Б. Бакшт
Ó Томский политехнический университет, 2011 Ó Оформление. Издательство ТПУ, 2011 |
Оглавление
Предисловие ……………………………………………………… I. Механика …………………...…………………………………... Глава 1. Определения механики ………………………………. §1. Определения кинематики ………………………...…
§2. Определения динамики ………...……………………
§3. Определения статики …………………………...…...
Глава 2. Экспериментальные законы механики (аксиомы механики) ………….…………………………. §4. Законы динамики …………………………………..
§5. Законы статики ……………………………………...
Глава 3. Теоремы механики. Формулы ………………………… §6. Формулы кинематики ………………….………..…
равномерном движении по окружности ……
через линейную и угловую скорости …………….. §7. Формулы кинематики и динамики ……………….
§8. Формулы динамики …………………………………. 1. Потенциальная энергия вблизи поверхности Зем-ли ...……………………………….……………….
Глава 4. Модели механики …………………………………….…
II. Термодинамика. Гидростатика ……………………………… Глава 5. Определения термодинамики ………………………….
Глава 6. Экспериментальные законы термодинамики (аксиомы термодинамики) ……………………………..
пара от температуры ….…………………..……..
Глава 7. Теоремы термодинамики и гидростатики. Формулы §9. Формулы термодинамики ………………….………
кинетической теории ………..…………...……...
тепловой машины (Второе начало термоди- намики) …………………….………………...…..........
§10. Формулы термодинамики и гидростатики ………
§11. Формулы гидростатики ……………….………........ 1. Формула гидравлического пресса …….…….. Глава 8. Модели термодинамики …………………………..……
III. Электричество ..………………. ……………………....……… Глава 9. Определения электричества ……………..…….……… §12. Определения электростатики ………………..….
§13. Определения постоянного тока ……………..………
Глава 10. Экспериментальные законы электричества (аксиомы электричества) …………………………….. §14. Законы электростатики ………………….……...……
§15. Законы постоянного тока ……………………...……
проводимость проводников ………………………
сопротивления проводников ………...………….
постоянного тока по цепи ……...…………..…… Глава 11. Теоремы электричества (формулы электричества) §16. Формулы электростатики …………..…………….....
поля и силы Кулона, действующей на пробник 4. Принцип суперпозиции для напряженности электрического поля …………….…...……...…….
электрических сил ……………………….………..
§17. Формулы постоянного тока ……………………....
Глава 12. Модели электричества …………………………….….. §18. Модели электростатики ……………………...……..
электронов в веществе …………………........... § 19. Модели электрического тока ………………….....
Послесловие……………………………………………. |
10 13 13 13 13 13 14 14 15 15 16 17 18 18 19 20 21 21 21 22 22 23 23 24 25 25 26 26 27 27 27 28 29 29 30
30 30 30 31 31 32 33 33 34
34 35 36
36 36 36 36
37
37 38
39
40 41 41 42
42 43
45 45 45 45 46 46 47 47
48 48 48 48 49 49 50 50 51 51 52 52 53 53 54 54 54 55 56 57 57 58 58 59 59 60 60 61
61
62 62 63 64 65
65 66
67 67 68 69 69 70 70 70 71 71
72 74 74
75 76 77 77
77
78
78 79 79 80 80 81 81 81 82 82 83 83 83 83 83 84 84 85 85 86 87 87 88
89 89 90 90 91 91 91 92 93
93 93 93 94 95 96 97 97 97
98
99
99 100 100 100 101
101
102
103 104 104
106
106
107
107 107 108 108 109 109 109
110
110
110
111
112
112 114 114
115 116 116 116
116 117 117 118 119 |
ПРЕДИСЛОвие
Данное учебное пособие является вторым, дополненным и исправленным, изданием. В работе над вторым изданием принимали участие Т.В. Смекалина и О.Л. Хабибуллина. Исправления указаны в сносках на страницах, где они сделаны.
В учебном пособии представлена попытка структурирования предмета физики. Материал физики изложен так, как обычно излагается геометрия. Предполагается, что явно выраженная единая структура учебной дисциплины представит собой дидактический параметр, облегчающий восприятие и запоминание материала.
Рассмотренный нами учебный материал распределен по четырем разделам: «Определения физики», «Экспериментальные законы физики (аксиомы)», «Теоремы физики (формулы)» и «Модели физики». В следующих изданиях, вероятно, будут добавлены разделы «Понятия физики» и «Физические приборы», имеются в виду те приборы, которые используются для демонстрации физических явлений.
Аксиоматический базис физики составляют определения, модели и экспериментальные законы. Аксиоматический базис – это тот объем материала, который необходимо знать наизусть. Теоремы физики, помимо того, что их надо знать наизусть, необходимо уметь доказывать, подобно математическим теоремам. Доказательство теорем физики (вывод формул) проводится математически на основании определений и экспериментальных законов в рамках их применимости с помощью моделей, избранных для описания изучаемых процессов или явлений.
Понимание в физике носит вполне конкретный характер. Понять определение означает оценить целесообразность введения именно такой величины для исследования связей природы. Можно не пытаться понимать в этом смысле определение при первом ознакомлении с ним, но, решая задачи и изучая различные физические явления, необходимо оценивать полезность введенных определений, их необходимость и достаточность для решения поставленных физикой задач. Нелишне иметь в виду и то, что всегда можно было бы ввести и другие определения, которые оказались бы более удачными для построения законов физики. Но исторически появились именно эти определения, других нет и заучивать наизусть придется именно эти определения. Если ученик не знает наизусть определений, то он ничего не поймет в физике.
Понимание экспериментального закона включает в себя следующее. Необходимо ясно представить себе некоторую лабораторную работу, в которой проводятся измерения, выполняются расчеты и получается некоторый результат. Надо представлять себе, что и при каких условиях измеряют, что считают и, какой получается результат. Все физики уверены, что если Вы аккуратно проведете такую лабораторную работу, то получите то же самое, что предписано в изучаемом экспериментальном законе.
Для изучения физики существенным оказывается введение абстрактных моделей. В процессе протекания любого явления природы в исследуемом объекте происходит множество изменений, причем все эти изменения учесть невозможно. Например, камень, брошенный под углом к горизонту, притягивается под действием силы тяжести к земле, нагревается трением о воздух, внутри камня проходят звуковые волны от разных источников звука, камень теряет некоторые свои молекулы и абсорбирует молекулы воздуха и т.д. Для разных задач физики существенными оказываются не все процессы, происходящие с камнем, и не все свойства, которыми он обладает. Так, при изучении траектории движения камня существенными оказываются существование силы тяжести, притягивающей его к Земле, и лишь два свойства камня − неизменность во время полета его формы и массы. Эти два свойства объекта аккумулированы в модели материальной точки. Выделение существенных для изучаемого круга явлений свойств и абстрагирование от остальных свойств объекта представляет собой способ моделирования в физике.
Оказывается, что связи между физическими величинами организованы в соответствии с аксиомами и теоремами математики. Поэтому из определений и экспериментальных законов физики по правилам математики можно выводить формулы, и они будут подтверждаться в эксперименте. Умение выводить формулы самому и понимать выводы формул других физиков представляет собой одно из двух основных достоинств ученого-физика. Второе достоинство – это умение придумать и провести эксперимент, подтверждающий или опровергающий формулы теоретика. Настоящий учебник направлен, в-основном, на формирование способности физика-теоретика.
Умение выводить формулы физики и умение решать задачи – это практически одно и то же.
Предельно краткое и в то же время подробное изложение материала нашей книжки призвано помочь, прежде всего, в решении задач. Определения физики выполняются при любых условиях, поэтому если задачу удалось решить по определению, то в правильности решения можно не сомневаться.
Если при решении использовалась теорема (формула), то необходимо проверять, соответствуют ли данной задаче условия вывода этой формулы, а именно рамки применимости экспериментальных законов и модели, для которых выведена используемая формула. Поскольку главный критерий истинности соотношений физики − это эксперимент, который невозможно провести для каждой решаемой задачи, то в правильности теоретического решения учащийся вообще не может быть уверен.
Экспериментальную проверку правильности решения типовых задач, приведенных в учебниках, неоднократно производили ученые и инженеры во время решения различных сложных задач науки и техники. Поэтому, обучаясь решению учебных задач по физике, мы учимся правильно (т.е. так, как в самом деле допустимо в природе и технике) связывать разные аксиоматические посылки между собой. В конечном счете, мы учимся логически правильно мыслить.
Решение задач по физике показывает, что на поиск правильного решения влияет множество причин, из которых можно выделять главные и второстепенные. Второстепенными причинами можно пренебречь при некоторых условиях. Условия выбора могут меняться во времени и (или) пространстве, что меняет и характер решения.
Стиль мышления физика гибок, подразумевает постоянную готовность к коррекции ошибки, т.е. к поиску выхода из любой ситуации, готовность повернуть любую неблагоприятную ситуацию во благо или, хотя бы, получить из нее максимум пользы. Статистика показывает, что навык мышления физика помогает адаптироваться к другим, казалось бы, далеким типам деятельности. Так, например, большинство наиболее успешных банкиров новой России в прошлом – физики.
В этой книжке структурирован учебный материал в объеме программы единого государственного экзамена для школ России.
Иллюстрации на страницах 61, 66, 92 взяты в Интернете - http://images.yandex.ru.
I. МЕХАНИКА
Глава I. ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИКИ
§1 ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИКИ
1. Путь
Н
азвание
физической величины:
путь,
длина
траектории.
Обозначение физической величины: S – школьное обозначение. Другие обозначения практически не употребляются.
Формула связи физических величин: формулы нет. Основная измеряемая величина. Вводится посредством измерений в соответствии с геометрическими аксиомами Евклида.
Расшифровка формулы или способ измерения: измеряется посредством линейки, сантиметра, рулетки, шагомера и т.д.
Вектор или скаляр физическая величина: положительный скаляр.
Размерность физической величины: длина. Единицы измерения СИ: S = м – метр. Другие: см, мм, км и т.д. Устаревшие единицы: фут, аршин, верста и т.д.