3. Методика изложения основных понятий

Кинетическая энергия

Причиной изменения скорости тела является действие на это тело силы со стороны других тел. Скорость тела не изменяется, если силы отсутствуют или их равнодействующая равна нулю (движение по инерции). Физическая величина, характеризующая способность силы, приложенной к телу, изменять его скорость, является работой. Количественной мерой этой работы является физическая величина – кинетическая энергия. Кинетическая энергия – физическая величина, равная работе, произведенной при разгоне данного тела из состояния покоя до данной скорости, или (что то же самое) величина, равная работе силы, необходимой для остановки данного тела.

Формула для расчета кинетической энергии записывается без вывода. Зависимость кинетической энергии тела от его массы и скорости на качественном уровне подтверждается экспериментально в опыте с наклонным желобом (скатывание шара по наклонному желобу с разной высоты, шаров разной массы с одной и той же высоты, сравнивание работ, произведенных при перемещении цилиндра, лежащего у основания желоба, после столкновения с шаром).

Подвести итоги рассмотрения связи между изменением кинетической энергии тела и работой сил, приложенных к нему, можно на основе следующей таблицы:

Направление силы, действующей на тело, и направление движения	Работа	Модуль скорости	Кинетическая энергия
Совпадают	положительна	Возрастает	Возрастает
Противоположны	отрицательна	Убывает	Убывает
Взаимно перпендикулярны	А=0	Не изменяется	Не изменяется
Сила действует на покоящееся тело		Не изменяется	Не изменяется
Тело движется по инерции		Не изменяется	Не изменяется

Потенциальная энергия

Перед введением данного понятия необходимо обратить внимание на следующее:

1. Если внешние силы, действующие на тело, совершают положительную работу, то кинетическая энергия тела возрастает.

2. Тело, обладающее кинетической энергией, может при определенных условиях совершить работу. При этом его кинетическая энергия убывает (работа совершается против внешних сил).

3. Числовое значение кинетической энергии тела массой m относительно разных тел различно, но всегда неотрицательно ( ).

4. Так как тело, обладающее энергией, не обязательно совершает работу, а только имеет возможность совершить ее, обнаружить эту энергию не так просто, как это может показаться на первый взгляд.

Обладает ли покоящееся тело возможностью совершить работу? Ответить на этот вопрос можно в процессе обсуждения опытов по рис. 12 учебника. По итогам обсуждения вводится понятие «потенциальная энергия» как характеристика способности покоящегося тела совершить работу. Особое внимание необходимо обратить на условия, при которых это возможно (тело должно быть поднято над поверхностью Земли, пружина должна быть деформирована, то есть тело должно находиться в особом состоянии).

Таким образом, потенциальная энергия – это энергия, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих тел или частей тела.

Потенциальная энергия изменяется только при совершении работы. После того, как учащиеся осознают, что , можно перейти к выводу формулы , используя данные опыта по измерению высоты подъема тела известной массой, брошенного вертикально вверх. Изменение потенциальной энергии тела равно работе силы тяжести, но при падении тела эта работа положительна, то есть , а при подъеме – отрицательна, то есть . Особое внимание необходимо обратить на относительный характер потенциальной энергии, являющийся следствием условного выбора уровня нулевой энергии.

Обобщение знаний о кинетической и потенциальной энергиях можно провести путем заполнения следующей таблицы:

	Кинетическая энергия	Потенциальная энергия
Сходства	1. Физическая величина, характеризующая способность тела (или нескольких тел) совершать работу
	2. Мерой изменения энергии при переходе из одного состояния в другое является работа
	3. Основной единицей в СИ является 1 Дж (джоуль)
	4. Числовые значения кинетической и потенциальной энергий относительны
Различия	1. Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения	1. Энергия взаимодействия тел или частей тела
	2.	2. В поле силы тяжести
	3. Численно равна работе, которую должна совершить сила, действующая на тело, чтобы разогнать его из состояния покоя до заданной скорости	3. Зависит от силы взаимодействия тел (или частей тела) и расстояния между ними. Для деформированного тела потенциальная энергия зависит от величины деформации и упругих свойств тела

Простые механизмы

Для совершения работы человек использует различные приспособления, позволяющие преобразовать механическое действие на тело. Эти приспособления, называемые простыми механизмами, дают возможность изменить точку приложения силы, совершающей работу, направление силы, а в ряде случаев получить выигрыш в силе. Все простые механизмы можно разделить на 6 видов: рычаг, блок, наклонная плоскость, ворот, клин, винт. Блок и ворот являются разновидностями рычага, а клин и винт – разновидностями наклонной плоскости.

Рычаг – любое тело, которое может поворачиваться вокруг неподвижной опоры.

Демонстрируют опыт с моделью рычага на основании которого делают вывод о том, что с помощью рычага можно уравновесить большую силу меньшей, но ее значение зависит от точек приложения обоих сил к рычагу.

Плечо силы – кратчайшее расстояние от точки опоры до прямой, вдоль которой действует сила. Можно измерить плечи сил при горизонтальном и наклонном положениях рычага. Используя результаты 2-3 измерений, вычисляются произведения . Сравнив эти значения, учащиеся приходят к выводу о том, что если рычаг находится в равновесии, то . После этого дается определение момента силы как физической величины, равной произведению силы на плечо, вместе с классом формулируется условие равновесия рычага.

Изучение блоков начинают с демонстрации неподвижного блока и выяснения его назначения. При анализе результатов опыта необходимо обратить особое внимание учащихся на следующее:

1. При подъеме и опускании груза ось блока не поднимается и не опускается, поэтому блок и называется неподвиждным.

2. Неподвижный блок позволяет менять направление действия силы.

3. Модуль силы, приложенной к нити, перекинутой через блок, не зависит от того, под каким углом к вертикали она направлена, и численно равна весу груза.

4. Неподвижный блок не дает выигрыш в силе.

Действие неподвижного блока аналогично действию равноплечего рычага первого рода, для которого – радиус блока.

F_упр

F₁ F₂

Из условия равновесия рычага следует, что , то есть выводы, полученные экспериментально, согласуются с выводами, полученными теоретически.

Аналогично изучается действие подвижного блока. Анализируя вместе с учащимися опыт по подъему груза с помощью подвижного блока, необходимо сделать следующие выводы:

1. Подвижным блоком называется такой блок, ось которого поднимается (опускается) вместе с грузом.

2. Показания динамометра не зависят от ориентации нити, прикрепленной к динамометру, и меньше веса поднимаемого груза.

3. Взвешивание груза показывает, что подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза (если не учитывать вес блока).

Подвижный блок является разновидностью рычага второго рода.

F₁ F₂

D

P

. Поэтому из условия равновесия рычага следует, что без учета веса самого блока , что также согласуется с результатами опыта.

Закрепление и систематизацию знаний учащихся о подвижном и неподвижном блоках можно осуществить, предложив им самостоятельно выделить сходства и различия между простыми механизмами и заполнить следующую таблицу:

Блоки	Подвижный	Неподвижный
Сходства	Простые механизмы, предназначенные для подъема или опускания грузов
	Являются разновидностью рычага
Различия	Ось вращения неподвижна	Ось вращения перемещается
	Не дает выигрыша в силе	Без учета силы трения и силы тяжести самого блока дает выигрыш в силе в 2 раза
	Условие равновесия	Условие равновесия

Можно ли, используя простые механизмы, получить выигрыш не только в силе, но и в работе? Ответить на этот вопрос можно на основании экспериментальных данных, полученных в опытах с рычагом, подвижным и неподвижным блоками. По этим данным рассчитываются и сравниваются между собой числовые значения работ, совершенных весом груза Р (полезная работа) и силой F, измеренной динамометром (затраченная работа).

Анализируя полученные значения, можно сделать вывод, что ни один из простых механизмов не дает выигрыш в работе. Числовые значения затраченной работы во всех случаях больше, чем соответствующие значения полезной работы. Вводится формула для определения коэффициента полезного действия.

Систематизация и обобщение знаний о простых механизмах возможна при заполнении таблицы:

Механизм	Причина того, что	Полезная работа	Затраченная работа	КПД
Рычаг	Трение, вес рычага
Неподвижный блок	Трение в блоке, вес веревки
Подвижный блок	Трение в блоке, вес блока и веревки