Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
"Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина"
Физический факультет
Кафедра теоретической физики и астрономии
Курсовая работа
ВЕКТОРНЫЕ МНОГОУГОЛЬНИКИ В ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ
по теоретической физике
Специальность: Физика и информатика
Выполнил
Научный руководитель
Брест 2010
Содержание
Введение
1. О решении физических задач в средней школе
1.1 О возможности применения векторных многоугольников для решения физических задач
1.2 Роль решения задач в процессе обучения физике
1.3 Традиционный способ решения задач кинематики и динамики в школьном курсе физики
2. О векторных способах решения задач механики
2.1 Векторные треугольники скоростей и перемещений в задачах
2.2 Векторные многоугольники сил в задачах
2.3 Векторные многоугольники импульсов в задачах
2.4 Векторные диаграммы импульсов в задачах о столкновениях частиц
Заключение
Литература
Межпредметные связи физики и математики вполне естественны: физика не только экспериментальная, но и точная наука, широко применяющая различные математические методы. Математика является языком физики, и свободное владение математическим аппаратом облегчает понимание физической сущности явлений и процессов. Однако, изучая, разрабатывая и используя новый математический аппарат, физики иногда незаслуженно забывают о ранее найденных и веками эффективно служивших делу физической науки математических способах и приемах. Изучение в школе дифференциального и интегрального исчисления, несомненно, способствует приобщению школьников к современным методам научных исследований, решение многих физических задач при этом существенно упрощается. Но в механике есть ряд задач повышенной для школьников трудности, которые решаются значительно проще не с помощью дифференцирования и интегрирования, а при использовании несложных геометрических приемов, вполне доступных учащимся старших классов (особенно классов с углубленным изучением физики). Примером может служить "забытый" в современной средней школе метод решения задач кинематики и динамики, основанный на построении так называемых векторных многоугольников перемещений, скоростей, ускорений, сил, импульсов.
При изучении механики в школьном курсе физики предполагается знакомство с векторным способом кинематического описания движения, с векторной формой записи законов и формул динамики, но значительно больше внимания и времени уделяется традиционным координатному и естественному способам. Вместе с тем в ряде случаев векторный способ имеет преимущество перед координатным, не только упрощая решение конкретной задачи, но и превращая иногда сложные на первый взгляд задачи в подстановочные, решаемые практически устно.
В данной работе будут даны краткие теоретические основы и некоторые методические рекомендации по возможности применения геометрических (векторных) способов решения избранных задач кинематики и динамики в школьном курсе физики. На примерах решения конкретных задач механики будет показана эффективность применения в ряде случаев указанных способов.
Применение векторных способов, требующих знания основ тригонометрии (в частности, теорем синусов и косинусов), для решения задач механики в непрофильном 9 классе базовой школы вряд ли эффективно в силу недостаточной математической подготовки учащихся. Эти способы рассчитаны на учащихся классов с углубленным изучением физики (тогда вполне возможно их изучение и в 9 классе) или на старшеклассников: на уроках обобщающего повторения в 11 классе общеобразовательной школы, на курсах по выбору, при подготовке к олимпиадам. Естественно, что эти способы должны широко применяться при решении задач со студентами физических специальностей ВУЗов на практических занятиях по общей физике и в физическом практикуме по решению задач.
В последнее время наблюдается тенденция усиления внимания к решению задач при обучении физике, и им отводится значительная часть курса. Решение задач выступает и как цель, и как метод обучения. Метод решения задач с успехом используется учителями при изложении нового учебного материала и его закреплении, при проведении фронтальных лабораторных работ и особенно физических практикумов.
Физической задачей в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики. Задачи условно подразделяются на стандартные (для решения которых достаточно применить известные на данном уровне знаний формулы и уравнения, выражающие физические закономерности) и нестандартные (для решения которых необходимы не только знание физических законов и формул, но и умение делать не объединенные известными алгоритмами предположения, сопоставления, рассуждения и умозаключения). Вполне естественно, что нестандартные для данного уровня знаний и умений задачи могут быть отнесены к стандартным на другом, более высоком уровне.
Решение и анализ задач позволяют понять и запомнить основные законы и формулы физики, создают представления об их характерных особенностях и границах применения. Задачи развивают навык в использовании общих законов материального мира для решения конкретных вопросов, имеющих практическое и познавательное значение. Умение решать задачи является лучшим критерием оценки глубины изучения программного материала и его усвоения. Наряду с этим при решении задач у школьников воспитывается трудолюбие, пытливость ума, смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес к учению, воля и характер, упорство в достижении поставленной цели, формируется особый стиль умственной деятельности, особый метод подхода к физическим явлениям. В процессе решения задач вырабатываются навыки вычисления, работы со справочной литературой, таблицами.
Решение задач служит простым, удобным и эффективным способом проверки и систематизации знаний, умений; позволяет в наиболее рациональной форме проводить повторение ранее изученного материала, расширение и углубление знаний, осуществлять действенную связь преподавания физики с обучением математике, химии, черчению и другим учебным предметам.
Векторная запись многих уравнений физики более полно отображает соответствующие процессы и является более простой и компактной, поэтому она нашла свое применение в современном школьном курсе механики (пример тому - векторная форма записи законов и формул динамики). Векторная форма уравнений в сочетании с соответствующими рисунками раскрывает физическую ситуацию в задаче и предопределяет ее успешное решение. Однако, в процессе решения задач кинематики и динамики используют обычно проекции векторов (координатный способ).
В методической литературе по вузовскому курсу общей физике рекомендуется придерживаться следующего плана решения задачи кинематики:
1) рационально выбрать систему отсчета с указанием начала отсчета времени и обозначить на схематическом чертеже все кинематические характеристики движения (перемещение материальной точки за рассматриваемый промежуток времени, мгновенную скорость в конце и начале перемещения, ускорение и время);
2) записать кинематические законы движения для каждого из движущихся тел в векторной форме;
3) спроецировать векторные величины на координатные оси и проверить, является ли полученная система уравнений полной;
4) используя кинематические связи, геометрические соотношения и специальные условия, данные в задаче, составить недостающие уравнения;
5) решить полученную систему уравнений относительно неизвестных;
6) перевести все заданные величины в одну систему единиц и вычислить искомые величины;
7) проанализировать результат и проверить его размерность.
При решении задач в школьном курсе физики также приемлем данный алгоритм, причем в большинстве случаев пункт 2 опускается, и сразу записываются скалярные уравнения, включающие проекции рассматриваемых в задаче векторных величин.
Для решения задач по динамике общий алгоритм следующий:
1) выяснить, с какими телами взаимодействует движущееся тело, и, сделав схематический чертеж, заменить действие этих тел силами;
2) записать уравнение движения (второй закон Ньютона) в векторной форме;
3) спроецировать векторные величины на координатные оси (значительно облегчает решение задачи рациональный выбор расположения начала координат и направлений координатных осей);
4) если полученная система уравнений не является полной, составить недостающие уравнения, используя третий закон Ньютона, законы трения или законы кинематики;
5) решить полученную систему уравнений относительно неизвестных в общем виде и проверить размерность искомой величины;
6) сделать численные расчеты, проанализировать полученные результаты.
Если в задаче рассматривается движение нескольких тел, необходимо записать второй закон для каждого из них и учесть кинематические и динамические связи между ними (например, равенство ускорений тел, жестко связанных между собой, равенство сил действия и противодействия и т.д.).
При анализе задач и составлении уравнений, описывающих физические процессы и явления нужно хорошо знать, какие из величин, входящие в формулы физики, являются скалярными, а какие векторными.
Как видно из приведенных алгоритмов решения задач по кинематике и динамике, для вычислений чаще всего используют соответствующие уравнения в проекции на оси координат, поэтому возникает необходимость обучить учащихся преобразованию векторного уравнения в уравнения для проекций, т.е. прежде всего, выработать у них умение определять проекцию вектора на ось. Для этого полезно следующее алгоритмическое предписание: