Методика изучения законов Ньютона в средней школе (стр. 4 из 6)

Это означает, что отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс.

Чтобы найти массу каждого отдельного тела, выбирают какое-нибудь тело в качестве эталона массы; массу его условно принимают за единицу. Тогда с помощью опыта, в котором тело, масса которого определяется, взаимодействует с эталоном массы, находят отношение

.

Откуда

единиц массы.

При этом надо обратить внимание учащихся на то, что из данного выражения нельзя упускать слова «единиц массы», так как в противном случае получится отвлеченное, неименованное число.

В учебниках физики дается следующее определение массы: Масса тела — это величина, выражающая его инертность. Она определяет отношение ускорения эталона массы к ускорению тела при их взаимодействии.

В этом определении нужно выделить две части: первая содержит утверждение о том, что масса есть величина, характеризующая инертность тел. Эта часть определения раскрывает физическую сущность величины. Вторая часть является дополняющей, раскрывающей способ определения массы тел.

Далее логически следует вопрос о единице измерения массы и, наконец, о способе ее измерения. При рассмотрении вопроса о единице измерения массы надо предупредить возможность неверного запоминания учащимися определения. Многие учащиеся в определении запоминают только то, что цилиндр — эталон массы изготовлен из платины с иридием, другие — только то, что это тело является цилиндром. Чтобы не допустить подобных ошибок, необходимо обратить внимание учащихся на то, что за единицу массы принята масса определенным образом выбранного тела. Таким телом является цилиндр, изготовленный из сплава платины с иридием и хранящийся в Международном бюро мер и весов.

В качестве примера практического использования изученного метода измерения масс рассматривают задачу по сравнению масс Земли и Луны.

Таким образом, учащиеся получают более полное понятие о динамическом методе сравнения и измерения масс. Но они ранее получили понятие и об измерении масс тел взвешиванием. Позже на данном вопросе останавливаются позднее в теме «Силы природы» в связи с изучением сил всемирного тяготения. Однако и в данной теме следует кратко сказать об определении массы тел взвешиванием и о том, где применяется каждый метод.

«Динамический» метод, связанный с расчетом ускорений, обычно применяется для измерения масс микро- и макрообъектов. А «статический», основанный на взвешивании,— в повседневной практической деятельности, а также в метрологии. Единица массы— 1 кг — масса платиноиридиевого эталона — и изготовленные с той или иной степенью точности его копии рассчитаны на использование именно путем взвешивания.

При выборе соответствующих единиц измерения оба метода дают независимо один от другого одинаковые результаты. Это полезно показать, взвесив на весах шарики, которые использовались в экспериментальной задаче (см. рис. 8 и 9).

Масса обладает свойством аддитивности, почти очевидным для учащихся: общая масса нескольких тел равна сумме их масс.

Наконец, для дальнейшего расширения и углубления понятия о массе, а также в целях межпредметных связей следует кратко сказать о законе сохранения массы: «Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе получившихся веществ».

Этот основной закон химии называется законом сохранения массы. Впервые закон сохранения массы был сформулирован М.В. Ломоносовым. Ввиду большого значения этого закона для формирования понятия о массе некоторые авторы, в том числе Л.Д. Ландау, вполне обоснованно включают его и в учебники физики.

Методика формирования понятия «сила»

При формировании данного понятия неизбежно приходится считаться с тем, что оно находит самое широкое применение в повседневной жизни и в известной мере знакомо учащимся до изучения физики. На основе жизненного опыта учащиеся с данным понятием связывают, прежде всего, представление о мускульной силе, толкании, тяге, весе, «магнитной» силе и т. п. В связи с этим во многих учебниках физики поясняется: «Все виды тяги и толчков называются силами». Не возводя данное пояснение в ранг научных определений, его все же следует использовать на первоначальном этапе формирования понятия о силах.

Заметим, что И. Ньютон разъясняет «происхождение» силы аналогичным образом: «Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы».

Далее, обобщая бытовое представление и конкретные примеры, следует сказать, что сила — это краткое название действия одного тела на другое Следующая задача — выяснить и количественно определить, в чем же именно проявляется это действие тел друг на друга. На конкретных примерах учащимся показывают, что «сила — причина изменения скорости движения».

Данное определение также соответствует ньютоновской трактовке понятия силы: «... приложенная сила — есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».

Но действие одного тела на другое, или сила, может быть больше или меньше, поскольку в большей или меньшей мере может изменяться движение тела, т. е. его скорость. А быстрота изменения скорости, как известно, характеризуется ускорением.

Можно сказать, чем больше ускорение тела, тем значительнее взаимодействие тел или сила, с которой одно тело действует на другое.

Но ускорение тела можно найти по формуле

которая в векторной форме имеет вид:

Знак «—» показывает, что ускорения и имеют противоположные направления.

Из данной формулы видно, от каких величин зависит ускорение избранного первого тела массой т₁ и как можно количественно определить «действие» на него второго тела, к которому относятся величины

и и произведение — . Это произведение по определению называют силой .

Следовательно,

,или .

Обратим внимание на то, что сила

является «внешней» по отношению к первому телу, так как определяется через величины и характеризующие второе тело.

На это обстоятельство обращал внимание и Ньютон. «Определив силу («Определение IV») как «действие», производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, Ньютон указывает на внешний по отношению к телу характер этого действия».

Выражение

нельзя рассматривать только как определение силы. Оно выражает определенный физический закон (по существу это закон действия и противодействия). Оно осталось бы только определением, если бы, кроме данного уравнения, мы ничего другого не знали о силе.

Следовательно, сила в механике — это физическая величина, которую можно определить как «количественную меру действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорение».

Далее естественно возникает вопрос, как и в каких единицах измерять силы. Эти сведения уже известны учащимся: они получили первоначальное понятие о силах тяжести, упругости и трения и их измерении динамометрами.

Эти сведения следует повторить, в том числе восстановить в памяти учащихся, что за единицу силы принят 1 Н — сила, приблизительно равная силе тяжести, действующей на тело массой 0,1 кг или, точнее,

кг.

Здесь можно рассказать ребятам, что гири как эталоны не только массы, но и силы, прежде всего веса, использовались разными народами с незапамятных времен. Используются они в этих целях и в настоящее время. Так, например, тяжелоатлеты, соревнуясь в силе, поднимают гири или штанги.

Однако вес гирь как эталон силы имеет существенный недостаток: он неодинаков в различных местах земного шара и тем более на других планетах и в космосе, где он вообще может быть равен нулю. И если разницей в весе тел на Земле и в повседневной практике часто можно пренебречь, то ей никак нельзя пренебречь в точных физических расчетах и метрологии. Поэтому и градуировка пружинного динамометра с помощью гирь имеет тот же недостаток. Следовательно, нужно найти другие, принципиально более точные способы измерения и вычисления сил.

В памяти учащиеся восстанавливают также следующие понятия.

1. Сила — векторная величина, которая, кромечисленного значения, имеет направление.Важно знать и точку приложения силы.

2. Исходя из определения, констатируют, что равные силы, независимо от их природы, сообщают одним и тем же телам одинаковые ускорения.

3. Равные по абсолютному значению, но противоположно направленные силы ускорения телу не сообщают. Это утверждение известно учащимся в связи с изучением первого закона Ньютона (см.рис. 1—4).