«Механическая энергия. Закона сохранения механической энергии. Решение экспериментальных задач»

Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления г. Астана

ГУ «Сулукольская средняя школа имени Шайсултана Шаяхметова

отдела образования акимата Аулиекольского района»

Тема: «Механическая энергия. Закона сохранения механической энергии. Решение экспериментальных задач»

( Открытый урок по физике – 8 класс. Объяснение новой темы).

Учитель: Шопанова Л. К.

Тема: «Механическая энергия. Закона сохранения механической энергии. Решение экспериментальных задач»

Класс - 8

Предмет: физика

Цели и задачи урока:

Образовательная: Организовать деятельность учащихся по первичному усвоению и закрепления понятия механическая работа, формулировки закона сохранения механической энергии.

Развивающая: Создать условия для применения теоретических знаний при решения экспериментальных задач.

Воспитательная: Содействовать развитию внимательности, инициативности, трудолюбия, творческих способностей.

Тип урока: урок применения знаний и умений.

Форма проведения урока: урок-практикум.

Межпредметные связи: математика

Ожидаемый результат:

• уметь применять полученные знания для составления и решения экспериментальных задач;

• владеть изученными на уроке терминами на казахском, русском и английском языках;

Структура урока:

1. Организация начала урока

2. Актуализация опорных знаний

3. Объяснение нового материала

4. Закрепление новых знаний

5. Организация экспериментальных работ по теме, составление и решение задач

6. Подведение итогов урока.

7. Домашнее задание

Ход урока:

1. Организация начала урока

Здравствуйте уважаемые участники нашего онлайн занятия. Вас приветствует город Астана, Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления на уроке физики в 8 классе. Прежде чем мы с вами начнем беседу, я хочу, чтобы вы сели удобнее, отвлеклись от посторонних дел и погрузились в удивительный мир физики. Сегодня мы с вами будем решать задачи на тему «Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии». Цель нашего занятия – научиться составлять и решать экспериментальные задачи на тему «Закон сохранения механической энергии».

Глоссарий урока

Русский язык	Перевод на каз.яз.	Перевод на англ.яз.
Механическая энергия	Механикалы	Mechanical energy
Система	Жүйе	System
Потенциальная энергия	Потенциалдық энергия	Potential energy
Кинетическая энергия	Кинетикалық энергия	Kinetic energy
Замкнутая система	Тұйық жүйе	Closed system
Сила сопротивления	Кедергі күші	Resistance force
Закон сохранения энергии	Энергияның сақталу заңы	Law of energy conservation
Работа	Жұмыс	Work

1. Актуализация опорных знаний

Прежде чем мы приступим непосредственно к изучению темы нашего урока, давайте мы с вами вспомним то, что вы проходили раннее. Для этого вам необходимо взять ручку и листок бумаги для того, чтобы вы могли поставить себе баллы. За каждый правильный ответ вы ставите себе один балл. Давайте ответим на следующие вопросы.

1. Объясните, пожалуйста, понятие энергии физическим языком.

Ждем 30 секунд, затем произносим правильный ответ.

Энергия – (с греч. – действие, деятельность) – это физическая величина, изменение которой равно совершенной работе.

Если вы правильно ответили на данный вопрос, ставите себе 1 балл.

1. В каких единицах измеряется энергия?

Ждем 10 секунд и произносим правильный ответ.

В системе СИ данная величина измеряется в джоулях.

Вы уже знаете, что делать, если вы правильно ответили на данный вопрос.

1. Какие источники энергии вы знаете?

Ждем 20 секунд, произносим правильный ответ.

Главный источник энергии на Земле – это Солнце, вторичные источники – уголь, торф, нефть, падающая вода, газ, уран.

1. В каких случаях можно сказать, что тело обладает энергией?

Если тело может совершать работу, то можно сказать, что оно обладает энергией.

Ждем 20 секунд, произносим правильный ответ.

1. Когда совершается механическая работа?

Механическая работа положительна, когда направления силы и перемещения совпадают.

Ждем 20 секунд, произносим правильный ответ.

1. Объяснение нового материала

Из истории открытия ЗСЭ

Майера Юлиуса Роберта (1814-1878) – немецкий врач и замечательный физик. Он впервые четко сформулировал закон сохранения энергии и вычислил механический эквивалент теплоты на основе сравнения теплоемкостей газов при постоянном давлении и постоянном объеме. Идеи Майера не сразу были понятны и признаны современниками, а в дальнейшем оспаривался приоритет его открытия. Это нанесло ему тяжелую психологическую травму.

Независимо от Майера закон сохранения энергии был также установлен английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, проводившим в начале 40-х годов XIX в. свои классические опыты по выделению тепла в проводниках при прохождении по ним электрического тока. В 1843 г. эти опыты привели его к определению механического эквивалента тепла. Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла — этой некогда загадочной и таинственной субстанции.

Гельмогльц Герман Людвиг Фердинанд (1821-1894) – выдающийся немецкий физик, физиолог, математик. В 1847 году в работе «О сохранении силы» Гельмгольц впервые математически обосновал закон сохранения энергии. Проанализировав большинство известных в то время физических явлений, он доказал его всеобщность. Также Гельмгольц первый измерил скорость распространения импульса в нервах, построил модель уха и развил теорию цветового зрения.

Энергия

Существуют различные виды энергии. Мы с вами будем рассматривать механическую энергию. Она может быть двух видов: потенциальной и кинетической.

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел.

Потенциальная энергия поднятого над Землей тела – это энергия взаимодействия тела и Земли гравитационными силами. Потенциальная энергия упруго деформированного тела – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Потенциальными называются силы, работа которых зависит только от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории.

При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна нулю. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости, электростатические силы и некоторые другие. Их еще называют консервативными силами.

Силы, работа которых зависит от формы траектории, называются непотенциальными. При перемещении материальной точки или тела по замкнутой траектории работа непотенциальной силы не равна нулю.

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести F=mg. Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения ∆S на ось ОY, направленную вертикально вверх.

ΔA = F_т ΔS cos α = –mgΔS_y

где F_т = F_тy = –mg – проекция силы тяжести, ΔS_y – проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как ΔS_y 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h₁, в точку, расположенную на высоте h₂ от начала координатной оси OY, то сила тяжести совершила работу

A = –mg (h₂ – h₁) = –(mgh₂ – mgh₁).

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести.

E_р = mgh

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

A = –(E_р2 – E_р1)

Потенциальная энергия E_р зависит от выбора нулевого уровня, т. е. от выбора начала координат оси OY. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение ΔE_р = Eр₂ – Eр₁ при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Видео 1.

Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком

где k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, т. е. сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину:

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Кинетическая энергия.

Если тело некоторой массы m двигалось под действием приложенных сил, и его скорость изменилась от v₁ до v₂ , то силы совершили определенную работу A.

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:

Работа приложенной к телу равнодействующей силы равна изменению его кинетической энергии.

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

Закон сохранения энергии.

Изучение нашей новой темы начнем с понятия замкнутой системы. Все фундаментальные законы физики действуют не во всех системах, поскольку очень сложно учесть все силы действующие на тело. Поэтому для упрощения физики ввели идеальную модель системы, которые называются замкнутыми.

Замкнутая система – система тел, в которой тела взаимодействуют только друг с другом, а также в данной системе отсутствуют силы сопротивления.

Раннее вы изучили понятие кинетической и потенциальной энергии. Но тело может одновременно обладать и потенциальной и кинетической энергией, например самолет, летящий на некоторой высоте, обладает некоторой потенциальной и кинетической энергией. Поэтому ввели понятие полной механической энергии – то сумма потенциальной и кинетической энергии тела.

Давайте рассмотрим изменение энергии тела, брошенного вверх. При подъеме тела вверх его скорость уменьшается, соответственно уменьшается и его кинетическая энергия. Но с другой стороны увеличивается высота подъема тела, а значит увеличивается потенциальная энергия. Отсюда можно сделать вывод, что увеличение потенциальной энергии происходит за счет уменьшения кинетической энергии, то есть при движении тела вверх кинетическая энергия постепенно превращается в потенциальную. В наивысшей точке подъема вся кинетическая энергия переходит в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс: потенциальная энергия постепенно превращается в кинетическую. При этих превращениях полная механическая энергия остается неизменной.

Видео 2.

В замкнутых системах полная механическая энергия тела остается неизменной, она переходит из одного вида в другой.

Давайте теперь рассмотрим картину детально

В начальный момент времени потенциальная энергия равна 0, а кинетическая энергия будет максимальной.

В точке 2 тело будет обладать некоторой потенциальной и кинетической энергией.

В наивысшей точке подъема тело будет обладать максимальной потенциальной энергией, а его кинетическая энергия равна 0.

Хочу подчеркнуть, что данный закон действует только в замкнутых системах.

Вас наверное интересует вопрос, что же будет происходить, если система не будет являться замкнутой?

Для этого давайте представим себе тело, которое движется по некоторой поверхности, то на него действуют кроме силы тяжести, сила трения о поверхность, сила трения о воздух. Данные силы называются силами сопротивления, так как они противодействуют движению. Движущиеся тело, как вы знаете, обладает кинетической энергией, и в конечный момент тело остановится, то есть ее кинетическая энергия станет равна 0. Куда же делась кинетическая энергия? Она перешла во внутреннюю и тело нагрелось. Потрите ладошки и почувствуете, как они нагреваются, так кинетическая энергия движения переходит во внутреннюю, за счет совершения работы силами трения.

Давайте проделаем следующий опыт:

Видео 3

Если бросить резиновый мяч и пронаблюдать за его движением, то можно заметить, что с каждым падением его высота подъема уменьшается. Чем это можно объяснить?

Очевидно, что система у нас является незамкнутой, поэтому часть потенциальной энергии теряется из-за присутствия сил сопротивления среды. То есть энергия не теряется бесследно, она идет на изменение внутренней энергии тела.

1. Закрепление новых знаний

Для того, чтобы закрепить изученную тему, давайте решим задачи. За решение каждой задачи вы ставите по 1 баллу.

1. Шарик массой 100 г свободно упал на горизонтальную площадку, имея в момент удара скорость 10 м/с. Определить высоту, с которой упал шарик. (Трение о воздух не учитывать)

Решение:

Запишем закон сохранения энергии для шарика. В начальный момент он обладал только потенциальной энергией, так как скорость его в начальный момент была равна 0. Тогда полная энергия шарика:

В момент падения на Землю высота стремится к 0, следовательно, потенциальную энергию также можно считать равной 0. Кинетическая же энергия будет максимальной.

По закону сохранения энергии, полная энергия системы сохраняется, следовательно, правые части выражений для полной энергии можно приравнять:

Отсюда, подставляя численные значения, можно вычислить высоту с которой падало тело.

Ответ: h=5 м

1. Найти потенциальную и кинетическую энергию тела массой 3 кг, падающего свободно с высоты 5 м, на расстоянии 2 м от поверхности земли. (Трение о воздух не учитывать)

Решение:

Запишем закон сохранения энергии для тела. В начальный момент он обладал только потенциальной энергией, так как скорость его в начальный момент была равна 0. Тогда полная энергия шарика:

В момент прохождения точки на высоте h₂ м от земли он обладает и потенциальной и кинетической энергией. Следовательно, полная энергия будет складываться из кинетической энергии тела и потенциальной энергии на высоте h₂.

По закону сохранения энергии, полная энергия системы сохраняется, следовательно, правые части выражений для полной энергии можно приравнять:

Отсюда, подставляя численные значения, можно вычислить высоту с которой падало тело.

Ответ: v= 7,75 м/с.

1. Организация экспериментальных работ по теме, составление и решение задач

Для самостоятельного решения предлагаю провести эксперимент со следующими приборами: теннисный шарик, измерительная лента, весы.

Эксперимент:

1) Взвешиваем шарик на весах ----- 40 г

2) Бросаем шарик с некоторой поверхности (например, со стола) ------ 90 см

3) Замеряем высоту стола

А теперь давайте вы самостоятельно составите задачу. За правильно составленную задачу вы можете поставить себе 3 балла. Ждем 1 минуту.

Для вас может быть будет составить задачу пока сложно, я предлагаю свой вариант задачи:

Мяч свободно падает с высоты 90 см. Определить скорость падения тела в момент удара о землю. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Запишем закон сохранения энергии для мяча. В начальный момент он обладал только потенциальной энергией, так как скорость его в начальный момент была равна 0. Тогда полная энергия мяча:

В момент падения на Землю высота стремится к 0, следовательно, потенциальную энергию также можно считать равной 0. Кинетическая же энергия будет максимальной.

По закону сохранения энергии, полная энергия системы сохраняется, следовательно, правые части выражений для полной энергии можно приравнять:

Отсюда, подставляя численные значения, можно вычислить скорость, с которой мяч упал на землю.

Ответ: 4,42 м/с

Есть и другой вариант:

Тело свободно падает с высоты 90 см. Определить кинетическую энергию тела в момент удара о землю. Сопротивлением воздуха пренебречь. Данную задачу я вам предлагаю решить самостоятельно.

1. Подведение итогов.

На уроке мы с вами освоили новую тему «Закон сохранения энергии». Данный закон является одним из фундаментальных законов физики. Он имеет очень важное значение. Кроме того, научились не только решать задачи, а также самостоятельно составлять задачи по экспериментальным данным. По итогам домашнего задания и работы на уроке, вы ставили себе баллы.

Задание	Балл
Вопрос 1	1
Вопрос 2	1
Вопрос 3	1
Вопрос 4	1
Вопрос 5	1
Задача 1	1
Задача 2	1
Экспериментальная задача	3
Сумма баллов	10

9-10 баллов – Ваша оценка «5»

7-8 баллов – Ваша оценка «4»

6 – Ваша оценка «3»

Если Вы получили оценку «3» или ниже не отчаивайтесь, почитайте следующие учебники:

Физика 8 Генденштейн стр. 120-123

1. Домашнее задание.
   3.194 , 3.195 Турчина

3.194.

Тело, брошенное с высоты Н=5 м вертикально вниз со скоростью v=20 м/с, погрузилось в грунт на глубину h=20 см. Найти работу силы сопротивления грунта, если масса тела m=2 кг. Сопротивлением воздуха пренебречь.

3.222.

Пуля массой m, пробивает ящик массой М, стоящий на плоскости. Пуля подлетает к ящику со скоростью v, а вылетает из него со скоростью v/2. Какое количество теплоты выделится при движении пули в ящике? Начальную и конечную скорости пули считать горизонтальными.

Литература:

1. http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph3/theory.html

2. Физика 8 Генденштейн стр. 120-123

Глоссарий урока.

Энергия – (с греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В соответствии с различными формами движения материи рассматривают разные виды энергии: механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и пр.

Джоуль – единица измерения энергии и механической работы.

Потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием тел.

Кинетическая энергия – энергия движения тела.

Механическая энергия – сумма потенциальной и кинетической энергии.

Изолированная (замкнутая) система – система тел, в которой тела взаимодействуют только друг с другом, а также в данной системе отсутствуют силы сопротивления.

Силы сопротивления – сила трения и сила сопротивления среды.

Закон сохранения энергии – один из наиболее фундаментальных законов природы, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия сохраняется в изолированной системе. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным.

Учитель физики Набиева З.А.