Физика (О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина)...372.8:53 74.262.22 12. . 12 ....

УДК 372.8:53ББК 74.262.22

К12

Кабардин О. Ф.К12 Физика. Книга для учителя. 7 класс / О. Ф. Кабардин,

С. И. Кабардина. — М. : Просвещение, 2009. — 127 с. : ил. —ISBN 978-5-09-018861-6.

В пособии раскрываются основные концептуальные идеи учебника нового ти-па, показано, как организовать работу учителя при подготовке к каждому урокуи его проведению. Для этого в нем описаны различные методические средства:варианты изложения теоретического материала, подготовка к проведению экспе-риментальных заданий, примеры решения задач, варианты итоговых тестов дляпроверки усвоения учебного материала и т. д.

УДК 372.8:53ББК 74.262.22

У ч е б н о е и з д а н и е

Кабардин Олег ФедоровичКабардина Светлана Ильинична

ФИЗИКА

Книга для учителя

7 класс

Зав. редакцией В. И. Егудин. Редактор Т. П. Каткова. Младший редак-тор Т. И. Данилова. Художественный редактор Т. В. Глушкова. Техниче-ский редактор и верстальщик Е. В. Саватеева. Корректор Л. С. Александрова

ISBN 978-5-09-018861-6 © Издательство «Просвещение», 2009© Художественное оформление.

Издательство «Просвещение», 2009Все права защищены

Глава 1

Методические пути реализации принципов развивающегообучения в преподавании физики

1. Цели обучения физике в основной школе и способы их достижения

Цели обучения. Обучение физикев основной школе направлено на озна-комление с физическими явлениямии методами научного познания приро-ды, на формирование на этой основепредставлений о физической картинемира. На уроках физики учащиеся дол-жны научиться наблюдать природныеявления, использовать измерительныеприборы для изучения физических яв-лений, представлять результаты изме-рений с помощью таблиц и графиков,выявлять зависимости между физиче-скими величинами, применять полу-ченные знания для объяснения при-родных явлений и принципов действиятехнических устройств, для решенияпрактических задач повседневной жиз-ни и обеспечения безопасности жизне-деятельности.

Процесс обучения физике долженбыть ориентирован на развитие познава-тельных интересов, интеллектуальныхи творческих способностей учащихся,на формирование умений самостоятель-но приобретать новые знания в соот-ветствии с жизненными потребностямии интересами. Изучение физики должновнести свой вклад в воспитание учащих-ся путем формирования убежденностив познаваемости окружающего мира,в необходимости разумного использова-ния достижений науки и технологийдля дальнейшего развития человеческо-го общества, а также в воспитание ува-жения к творцам науки и техники какк важным участникам процесса созда-ния общечеловеческой культуры.

В практике работы школы обычнона первом плане оказывается задачаовладения суммой знаний. Однако безразвития умственных способностей лю-бая сумма знаний, признанная сего-дня необходимой каждому, завтра будет

считаться неполной. Поэтому актуаль-ной задачей современной российскойшколы является перенос основного вни-мания с процесса передачи знаний напроцесс развития интеллектуальных итворческих способностей учащихся.

Необходимые условия для достиже-ния целей обучения. По Л. С. Выгот-скому, обучение и развитие происходятэффективно в том случае, если предла-гаемые в процессе обучения задания поуровню трудности несколько выше до-стигнутого уровня знаний обучаемого.Если предлагаемые сегодня проблемыучащийся может решить с помощьюучителя, то завтра он сможет решатьтакие проблемы самостоятельно. Этоориентация на зону ближайшего разви-тия — на завтра, а не на вчера в разви-тии ребенка. При таком подходе накаждом уроке перед учащимися нужноставить трудные проблемы, требующиеумственных усилий.

Но ориентация только на трудноеобучение с постановкой все более слож-ных проблем на каждом уроке не гаран-тирует успеха. Для достижения успехав обучении и развитии учащихся необ-ходима их внутренняя мотивация кпроцессу учения. Как же создать этумотивацию?

Выбор средств для мотивации к уче-нию в основной школе очень неболь-шой. В этом возрасте большинство уча-щихся еще не задумываются всерьезо «далеком будущем» после окончанияшколы. Поэтому практически единст-венное средство мотивации учения —возбуждение интереса к изучаемомупредмету, к предлагаемым проблемам.

Как же сделать процесс обученияфизике интересным для всех учащих-ся? Общей закономерностью человече-ской психики является непроизвольное

3

внимание ко всему новому, ранее не-виданному, неизвестному, яркому, эф-фектному. Поэтому подготовка учителяк уроку должна начинаться с поискаответов на такие вопросы:

Чем может быть интересна эта темаучащимся?

Как я смогу привлечь их вниманиек изучению этой темы?

На этом этапе нужно обратить вни-мание на тот факт, что физика какучебный предмет в сравнении с другимипредметами обладает таким существен-ным потенциальным преимуществом,как возможность привлечения внима-ния учащихся почти на каждом урокедемонстрацией нового, неизвестного имприродного явления, физического эф-фекта. Долго ли может удерживатьсявнимание учащихся к изучаемой темена уроке при наблюдении нового явле-ния и обсуждении его? Способностиучащихся в возрасте 12—14 лет удер-живать произвольное внимание к чему-либо внешнему по отношению к нимсамим, вне их собственных интересов,весьма ограничены, а непроизвольноевнимание, возбужденное эффектнымопытом или рассказом о необыкно-венном явлении с использованием пла-ката или проекции, затухает через5—10 мин. Как же может успешно про-должаться процесс обучения на уроке?Ключом к решению проблем обученияможет послужить осуществление дея-тельностного подхода к процессу обу-чения.

Познание мира и развитие способ-ностей человека происходят только впроцессе его индивидуальной самостоя-тельной и активной познавательной дея-тельности. Поэтому все опыты по наблю-дению физических явлений, экспери-менты по изучению физических свойствтел, проверке гипотез, доступные и безо-пасные для самостоятельного выполне-ния школьниками, можно предлагатьучащимся выполнять самостоятельно.Успешному изучению физики способст-вует самостоятельное взаимодействие спредметами окружающего мира, экспе-риментирование, участие в спорах приобсуждении результатов.

Использование деятельностного под-хода к процессу обучения при поверх-ностном взгляде может показаться про-стым делом. Вместо долгих объясненийучитель предлагает учащимся самосто-

ятельно прочитать очередной параграфучебника, самостоятельно выполнитьописанные в нем опыты, самостоятель-но ответить на контрольные вопросыили выполнить задания теста для само-проверки результатов обучения. Фор-мально это деятельностный подход кпроцессу обучения, так как учащим-ся предлагаются различные виды са-мостоятельной деятельности. Но этоверно только формально, но не по су-ществу.

Индивидуальная самостоятельная по-знавательная деятельность учащихсяможет быть активной и эффективнойтолько при условии достаточно высоко-го уровня их внутренней мотивации кэтой деятельности. Задание учителя —это лишь внешняя, малоэффективная,понуждающая мотивация. Таким обра-зом, мы возвращаемся к проблеме внут-ренней мотивации обучения, проблемепробуждения интереса к познаватель-ной деятельности.

Для многих школьников эффектив-ным средством повышения уровня мо-тивации к познавательной и творческойдеятельности может служить использо-вание метода проблемного обучения.Этот метод связан с постановкой передучащимися интеллектуальных проблем,требующих серьезных умственных уси-лий для своего разрешения, выполне-ния экспериментальных исследований,обработки и теоретического осмысле-ния полученных результатов.

Когда речь идет о необязательных за-нятиях с учащимися по их интересам,целесообразность использования методапроблемного обучения не вызывает со-мнений. Но возможность систематиче-ского использования этого метода наобычных уроках многим представляетсявесьма сомнительной. Почему те же са-мые ученики, которые не хотели прило-жить минимальных усилий для запоми-нания двух предложений определенияфизической величины и единицы ее из-мерения, вдруг захотят выполнить само-стоятельное экспериментальное иссле-дование зависимости этой величины отдругой величины?

Нужно осознать, что учащиеся неучат и не запоминают что-то из предла-гаемого учителем не назло ему, а простопотому, что им это неинтересно. Глав-ная причина скуки и апатии учащих-ся на уроках — это не лень, а безделье.

4

Бо€льшую часть урока по схеме «опрос —объяснение — закрепление» ум и рукиучащихся в бездействии, им нужнолишь «прилично выглядеть» — не раз-говаривать, не читать постороннюю ли-тературу, не дерзить, не задавать труд-ных или неудобных вопросов.

Поэтому весь секрет в том, чтобыпоставить перед учащимися очереднуюучебную проблему не в виде привычно-го задания, а как загадку, детективнуюисторию, которую нужно разгадать.При этом проблема должна открыватьвозможность каждому учащемуся к са-мостоятельной познавательной или по-исковой деятельности.

Но где найти интересные проблемына каждый урок? Никакие специаль-но придуманные проблемы несравнимыс теми, которые ставила перед челове-ком Природа, решая которые он сталЧеловеком. Нет проблем интереснее иважнее проблем познания окружаю-щего мира. Противопоставление задачприобретения знаний и развития спо-собностей учащихся лишено смысла —эти задачи неразделимы.

Успешное обучение. Возможностьсовмещения на практике одновременнопринципов развивающего обучения, де-ятельностного подхода к организациипроцесса обучения, проблемного обу-чения и все это с выполнением условиявысокого уровня внутренней мотива-ции к учению может представлятьсятруднодостижимой задачей. Но пере-чень необходимых условий обученияи развития учащихся еще не закончен:обучение обязательно должно бытьуспешным!

Требование обязательной успешно-сти обучения всех школьников у мно-гих вызывает сомнения. Возникаетестественный вопрос: почему это обуче-ние физике должно быть обязательноуспешным для всех учащихся в классе?Ведь это особый учебный предмет, аспособности и интересы у школьниковразные. Пусть каждый ученик получаетоценки в соответствии со своими спо-собностями и усердием в процессе обу-чения.

Такой подход к оценке результатовобучения многие считают правильным.Он обоснован логически и опирается нанормативные документы. Почему этотподход нужно изменять и будет ли но-вый подход лучше этого?

Этот подход к оценке учебной дея-тельности учащихся нужно изменять,потому что он копирует практику рабо-ты контролера ОТК на конвейере. Естьутвержденные свыше требования к про-дукции на выходе с конвейера. Сравни-ваем качество продукта с этими требо-ваниями и ставим на продукте штамп:«первый сорт» (5), «второй сорт» (4),«третий сорт» (3), «брак» (2). Учительчувствует себя при этом занятым ответ-ственным и важным делом — контролем.

В чем заключается порочность тако-го подхода? Первое и самое важное:ученик не продукт, на котором нужноставить знак сорта. Ученик — человеки должен быть целью, а не средством,не продуктом. Ученик не объект обуче-ния, не материал, из которого школаформирует человека по заданным пара-метрам, а субъект, равный любому дру-гому человеку.

Если ученик — цель, то школа, учи-тель, учебные предметы лишь средства,служащие этой цели. Нормальная рольучителя в этой системе — это рольпомощника ученика, а не контролера.Любой учебный предмет должен рас-сматриваться не как цель, которой дол-жен достигнуть учащийся, а лишь какодно из средств школы для достиженияосновной цели — максимального раз-вития индивидуальных способностейкаждой личности.

Подход к любому учебному предметукак к средству развития способностейучащегося изменяет в принципе систе-му отношений между учителем и уча-щимся в процессе обучения. Учительсредствами своего предмета предостав-ляет разнообразные возможности дляразвития личности учащегося и отмеча-ет все его успехи, создавая тем самымстимулы к продолжению обучения. Не-успевающих учащихся в нормальномучебном процессе быть не должно. Еслиучитель учит, то у каждого учащегосяобязательно будут какие-то успехи. За-дача учителя — заметить эти успехии заслуженно оценить.

Что может изменить такой подходв процессе обучения? Не принесет лион больше вреда, чем пользы?

Главное, что может дать этот под-ход к оценке учебной деятельности уча-щихся, — это изменение отношенияучащихся к процессу обучения. Однимиз главных мотивов к продолжению

5

любой деятельности для человека явля-ется успешность этой деятельности.Нет успехов — нет желания к продол-жению деятельности. Нет желания —нет и самой деятельности, а есть лишьее имитация. Поэтому обучение должнобыть успешным, победным.

Как можно сделать победным длявсех проблемное обучение с постанов-кой задач, выходящих за достигнутыйуровень развития? Для успешного обу-чения нужно не только ставить передшкольниками трудные проблемы, но инезаметно помогать им самостоятельнонайти решение этих проблем. Успехна каждом уроке является стимуломк дальнейшему обучению. Обучениедолжно быть трудным, но обязательнопобедным для всех учащихся.

На уроках физики самый эффектив-ный вариант сочетания проблемногометода обучения с деятельностным под-ходом к обучению — это предложениеучащимся самостоятельных экспери-ментальных заданий.

Принцип обязательной успешностипроцесса обучения для всех учащихся

может показаться противоречащим вво-димой в школе системе образователь-ных стандартов и Единого государст-венного экзамена. Но это противоречиелишь кажущееся, формальное.

Во-первых, не нужно забывать, чтодостижение требований образователь-ного стандарта относится к моментуокончания средней школы. Если пло-хими оценками отбить желание учить-ся уже в основной школе, то рассчиты-вать на большие успехи к окончаниюсредней школы мало оснований.

Во-вторых, нужно обратить внима-ние на тот факт, что достижение требо-ваний образовательного стандарта пофизике относится не ко всем выпускни-кам средней школы, а лишь к тем изних, кто выбирает профиль дальней-шего обучения, требующего владенияшкольным курсом физики. Если учи-тель физики в основной школе будетруководствоваться принципом победно-го обучения, то увеличится число егоучеников, выбирающих такой профильдальнейшего обучения.

2. Проблемное обучение

Проблемное обучение. Одним изнаиболее эффективных методов разви-тия познавательных и творческих спо-собностей учащихся в процессе обуче-ния физике является метод проблемно-го обучения. В процессе примененияэтого метода школьники могут научить-ся видеть, осознавать проблемы, воз-никающие в процессе изучения при-родных явлений, выдвигать гипотезыдля объяснения наблюдаемых явленийи закономерностей, предлагать моде-ли явлений или процессов, проверятьпригодность выдвинутых гипотез илипредложенных моделей для разреше-ния обнаруженных проблем. Рассмот-рим несколько примеров возможногоиспользования метода проблемного обу-чения при изучении физики.

Природа силы трения. Изучениеявления трения на первый взгляд недолжно вызывать у школьников ника-ких особых затруднений, так как основ-ные закономерности этого явления про-сты и доступны для самостоятельногообнаружения учащимися. В действи-тельности трудности изучения в этойтеме есть, и не только для учащихся.

Прежде всего трудно объяснить уча-щимся 7 класса природу силы трения,так как они еще не имеют системати-ческих знаний ни о строении вещества,ни об электрических зарядах и силахих взаимодействия. Именно поэтомув учебнике вопрос о природе силы тре-ния, по существу, не рассматривается.Однако учителю нужно быть гото-вым к вопросам учащихся подобногорода.

На вопрос ученика о том, что же ме-шает движению одного твердого тела поповерхности другого, можно ответитьпостановкой первой проблемы: «Сна-чала вы мне ответьте на вопрос, почемувообще оказывается возможным движе-ние одного твердого тела по поверхностидругого, а потом я отвечу на вопрос отом, что же мешает этому движению».

Смысл этого вопроса можно пояс-нить следующим образом. Вот два дере-вянных бруска. Каждый из них поддействием небольшой силы легко дви-жется по поверхности другого. Но одинбрусок сам состоит из двух брусков,только он еще не распилен. Попробуйтеэти два бруска сдвинуть относительно

6

друг друга. Эта задача оказывается не-посильной любому человеку. Что же ме-шает движению одной половины брускаотносительно другой?

Наверное, в каждом классе найдетсяученик, который выскажет гипотезу:мешают силы взаимного притяжения,действующие между мельчайшими час-тицами твердого вещества, называемы-ми атомами и молекулами.

Подтвердив правильность высказан-ной гипотезы, можно сразу же поста-вить перед учащимися вторую проб-лему: если между атомами или молеку-лами твердого тела действуют такиебольшие силы притяжения, то почемудве металлические пластинки, помещен-ные одна на другую, не соединяютсяв одну пластину вдвое большей толщи-ны? Почему оказывается возможнымдвижение одной пластинки по поверх-ности другой под действием очень малойсилы? Почему разрезанная пополам ме-таллическая пластина не соединяетсяснова в одну целую, если приложитьодну половинку к другой?

К решению второй проблемы школь-ников можно подтолкнуть таким вопро-сом: как будет выглядеть гладкая по-верхность металлической пластины,если ее рассмотреть в микроскоп с боль-шим увеличением?

Ученик, имеющий опыт наблюде-ний с помощью микроскопа, ответит,что при рассматривании в микроскопс большим увеличением поверхностьлюбого тела оказывается очень неров-ной, покрытой выступами и впадина-ми, царапинами, острыми вершинами.

Итак, пластинки соприкасаются меж-ду собой не всей поверхностью, а лишьнебольшой ее частью. Силы межатомно-го притяжения действуют только междумалой долей атомов на соприкасаю-щихся участках поверхностей и потомуочень слабы.

Можно высказать гипотезу о том,что более удаленные друг от друга ато-мы на поверхностях пластинок не дей-ствуют друг на друга, потому что силымежатомного притяжения действуюттолько на очень малых расстояниях.

Теперь возникновение силы тренияможно объяснить тем, что для пере-мещения одного тела по поверхностидругого необходимо преодолеть силымежатомного притяжения на участкахсоприкосновения, которые тотчас начи-

нают действовать на вновь возникшихучастках соприкосновения.

После объяснения природы силытрения можно поставить перед учени-ками третью проблему: почему силатрения увеличивается с возрастаниемсилы нормального давления?

Можно ожидать, что кто-то из нихвыскажет гипотезу о том, что с возрас-танием силы нормального давленияувеличивается поверхность фактиче-ского соприкосновения тел, а это ведетк увеличению числа межатомных свя-зей и возрастанию силы трения.

Теперь можно поставить четвер-тую проблему: как должна влиятьобработка трущихся поверхностей насилу трения и как это происходит вдействительности?

Согласно данному выше объяснению,с повышением качества обработки по-верхности тел сила трения должна воз-растать, так как при этом увеличива-ется поверхность фактического сопри-косновения тел. Однако на практикедля уменьшения силы трения поверх-ности тел шлифуют и полируют какможно лучше. Как можно объяснитьэтот факт?

Можно вполне рассчитывать на са-мостоятельное решение некоторымиучащимися и этой проблемы, если прирешении второй проблемы на доске илина слайде проектора будет выполнен ри-сунок, который смог бы служить под-сказкой для решения четвертой пробле-мы. На этом рисунке выступы и впади-ны на соприкасающихся поверхностяхдолжны быть схематически представле-ны так, чтобы была очевидной неизбеж-ность процессов частичного разрушениятрущихся поверхностей тел при относи-тельном перемещении. Следы такогоразрушения поверхностного слоя телпри скольжении можно наблюдать ввиде черных полос на асфальте, остав-ленных шинами автомобиля при резкомторможении, в виде линий на листе бе-лой бумаги, возникающих при трениигрифеля карандаша о поверхность бума-ги. Выяснив вторую причину возникно-вения силы трения, легко объяснитьуменьшение коэффициента трения приповышении качества обработки сопри-касающихся поверхностей.

Следующая, пятая проблема мо-жет быть сформулирована так: «О силетрения мы сделали два утверждения,

7

которые привели к противоположнымвыводам. Если сила трения мала из-занебольшой поверхности соприкоснове-ния, то при повышении качества обра-ботки соприкасающихся поверхностейона должна возрастать. Если сила тре-ния уменьшается при уменьшении не-ровностей на соприкасающихся поверх-ностях, разрушаемых при скольжении,то при повышении качества обработкисоприкасающихся поверхностей силатрения должна уменьшаться. Так чтоже происходит на самом деле?»

Эта проблема из-за ее сложности,скорее всего, должна быть разрешенаучителем. Он может обратить вниманиеучащихся на тот факт, что и при хо-рошей обработке поверхностей междуними остаются мельчайшие пылинкии молекулы газов воздуха, действую-щие как тонкий слой смазки. Так чтообычно повышение качества обработкисоприкасающихся поверхностей ведетк уменьшению коэффициента трения.Однако при достижении определенногоуровня гладкости поверхности и ее чис-тоты картина резко меняется и поверх-ности прочно соединяются друг с дру-гом. Этот эффект можно наблюдать напримерах слипания полированныхпредметных стекол для микроскопа,свежеобработанных поверхностей свин-цовых цилиндров.

Расширение твердых и жидкихтел при нагревании. Ознакомле-ние с явлением расширения твердыхи жидких тел при нагревании следуетначинать с наблюдений этого явленияв опытах. Эти опыты целесообразно вы-полнять не как иллюстрацию к расска-зу о явлении, а как решающие экспери-менты по проверке собственных гипо-тез учащихся. В этом случае обеспеченнеподдельный интерес и внимание уча-щихся к опытам.

Но чтобы появились гипотезы уча-щихся, нужно поставить проблему, тре-бующую экспериментальной проверки.В случае использования шара с кольцомпроблему можно сформулировать следу-ющим образом: «Посмотрите, у нас естьшар и кольцо, изготовленные из одина-кового металла. Шар проходит черезкольцо.

А пройдет ли шар через кольцо,если нагреть шар и кольцо?

А пройдет ли шар через кольцо,если нагреть только шар?

А пройдет ли шар через кольцо,если нагреть только кольцо?

Обоснуйте свои утверждения».Нужно ли предлагать три варианта

эксперимента? Нужно хотя бы из-затого, что почти каждый учащийся безошибки ответит на второй вопрос, а напервый и третий вопросы будут предла-гаться разные ответы. Это и сделает про-ведение эксперимента интересным дляучащихся и позволит выяснить, кто жеправ. Загадка состоит в том, что прои-зойдет при нагревании кольца: увели-чится радиус его отверстия или умень-шится. Одним кажется логичным пред-положить, что при нагревании кольцаотверстие уменьшается, так как кольцорасширяется во все стороны. Другим ка-жется логичным предположить, что принагревании кольца отверстие увеличит-ся, а третьи могут предположить, чторазмеры отверстия не будут изменяться,так как оно не нагревается.

Обсудив все возможные варианты,можно приступить к их эксперимен-тальной проверке и путем опытов уста-новить, какая из гипотез верная. Дляуспешного проведения опытов необходи-мо нагревание более чем на 100 °С. По-этому нужно использовать либо пламяспиртовки, либо сухое горючее (рис. 1).

8

Рис. 1

Разумеется, все опыты учитель дол-жен предварительно выполнить, чтобызнать, как нужно располагать нагревае-мые детали в пламени, сколько времениих нужно нагревать, как перемещатьнагретые детали, чтобы не получитьожога. Учащимся эти эксперименты по-ручать не следует.

После завершения эксперимента по-лезно возвратиться к обсуждению ре-зультатов и найти теоретический способдоказательства утверждения о том, чтоотверстие кольца должно расширяться.Это утверждение можно доказать мето-дом мысленного эксперимента.

Представим себе, что имеется сплош-ной металлический лист. В этом лис-те вырежем круглое отверстие, а затемснова вложим вырезанный металличе-

ский диск в образовавшееся отверстиев листе. Мы имеем снова сплошной ме-таллический лист. Будем нагревать этотлист. Если рассматривать его как листс отверстием и вложенным в отверстиедиском и считать, что нагревание при-водит к уменьшению отверстия, то этоуменьшение должно привести к сжима-нию вложенного диска. Диск при нагре-вании расширяется, и это должно при-вести к возникновению еще большихпротивоборствующих сил, в результа-те чего вложенный диск должен бытьсмят. В действительности нагреваниесплошного листа не приводит ни к ка-ким деформациям, следовательно, пред-положение об уменьшении размеров от-верстия при нагревании тела ошибочно.

3. Демонстрационный эксперимент и опыты учащихся

Общие правила подготовки и вы-полнения демонстрационных опытов.Познание свойств предметов и физиче-ских явлений начинается с формиро-вания в сознании человека понятий осамих предметах и явлениях. Для воз-никновения в сознании человека поня-тия о любом предмете или явлении че-ловеку необходимо его чувственное вос-приятие, чувственный опыт. Поэтомупроцесс формирования научного поня-тия у учащихся о физическом явлениидолжен начинаться, если это возможно,с чувственно-конкретного восприятия,с наблюдения явления, с демонстрациипредметов и явлений, о которых пойдетречь.

При подготовке и выполнении де-монстраций полезно помнить о некото-рых общих правилах и возможных ва-риантах проведения демонстрационныхэкспериментов.

Безусловным правилом являетсяпредварительное выполнение до урокалюбого, даже самого простого опыта.Это предотвратит возможные провалытех, кто считает возможным без «репе-тиции» демонстрировать в классе опы-ты, знакомые по книгам или виденныев исполнении других учителей. Еслиопыт один раз получается, а другойраз не получается, то лучше отложитьпопытку его демонстрации в классе дотех пор, пока не будет полной уверен-ности в успехе. Неудавшийся опыт не

только ведет к разочарованию учащих-ся из-за неоправданных ожиданий уви-деть что-то интересное, но и подрываетв их глазах авторитет учителя.

При подготовке опыта нужно посто-янно помнить, что он будет выполнять-ся для наблюдения учащимися всегокласса. Следовательно, демонстрируе-мое явление должно быть хорошо види-мым каждым учащимся. Демонстриру-емый эффект должен быть убедитель-ным, не вызывающим сомнений.

При подготовке демонстрации нуж-но думать не только о том, как резуль-тат опыта позволит обосновать илиопровергнуть какие-то теоретическиеутверждения, логические построения.Чтобы демонстрационный экспериментмог выполнить свою основную учебнуюфункцию, необходимо прежде всего,чтобы опыт увидели все школьники.

Привлечения внимания учащихсяк подготовленному эксперименту мож-но достигнуть парадоксальностью по-становки проблемы. Например, передвыполнением опыта с трубкой Ньюто-на очевидным кажется неправильныйответ на вопрос: что быстрее упадетна дно трубки при ее переворачива-нии — небольшое птичье перо или ку-сок свинца?

Перед изучением закона сложения силможно сначала спросить: сколько будетяблок, если к двум яблокам прибавитьеще два? А затем спросить: какая сила

9

получится при сложении действия двухсил, 2 Н каждая?

Обращая внимание на хорошую ви-димость демонстрируемого опыта, егоэффектность, нельзя забывать о главнойцели его выполнения. После заверше-ния эксперимента можно спросить уча-щихся, понравился ли им этот опыт. Нозатем нужно обязательно проверить,что же видели учащиеся.

Выделить самое важное из многихдействий учителя с предметами на де-монстрационном столе и происходящихпри этом эффектов совсем не простаязадача. Поэтому учитель перед выпол-нением демонстрации должен заранееобъяснить учащимся, что он собираетсяделать, куда нужно смотреть и что мыожидаем увидеть. А по окончании опы-та попросить учащихся рассказать, каквыполнялся эксперимент, что произо-шло в результате и какие выводы мож-но сделать из увиденного.

Если многие учащиеся не увиделисамого главного из того, что происходи-ло в эксперименте, или не поняли, каквыполнялся опыт, демонстрацию мож-но повторить еще раз. Если экспери-мент несложный и безопасный, его по-вторное выполнение можно поручитьучащимся.

Хотя демонстрационные опыты вы-зывают интерес у большинства школь-ников, подготовка опыта во время уро-ка должна быть кратковременной, таккак для учащихся это время полнойбездеятельности. Если учитель будет10—15 мин собирать на столе экспе-риментальную установку, то к момен-ту выполнения самого опыта интереск происходящему угаснет, вниманиепереориентируется, и многие школьни-ки просто не увидят опыта. Поэтомудля опытов, требующих значительныхзатрат времени на сборку установки,соединение приборов, должны быть за-ранее подготовлены приборы и оборудо-вание на демонстрационном столе.

Виды демонстрационных экспери-ментов. Общая методическая рекомен-дация — желательно на каждом урокефизики проводить либо демонстраци-онный эксперимент, либо самостоя-тельные опыты учащихся — можетпоказаться далекой от потребностейшкольного курса физики и реальныхвозможностей обычной общеобразова-тельной школы. Но проанализируем

сначала потребности школьного курсафизики.

Образовательный стандарт по физи-ке требует знания около 50 физическихпонятий, физических величин и зако-нов, умений описывать и объяснять не-сколько десятков физических явлений,использовать физические приборы и из-мерительные инструменты для измере-ния физических величин. Для выполне-ния этих требований почти на каждомуроке необходимо знакомить учащихсяс новыми физическими явлениями, но-выми величинами, новыми приборамии измерительными инструментами. По-этому проблема не в том, что нечего по-казать на уроке физики или что датьв руки учащимся для самостоятельныхопытов. Проблема в отборе из множе-ства возможных опытов наиболее соот-ветствующих целям обучения.

Разделим демонстрационные экспе-рименты по их назначению.

С демонстрации нужно начинать изу-чение нового физического явления. Неувидев явления разложения белого све-та в разноцветный спектр, нельзя иметьадекватного понятия об этом явлении.

При формировании понятия о новомявлении нужно научить отличать его отранее известных или похожих. Для это-го нужны опыты, помогающие выделитьсущественные отличительные призна-ки наблюдаемого явления. Так, нужныспециальные опыты, позволяющие раз-личать понятия «масса», «сила тяже-сти» и «вес».

Переход от качественного описанияявления к точным количественным ха-рактеристикам требует введения новыхфизических величин и задания спосо-бов их измерений. Этот этап также тре-бует выполнения специально постав-ленных опытов.

Каждый новый физический приборнужно демонстрировать, объяснять егоустройство и принцип действия. Дляэтих целей выпускаются специальныедемонстрационные варианты приборови измерительных инструментов. Ониотличаются большими размерами, ука-зателями и шкалами таких размеров,что показания приборов видны всемуклассу. Такими приборами являютсядемонстрационный термометр, динамо-метр, вольтметр и амперметр.

После формирования понятия о фи-зическом явлении и физических вели-

10

чинах, характеризующих это явление,ознакомления со способами измере-ния этих величин можно перейти кустановлению количественных зависи-мостей между физическими величина-ми, к изучению физических законов.

В тех случаях, когда воспроизве-дение физического опыта выходит запределы возможностей физического ка-бинета, педагогически целесообразныдемонстрации модели, кинофильма, диа-позитива или плаката, помогающиеформированию наглядных представле-ний о характерных особенностях реаль-ного эксперимента и его результатах.

Критерием того, что теория соот-ветствует действительности, являетсяэкспериментальная проверка следствийи практические применения новых зна-ний. И этим этапам познания необходи-ма опора на соответствующий учебныйфизический эксперимент. Выяснениепринципа действия электрогенератора иэлектромотора для школьного курса фи-зики является не менее важной задачей,чем понимание результата опыта Фара-дея по обнаружению явления электро-магнитной индукции или опыта с коль-цами при изучении правила Ленца.

При всей важности демонстрацион-ного эксперимента в процессе обученияфизике в основной школе не следует пе-регружать урок большим числом демон-страций. В погоне за количеством легкопотерять качество, так как человече-ские возможности усвоения и запоми-нания нового весьма ограничены.

На вопрос о месте и времени демон-страционного эксперимента на урокенельзя дать однозначную рекоменда-цию. Выбор целесообразного моментавыполнения опыта во многом опреде-ляется спецификой учебного материалаи выбранным методом изучения дан-ной темы. В одних случаях лучше сна-чала показать опыт, чтобы потом об-суждать наблюдаемое явление, в дру-гих случаях лучше перед выполнениемопыта обсудить проблему и выяснить,какой опыт нужно выполнить для ееразрешения.

Опыты учащихся. Ознакомление сновым физическим явлением в боль-шинстве случаев целесообразно начинатьс демонстрации явления, выполняемойучителем. В процессе такой демонстра-ции обращается внимание учащихся насущественные признаки явления, усло-

вия для осуществления опыта и необхо-димые меры безопасности.

Но только наблюдения опытов «состороны» не способны обеспечить фор-мирование в сознании учащихся адек-ватных представлений о наблюдаемыхявлениях. Успешный процесс усвоениязнаний осуществляется в самостоятель-ной познавательной деятельности лич-ности, не ограниченной только наблюде-ниями за деятельностью других людейили слушанием их объяснений. Невоз-можно иметь представление о магнит-ном взаимодействии тел, не ощутив уди-вительное притяжение железного шара,удерживаемого одной рукой, к магниту,находящемуся в другой руке, отталки-вание одноименных полюсов магнитов.

Демонстрация увеличенного изобра-жения предмета, даваемого линзой наэкране, не заменит школьнику впечат-ления от прямого наблюдения черезлинзу увеличенного изображения своейруки. Поэтому после демонстрациикаждого опыта желательно предоста-вить учащимся возможность повторитьего самостоятельно.

Опыты учащихся на уроке должныудовлетворять нескольким простымтребованиям. Они должны быть:

1) связаны с основным содержани-ем занятия;

2) интересными для школьников;3) доступными для понимания в по-

становке проблемы и полученных ре-зультатов;

4) безопасными для жизни и здоро-вья детей.

Возрастные особенности учащихсяосновной школы обеспечивают повы-шенный интерес большинства из нихк любым опытам. Однако не следуетупускать из виду, что те же возрастныеособенности обусловливают основноевнимание учащихся лишь к внешнейстороне наблюдаемых явлений, а поста-новка проблемы, анализ условий прове-дения опыта и выводы из результатовэксперимента даются им совсем нелег-ко. Поэтому перед выполнением каждо-го опыта учителю необходимо убедить-ся, что все школьники понимают цельопыта, представляют себе возможныеварианты его результатов и могут сфор-мулировать выводы, которые можно бу-дет сделать из полученных результатов.

До проведения эксперимента необхо-димо подвести учащихся к выводу о том,

11

что существует проблема, которая мо-жет быть разрешена только опытнымпутем. Потом с участием школьниковспланировать и выполнить экспери-мент, результаты которого могут датьрешение этой проблемы. После выпол-нения эксперимента в форме само-стоятельного опыта школьников следу-ет провести коллективное обсуждениеего результатов и сформулировать вы-воды.

Рассмотрим конкретный пример экс-перимента, который могут выполнитьшкольники на первом уроке, когда про-исходит ознакомление с понятиями фи-зическое явление, наблюдение, пробле-ма, гипотеза, опыт.

Постановка проблемы учителем. При-мер постановки проблемы перед школь-никами и этапы ее возможного обсуж-дения представлены на втором разво-роте первого параграфа учебника прирассмотрении физического явления па-дения тел на Землю.

Для обеспечения возможности само-стоятельных опытов по наблюдению од-новременного падения двух монет, ма-ленькой и большой, учителю нужно за-готовить набор монет на класс. Послевыполнения самостоятельных опытовучащимися нужно подвести итоги. Вы-вод может быть примерно таким: заме-тить разницу во времени падения ма-ленькой и большой монет не удается.Но нельзя быть уверенным и в том, чтомонеты падают совершенно одновремен-но, так как время их падения оченьмало. После этого можно рассказать обопыте Галилея, который для увеличе-ния времени падения тел наблюдал па-дение двух шаров с высокой наклонной«падающей» башни в г. Пизе. Один изшаров был в 200 раз тяжелее другого.Опыт показал, что тяжелый и легкийшары достигают поверхности Земли од-новременно. Начиная с этих и другихопытов Галилея, основным методомпроверки гипотез в физике стал экспе-риментальный метод.

При желании и наличии времениможно продолжить выполнение экспе-риментов по изучению явления паде-ния тел на Землю с использованиемтрубки Ньютона. Показав стекляннуютрубку с находящимися в ней кусоч-ком свинца и птичьим пером, задаемвопрос: Если быстро перевернуть этутрубку, одновременно ли достигнут

дна трубки кусочек свинца и птичьеперо?

Когда будут высказаны гипотезыо результатах опыта, выполняем опыти предлагаем высказать предположе-ния о причине более долгого паденияпера. После высказывания гипотезыо влиянии сопротивления воздуха надвижение тел задаем вопрос: А если быв трубке не было воздуха, кусочексвинца и птичье перо достигли бы днатрубки одновременно? Затем откачи-ваем воздух из трубки и проверяем ги-потезу о том, что в пустоте кусочексвинца и перо упадут одновременно.

Приведенные примеры показывают,насколько простыми средствами можетбыть организована активная познава-тельная деятельность учащихся, позво-ляющая им овладеть такими важны-ми общими теоретическими понятиями,как явление, наблюдение, проблема,гипотеза, опыт или эксперимент.

Коллективный эксперимент. Учащи-еся основной школы начинают изуче-ние физики, не имея опыта постановкицели эксперимента, его планированияи выполнения, записи и обработки ре-зультатов измерений, их обсуждения иформулирования выводов. Поэтому на-ряду с другими формами организациипрактической познавательной деятель-ности учащихся может быть исполь-зована и форма, которую назовем кол-лективным экспериментом. Рассмотримособенности организации коллектив-ного эксперимента на конкретном при-мере выполнения опыта по изучениюзакона сложения сил.

Сложение сил. В принципе возмо-жен формальный способ введения за-кона сложения сил, при котором пра-вило сложения векторов дается какматематическая аксиома. Затем сооб-щается, что сила есть векторная вели-чина, и далее используется правилосложения векторов для нахожденияравнодействующей сил. Такой путьизучения был бы оправданным, еслибы знание правила сложения векто-ров сил было целью изучения физики.Но это и многие другие правила и зако-ны большинству выпускников основнойшколы не понадобятся в практическойжизни, а те, которые выберут про-фессии, связанные с применением зна-ний по физике, будут изучать эти зако-ны еще раз на более высоком уровне.

12

Зачем же нужно изучать закон сложе-ния сил в основной школе и как нужноего изучать?

Изучение этого и других законовфизики нужно для формирования пред-ставлений о том, что такое законы при-роды и как устанавливаются эти зако-ны. Поэтому изучение закона должнопроисходить по тому пути, каким прои-зошло его открытие.

Закон сложения векторов сил не вы-водится теоретически из других зако-нов, его нельзя доказать путем логи-ческих рассуждений. В физике фактсложения действия сил по правилу па-раллелограмма установлен экспери-ментально и называется принципом су-перпозиции сил. Этот закон можноприменять для сложения действия не-скольких сил только после того, какэкспериментально установлен факт под-чинения действий сил такому закону.Смысл принципа суперпозиции сил за-ключается в том, что результат дей-ствия любой силы на тело не зависитот того, действуют ли одновременноеще какие-либо силы или других силнет. Таким образом, экспериментальное«открытие» векторного характера сло-жения действий нескольких сил имеетглубокий физический смысл и потомунеравноценно формальному способу вве-дения правила параллелограмма. Разу-меется, на первом этапе изучения физи-ки едва ли следует объяснять принципсуперпозиции сил: это целесообразнеесделать при изучении физики в стар-ших классах.

Для того чтобы учащиеся смоглиосознать, что на примере закона сложе-ния сил они знакомятся с принципи-ально новым законом сложения вели-чин, изучение этой темы можно начатьс такой постановки проблемы: «Ска-жите, если к двум яблокам прибавитьеще два яблока, сколько будет яблок?»Ответ: «Четыре яблока» — очевиден.

«А если на тело действует сила 2 Ни еще одна сила 2 Н, то чему равнасуммарная сила их одновременногодействия?»

После краткого обсуждения ответовможно выполнить экспериментальнуюпроверку предполагаемых результатовс использованием трех динамометров.Для опытов нужно использовать демон-страционные динамометры, показаниякоторых видны всему классу.

Сначала два динамометра тянутвдоль одной прямой за нить, привязан-ную к третьему динамометру. Пока-зание каждого из двух динамометровдолжно быть равно 2 Н. В этом слу-чае показание третьего динамометра,на который действуют одновременнодве силы по 2 Н, равно 4 Н. Выпол-няется обычное правило сложения:2 + 2 = 4.

Затем изменяют положения динамо-метров в пространстве так, чтобы меж-ду ними был угол примерно 120°. Пока-зание третьего динамометра теперь ста-новится равным 2 Н. Изменяя уголмежду направлениями двух векторовсил по 2 Н от 0 до 180°, можно полу-чить значения модуля равнодействую-щей сил от 4 до 0 Н.

Мы получили, что закон сложениявекторных величин принципиаль-но отличается от закона сложе-ния скалярных величин. Направ-ление результирующего вектораи его модуль зависят от направ-лений и модулей слагаемых век-торов.

Далее целесообразно дать возмож-ность учащимся установить закон сло-жения сил в самостоятельном экспери-менте. При отсутствии достаточного ко-личества комплектов лабораторногооборудования исследование может бытьвыполнено в форме коллективного экс-перимента.

Для того чтобы в обсуждении задачэксперимента, плана его проведения ив выполнении измерений участвоваловозможно большее количество учащих-ся, проблему нахождения правила сло-жения векторов сил можно разбить набольшое число ступеней с постановкойпромежуточных проблем и коллектив-ным обсуждением хода эксперимента.Рассмотрим возможный вариант ходаэксперимента.

Постановка проблемы.На демонстрационном столе вы ви-

дите груз, подвешенный на крючкахдвух динамометров (рис. 2). Груз не-подвижен. Какой вывод можно сделатьиз этого факта о действующих нагруз силах?

1-й у ч е н и к. Сумма действующихна груз сил равна нулю.

Сколько сил действует на грузи как они направлены? Нарисуйтена доске схему расположения груза,

13

точки приложения и направления век-торов сил.

2-й у ч е н и к. Сила тяжести F�т на-правлена вертикально вниз, две силы

упругости F�1 и F�2 приложены к точке Аи действуют на груз по направлениямAB и AС. Сумма действующих на грузсил равна нулю (рис. 3).

В тетради изобразите векторысил, действующих на груз. Что нужноизмерить на этой экспериментальнойустановке для того, чтобы на вашихчертежах были правильно представ-лены направления и модули этих век-торов?

3-й у ч е н и к. Нужно измерить рас-стояния АВ, АС и ВC, записать показа-ния динамометров и вычислить силутяжести груза по его известной массе.

Выполните измерения расстоянийАВ, АС, ВC и нарисуйте чертеж надоске в пропорции с полученными ре-зультатами.

4-й у ч е н и к. Результаты измеренийследующие: АВ = 38 см, АС = 50 см иВC = 63 см. На доске я провел гори-зонтальную прямую и отметил на нейточки В и С на расстоянии 63 см. За-тем провел дугу окружности радиусом38 см из точки В и дугу окружности ра-диусом 50 см из точки С. Точка пере-сечения этих дуг есть точка А.

А какие размеры удобны для рисун-ка в тетради?

5-й у ч е н и к. Для тетради удобновыбрать размеры всех расстояний, в 5 разменьших: АВ = 7,6 см, АС = 10 см иВC = 12,6 см.

Выполните чертеж треугольникаАВС в своих тетрадях.

Теперь снимите показания динамо-метров и изобразите векторы силупругости на чертеже.

6-й у ч е н и к. Показания левого ди-намометра 4 Н, показания правого ди-

намометра 3 Н. Обозначим их как F�1 и

F�2. Для изображения векторов сил надоске я выбираю масштаб 1 Н = 5 см.

Какой масштаб удобен для изобра-жения векторов сил на чертеже втетради?

7-й у ч е н и к. Для тетради можновыбрать масштаб 1 Н = 2 см. Тогда дли-

на вектора F�1 на чертеже должна быть

равна 8 см, а длина вектора F�2 должнабыть равна 6 см.

Постройте на чертеже векторысил упругости в масштабе 1 Н = 2 см.Теперь вычислите значение силы тя-жести груза и постройте векторсилы тяжести на чертеже. Массагруза 0,5 кг.

8-й у ч е н и к. Силу тяжести нахо-дим по формуле

Fт = 9,8m = 9,8 ⋅ 0,5 Н ≈ 5 Н.

Вектор силы тяжести приложен кточке А и направлен вертикально вниз.Масштаб для изображения векторасилы в тетради нужно выбрать преж-ний: 1 Н = 2 см. Поэтому длина векто-ра силы тяжести на чертеже в тетрадиравна 10 см.

Постройте в тетрадях вектор

силы тяжести F �т.

14

Рис. 2

Рис. 3

Каково направление равнодейству-ющей двух сил упругости и каков еемодуль?

9-й у ч е н и к. Так как груз неподви-жен, равнодействующая двух сил упру-гости равна по модулю силе тяжести,действующей на груз, и направленапротивоположно этой силе, вертикаль-но вверх. Масштаб для изображениявектора силы прежний: 1 Н = 2 см. По-

этому и длина вектора F�3 такая же,т. е. 10 см (см. рис. 3).

Постройте на чертеже в тетра-

ди вектор F�3 равнодействующей сил

упругости F �1 и F �2. Теперь главный во-прос: мы из опыта нашли направле-ние и модуль вектора равнодействую-

щей F �3 двух сил упругости F �1 и F�2,приложенных к одной точке тела.А можно ли найти направление и мо-дуль равнодействующей двух сил, при-ложенных к одной точке, не выполняяспециального опыта?

10-й у ч е н и к. Это можно сделать,воспользовавшись правилом паралле-

лограмма. Нужно к концу вектора F�1приставить начало вектора F�2, перене-сенного в пространстве параллельно са-мому себе. Соединив стрелкой начало

вектора F �1 с концом приставленного к

нему вектора F�2, получим вектор F�3равнодействующей сил F�1 и F�2.

Постройте на своих чертежах рав-

нодействующую сил F�1 и F �2 по прави-

лу параллелограмма. Проверьте, сов-падает ли этот вектор с найденнымиз эксперимента вектором равнодей-

ствующей F�3.Какой вывод следует сделать из

выполненного эксперимента, если рав-

нодействующая сил F �1 и F�2, найден-ная по правилу параллелограмма, сов-падает с найденным из эксперимента

вектором равнодействующей F �3?11-й у ч е н и к. Правило параллело-

грамма для нахождения равнодейству-ющей двух сил, приложенных к однойточке тела, является математическойформулировкой экспериментально уста-новленного свойства действия сил налюбые тела.

При выполнении экспериментально-го задания необходимо неоднократно об-ращать особое внимание на обязатель-ное условие, при котором выполняетсяправило сложения векторов сил — при-ложение сил к одной точке тела. Мож-но при этом добавить, что результатыодновременного действия на тело не-скольких сил, приложенных к разнымточкам, мы рассмотрим на следующихуроках.

Методом коллективного выполне-ния может быть осуществлено экспери-ментальное исследование зависимостиобъема газа от давления при постоян-ной температуре, исследование явленийплавления и кристаллизации.

4. Личностно ориентированное обучение

Личностно ориентированный под-ход в учебном процессе как средстводостижения целей развивающего обу-чения. Соединение в процессе обученияфизике принципа развивающего обуче-ния, деятельностного подхода к орга-низации процесса обучения, проблем-ного обучения, требований достижениявысокого уровня внутренней мотива-ции к учению и требований обязатель-ной успешности обучения для всех уча-щихся является весьма сложной за-дачей для учителя. Но добавление кчислу перечисленных еще одного прин-ципа — принципа личностно ориенти-рованного обучения — может сделать

задачи обучения физике несколько лег-че достижимыми.

Принцип личностно ориентирован-ного обучения заключается в том, чтообъем содержания обучения по каждо-му предмету и уровень его сложностив значительной мере должен опреде-лять для себя сам учащийся, каждыйв соответствии со своими интересамии способностями.

Можно ли принять этот принципкак руководство к действию в периодвнедрения в практику работы современ-ной школы образовательных стандар-тов и введения Единого государственно-го экзамена?

15

Именно новые образовательные стан-дарты сделали первый шаг на пути креализации принципа личностно ори-ентированного обучения. В текстах про-грамм образовательных стандартов впер-вые курсивом выделен материал, кото-рый подлежит изучению, но не включа-ется в требования к уровню подготовкивыпускников. Тем самым учителю да-ются четкие ориентиры по разделениюучебного материала на обязательныйдля усвоения всеми учащимися и мате-риал, предлагаемый для изучения, ноне подлежащий обязательному контро-лю с последующей оценкой.

Каким образом принятие принципаличностно ориентированного обученияв основной школе может способствоватьуспешной реализации ранее перечис-ленных принципов и подходов к обуче-нию?

Попытки применения на практи-ке принципов развивающего обучения,деятельностного подхода, проблемногообучения, победного обучения для всехучащихся встречаются с серьезнымитрудностями. Среди этих трудностейможно назвать значительное несоот-ветствие между объемом обязательногоучебного материала и временем, отво-димым на его изучение. Традиционнаяметодика по схеме «прослушай — про-читай — воспроизведи» требует для за-учивания и воспроизведения, как ми-нимум, в 3—4 раза меньших затратвремени, чем методика изучения тогоже материала на основе принципа проб-лемного обучения и деятельностногоподхода. Так зачем же нужна такая«затратная» методика?

Если целями обучения выбираютсязаучивание и воспроизведение каких-либо текстов, то никакие проблемныеи деятельностные методы обучения ненужны. Но если целями обучения выби-раются развитие познавательных инте-ресов, интеллектуальных и творческихспособностей школьников, формирова-ние умений самостоятельного приобре-тения новых знаний в соответствиис жизненными потребностями и интере-сами, то выбор должен быть сделанв пользу проблемных методов обученияна основе организации самостоятельнойпознавательной и творческой деятель-ности учащихся.

Объем обязательного содержания об-разования по физике. Принятие прин-

ципа личностно ориентированного обу-чения в основной школе может способ-ствовать преодолению названных труд-ностей следующим образом. Если при-нять позицию о соотношении целей исредств в процессе школьного обучения,согласно которой цель — это ученик,максимальное развитие его индивиду-альных способностей, а школа, учебныепредметы, учитель — это средства до-стижения цели, то образовательныестандарты по всем учебным предметамне должны рассматриваться как догма,как перечень терминов, правил, законови фактов для «выучивания». Образова-тельные стандарты при таком выборецелей обучения лишь систематизиро-ванный свод материалов, предлагаемыхучителю и учащимся для достиженияосновной цели обучения. Этот свод ма-териалов должен быть заново рассмот-рен и проанализирован с позиций при-годности его элементов для использова-ния в учебном процессе с применениемпроблемного метода и деятельностногоподхода.

Одним из результатов анализа долж-но стать существенное сокращение объе-ма учебного материала, не менее чем на50%, предлагаемого в качестве обяза-тельного для изучения всеми школьни-ками.

Только при выполнении этого усло-вия может стать в принципе осуществи-мым переход от вербального методаобучения к проблемному обучению, оториентации на пассивное восприятиеинформации учащимися на их само-стоятельную активную поисковую дея-тельность.

Утверждение о необходимости суще-ственного сокращения объема обязатель-ного для изучения учебного материалане содержит предложения пересмотретьОбязательный минимум содержанияосновных образовательных программпо физике и требования к уровню под-готовки выпускников. Речь идет лишьо сокращении в школьных учебникахобъема материала, предлагаемого в ка-честве обязательного для изучения. Этоможет быть достигнуто путем болеестрогого отбора обязательного материа-ла, выделения самого главного в каж-дой теме.

Отбор и структурирование содержа-ния образования по физике. Какиепринципы могут быть положены в осно-

16

ву при отборе и структурировании со-держания обучения по физике?

Первый обязательный ориентир —это реальные возможности учащихсяк усвоению новых понятий в процес-се обучения. Психологи утверждают,что ребенок способен в день усвоить неболее трех-семи новых понятий. Еслиучесть, что усвоение новых понятийпроисходит и при общении в семье, сосверстниками, при просмотре телепере-дач и работе с компьютером, то следуетпризнать, что на долю школы прихо-дится для усвоения в день не болеетрех-пяти новых понятий. Поэтому наодин урок физики можно реально пла-нировать овладение лишь одним-тремяновыми понятиями.

Второй обязательный ориентир приотборе и структурировании содержанияобучения — это образовательный стан-дарт по физике. Наиболее четко обяза-тельные требования образовательногостандарта к результатам обучения сфор-мулированы в требованиях к уровнюподготовки выпускников.

Сокращение примерно в 2 раза объе-ма обязательного материала в учебни-ке освобождает время для занятий поинтересам всем учащимся. Те из них,кому интересна физика, должны иметьв учебнике материалы для углублен-ного изучения теоретического материа-ла и задания для выполнения само-стоятельных экспериментов. В резуль-тате общий объем учебного материалапо физике, предлагаемого учащимсяосновной школы, должен не толькополностью соответствовать образователь-ному стандарту, но даже несколькопревосходить его обязательные требова-ния.

Формы организации учебного про-цесса. Неустойчивость непроизвольноговнимания учащихся в возрасте 12—14 лет не позволяет выбрать какую-либо одну форму организации учебно-го процесса как наиболее эффективнуюдля достижения целей развивающегообучения в качестве ведущей на урокефизики для личностно ориентированно-го обучения. Скорее, более правильнойбудет рекомендация двух-трехкратнойсмены видов деятельности учащихсяна каждом уроке для поддержания ихинтереса к данной теме. Исключениеммогут быть уроки с выполнением экспе-риментальных заданий, так как во вре-

мя их проведения учащийся несколькораз меняет вид деятельности. Сначалаон читает задание, планирует свои дей-ствия, изучает предложенные прибо-ры, инструменты, материалы. Затемвыполняет эксперименты и записываетих результаты. Далее может быть по-строение графика, написание краткогоотчета, формулирование вывода.

Для того чтобы деятельностный под-ход к обучению был не девизом, а ре-альным средством в учебном процессе,необходимо планировать уроки такимобразом, чтобы на самостоятельную по-знавательную и поисковую деятель-ность учащихся — выполнение экспе-риментальных заданий, опытов, реше-ние задач отводилось более половиныучебного времени.

Возможное распределение учебноговремени между различными видами де-ятельности учителя и учащихся на уро-ках физики в основной школе можетбыть примерно следующим:

— рассказ учителя, демонстрацион-ные опыты, постановка теоретическихпроблем, обсуждение этих проблем(30—35%);

— самостоятельное выполнение уча-щимися экспериментальных заданий,опытов (35—40%);

— решение задач, контроль знанийи умений учащихся (25—30%).

Личностно ориентированное обуче-ние как одна из форм дифференциа-ции обучения в основной школе. Приобсуждении возможности и целесооб-разности осуществления личностно ори-ентированного подхода к обучению наобычных уроках возникает вопрос: нелучше ли начинать профильное обуче-ние не с 10 класса, а раньше, с 9 илидаже 8 класса? В пользу этого вариантаприводятся такие доводы, как необходи-мость более раннего выявления талант-ливых детей и предоставления им воз-можности более быстрого и успешногоразвития.

Ранняя дифференциация обученияшкольников с использованием для раз-ных групп учащихся разных программи учебников не представляется целесо-образной по ряду причин.

Первая из них — невозможностьопределения способностей учащегося кфизике без осуществления процесса обу-чения физике. Только в процессе изуче-ния физики школьник может понять,

17

нравится ли она ему, а учитель можетпопробовать оценить способности уча-щегося.

Вторая причина — дети не рождают-ся с заданным от природы набором че-ловеческих способностей. Генетическизаданными являются индивидуальныеособенности, называемые задаткамиспособностей. Не рождаются дети с вы-дающимися способностями к математи-ке или физике, к составлению компью-терных программ или игре в шахматы.Достаточно осознать, что до изобрете-ния шахмат и компьютера дети рожда-лись с примерно такими же наборамигенов в хромосомах, но никто из них нестановился ни «компьютерщиком», нишахматистом. Они могли бы ими стать,но около них не было людей, которыепомогли бы им развить способности вэтих областях.

Человек как мыслящее существо неразвивается по биологически заданнойпрограмме. Он не подсолнух, в кото-ром все «подсолнуховое» развиваетсяпо программе, заложенной в семечке.Все человеческое в ребенке создается,возникает в результате взаимодействияс окружающими его людьми. Поэтомузадача учителя не сводится к задаче са-довода, заключающейся в отборе элит-ных семян и необходимом уходе. Еслисравнивать учителя с садоводом, тонужно признать, что от воздействия это-го «садовода» может зависеть не только«урожай», но и вид растений. Из оди-наковых «семян» — учеников у талант-ливого учителя математики ежегоднообнаруживается больше детей, способ-ных к математике, увлеченный своимпредметом учитель литературы обнару-живает талантливых поэтов, артистови будущих писателей. Эти факты по-казывают, что генетическая заданностьчеловеческих способностей лишь потен-циальная и не специфическая. Какиеименно специфические способности ра-зовьются у данной личности, определя-ется воздействиями человеческого окру-жения, в котором учитель зачастую иг-рает не последнюю роль.

Третья причина заключается в том,что возраст проявления способностейдетей зависит от очень многих причин иможет варьироваться в широких преде-лах. Поэтому ранняя дифференциацияобучения на основе уже обнаруженныхспособностей может помешать раскры-

тию других способностей, возможно бо-лее важных для этой личности.

Использование личностно ориенти-рованного подхода в обучении являетсямягкой формой дифференциации, осно-ванной только на личном интересе уча-щегося, не уменьшающем проявленияинтереса к другим учебным предметами внешкольным занятиям. Очень важ-но, что «вход» в эту форму дифферен-циации и «выход» из нее открыт накаждом уроке на всем протяжении обу-чения. Свобода «входа» и «выхода» влюбое время является признаком реаль-ной личностной ориентации процессаобучения. Эта особенность привлека-тельна для многих учащихся, у которыхвозникает интерес к определенной теме,но они не хотели бы связывать себя обя-зательством заниматься физикой углуб-ленно, на повышенном уровне.

Учебник фиксированного форматадля личностно ориентированного обу-чения физике. Для реализации принци-па личностно ориентированного обуче-ния физике на практике нужен учеб-ник нового типа.

Первое, существенное отличие оттрадиционных учебников заключаетсяв том, что в нем четко выделен учебныйматериал для обязательного изучениявсеми школьниками и объем этого ма-териала примерно в 2 раза меньше, чемв традиционных учебниках (35 пара-графов вместо 64).

Вторая особенность учебника связа-на с новой формой предъявления учеб-ного материала учащимся. Обязатель-ный материал по каждой теме пред-ставлен на одном развороте учебника(на двух страницах). Все, что должнобыть изучено на одном уроке, находит-ся перед глазами учащегося, перед нимставится обозримая проблема, вполнепосильное по объему задание. На одномразвороте легко найти материал для от-вета на контрольные вопросы, формулудля решения задачи.

Но особенно важно, что при разра-ботке учебника фиксированного фор-мата автор вынужден встать на местоучителя и четко представить себе, чтовозможно сделать в классе за одинурок, какие виды деятельности уча-щихся целесообразно использовать приизучении этого материала.

Третья особенность учебника в том,что он ориентирован на организацию

18

систематической самостоятельной экс-периментальной деятельности учащих-ся на уроках. По каждой теме предла-гаются опыты или экспериментальныезадания для самостоятельного выполне-ния учащимися.

В учебнике предлагаются 24 лабора-торные работы, и каждая из них явля-ется органичной частью какого-то изуроков, помещена на соответствующемразвороте для обязательного изучения.

Четвертая особенность учебника за-ключается в том, что, кроме обязатель-ного материала, каждый параграфучебника содержит второй разворот,где на двух страницах дается допол-нительный материал, изучаемый уча-

щимися по желанию. Этот материалможет изучаться в классе или дома.

Дополнительные материалы содер-жат сведения из истории научных от-крытий, примеры применения изучен-ных физических явлений в технике ив повседневной жизни, некоторые мате-риалы для углубленного изучения дан-ной темы, задачи повышенной труд-ности, экспериментальные задания. Из26 экспериментальных заданий, предла-гаемых в дополнительных материалах,многие требуют применения простогооборудования и при желании могутбыть выполнены учащимися в домаш-них условиях.

5. Содержание личностно ориентированной деятельности учащихсяи методика ее организации

Виды личностно ориентированнойдеятельности учащихся. Реализацияпринципа личностно ориентированногообучения на практике в основной школестановится возможной при условии пре-доставления учащимся возможности вы-бора разнообразных видов самостоятель-ной деятельности на уроках физики и вовнеурочное время. Рассмотрим особен-ности наиболее перспективных для этихцелей видов деятельности учащихся.

Решение теоретических задач повы-шенной трудности. Теоретические зада-чи повышенной трудности можно пред-лагать всем учащимся после того, какусвоен весь основной материал даннойтемы. Но спрашивать по дополнитель-ным заданиям повышенной трудностицелесообразно только тех учащихся,кто желает рассказать о своих резуль-татах. За выполнение таких заданийоценки могут быть только «4» и «5».Если на выполнение дополнительныхзаданий со всеми учащимися в классене остается времени, то их можно пред-лагать для самостоятельного домашне-го выполнения.

Экспериментальные задания повы-шенной трудности. Экспериментальныезадания повышенной трудности, каки теоретические задачи, можно пред-лагать всем учащимся, но спрашиватьотчеты об их выполнении целесообраз-но только тех учащихся, кто желаетрассказать о своих результатах. Эти за-дания следует предлагать без описания

хода работы, без наводящих подсказок,так как основное их назначение за-ключается не в выполнении заданнойпоследовательности действий, а в само-стоятельном поиске решения постав-ленной проблемы, в отыскании ориги-нального метода решения.

Поставив перед учащимися проблемуповышенной трудности, не нужно остав-лять их без внимания. Даже сравни-тельно простые экспериментальные за-дания трудны для большинства школь-ников, не имеющих никакого опытаработы с измерительными приборами,самостоятельного планирования экспе-риментальной работы. Тем более слож-ны для них задания, требующие приме-нения знаний в незнакомой ситуации.Поэтому нужно предоставить учащимся5—10 мин на самостоятельные попыткирешения проблемы, а после этого томуиз них, кому не удается ничего приду-мать, нужно сделать небольшие под-сказки, задать наводящие вопросы в та-кой форме, чтобы у школьника склады-валось впечатление, что он почти всепридумал сам.

Для тех учащихся, кому не удастсяпомочь намеками и наводящими вопро-сами, нужно заранее подготовить крат-кие инструкции к выполнению зада-ний. Однако не следует заранее делитьучащихся класса на способных и не-способных. Неспособный сегодня можетпроявить себя способным завтра иличерез год. Поэтому на каждом уроке

19

всем нужно сначала давать заданиев одинаковой форме, а затем лишь помере необходимости оказывать индиви-дуальную помощь. Рассмотрим примерэкспериментального задания повышен-ной трудности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 17.2.Измерение плотности вещества.

Оборудование: стеклянный стаканс водой, пробирка, измерительная ли-нейка, неизвестное вещество в виде не-больших кусочков.

Определите плотность неизве-стного вещества в твердом состо-янии.

Примечание: Плотность воды равна1000 кг/м3.

Особенность этого задания заключа-ется в том, что в перечень используе-мого оборудования не включены весыи измерительный цилиндр. Поэтомунельзя его выполнить путем прямыхизмерений массы и объема некоторогоколичества неизвестного вещества.

В качестве вещества неизвестнойплотности можно использовать, напри-мер, металлический алюминий илицинк в гранулах, кусочки мрамора илиразбитого камня. Количество веществадолжно быть достаточным для заполне-ния пробирки.

Возможный вариант выполненияэкспериментального задания 17.2.

Для определения плотности ρХ не-известного вещества нужно знать мас-су mX и объем VX некоторого его коли-

чества: ρXX

X

m

V= .

По условию задачи нет весов для из-мерений массы тела и измерительногоцилиндра, с помощью которого можнобыло бы измерить объем тела. Следо-вательно, нужно искать такой метод из-мерений, в котором не требовалось бызнание абсолютных значений объемаи массы тела. Подсказка содержитсяв примечании, указывающем, что плот-ность воды следует считать известной.Значит, задача сводится к сравнениюплотности неизвестного вещества с плот-ностью воды. Можно сравнить объемынеизвестного вещества и воды при оди-наковых значениях их масс, а одинако-вые значения масс исследуемого веще-ства и воды можно получить экспери-ментально без помощи весов на основеиспользования закона Архимеда.

Нальем в стакан столько воды, чтобыуровень ее был примерно на 1 см нижекрая. Будем нагружать пробирку неиз-вестным веществом малыми порциямидо тех пор, пока пробирка погрузитсяв воду и расположится вертикально.Для измерений удобно, если край про-бирки будет находиться на уровне верх-него края сосуда. Это положение про-бирки можно определить с большойточностью с помощью линейки, поме-щенной сверху стакана (рис. 4).

Затем заменим неизвестное веществоводой и, постепенно доливая воду, до-бьемся точно такой же глубины погру-жения пробирки (рис. 5). При выполне-нии этого условия масса налитой водыравна массе неизвестного вещества.

Измерим высоту h1 уровня водыв пробирке (рис. 6).

Объем Vв воды в пробирке равенVв = Sh1, где S — площадь поперечногосечения пробирки.

Опустим использованное ранее неиз-вестное вещество в пробирку с водойи измерим высоту h2 уровня воды в ней(рис. 7).

20

Рис. 4 Рис. 5

Рис. 6 Рис. 7

Объем VХ неизвестного вещества вы-разим через площадь S внутреннего по-перечного сечения пробирки и измене-ние высоты h2 − h1 уровня воды в про-бирке при опускании вещества в воду:

VХ = S (h2 − h1).

Плотность ρХ неизвестного веществаравна:

ρ ρρ

XX

X X X

m

V

m

V

V

V

Sh

S h h= = = = −

в в вв

1

2 1( ),

ρ ρX

h

h h= −в

1

2 1

.

Таким образом, для нахожденияплотности ρХ неизвестного веществав условиях эксперимента достаточноизмерить лишь высоты h1 и h2 уровнейводы в пробирке.

Подготовка демонстрационных опы-тов. Одним из возможных вариантов во-влечения учащихся в активную практи-ческую деятельность, связанную с изу-чением физики, является их участиев подготовке и выполнении демонстра-ционных опытов. Этот вид деятельно-сти для одних учащихся привлекателентем, что они в определенной мере вы-полняют работу учителя и повышаютсвой статус относительно своих товари-щей. Другим школьникам просто нра-вится все делать самим, а не смотреть,как кто-то делает что-то интересное.

Участие школьников в подготовкеи выполнении демонстрационных опы-тов во многих случаях полезно и дляучителя. Участие школьников в экспе-риментах изменяет атмосферу урока,раскрепощает учащихся. Их позициянаблюдателей за действиями учителязаменяется в определенной мере на по-зицию «болельщиков» за свою «коман-ду». Это невольно повышает интереск происходящему у демонстрационногостола.

Примерами опытов такого типа мо-гут служить многочисленные опыты пообнаружению явления инерции, атмо-сферного давления. Например, при пе-реворачивании бутылки с водой поддействием силы тяжести вода вытекаетиз бутылки. Опустим горлышко бутыл-ки в сосуд с водой. Почему теперь водане вытекает из бутылки? Подобныеопыты могут с успехом выполнять уча-щиеся.

Действенным средством для привле-чения внимания учащихся является эф-

фектность, яркость эксперимента. При-мером эффектного опыта при ознаком-лении с явлением инерции, подготовкукоторого можно поручить группе уча-щихся, может служить опыт с пере-ламыванием палки, подвешенной набумажных кольцах. Для опыта нужноподготовить из сухих веток дерева не-сколько палок диаметром 1—1,5 сми длиной около 1 м и еще одну палкупримерно в 2 раза большего диаметра.Из бумажных полос шириной 2—3 сми длиной 10—15 см нужно склеить4—5 колец. Палки и кольца обязатель-но нужно испытать в предварительныхопытах, а также они должны быть в за-пасе для повторения опыта другимиучащимися.

Опыт нужно проводить в следующемпорядке. Показав палку и бумажноекольцо, учитель спрашивает: «Как выдумаете, что прочнее — палка или бу-мажное кольцо?» После высказыванияпредположений учащимися нужновзять палку на расстоянии 20—30 смот конца, продеть конец палки в коль-цо и, удерживая кольцо на стержне отштатива, разорвать бумажное кольцонажимом палки. Предположение о том,что палка прочнее бумажного кольца,подтверждено экспериментом.

Теперь можно подвесить эту палкуза концы на двух бумажных кольцах,удерживаемых двумя учениками с по-мощью стержней от штативов, и задатьвопрос: «А если резко ударить посере-дине палки, порвутся бумажные коль-ца или переломится палка?»

После этого выполняется основнойопыт по обнаружению свойства инерт-ности палки. При резком ударе посере-дине палки бумажные кольца остаютсяцелыми, а палка переламывается.

Домашние экспериментальные зада-ния. В домашних условиях могут бытьвыполнены экспериментальные зада-ния, например, по наблюдению явлениядиффузии при растворении кристалловмарганцовки в воде, по выращиваниюкристаллов соли. Для учащихся, жела-ющих вырастить самостоятельно крис-таллы соли, можно дать краткую инст-рукцию.

При изучении способов измеренияскорости учащимся можно предложитьопределить скорость автомобиля с по-мощью цифрового фотоаппарата, кото-рый может производить съемку быстро

21

движущихся тел при обычном солнеч-ном освещении в режиме «непрерывнаясъемка» и давать серию последователь-но выполненных фотографий.

Интервал времени между последова-тельно выполненными снимками можноопределить, отсняв 10—20 кадров ци-ферблата часов с секундной стрелкой.Интервал времени находится делениемразности между показаниями часов напервом и последнем кадрах на число ин-тервалов времени. После проверки оди-наковости интервалов времени междупоследовательными кадрами и опреде-ления интервала времени между по-следовательно выполненными снимкамиможно производить исследования дви-жения различных тел и определять ско-рости их движения.

Опыты с «картезианским водо-лазом». При изучении закона Архиме-да можно предложить учащимся зани-мательное домашнее экспериментальноезадание по изготовлению игрушки, из-вестной под названием «картезианскийводолаз». Для этого понадобятся пипет-ка для отмеривания жидкости по кап-лям и пластиковая бутылка. В пипеткунужно набрать столько воды, чтобы онапри опускании в воду плавала в верти-кальном положении, но над водой оста-валась лишь очень малая часть ее рези-нового колпачка, не более 2—3 мм. За-тем пипетку перенести в пластиковуюбутылку, наполненную почти доверхуводой, и завинтить бутылку крышкой.При сжатии бутылки с боков пипеткаопускается вниз до дна. С прекраще-нием сжатия «картезианский водолаз»всплывает.

Такую игрушку учащиеся могутпродемонстрировать в классе и объяс-нить наблюдаемые явления.

Подготовка рефератов о практиче-ском применении знаний по физикев повседневной жизни. Примерами ре-фератов могут быть сообщения об осо-бенностях кровеносной системы челове-ка и способах измерения кровяного дав-ления. Подготовку рефератов можнопоручить 5—6 учащимся по их жела-нию. Темы сообщений могут быть при-мерно такими:

1. Система кровообращения чело-века.

2. Кровяное давление.3. Когда и зачем нужно измерять

артериальное давление?

4. Сфигмоманометр — прибор для из-мерения артериального давления крови.

5. Измерение артериального кровя-ного давления.

Самой интересной и полезной дляучащихся будет практическая часть за-нятия, во время которой они поочередновыполнят измерения кровяного давле-ния друг у друга. Чтобы эта часть заня-тия прошла успешно, нужно объяснитьпринцип действия фонендоскопа и то-нометра, продемонстрировать способ ихприменения, дать возможность учащим-ся самостоятельно выполнить измере-ния артериального давления.

Подготовка рефератов об истории на-учных открытий и технических изобре-тений, о достижениях техники. Возмож-ных тем для подготовки таких рефератовочень много. Процесс компьютериза-ции школ и подключения их к глобаль-ным информационным сетям существен-но расширяет возможности учащихсяпри выполнении подобных работ. Уча-щимся, которые не имеют опыта работыв Сети, учитель должен показать путьвхода в Интернет, рекомендовать поис-ковые системы (http://www.aport.ru/,http://www.google.ru/, http://www.yahoo.ru/), объяснить, как делается запрос напоиск нужной информации в Сети, какэта информация сохраняется и как ееможно подготовить для представленияс помощью компьютера.

При выборе тем рефератов нет нуж-ды ограничиваться только обсуждени-ем проблем науки физики и ее техни-ческих применений. Детям интересноузнать что-то новое, например, об ав-томобилях. Поэтому их может заин-тересовать реферат на тему «Рекордыскорости». Задача учителя состоитв том, чтобы перед учащимися поста-вить один-два вопроса, связанные с фи-зикой. Например, при подготовке ре-ферата на тему «Рекорды скорости»может быть поставлен вопрос о том, по-чему при достижении скорости около600 км/ч изобретателям и конструкто-рам гоночных автомобилей долгие годыне удавалось улучшить достигнутые ре-зультаты, а затем вдруг рекордные зна-чения скорости значительно увеличи-лись.

При обсуждении вопросов научно-технического прогресса имеет смыслиногда обсуждать и вопросы, выходя-щие за рамки учебного предмета. На-

22

пример, возможной темой реферата мо-жет быть «Как добиться успеха в жиз-ни?». Героем такого реферата можетбыть, например, Эдисон.

Выполнение индивидуальных зада-ний с применением компьютера. Дляучащихся, проявляющих повышенныйинтерес к работе с компьютером, могутоказаться привлекательными такие ин-дивидуальные задания, как, например,построение графиков. Учащийся, вы-бравший эту тему, после ее завершенияможет продемонстрировать остальнымучащимся, как по табличным даннымнаносят экспериментальные точки накоординатную плоскость и строят поним график.

Диспуты. Участие в диспутах явля-ется одной из форм активной самостоя-тельной познавательной деятельности,развивающей общие способности логи-ческого мышления, умения кратко, ло-гично, доступно и убедительно излагатьсвои мысли и доводы, выслушивать со-беседника и понимать его точку зрения.Большинство учащихся не могут безспециальной предварительной подготов-ки с пользой для себя и своих товари-щей принимать участие в диспуте по од-ной из изученных тем курса физики.

Например, для проведения диспутана тему «Существует ли пустота? Су-ществует ли атмосферное давление?»учащихся, желающих принять участиев диспуте, можно разбить на две груп-пы. Одна группа будет выполнять рольсторонников учения Аристотеля, дру-гая будет экспериментами и логически-ми доводами пытаться опровергнутьучение Аристотеля. Это будут сторон-ники Торричелли.

Возможный набор демонстрируемыхопытов и их объяснений по Аристоте-лю (А) и по Торричелли (Т) представленниже.

Опыты по обнаружению атмосфер-ного давления

Опыт 1. Нальем в стакан воду докраев. Накроем его сверху листом бу-маги, прижмем сверху ладонью и пе-ревернем вверх дном. Теперь удалимладонь. Вода не выливается из стакана.

Объяснение А. Вода не может вы-литься, так как в стакане образовалась быпустота, а природа не терпит пустоты.

Объяснение Т. Воздух давит на листбумаги снизу вверх силой, превышаю-щей вес воды.

Опыт 2. Опустим конец стеклян-ной трубки пипетки в воду, сожмем ре-зиновый колпачок, затем отпустим его.Вода поднимается вверх по стекляннойтрубке.

Объяснение А. После отпусканиярезинового колпачка его объем увели-чивается. Так как природа не терпитпустоты, в трубку входит столько во-ды, на сколько увеличился объем кол-пачка.

Объяснение Т. При отпускании сжа-того резинового колпачка объем нахо-дящегося в нем воздуха увеличивается,давление уменьшается. Так как давле-ние воздуха над водой в трубке стано-вится меньше атмосферного давления,вода под действием атмосферного дав-ления поднимается вверх.

Опыт 3. Возьмем пакет с соком,аккуратно проколем пластмассовой тру-бочкой (соломинкой) отверстие в метал-лической крышке и начнем всасыватьсок через трубку. При этом пакет сжи-мается с боков.

Объяснение А. При всасывании сокаобъем оставшейся жидкости уменьшает-ся. Так как природа не терпит пустоты,стенки коробки втягиваются внутрь, за-нимая освободившееся место.

Объяснение Т. При всасывании сокадавление внутри пакета понижается истановится меньше атмосферного, поддействием атмосферного давления сна-ружи пакет сжимается.

Опыт 4. Нальем в пластмассовуюбутылку с плотно завинчивающейсяпробкой объемом 1,5—2,5 л горячуюводу, затем выльем ее и сразу закроемплотно пробкой. По мере остывания бу-тылка сжимается, коробится.

Объяснение А. При охлажденииобъем воздуха в бутылке уменьшается,стенки бутылки втягиваются внутрь,занимая освободившееся пространство,так как природа не терпит пустоты.

Объяснение Т. Газы всегда занима-ют весь предоставленный им объем ине сжимаются при охлаждении. Приохлаждении бутылки давление возду-ха в ней уменьшается. Кроме того, про-исходит конденсация водяного пара,и из-за этого давление еще более умень-шается. Внешнее атмосферное давлениесжимает бутылку до такого объема,при котором давление воздуха внутрибутылки становится равным атмосфер-ному давлению.

23

Опыт 5. В пластмассовую бутылкувставим резиновую пробку со стеклян-ной трубкой. Соединим трубку резино-вым шлангом с воздушным насосом.При откачивании воздуха бутылка сми-нается.

Объяснение А. Стенки бутылки втя-гиваются внутрь на место откачанноговоздуха, так как природа не терпит пу-стоты.

Объяснение Т. При откачивании воз-духа в бутылке не образуется пустота,так как оставшийся воздух заполняетвесь объем. Давление воздуха в бутыл-ке уменьшается ниже атмосферного,избыточное атмосферное давление сна-ружи сминает бутылку.

Опыт 6. В стеклянную бутылкувставим резиновую пробку со стеклян-ной трубкой, конец стеклянной труб-ки, помещенный внутрь бутылки, дол-жен быть суженным. Соединим труб-ку резиновым шлангом с воздушнымнасосом и откачаем воздух. Перекроемрезиновую трубку зажимом, отсоеди-ним от насоса и опустим конец труб-ки в стакан с водой. Бутылку поста-вим вертикально и отпустим зажим.Внутри бутылки возникает водянойфонтан.

Объяснение А. Вода втягиваетсявнутрь бутылки на место откачанноговоздуха, так как природа не терпит пу-стоты.

Объяснение Т. При откачивании час-ти воздуха в бутылке не образуется пус-тота, так как оставшийся воздух запол-няет весь объем. В бутылке давлениевоздуха уменьшается ниже атмосфер-ного, избыточное атмосферное давлениеснаружи вдавливает воду внутрь бу-тылки.

Опыт 7. Возьмем две воздушныетарелки (уменьшенный вариант магде-бургских полушарий), сложим их вмес-те и соединим кран на одной из тарелокрезиновым шлангом с насосом. Откача-ем воздух из тарелок и закроем кран.Теперь тарелки не удается разъединитьдо тех пор, пока открыванием кранавнутрь не будет впущен атмосферныйвоздух.

Объяснение А. Так как из простран-ства между тарелками удален почтивесь воздух, при разъединении тарелокмогла бы образоваться пустота.

Но природа не терпит пустоты, по-этому раздвинуть тарелки не удается.

Объяснение Т. После откачиваниявоздуха из пространства между тарел-ками давление изнутри приближает-ся к нулю. Сил человека оказываетсянедостаточно для преодоления сил ат-мосферного давления, сжимающего та-релки.

Примеры объяснений опытов пока-зывают, что убедить сторонников Ари-стотеля в том, что существует атмосфер-ное давление, не так просто. ГипотезаТорричелли о существовании атмосфер-ного давления не только дает качествен-ное объяснение наблюдаемых явлений,но и позволяет правильно рассчитатьмаксимальную высоту подъема столбалюбой жидкости в трубке, из которойвыкачивается воздух, рассчитать силу,необходимую для разрыва магдебург-ских полушарий. В физике гипотезе,способной предсказать новые экспери-ментально подтверждаемые факты, от-дается безусловное предпочтение.

КОНСТРУКТОРСКИЕ ЗАДАНИЯ. Изме-рение атмосферного давления. За-дание по изготовлению водяного баро-метра можно выполнить, если зданиешколы имеет более трех этажей и во-дяной барометр можно установить налестничной клетке.

Для изготовления водяного баро-метра потребуются пластмассовая труб-ка длиной 10,5—11 м, пластмассоваябутылка и стеклянная трубка длиной0,5 м с одним запаянным концом.

Сначала нужно заполнить пластмас-совую и стеклянную трубки водой и со-единить их, надев конец пластмассовойтрубки на открытый конец стеклян-ной трубки. Все воздушные пузырькииз воды необходимо постепенно выпус-тить из трубки, после этого долить водув трубку, чтобы в ней не было воздуха.Затем нужно налить воду в пластмассо-вую бутылку до самого верха и ввестив нее открытый конец трубки с водой.Опустив конец трубки до дна бутылки,нужно соединить трубку с бутылкойскотчем так, чтобы воздух свободно могвходить в бутылку. Теперь из бутыл-ки осторожно нужно вылить примерно1/3 воды так, чтобы при этом воздух непопал в трубку.

Чтобы из трубки, заполненной водой,получился водяной барометр, нужно за-крепить бутылку на полу на лестнич-ной клетке, а трубку с водой, постепенно

24

разматывая, поднять на четвертый этаж(рис. 8).

Когда запаянный конец стекляннойтрубки удалится от уровня воды в бу-тылке более чем на 10,3 м, в стекляннойтрубке над водой образуется «торричел-лиева пустота». Измерив высоту h водя-ного столба в барометре, можно вычис-лить атмосферное давление: p = ρgh.

Стеклянная трубка на конце пласт-массовой трубки нужна потому, что приобразовании торричеллиевой пустотыпластмассовая трубка сжимается атмо-сферным давлением и трудно заметить,где находится уровень воды.

Самостоятельные исследовательскиепроекты школьников. Разговор о само-стоятельных исследованиях школьниковпо физике обычно вызывает у многихучителей недоумение или удивление.О каких научных исследованиях по фи-зике может идти речь в условиях обыч-ной школы? И что могут «открыть» вфизике дети, не освоившие школьныйкурс физики?

Действительно, в физике нет воз-можности приступить к самостоятель-ному творчеству после кратковремен-ной интенсивной подготовки в видепрочтения нескольких умных книжек.Не нужно и поддерживать попытки не-которых учащихся, направленные натеоретическое опровержение существу-ющих физических теорий или на разра-ботку собственных физических теорий,объясняющих все на свете. С развитиемИнтернета резко выросла опасность во-влечения учащихся в пустые словесныеупражнения, близкие по своему харак-теру и научной ценности к средневе-ковым «ученым диспутам», так какшкольники не могут отличить изло-женные в Сети действительные новостинауки от совершенно пустых словесныхупражнений.

Какие же темы исследовательскихпроектов по физике могут быть предло-жены учащимся для самостоятельноговыполнения и какая от них может бытьпольза?

Главное назначение исследователь-ских проектов по физике для учащих-ся — овладение методами научно-го исследования физических явле-ний. Для достижения этой цели нетребуется обязательное использованиесовершенных современных измеритель-ных приборов. Нужно понять, что Га-лилей, Ньютон, Гальвани, Вольта, Фа-радей, Ампер и многие другие ученыесвои замечательные открытия сделалис использованием примитивных прибо-ров. Поэтому учащиеся имеют реаль-ные возможности самостоятельно прой-ти путь экспериментального открытиязамечательных физических явлений.

Первым этапом подготовки к пред-ложению исследовательского проекта пофизике для учителя является выбортакой проблемы, которая требует длясвоего решения проведения эксперимен-тального исследования. Обязательнымусловием является предварительное про-ведение предполагаемого исследованияучителем. Только после получения впол-не убедительных воспроизводимых ре-зультатов он может предлагать пробле-му учащимся.

С учащимися, проявившими интереск поставленной проблеме, можно обсу-дить возможные способы проведенияэкспериментального исследования, за-тем выбрать место проведения экспери-

25

Рис. 8

ментов, определить состав участниковисследования, подобрать необходимыеприборы и материалы. Нужно внима-тельно приглядеться к потенциальнымучастникам исследовательского проектас целью выяснения оптимального вари-анта распределения выполняемых эле-ментов проекта.

Одни учащиеся склонны к полнойсамостоятельности и имеют возможно-сти для проведения исследований в до-машних условиях. Им достаточно пред-ложить проблему и затем регулярноинтересоваться полученными результа-тами. Другие не склонны к индивиду-альной работе. Им интересно непрерыв-но общаться между собой в небольшойгруппе, спорить, пробовать разные ва-рианты.

При организации работы в группеважна не только психологическая со-вместимость участников, но и подбортакой команды, в которой были бы экс-периментаторы, способные работать ру-ками, и теоретики, способные к выдви-жению гипотез, формулировке полу-ченных результатов. Важно и наличиеявного лидера в группе, без котороготрудно организовать совместную работунескольких учащихся.

Предлагаемая проблема должна ка-заться учащимся довольно простой,имеющей почти очевидное решение.И лишь в ходе проведения эксперимен-тов выясняется высокая сложность ис-следуемой проблемы. Рассмотрим в ка-честве примера одно простое экспери-ментальное задание.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 29.3.Исследование зависимости показанийтермометра от внешних условий.

Какая температура воздуха в комна-те и на улице, интересует людей каж-дый день. Термометр для измерениятемпературы воздуха есть практическив каждом доме, но далеко не всякий че-ловек умеет правильно им пользовать-ся. Многие не понимают самой задачиизмерения температуры воздуха. Этонепонимание особенно обнаруживаетсяв жаркие летние дни. Когда метеороло-ги сообщают, что температура воздухав тени достигала 32 °С, то многие людиуточняют примерно так: «А на солнцестолбик термометра уходил за отметку50 °С!» Имеют ли смысл такие уточне-ния? Для ответа на этот вопрос выпол-

ните следующее экспериментальное ис-следование и сделайте свои выводы.

Оборудование: настольная лампа, тер-мометр, листы белой и черной бумаги.

Исследуйте зависимость пока-заний термометра от внешнихусловий.

1) Освещен термометр или он на-ходится в тени? 2) На какой подлож-ке лежит термометр? 3) Какого цве-та экран закрывает термометр отсолнечных лучей?

Это задание учащиеся могут выпол-нить по своему плану без каких-либоуказаний и инструкций со стороны учи-теля. Тем учащимся, которые хотятвыполнить это исследование, но не мо-гут самостоятельно спланировать его,можно предложить следующий пландействий:

Опыт 1. Измерьте температуру воз-духа «на солнце» и «в тени». В качестве«солнца» используйте настольную лам-пу. Первый раз расположите термометрна расстоянии 15—20 см от лампы настоле (рис. 9), второй раз, не изменяяположения лампы относительно термо-метра, создайте «тень» листом бумаги,поместив его вблизи лампы (рис. 10).Запишите показания термометра.

Опыт 2. Выполните измерения тем-пературы «на солнце» с использованиемсначала темной, затем светлой подлож-ки под термометром. Для этого первыйраз положите термометр на лист белойбумаги (рис. 11), второй раз — на листчерной бумаги (рис. 12). Запишите по-казания термометра.

26

Рис. 9 Рис. 10


Опыт 3. Выполните измерения«в тени», закройте свет от лампы лис-том белой бумаги, положив его прямона термометр (рис. 13). Запишите пока-зания термометра. Повторите опыт, за-менив белую бумагу черной (рис. 14).

Обдумайте результаты выполненныхопытов и сделайте выводы, где и какза окном нужно укрепить термометрдля измерения температуры воздуха наулице.

Серия опытов при правильном вы-полнении дает следующие результаты.

Из опыта 1 следует, что показаниятермометра «на солнце» заметно вышеего показаний «в тени». Этот факт дол-жен получить следующее объяснение.При отсутствии солнечного освещениятемпературы воздуха и стола одинако-вы. В результате теплообмена со столоми воздухом термометр приходит в теп-ловое равновесие с ними и показываеттемпературу воздуха.

Когда «солнце» не закрыто листомбумаги, то под действием поглощаемогоизлучения температура стола повышает-ся, а прозрачный воздух этим излучени-ем почти не нагревается. Термометр,с одной стороны, осуществляет тепло-обмен с поверхностью стола, а с дру-гой стороны — с воздухом. В результатетемпература оказывается выше темпера-туры воздуха, но ниже температуры по-верхности стола. Каков же тогда смыслпоказаний термометра «на солнце»?

Упорный любитель измерений тем-пературы воздуха «на солнце» может наэто возразить, что его не интересует тем-пература воздуха «в тени», когда сам оннаходится «на солнце». Пусть это будетне температура воздуха, просто пока-зания термометра «на солнце», но имен-но они его и интересуют. В этом случаеему пригодятся результаты опыта 2.

Из опыта 2 следует, что на белой бу-маге, хорошо отражающей свет, пока-зания термометра значительно меньше,

чем на черной, хорошо поглощающейсветовое излучение и сильнее нагреваю-щейся. Следовательно, на вопрос о по-казаниях термометра «на солнце» нетоднозначного ответа. Результат будетсильно зависеть от цвета подложки подтермометром, цвета и структуры по-верхности баллона термометра, нали-чия или отсутствия ветра.

Температура воздуха на улице приизмерениях вдали от нагретых сол-нечным излучением предметов и приисключении прямого воздействия из-лучения на термометр одинакова «насолнце» и «в тени», это просто темпера-тура воздуха. Но измерять ее следуетдействительно только «в тени».

Но создание «тени» для термометрав солнечный день тоже непростая зада-ча. В этом убеждают результаты опы-та 3. Они показывают, что при близкомрасположении экрана от термометранагревание экрана солнечным излуче-нием будет приводить к существеннымошибкам при измерении температурывоздуха в солнечный день. Повышениетемпературы будет особенно большимпри темной окраске экрана, так как та-кой экран поглощает почти всю энер-гию падающего на него солнечного из-лучения. При белой окраске экранаповышение температуры значительноменьше, так как такой экран отражаетпочти всю энергию падающего на негосолнечного излучения.

После выполнения такого экспери-ментального исследования нужно обсу-дить важный вопрос: как же нужно из-мерять температуру воздуха на улице?Ответ на этот вопрос может быть при-мерно таким. Если в квартире естьокно, выходящее на север, то именноза этим окном и нужно укрепить улич-ный термометр. Если же такого окнав квартире нет, термометр должен бытьукреплен возможно дальше от нагре-ваемых солнцем стен, напротив слабо-нагреваемых оконных стекол. Баллонтермометра должен быть защищен отнагревания солнечным излучением. Ре-зультаты опыта 3 показывают, что припопытке защиты термометра от солнеч-ного излучения экран сам нагреваетсяи нагревает термометр. Так как белыйэкран нагревается меньше, защитныйэкран должен быть светлым, распола-гать его следует достаточно далеко оттермометра.

27


Аналогичное задание можно датьдля выяснения зависимости показанийкомнатного термометра от места егорасположения. Результатом выполне-ния домашнего задания должно бытьустановление того факта, что показа-ния комнатного термометра зависят отместа его расположения в комнате.Если нас интересует температура воз-духа в комнате, то нужно исключитьвлияние на него нагретых тел и солнеч-

ного излучения. На термометр не дол-жен падать прямой солнечный свет,нельзя располагать термометр вблизинагревательных и осветительных при-боров.

Не следует вешать термометр навнешнюю стену комнаты, которая летомимеет повышенную, а зимой — пони-женную температуру относительно тем-пературы воздуха в комнате.

6. Содержание обучения физике в 7 классе

Содержание обучения физике в 7 клас-се соответствует федеральному компо-ненту Государственного стандарта ос-новного общего образования по физике.Для изучения выбраны следующие раз-делы программы: «Физика и физиче-ские методы изучения природы», «Ме-ханические явления» и «Тепловые яв-ления». При этом имеется в виду, чтоизучение этих разделов не завершитсяв 7 классе, а будет продолжено на новомуровне в 9 классе. В 7—8 классах пла-нируется изучение всех тем на уровнеознакомления с физическими явления-ми, формирования основных физиче-ских понятий, определения физическихвеличин, приобретения умений измерятьфизические величины, применения по-лученных знаний на практике.

Изучение основных физических за-конов, способов их установления и экс-периментальной проверки, определениеграниц применимости физических за-конов входит в курс физики 9 класса.

Ниже представлена программа по фи-зике для 7 класса, в соответствии с ко-торой написан учебник.

ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ

Основное содержание

7 класс (70 ч)

Физика и физические методыизучения природы (3 ч)

Физика — наука о природе. Наблю-дение физических явлений. Физическиеопыты. Физические приборы. Физиче-ские величины и их измерение. Физикаи техника.

ДемонстрацииПримеры механических, тепловых,

электрических, магнитных и световыхявлений.

Физические приборы.Лабораторные работы и опыты1. Измерение длины.2. Измерение времени.3. Определение цены деления шка-

лы измерительного прибора.

Механические явления (42 ч)

Механическое движение. Относи-тельность движения. Система отсче-та. Траектория. Путь. Прямолинейноеравномерное движение. Скорость равно-мерного прямолинейного движения. Ме-тоды измерения расстояния, времени искорости. Путь и время — скалярныефизические величины. Скорость — век-торная величина. Модуль векторной ве-личины. Графики зависимости пути имодуля скорости от времени при равно-мерном движении.

Явление инерции. Масса — мераинертности и мера тяжести тела. Мето-ды измерения массы тел. Единица мас-сы — килограмм. Плотность вещества.Методы измерения массы и плотности.

Взаимодействие тел. Результат взаи-модействия — изменение скорости телаили деформация тела. Сила. Единицасилы — ньютон. Измерение силы по де-формации пружины. Сила упругости.Сила тяжести. Сила трения. Правилосложения сил.

Давление. Атмосферное давление.Методы измерения давления. Закон Па-скаля. Гидравлические машины. ЗаконАрхимеда. Условие плавания тел.

Момент силы. Условия равновесиярычага. Центр тяжести тела. Усло-вия равновесия тел.

28

Энергия. Работа как мера измененияэнергии. Мощность. Простые механиз-мы. Коэффициент полезного действия.Методы измерения работы и мощности.

Механические колебания. Механи-ческие волны. Длина волны. Звук.

ДемонстрацииРавномерное прямолинейное движе-

ние.Относительность движения.Явление инерции.Взаимодействие тел.Изменение скорости тел при взаимо-

действии.Деформация тел при взаимодействии.Измерение силы по деформации

пружины.Свойства силы трения.Сложение сил, направленных вдоль

одной прямой.Сложение сил, направленных под

различными углами.Обнаружение атмосферного давле-

ния.Измерение атмосферного давления

барометром.Опыт с шаром Паскаля.Гидравлический пресс.Опыт с ведерком Архимеда.Простые механизмы.Наблюдение колебаний шара, подве-

шенного на нити.Наблюдение колебаний груза, подве-

шенного на пружине.Наблюдение волн на поверхности

воды.Наблюдение колебаний струны или

ножек камертона и возникновения зву-ковых колебаний.

Опыт с электрическим звонком подколоколом вакуумного насоса.

Лабораторные работы и опыты4. Измерение скорости равномерно-

го движения.5. Измерение массы.6. Измерение плотности твердого тела.7. Измерение плотности жидкости.8. Измерение силы динамометром.9. Сложение сил, направленных

вдоль одной прямой.10. Сложение сил, направленных под

углом.11. Исследование зависимости силы

трения скольжения от площади сопри-косновения тел и силы нормальногодавления.

12. Измерение атмосферного давле-ния.

13. Исследование условий равнове-сия рычага.

14. Нахождение центра тяжестиплоского тела.

15. Измерение КПД наклоннойплоскости.

16. Измерение мощности.17. Измерение архимедовой силы.18. Изучение условий плавания тел.

Тепловые явления (25 ч)

Строение вещества. Тепловое дви-жение атомов и молекул. Броуновскоедвижение. Диффузия. Взаимодействиечастиц вещества. Строение газов, жид-костей и твердых тел.

Температура и ее измерение. Связьтемпературы со скоростью тепловогодвижения частиц. Тепловое равновесие.

Внутренняя энергия. Работа и тепло-передача как способы изменения внут-ренней энергии тела.

Виды теплопередачи: теплопровод-ность, конвекция, излучение. Количе-ство теплоты. Удельная теплоемкость.

Плавление и кристаллизация. Удель-ная теплота плавления и парооб-разования. Испарение и конденсация.Насыщенный пар. Влажность воздуха.Кипение. Зависимость температурыкипения от давления. Удельная тепло-та сгорания. Расчет количества теплотыпри теплообмене.

ДемонстрацииДиффузия в газах и жидкостях.Модель хаотического движения мо-

лекул.Модель броуновского движения.Сцепление свинцовых цилиндров.Принцип действия термометра.Теплопроводность различных мате-

риалов.Конвекция в жидкостях и газах.Теплопередача путем излучения.Сравнение удельных теплоемкостей

различных веществ.Явления плавления и кристаллиза-

ции.Явление испарения.Кипение воды.Постоянство температуры кипения

жидкости.Определение абсолютной влажности

воздуха по точке росы.Лабораторные работы и опыты19. Исследование зависимости объе-

ма газа от давления при постояннойтемпературе.

29

20. Изучение явления теплообмена.21. Измерение удельной теплоемко-

сти вещества.22. Измерение удельной теплоты

плавления льда.23. Измерение абсолютной влажно-

сти воздуха по точке росы.

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПОУРОЧНОЕПЛАНИРОВАНИЕ

Физика и физические методыизучения природы

У р о к 1. § 1. Физические явления.У р о к и 2—3. § 2. Физические ве-

личины. Измерение длины. Экспери-ментальные задания 2.1, 2.2.

У р о к 4. § 3. Измерение времени.Экспериментальное задание 3.1.

Механические явления

У р о к 5. § 4. Механическое движе-ние. Экспериментальные задания 4.1,4.2.

У р о к и 6—7. § 5. Скорость. Экспе-риментальное задание 5.1.

У р о к 8. § 6. Методы исследованиямеханического движения.

У р о к и 9—10. § 7. Таблицы и гра-фики.

У р о к 11. Тестовый контроль зна-ний и умений. Тест 1.

У р о к и 12—13. § 8. Явление инер-ции. Масса. Экспериментальное зада-ние 8.1.

У р о к и 14—15. § 9. Плотность ве-щества. Экспериментальные задания 9.1,9.2, 9.3.

У р о к 16. § 10. Сила.У р о к 17. § 11. Сила тяжести. Вес.У р о к и 18—19. § 12. Сила упруго-

сти. Экспериментальное задание 12.1.У р о к и 20—21. § 13. Сложение сил.

Экспериментальное задание 13.1.У р о к 22. Тестовый контроль зна-

ний и умений. Тест 2.У р о к и 23—24. § 14. Равновесие тел.

Экспериментальное задание 14.1.У р о к и 25—26. § 15. Центр тяже-

сти тела. Экспериментальное задание 15.1.У р о к 27. § 16. Давление.У р о к и 28—29. § 17. Закон Архи-

меда. Экспериментальное задание 17.1.

У р о к 30. § 18. Атмосферное дав-ление. Экспериментальное задание 18.1.

У р о к и 31—32. § 19. Сила трения.Экспериментальное задание 19.1.

У р о к 33. § 20. Энергия.У р о к и 34—35. § 21. Работа. Мощ-

ность. Экспериментальные задания21.1, 21.2.

У р о к и 36—38. § 22. Простые меха-низмы. Экспериментальное задание 22.1.

У р о к и 39—40. § 23. Механиче-ские колебания. Экспериментальное за-дание 23.1.

У р о к и 41—42. § 24. Механическиеволны. Экспериментальное задание 24.1.


Строение вещества

У р о к 44. § 25. Атомное строение ве-щества. Экспериментальное задание 25.1.

У р о к и 45—46. § 26. Взаимодейст-вие частиц вещества. Эксперименталь-ное задание 26.1.

У р о к и 47—48. § 27. Свойства га-зов. Экспериментальное задание 27.1.

У р о к и 49—50. § 28. Свойства твер-дых тел и жидкостей. Эксперименталь-ное задание 28.1.

Тепловые явления

У р о к 51. § 29. Температура. Экспе-риментальное задание 29.1.

У р о к и 52—53. § 30. Внутренняяэнергия. Экспериментальное задание30.1.

У р о к и 54—56. § 31. Количествотеплоты. Удельная теплоемкость. Экс-периментальные задания 31.1, 31.2.

У р о к 57. § 32. Теплопроводность,конвекция, теплопередача излучением.Экспериментальное задание 32.2.

У р о к и 58—60. § 33. Плавление икристаллизация. Экспериментальные за-дания 33.1, 33.2.

У р о к и 61—62. § 34. Испарение иконденсация. Экспериментальное зада-ние 34.1.


У р о к и 64—65. § 35. Теплота сго-рания.

У р о к 66. Тестовый контроль зна-ний и умений. Итоговый тест.

У р о к и 67—70. Резерв времени.

30

Глава 2

Механические явления

§ 1. Физические явления

Первый урок физики требует особен-но тщательного планирования и подго-товки. На нем должны быть представ-лены разнообразные, наиболее привле-кательные элементы будущих уроковфизики. Первый из этих элементов —демонстрационный эксперимент. Еслина первом уроке физики учитель будетпроводить опыты, учащиеся будут ждатьследующих уроков в надежде увидетьновые опыты. На первом уроке можнопоказывать любые яркие, эффектныеопыты, так как все это будет ознакомле-ние с тем, чем занимается наука физи-ка. Но едва ли следует показывать ихслишком много. С одной стороны, опы-ты без объяснений становятся похожи-ми на фокусы; с другой стороны, будетснят эффект новизны в восприятии этихопытов на последующих уроках.

Возможными демонстрациями напервом уроке являются опыты с магни-тами, эффектные опыты с искрами, по-лучаемыми с помощью электрофорноймашины, ознакомление с различнымифизическими приборами.

Второй обязательный элемент этогоурока — самостоятельные опыты уча-щихся. Наблюдение опытов вызываетинтерес учащихся, и при этом у нихвозникает желание самим провести та-кой опыт или изменить его условияи посмотреть, что получится.

Невозможно иметь представление омагнитном взаимодействии тел, не ощу-тив удивительное притяжение желез-ного шара, удерживаемого левой ру-кой, к магниту, находящемуся в правойруке, или отталкивание одноименныхполюсов магнитов.

Демонстрация увеличенного изобра-жения предмета, даваемого линзой наэкране, не заменит школьнику впечат-ления от прямого наблюдения черезлинзу увеличенного изображения своей

руки. Поэтому после демонстрациикаждого опыта желательно предоста-вить учащимся возможность повторитьего самостоятельно. Для их собствен-ных опытов в зависимости от числаимеющихся магнитов и линз приборывыдаются на каждый стол или на груп-пу учащихся. Перед раздачей приборовформулируются задачи опытов, послезавершения опытов обсуждаются их ре-зультаты. Например, для опытов с маг-нитом можно поставить такие задачи:с какими предметами взаимодействуетмагнит? Зависит ли взаимодействие отрасстояния? Способен ли магнит дейст-вовать сквозь бумагу, дерево, руку?

Для опытов с линзами: зависят лиразмеры изображения от расстояния допредмета?

Большое внимание демонстрациями собственным опытам учащихся приобсуждении методики проведения пер-вого урока уделяется потому, что глав-ной задачей учителя на первомуроке физики является завоеваниевнимания учащихся, пробуждениеих интереса к новому учебномупредмету. Без ярких демонстрацион-ных опытов и вовлечения с первогоурока в активную самостоятельную по-знавательную и поисковую деятель-ность эту задачу решить не удастся.

Третий важный элемент первого уро-ка, как и всех последующих, — вовле-чение учащихся в процесс решения за-гадок природы, которым занималисьученые на протяжении тысячелетийи продолжают заниматься в настоящеевремя. Задачей учителя является подве-дение учащихся к пониманию факта су-ществования еще одной загадки приро-ды, которую нужно разгадать, что суще-ствует проблема, которая может бытьразрешена только опытным путем. По-том с участием школьников спланиро-

31

вать и выполнить эксперимент, резуль-таты которого могут разрешить этупроблему. После выполнения экспери-мента в форме демонстрационного опы-та или самостоятельного опыта уча-щихся следует провести коллективноеобсуждение его результатов и сформули-ровать выводы.

Приведенные примеры показывают,насколько простыми средствами можетбыть организована активная познава-тельная деятельность учащихся, позво-ляющая овладеть такими понятиями,как явление, наблюдение, проблема,гипотеза, опыт или эксперимент.

§ 2. Физические величины. Измерение длины

Изучение данной темы связано с объек-тивной трудностью: почти все, о чем бу-дет идти речь на уроке, учащиеся ужеслышали не раз. Знают они, что такоеметр, сантиметр и километр. Поэтомурассказ учителя о методах измерениядлины и единицах длины, системати-зирующий знания школьников, дол-жен быть очень кратким. Основное вни-мание следует обратить на проблемувыбора природной основы единицы дли-ны, дающей возможность создания вос-производимого эталона длины. Бо€ль-шую часть урока можно выделить наорганизацию самостоятельной деятель-ности учащихся с приборами для изме-рения длины. При выполнении экспе-риментального задания 2.1 учащиесяприобретают умения выполнять измере-ния длины измерительной лентой и ли-нейкой, записывать результаты измере-ний в таблицы.

Экспериментальное задание 2.2 поопределению цены деления шкалы из-мерительного прибора имеет важное зна-чение, так как принцип определенияцены деления шкалы одинаков для лю-бых приборов и инструментов. Следуетобратить внимание учащихся на тотфакт, что умение определять цену де-ления шкалы измерительного приборанужно не только при выполнении ла-

бораторных работ по физике, но и в по-вседневной практической жизни. На-пример, при считывании показанийтаких бытовых приборов, как весы, со-суд для измерения объема жидкостей,барометр, термометр, автомобильныйманометр, спидометр.

Учащимся, быстро справившимсяс простыми заданиями 2.1 и 2.2, можнопредложить более сложное задание 2.3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 2.3.Измерение толщины листа бумаги итолщины нити.

Используя линейку и карандаш,определите толщину листа учебникаи толщину нити.

Подсказка. Для определения толщи-ны а одного листа бумаги можно изме-рить толщину 100 листов (не страниц!)в книге и разделить полученный резуль-тат на 100. Для определения толщинынити можно намотать плотно друг кдругу 30—40 витков нити на карандаш,измерить длину намотки и разделитьполученный результат на число витков.

Можно познакомить учащихся с точ-ными измерительными приборами —штангенциркулем и микрометром, про-демонстрировав их учащимся и пояснивпринцип действия.

§ 3. Измерение времени

Изучение данной темы связано с тойже трудностью, о которой говорилось приобсуждении предыдущей темы. Учащие-ся знают, что такое сутки, час, минутаи секунда. Поэтому основное вниманиеможет быть обращено на трудности вы-бора природной основы для единицывремени, связанные с неравномерностьювращения Земли.

Часть урока отводится выполнениюочень простого экспериментального за-дания 3.1. Выбор задачи измерения ин-тервала времени между двумя ударамипульса неслучаен.

Во-первых, это задание направленона приобретение умения, необходимо-го каждому человеку в повседневнойпрактической жизни.

32

Во-вторых, оно интересно каждому,независимо от того, нравится ли емуфизика, так как здесь исследуется важ-нейший процесс жизнедеятельности че-ловеческого организма вообще и личноего организма в частности.

В-третьих, для выполнения экспери-мента всеми учащимися класса каждо-му нужен лишь один измерительныйприбор — часы, которые имеются сего-дня у большинства школьников.

В-четвертых, в процессе выполне-ния этого простого экспериментально-го задания есть возможность познако-мить учащихся со способом уменьше-ния влияния случайных погрешностейпри измерении физических величин пу-тем нахождения среднего арифметиче-ского значения нескольких повторныхизмерений.

Задание 3.1 можно предложитьучащимся выполнить по самостоятельноразработанному плану. Те, кому заданиепокажется трудным, могут использо-

вать возможный порядок выполненияизмерений, данный в учебнике.

Второй разворот содержит матери-ал, который можно изучить в классес предварительной подготовкой к уро-ку нескольких учащихся. Желающимнужно сообщить темы, помочь подгото-вить демонстрации. Примерные темыкратких сообщений: солнечные часы,песочные часы, водяные часы, маятни-ковые часы, астрономические способыизмерения времени, атомный эталонвремени. Для демонстраций необходи-мо помочь учащимся изготовить моде-ли солнечных и водяных часов, «разы-скать на чердаках» маятниковые часы,продемонстрировать в открытом видеработу механизма часов с балансиром.

Д о п о л н и т е л ь н а я л и т е р а т у р аВремя, его измерение и хранение // Эн-

циклопедия для детей. Астрономия. — М. :Аванта +, 2001. — Т. 8. — С. 296—315.

§ 4. Механическое движение

В теме «Механическое движение»вводятся такие новые для учащихся по-нятия, как траектория движения и путь,определяется понятие скалярной вели-чины и формируется представление оботносительности физических величин.Понятия о траектории движения и прой-денном пути учащимся кажутся давноизвестными, самоочевидными и прос-тыми. Поэтому формирование представ-лений об относительности этих физи-ческих величин встречается с вполнеобъяснимыми психологическими и ло-гическими трудностями.

Как траектория движения самоле-та может быть относительной, если ис земли, и из движущегося автомобиля,и из иллюминатора другого самолетаможно увидеть одинаковый след от са-молета на фоне голубого неба?

Для ответа на этот вопрос нужно об-ратить внимание учащихся на то, чтопри наблюдении из иллюминатора са-молета мы действительно видим позадинего белый облачный след, но он яв-ляется траекторией движения самолетатолько относительно атмосферного воз-духа и любых других тел, неподвиж-ных относительно воздуха.

Для пассажиров самолет являетсянеподвижным. Траекторией движениякаждой точки самолета является точка.Неподвижным видит этот самолет и пи-лот другого самолета, летящего в томже направлении с такой же скоростью.

Опыт с получением двух различныхтраекторий одного движения в разныхсистемах отсчета — прямой линии и си-нусоиды — можно выполнить в виде де-монстрации, используя килограммовуюгирю или пластиковую бутылку с водойв качестве маятника. К маятнику рези-новыми кольцами крепится кисть. Ма-ятник нужно подвесить на двух нитяхдля предотвращения возможности еговращения. Высота подвеса должна бытьболее 1 м, для того чтобы конец кистипри небольшой амплитуде колебанийдвигался почти по горизонтальной пря-мой и мог нарисовать на листе бумагитраекторию своего движения.

Для выполнения опыта помещаемна столе под маятником лист белой бу-маги. Кисть устанавливаем так, чтобыв нижней точке траектории своего дви-жения она сминалась на 3—4 мм. Сма-чиваем кисть водой и набираем на нееакварельную краску. Отклоняем маят-

33

ник на 5—10 см от положения равно-весия и отпускаем. Кисть за два-триколебания рисует почти совпадающиеотрезки прямой.

Останавливаем колебания маятникаи набираем новую порцию краски накисть. Отклоняем маятник, отпускаемего и одновременно начинаем равномер-но перемещать лист бумаги в направ-лении, перпендикулярном плоскостикачаний маятника. Кисть за два-триколебания рисует на бумаге кривую,называемую синусоидой. Мы получили,что одно и то же движение конца кистидля наблюдателей на неподвижном лис-те бумаги и на движущемся листе бума-ги происходит по разным траекториям.

После постановки опыта выполня-ются экспериментальные задания 4.1и 4.2. Эти задания могут служить при-мерами заданий на формирование но-вых понятий. Первое из них направле-но на формирование понятий «траекто-рия» и «путь», выяснение сходства иразличия между ними. Вместо мыслен-ной операции распрямления траекто-рии для измерения ее длины учащимсяпредлагается практическая деятель-ность с нитью как материальной мо-делью траектории. Задание 4.2 по вы-черчиванию траекторий движения од-ного тела с точки зрения разныхнаблюдателей должно помочь усвоениюидеи относительности траектории дви-жения и пройденного пути.

Задание 4.1. Для измерения путижука можно расположить нить вдольвсей траектории его движения. Затемрастянуть нить, приложить ее к линей-ке и измерить длину.

Задание 4.2. Перед выполнениемзадания ставится вопрос: какой можетбыть траектория движения точки навращающемся колесе велосипеда, кро-ме окружности?

В результате обсуждения выясняет-ся, что траектория движения точки Ана колесе велосипеда во время его дви-жения по прямой горизонтальной до-роге по наблюдению жука, сидящего наоси колеса, представляет собой окруж-ность. Для муравья, сидящего в точке Вна колесе, точка А неподвижна. Поэто-му траектория ее движения — точка.

По наблюдению человека, стоящегона земле, траектория движения точки А

на колесе велосипеда во время его дви-жения по прямой имеет вид штриховойлинии ОМ на рисунке 15. Такая криваяназывается циклоидой.

Эту кривую можно нарисовать при-близительно, представив движение точ-ки А относительно земли. Крайние точ-ки на поверхности земли находятся нарасстоянии длины окружности колеса,средняя точка — на высоте диаметраколеса.

Циклоиду можно построить, выре-зав из плотной бумаги круг и разделивокружность точками по краю круга на8 равных частей. Одну из этих точекобозначим буквой А. Проведя на листебумаги прямую, отметим на ней точ-ку О. Изготовленный круг будет слу-жить моделью велосипедного колеса,а прямая линия на листе бумаги — мо-делью дороги. Измерим диаметр коле-са, вычислим длину окружности и от-ложим на прямой отрезок ОМ, равныйдлине окружности. Разделим этот отре-зок на 8 равных частей и отметим точ-ками каждую 1/8 часть отрезка ОМ.Положим круг на лист бумаги так,чтобы наше колесо могло катиться подороге, а точка А вначале совпадалас точкой О. Прокатим колесо по дорогетак, чтобы оно прошло путь, равный1/8 длины окружности. Отметим новоеположение точки А относительно листабумаги, т. е. относительно наблюдателяна земле. Продолжим такие действиядо совершения колесом полного оборотаи соединим точки на листе плавнойкривой. Эта кривая и будет траекто-рией движения точки А на колесе вело-сипеда для неподвижного наблюдателяна земле (см. рис. 15).

Такое построение могут выполнитьучащиеся по желанию как домашнеезадание с последующей демонстрациейв классе.

34

Рис. 15

§ 5. Скорость

Начиная изучение физики в основ-ной школе, учащиеся не имеют опытапостановки цели эксперимента, егопланирования и выполнения. У них нетнавыков записи и обработки результа-тов измерений, их обсуждения и фор-мулирования выводов. Поэтому нарядус другими формами организации прак-тической познавательной деятельностиучащихся может быть использована иформа выполнения экспериментальногозадания «Измерение скорости моделиавтомобиля», которую назовем коллек-тивным экспериментом.

Для изготовления модели автомоби-ля можно использовать, например, одиниз вариантов конструктора Lego с при-менением электродвигателя и электри-ческой батареи. Выбор на этом вариантеможно остановить по той причине, чтов этом конструкторе модели с электро-двигателями движутся довольно мед-ленно, что облегчает учащимся выпол-нение измерения времени.

Начинаем с постановки проблемыперед всеми учащимися класса: У насесть автомобиль, нужно измеритьскорость его движения. Как это мож-но сделать? Какие приборы необходи-мы для выполнения измерения?

После обсуждения предлагаемых ва-риантов делаем вывод: для измеренияскорости v автомобиля нужно измеритьвремя t его движения и пройденный заэто время путь s. Измерительными при-борами могут служить секундомер иличасы с отсчетом секунд и измеритель-ная лента. Все учащиеся записываютв тетрадях название эксперимента и пе-речень оборудования.

Затем обсуждается возможный планпроведения опыта. Например, вместооднократного выполнения измерениярасстояния и времени движения авто-мобиля, как это описано в учебнике,можно разработать план коллективногоэксперимента с выполнением повтор-ных измерений и нахождением среднихарифметических значений.

Порядок проведения опыта1. Установим на демонстрационном

столе два штатива на небольших рас-стояниях от краев стола. Измерим рас-стояние s между штативами с помощьюизмерительной ленты. Измерение по-вторим 3 раза и найдем среднее арифме-

тическое значение. Запишем результа-ты измерений и вычислений в таблицу.

Номеропыта

Путьs, м

Времяt, с

Ско-ростьv, м/с

Ско-ростьv, км/ч

1

2

3

Среднееарифмети-ческоезначение

2. Подготовим секундомер к выпол-нению измерения времени. Поставиммодель автомобиля у края стола так,чтобы траектория его прямолинейногодвижения проходила вблизи двух шта-тивов на столе.

3. Включим электродвигатель моде-ли. В момент прохождения автомобилямимо одного штатива запустим секун-домер, а в момент прохождения мимодругого штатива остановим его. Запи-шем результаты измерений временидвижения автомобиля от одного шта-тива до другого тремя наблюдателямии найдем среднее арифметическое зна-чение. Запишем результаты измеренийи вычислений в таблицу.

4. Используя найденные средниеарифметические значения пути и вре-мени, вычислим скорость v автомобиля

в метрах в секунду: скорость = путь

время,

vst

= . Запишем результат вычисления

в таблицу.5. Переведем полученное значение

скорости автомобиля в метрах в секун-ду в километры в час. Полученный ре-зультат запишем в таблицу.

Таблицу в своих тетрадях готовятвсе учащиеся и вносят в нее результатытрех измерений пути на демонстрацион-ном столе. Среднее арифметическое зна-чение пути вычисляет самостоятельнокаждый учащийся.

Можно продолжить коллективнуюработу и для решения задач в классе.

35

Задачу 5.1 можно решить всем вместе,подробно записать все этапы переводаединиц измерения скорости. Задачи5.2, 5.3 и 5.4 можно распределить меж-ду тремя группами учащихся. Каждаягруппа решает задачу, а представительгруппы записывает решение на доске.Учителю отводится роль эксперта дляподведения итогов.

Задача 5.1. Р е ш е н и е. По условиюзадачи скорость спортсмена равна10 м/с. За время 1 ч = 3600 с он про-бежит путь, равный

s = vt, s = 10 м/с ⋅ 3600 с = 36 000 м.

Выразим это число в километрах:

s = 36 000

1000км = 36 км.

Спортсмен пробегает путь 36 км завремя 1 ч.

Скорость спортсмена равна:

vst

= , v = =36

136

км

чкмч

.

Задача 5.2. Р е ш е н и е. По усло-вию задачи скорость автомобиля равна72 км/ч. Это значит, что он преодоле-вает путь 72 км за время, равное 1 ч.

Выразим путь автомобиля в метрах:72 км = 72 ⋅ 1000 м = 72 000 м.

Выразим время движения автомо-биля в секундах: t = 1 ч = 1 ⋅ 3600 с == 3600 с.

Скорость автомобиля равна:

vst

= , v = =72 000

360020

м

смс

.

Задача 5.3. Р е ш е н и е. Скорость ав-томобиля А относительно автомобиля Бравна сумме скоростей автомобилей Аи Б относительно земли, т. е. 150 км/ч.

Задача 5.4. Р е ш е н и е. Скорость ав-томобиля А относительно автомобиля Бравна сумме скоростей автомобилей Аи Б относительно земли, т. е. 90 км/ч.

Задача 5.5. Р е ш е н и е. Разумеется,Зенон знал о способности Ахиллеса до-гнать и перегнать черепаху. Своимирассуждениями он старался показать,что существовавшие представления одвижении тела как последовательномряде перемещений из одного положенияв пространстве в другое положение при-водят к абсурдным результатам.

Почему же противникам Зенона напротяжении многих столетий не удава-лось доказать ошибочность его рассуж-дений? Противникам Зенона недостава-ло знания понятия скорости движения

тела. Когда древние греки говорили,что этот бегун самый быстрый, то име-ли в виду, что он пробегает заданноерасстояние за самое короткое времяили за одно и то же время он пробегаетболее длинное расстояние, чем другиебегуны. Таким образом, они судилио скорости движения тел либо по затра-ченному времени, либо по пройденномурасстоянию.

Для тех, кто владеет понятием ско-рости, эта задача не должна представ-лять особой трудности. За одинаковоевремя t к тому моменту, как Ахиллесдогонит черепаху, он пробежит рассто-яние sА на 99 м больше расстояния sч,пройденного черепахой. Поэтому мож-но записать равенство: sА = sч + 99.

Выразим пути sА и sч через скоростиАхиллеса и черепахи: vАt = vчt + 99.

Выразим скорости Ахиллеса и чере-пахи в метрах в секунду и найдемвремя t:

10 м/с ⋅ t с = 0,1 м/с ⋅ t с + 99 м,9,9 м/с ⋅ t с = 99 м, t = 10 с.

Ахиллес догонит черепаху через 10 с.Задача 5.6. Р е ш е н и е. Автомобили

А и Б удаляются от одного перекресткапо взаимно перпендикулярным доро-гам. Скорость автомобиля А относи-тельно земли 80 км/ч, скорость автомо-биля Б относительно земли 60 км/ч.

Относительно автомобиля Б автомо-биль А вместе с землей движется со

скоростью −v �Б и со скоростью v �А отно-сительно земли. Найдем сумму этих

двух векторов v �АБ по правилу сложениявекторов. Для этого построим вектор

скорости v �A автомобиля А относительно

земли в масштабе kvl

= = 20

1

км ч

см

/.

При таком масштабе длине вектораl = 1 см соответствует скорость 20 км/ч:

v kl= = 20

1

км ч

см

/1 см = 20 км/ч.

Потом в таком же масштабе постро-

им вектор −v�Б с началом в той же точ-ке О, в которой находится начало векто-

ра v�A. Затем через конец вектора −v�Бпроведем прямую, параллельную векто-

ру v�A, а через конец вектора v�A — пря-

мую, параллельную вектору −v�Б. Точ-ка С пересечения этих прямых опре-

36

деляет положение конца вектора v�АБдвижения автомобиля А относительноавтомобиля Б. Соединив точки О и С от-

резком, получим вектор скорости v�АБдвижения автомобиля А относительноавтомобиля Б (рис. 16). Измерив длину l

вектора v�АБ на схеме, вычислим модульскорости vАБ движения автомобиля Аотносительно автомобиля Б: vАБ = kl.

При измерении длины вектора v �АБполучено значение l = 5 см, скоростьvАБ равна 100 км/ч.

Далее предлагаются дополнительныезадачи с решениями, которые могут бытьиспользованы как индивидуальные за-дания для отдельных учащихся, для са-мостоятельных и контрольных работ.

Дополнительные задачи

Задача 5.7. Самолет совершает по-садку на палубу авианосца при сильномветре. В каком направлении для облег-чения условий посадки должен двигать-ся авианосец относительно воды? Са-молет при посадке движется по палубеавианосца от кормы к носу корабля.

Ниже приведены возможные ответы.Выберите из них правильный ответ.

Авианосцу следует:1) быть неподвижным относительно

воды, ориентированным по ветру;

2) быть неподвижным относительноводы, ориентированным против ветра;

3) двигаться в направлении ветра;4) двигаться против направления

ветра;5) двигаться перпендикулярно на-

правлению ветра.Р е ш е н и е. Для облегчения условий

посадки самолета на палубу авианосцуследует двигаться против направленияветра. Самолет при заходе на посадкуне может снизить скорость относитель-но воздуха меньше некоторого значе-ния vmin, необходимого для его удержа-ния в воздухе. Но при посадке на палу-бу авианосца он должен иметь какможно малую скорость относительнопалубы для сокращения длины тормоз-ного пути. Если авианосец неподвиженотносительно воды, то при движениисамолета против направления ветраего скорость v1 относительно палубыавианосца меньше его скорости vmin от-носительно воздуха на значение скоро-сти vв ветра относительно авианосца:v1 = vmin − vв.

При движении авианосца против на-правления ветра со скоростью vа отно-сительно воды, т. е. по направлениюдвижения самолета, скорость «уходя-щей из-под самолета» палубы авианос-ца вычитается из скорости самолета.Скорость v2 самолета относительно па-лубы становится равной v2 = v1 − vа == vmin − vв − vа.

Следовательно, при одинаковой ско-рости самолета vmin относительно возду-ха достигается меньшая скорость v2 са-молета относительно палубы. Поэтомупосадка более безопасна.

Задача 5.8. Самолет взлетает с палу-бы авианосца при сильном ветре. В ка-ком направлении для облегчения усло-вий взлета должен двигаться авианосецотносительно воды? Самолет при взлетедвижется по палубе авианосца от кор-мы к носу корабля.

§ 6. Методы исследования механического движения

Метод записи на бумажной ленте.В условиях школьного кабинета физикидля исследования движения тел частоприменяется простой прибор, называе-мый отметчиком времени. Он состоит изэлектромагнита и стальной пластины,

которая притягивается к сердечникуэлектромагнита при пропускании токачерез его обмотку. На конце пластиныимеется выступ, который делает отмет-ку на полоске бумаги в виде точки, еслив момент притяжения пластины бумага

37

Рис. 16

находится между сердечником и плас-тиной. Для изучения движения тела кнему прикрепляется конец узкой бу-мажной ленты, протягиваемой через за-зор отметчика времени.

С началом движения тела запускает-ся отметчик времени, который соверша-ет 50 ударов за 1 с и делает отметки наленте через каждые 0,02 с. Если на лен-те, которую тянет за собой движущее-ся тело, расстояния между любыми со-седними отметками одинаковы, то телодвижется равномерно. Измерив рассто-яние между двумя точками на ленте иразделив его на время между ударамиотметчика, можно вычислить скоростьдвижения тела.

Измерение скорости с использовани-ем электронного секундомера. Точноеизмерение скорости движения тел мож-но выполнять с использованием комп-лекта «Лаборатория L-микро» по меха-нике.

В этом комплекте для проведенияопытов используются направляющаяплоскость, каретка, датчики с геркона-ми, электронный секундомер, пласти-ковый коврик.

Скорость движения каретки можноопределить, измерив пройденный путьи время движения из состояния покоя.

Для точного измерения времени дви-жения используется электронный секун-домер с магнитными датчиками. Запуски остановка электронного секундомераможет осуществляться либо нажатиемкнопки «пуск-стоп», либо с помощьюмагнитоуправляемых контактов — гер-конов — в выносных датчиках. Гер-кон (герметический контакт) состоитиз двух близко расположенных упругихферромагнитных контактов, которыепри внесении в магнитное поле или приприближении магнита намагничивают-ся и притягиваются друг к другу. В ре-зультате замыкается участок электри-ческой цепи, соединенный с выводамигеркона.

Схема электронного секундомераустроена так, что при одном замыка-нии электрических контактов на еговходе происходит запуск секундомера,при следующем замыкании секундомеростанавливается.

На краю каретки вмонтирован силь-ный постоянный магнит. При располо-жении двух датчиков с герконами вбли-зи траектории движения каретки элек-

тронный секундомер автоматически за-пускается в момент прохождения карет-ки с магнитом около первого геркона иавтоматически останавливается в мо-мент прохождения каретки около вто-рого геркона. Таким образом, точно из-меряется время движения каретки отпервого датчика до второго. Разделиврасстояние между датчиками на изме-ренное время движения каретки от пер-вого датчика до второго, можно найтискорость движения каретки.

Используя этот комплект, можно из-мерить скорость каретки, которую онаприобретает при скольжении по на-клонной плоскости. Каретка движетсяпо наклонной плоскости с переменнойскоростью, а мы ввели только понятиескорости равномерного движения. По-этому при проведении опытов по изме-рению скорости каретки нужно специ-ально разъяснить, что же мы измеряем.

Разъяснение может быть следую-щим. Мы определили, что называетсяскоростью равномерного движения. Нов природе и в повседневной практикеобычно тела движутся с изменяющейсяскоростью. Как же можно характеризо-вать такие движения?

Ответ на этот вопрос вполне могутдать ученики: «Можно измерить путь Δs,пройденный телом за очень короткийинтервал времени Δt, и считать, чтов течение этого времени скорость v телабыла постоянной. Эта скорость равна:

vst

= ΔΔ ».

Теперь можно сформулировать зада-чу: нужно измерить скорость кареткиу конца наклонной плоскости.

Порядок выполнения работы1. Установим направляющую плос-

кость под углом около 45°. Датчикис помощью магнитных держателей при-крепим к направляющей плоскостиу нижнего края на расстоянии 5 смодин от другого.

2. Нажатием на кнопку «сброс»установим нуль на шкале электронногосекундомера. Проверим работоспособ-ность секундомера поочередным под-несением магнита в середине внешнейбоковой стороны каретки сначала кпервому датчику, затем ко второму. Се-кундомер должен начать измерение вре-мени при поднесении магнита к перво-му датчику и завершить измерение при

38

поднесении магнита ко второму датчи-ку. Цифры на шкале до точки показы-вают целые секунды, цифры после точ-ки — десятые и сотые доли секунды.

3. Измерим расстояние Δs междудатчиками. Отпустим каретку от верх-него края наклонной плоскости и изме-рим время Δt ее движения от первогодатчика до второго. Повторим измере-ние 5 раз и найдем среднее арифмети-ческое значение времени движения.

4. Вычислим скорость движения ка-ретки.

Таким же способом можно измеритьскорость движения каретки около сере-дины наклонной плоскости.

Задача 6.1. Р е ш е н и е. Движениеавтомобиля, изображенного на рисун-ке 6.2 учебника, было неравномерным,так как за одинаковые интервалы вре-мени он проезжал разные расстояния.Автомобиль тормозил, его скоростьуменьшалась.

Чтобы определить скорость vнач авто-мобиля в начале пути, измерим милли-метровой линейкой на рисунке 6.2 рас-стояние, пройденное им за первыйинтервал времени t = 0,8 с. Оно равно32 мм. По рисунку находим, что отре-зок AB, которому на земле соответ-ствует расстояние 20 м, равен 93 мм.Значит, 1 мм на рисунке соответствуетрасстоянию на земле, равному 20/93 м.

Выразим путь sнач автомобиля в мет-

рах: sнач = ⋅322093

м.

Найдем скорость vнач автомобиляв начале пути:

vs

tначнач= ,

vнач

м

смс

кмч

= ≈ ≈⋅32

0 8

20

938 6 31

,, .

Для того чтобы найти скорость авто-мобиля в конце пути, измерим на ри-сунке 6.2 учебника расстояние, прой-денное им за последний интервалвремени t = 0,8 c. Оно равно 24 мм.

Выразим путь sкон автомобиля в мет-рах и вычислим скорость:

vs

tконкон= ,

vкон

м

смс

кмч

= ≈ ≈⋅24

0 8

20

936 45 23

,, .

Задача 6.2. Р е ш е н и е. Для того

чтобы найти среднюю скорость vstср =

неравномерно движущегося автомобиляпо фотографии на рисунке 6.2 учебни-ка, определим весь пройденный автомо-билем путь s и время t движения запять открываний объектива.

Решив задачу 6.1, мы нашли, что1 мм на рисунке 6.2 соответствует рас-стоянию на земле, равному 20/93 м.Расстояние между первым и последнимизображениями автомобиля на фотогра-фии равно 147 мм. Выразим весь путь s

автомобиля в метрах: s = ⋅1472093

м.

Время движения автомобиля равноt= 5 ⋅ 0,8 с = 4 с.

Найдем среднюю скорость автомо-биля:

vstср = ,

vср

м

смс

кмч

= ≈ ≈⋅147

4

20

937 9 28 5, , .

Сравнив этот результат с начальнойи конечной скоростями в задаче 6.1,получим

vкон < vср < vнач.

§ 7. Таблицы и графики

Задача 7.1. В 0 ч 00 мин началасьпосадка на поезд. В 0 ч 30 мин поезд от-правился от станции, и 1 ч 00 мин по-езд двигался равномерно со скоростью60 км/ч. Затем он сделал остановку на15 мин, а после остановки двигалсяравномерно со скоростью 120 км/ч в те-чение 1 ч 15 мин. Постройте график за-висимости пути от времени в интервалеот 0 ч 00 мин до 3 ч 00 мин.

Р е ш е н и е. Для построения графи-ка сначала по условию задачи составимтаблицу значений времени движенияавтомобиля и соответствующих им зна-чений пути. Время будем отсчитыватьв часах от момента 0 ч 00 мин, путь —в километрах. Переведем значения вре-мени в часы. Выберем в соответствиис условием задачи ряд значений време-ни 0; 0,5; 1,5; 1,75; 3,0 ч и вычислим

39

значение пройденного пути для каждо-го из них. От момента времени 0 мин домомента времени 0,5 ч автомобиль былнеподвижным, пройденный путь былравен s0 = 0.

В момент времени 0,5 ч автомобильначал движение и двигался в течениевремени Δt1 = 1 ч с постоянной скоро-стью v1 = 60 км/ч. Пройденный за этовремя путь Δs1 равен:

Δs1 = v1Δt1 = 60 км/ч ⋅ 1 ч = 60 км.

Общий пройденный путь s1 в моментвремени t1 = 1 ч равен:

s1 = s0 + Δs1 = 0 + 60 км = 60 км.

В интервале времени Δt2 от t1 = 1,5 чдо t2 = 1,75 ч автомобиль был не-подвижным и пройденный им путьне изменялся: Δs2 = 0, s2 = s1 + Δs2 == 60 км + 0 = 60 км.

В интервале времени Δt3 от моментавремени t2 = 1,75 ч до момента времениt3 = 3 ч автомобиль двигался с постоян-ной скоростью v2 = 120 км/ч. Пройден-ный им за это время путь Δs3 равен:

Δs3 = v3Δt3 = 120 км/ч ⋅ 1,25 ч = 150 км.

Общий пройденный путь s3 в моментвремени t3 = 3 ч равен:

s3 = s2 + Δs3 = 60 км + 150 км = 210 км.

Запишем полученные результаты втаблицу.

Время t, ч 0 0,5 1,5 1,75 3,0

Путь s, км 0 0 60 60 210

По данным таблицы построим гра-фик зависимости пройденного поездомпути s от времени t. Для этого нанесемточку 0 и от точки 0 проведем коорди-натные оси. На вертикальной оси будемоткладывать путь s в километрах.

Так как максимальное значение прой-денного пути равно 210 км, можно от-метить на вертикальной оси 21 штрихна равных расстояниях. Расстояние меж-ду соседними штрихами соответствует10 км.

По горизонтальной оси будем откла-дывать время в часах. Для этого нане-сем на равных расстояниях 12 штрихов.Расстояние между соседними штрихамисоответствует 0,25 ч.

По данным таблицы нанесем на гра-фик точки (рис. 17). Первая точка опре-

деляет значение пройденного пути в мо-мент времени t = 0. Пройденный путьв этот момент времени равен 0. На гра-фике эта точка совпадает с началом ко-ординат. Обозначим ее на графике циф-рой 1.

Вторая точка определяет значениепройденного пути в момент времениt = 0,5 ч. Так как поезд не двигался,путь равен 0. Вторая точка находитсяна горизонтальной оси у штриха 0,5 ч.Она обозначена на графике цифрой 2.

Третья точка определяет значениепройденного пути в момент времениt = 1,5 ч. В этот момент времени прой-денный путь равен 60 км, поэтому тре-тья точка находится на пересечениивертикальной линии, проходящей че-рез штрих 1,5 ч на горизонтальной оси,и горизонтальной линии, проходящейчерез точку 60 км на вертикальной оси.Аналогично найдем положения точек 4и 5. Соединив отрезками соседние точ-ки, окончательно построим график.

Обоснуем правомерность проведенияотрезков между соседними точками.В интервале времени от 0 до 0,5 ч поездбыл неподвижным. Путь в любой мо-мент этого интервала времени не изме-нялся и оставался равным нулю. Каж-дая точка горизонтального отрезка 1—2отражает характер движения — стоя-ние поезда в этом интервале времени.В интервале времени от 0,5 до 1,5 чскорость поезда была постоянной, поезддвигался равномерно. Графиком зави-симости пути от времени равномерногодвижения со скоростью, отличной отнуля, является наклонная прямая. Со-единив отрезком две найденные точки

40

Рис. 17

2 и 3, определим участок графика зави-симости пути от времени в интервалевремени от 0,5 до 1,5 ч. Так же строимостальные участки графика. Обратимвнимание на то, что угол наклона от-резков 2—3 и 4—5, являющихся гра-фиками зависимости пути от временипри равномерном движении, увеличи-вается с возрастанием скорости равно-мерного движения.

Задача 7.2. Р е ш е н и е. Посколькузависимость пути от времени представ-лена в учебнике на рисунке 7.8 в видетрех отрезков, то можно сделать вывод,что на графике изображены три равно-мерных движения.

В интервале времени 0—0,5 ч путьне изменялся со временем, следова-тельно, автомобиль был неподвижным:v0—0,5 = 0.

В интервале времени 1—1,5 ч завремя t = 0,5 ч был пройден путь50 км. Скорость автомобиля в этом ин-

тервале была равна v1 1 5

500 5— , ,

= км/ч =

= 100 км/ч.В интервале времени 3—4 ч за 1 ч

был пройден путь 25 км. Скорость авто-мобиля в этом интервале была равна

v3 4

251— = км/ч = 25 км/ч.

Дополнительная задача

Задача 7.3. На рисунке 18 представ-лен график зависимости пути s, прой-денного телом, от времени t. Какойпуть был пройден телом от десятой додвадцатой секунды от момента началадвижения?

Р е ш е н и е. Найдем путь, пройден-ный телом от 10 до 15 с:

s = (s15 − s10) = 10 м − 5 м = 5 м.

По графику видно, что в интервалеот 15 до 25 с тело не двигалось и прой-денный путь был равен нулю. Весьпуть, пройденный телом от десятой додвадцатой секунды, равен 5 м.

§ 8. Явление инерции. Масса

Явление инерции. Для описанногов учебнике опыта с гирей на нити ис-пользуется специальная гиря массой 1или 2 кг с крючками на верхней и ниж-ней ее частях. Для проведения опытанужно подобрать такую нить, прочностькоторой достаточна для удержания под-вешенной гири, но при попытке поднятьгирю за нить вверх легким рывком нитьдолжна обрываться. Для предотвраще-ния удара гири по руке экспериментато-ра при обрыве верхней нити гиря привя-зывается к стержню штатива прочнымшнуром, который на 2—3 см длиннееверхней нити. Назначение шнура зара-нее должно быть разъяснено учащим-ся, чтобы они могли понять результатыопытов.

Если в кабинете физики нет гирис крючками на верхней и нижней ее ча-стях, то можно использовать набор гру-зов, прикрепив к основе груза снизупроволочную петлю. Такая петля необ-

ходима для того, чтобы нижняя нитьприкреплялась к гире точно на отвеснойпрямой, проходящей через центр массгири. Это позволит выполнить рывоктак, что гиря останется неподвижной.При проведении опытов с гирей на нитижелательно вовлечь учащихся в обсуж-дение предполагаемых результатов опы-тов и дать им возможность самим объ-яснить результаты и первого, и второгоопыта. После выяснения смысла явле-ния инерции полезно предложить уча-щимся привести примеры из повседнев-ной жизни, в которых обнаруживаетсяэто явление.

При желании можно выполнить ещенесколько эффектных опытов, демонст-рирующих явление инерции, напримеропыт с выдергиванием листа бумагииз-под стакана с водой на краю стола.

Этот опыт можно провести следую-щим образом. На демонстрационномстоле сначала поставить стакан с водой

41

Рис. 18

на полосу бумаги и показать, что примедленном движении полосы бумагистакан вместе с ней движется по столу.После этого стакан ставят на бумажнуюполосу у самого края стола и предла-гается попробовать выдернуть полосубумаги, не коснувшись стакана и неразбив его. Самым надежным являетсяследующий способ. Нужно взять в пра-вую руку деревянную линейку длиной30—40 см, левой рукой плотно зажатьсвободный край бумажной полосы ирезко ударить ребром линейки посере-дине бумажной полосы.

После выполнения опыта можно об-судить возможные объяснения резуль-тата опыта.

При быстром выдергивании полосыбумаги она точно так же действует настакан, как и при медленном ее движе-нии. Но за короткое время стакан из-заявления инерции не может приобрестизаметную скорость и почти не сдвигает-ся с места.

Для учащихся, желающих разо-браться в этом опыте подробнее, необ-ходимо более полно описать его. Пустьпри медленном движении полосы бума-ги стакан движется вместе с полосойи за секунду разгоняется до скорости1 см/с. При резком ударе линейкой пополосе бумага выдергивается из-подстакана менее чем за 1/10 долю секун-ды. За такое время стакан может притаком же действии на него полосыбумаги разогнаться лишь до скоростив 10 раз меньшей, т. е. до скорости1/10 см/с. При такой скорости за1/10 с он пройдет путь лишь 1/100 см.Такое смещение стакана очень труднозаметить.

Требует объяснения важная деталь.Если при быстром выдергивании поло-сы бумаги стакан приобрел хотя быв 10 раз меньшую скорость, чем примедленном перемещении полосы, товследствие явления инерции он долженпродолжать движение в том же направ-лении и с некоторым опозданием все жеупасть со стола. Почему же это не прои-зошло? Движению по инерции препят-ствует трение о поверхность стола. Приочень малой начальной скорости ста-кана его тормозной путь до остановкиочень мал.

Инертность. Опыты с шарами длявведения понятия инертности теламожно выполнить с двумя пластмассо-

выми шарами и одним стальным ша-ром. Однако при явном использованиишаров Б и В из различных материаловна вопрос о причине различия резуль-татов опытов вполне естественно можнополучить ответ, что причина в разли-чии материалов. Таким образом, обсуж-дение уйдет в сторону от желаемого на-правления, и вернуть его в нужное рус-ло будет не так легко. Избежать этогоможно небольшой хитростью, обернуввсе три шара тонкой алюминиевойфольгой, чтобы внешне все шары былиодинаковыми. Тогда опыт с весами дляшаров Б и В объяснит, в чем различиеих инертных свойств, и не надо будетобсуждать ошибочные гипотезы.

Примером эффектного опыта, требу-ющего применения нестандартного обо-рудования, может служить опыт с пере-ламыванием палки, подвешенной набумажных кольцах.

Полезно при изучении этой темы ре-шить, например, такие дополнительныезадачи.

Задача 8.1. При попытке автомоби-листа быстро затормозить перед пере-крестком автомобиль некоторое времяпродолжает движение с остановивши-мися колесами, оставляя след стертойрезины на асфальте. Какой из приведен-ных вариантов ответа на вопрос о при-чине продолжения движения автомоби-ля при выключении двигателя и вклю-чении тормоза является правильным?

1) Действие скорости.2) Действие воздуха.3) Явление инерции.4) Действие силы тяжести.Р е ш е н и е. При попытке автомоби-

листа быстро затормозить перед пере-крестком автомобиль некоторое времяпродолжает движение из-за того, что онобладает инертностью, т. е. обладаетсвойством сохранять состояние движе-ния. Автомобиль не может мгновенноперейти из состояния движения в со-стояние покоя, поэтому он движетсянекоторое время по инерции.

Задача 8.2. На столе на лист бумагипоставлен стакан. Если медленно тя-нуть лист бумаги, то стакан движетсявместе с ним по столу. Если же резкодернуть лист бумаги, то лист выдерги-вается из-под стакана, и он остается не-подвижным на столе. Какое объяснениеэтого явления из приведенных считает-ся правильным?

42

1) При быстром движении бума-га действует на стакан с меньшей си-лой.

2) В этом опыте обнаруживаетсясвойство инерции стакана.

3) Такой результат опыта невозмо-жен, при более быстром движении бу-маги стакан будет двигаться быстрее.

4) При быстром движении стаканвстречается с большим сопротивлениемвоздуха, и этот встречный ветер оста-навливает стакан.

Р е ш е н и е. При резком рывке лис-та бумаги воздействие на стакан оченькратковременно. Из-за свойства инерт-ности стакан остается на месте. Есливы захотите проверить этот ответ в экс-перименте, используйте тяжелый ста-кан, а лист выдергивайте горизонталь-но и резко.

Задача 8.3. Имеются три тела А, Би В. Тела А и Б имеют одинаковыйобъем, но тело А сильнее притягивает-ся к Земле, чем тело Б. Тела Б и В оди-

наково притягиваются к Земле, но объ-ем тела В больше объема тела Б. Какоеиз этих трех тел инертнее двух других?Выберите правильный ответ.

1) Инертнее двух других тело А.2) Инертнее двух других тело Б.3) Инертнее двух других тело В.4) Тела А, Б и В одинаково инертны.5) Инертность тел не зависит ни от

объема тела, ни от его способности кпритяжению к Земле. Поэтому по усло-вию задачи нельзя определить, какоеиз тел инертнее.

Р е ш е н и е. Свойство инертности телаи свойство притяжения к Земле взаимо-связаны. Более инертное тело сильнеепритягивается к Земле, оно тяжелее.Выделим из условия задачи данные отом, как три тела притягиваются к Зем-ле: тело А сильнее притягивается, чемтело Б; тело Б и тело В притягиваютсяодинаково. Поэтому тело А инертнеетел Б и В.

§ 9. Плотность вещества

Понятие плотности вещества кажет-ся простым и формальным. Это впе-чатление зачастую приводит к прин-ципиальным ошибкам. Если учительпри объяснении этого понятия говорит:«Плотность — это масса одного кубиче-ского метра вещества», то он допуска-ет грубую ошибку. Физическая величи-на плотность определяется отношениеммассы тела к его объему и имеет отлич-ную от массы размерность. Масса еди-ницы объема вещества не равна егоплотности, как скорость не равна пути,пройденному за единицу времени.

Для формирования понятия о плот-ности вещества как особом физическомсвойстве вещества нужно четко отделитьего от понятия «масса». Кроме опи-санных демонстраций двух тел равногообъема разной массы и двух тел равноймассы разного объема, полезно проде-монстрировать набор тел равной массыиз различных веществ.

После формального определения по-нятия «плотность вещества» можно по-ставить перед учащимися проблему: чемразличаются вещества различной плот-ности? Для ответа на этот вопрос необ-ходимо выйти за рамки механики и вы-сказать гипотезы о существовании ато-

мов вещества, о различии масс атомовразных веществ и о возможности раз-личных способов расположения атомовв пространстве. Все это является опере-жающим ознакомлением с идеей атом-ного строения вещества. Лучшим вари-антом было бы получение этих гипотезот учащихся хотя бы в простом виде.

Для завершения формирования по-нятия о плотности вещества в учебникепредлагаются простые задачи для само-стоятельного решения и простое экспе-риментальное задание по определениюплотности твердого вещества. Их назна-чение заключается в выработке устой-чивых навыков выполнения измерениямасс и объемов тел, вычисления плот-ности вещества, умения переводить зна-чения физических величин из однихединиц в другие.

Интересным может быть опыт по из-мерению плотности воздуха при атмо-сферном давлении. Для этого опытанеобходимы стеклянный шар и насос,работающий на разрежение. В опытесначала взвешивается шар с находя-щимся в нем воздухом (с резиновойтрубкой и зажимом). Затем из шаравыкачивается воздух и резиновая труб-ка перекрывается. Взвешивается шар

43

без воздуха с резиновой трубкой и за-жимом, вычисляется разность двух ре-зультатов измерений. Эта разность рав-на массе выкачанного воздуха. Разде-лив массу воздуха на объем шара,определим плотность воздуха при атмо-сферном давлении.

При проведении этого опыта нужнообязательно соблюдать правила безо-пасности: стеклянный шар при выпол-нении опыта должен обязательно на-ходиться в матерчатом мешочке! Этопредотвратит возможность пораженияучащихся осколками стекла в случаеразрушения шара.

Так как объем шара около 1 дм3,масса воздуха в нем около 1 г. Поэто-му для получения хорошего результатаэксперимента необходимо использоватьвесы, способные обнаруживать разли-чие в массе в десятки миллиграммов.

Задача 9.1. Р е ш е н и е. Объем телачеловека можно вычислить, если из-вестны масса тела и его плотность.Если масса человека равна 50 кг, то

его объем равен Vm= ρ , V = 50

10003

кг

кг

м

=

= 0,05 м3 = 50 дм3.Задача 9.2. Р е ш е н и е. Плотность

водорода в шаре равна:

ρводорода

кг

м= =mV

45

500 3= 0,09 кг/м3,

ρρ

водь

водорода

I кг м

кг м= 1000

0 09

3

3

/

, /≈ 11 111.


Задача 9.3. Кусок льда растаял.Объем получившейся воды оказалсяменьше объема растаявшего льда. Какизменилась плотность воды при превра-

щении из твердого в жидкое состояние?Выберите правильный ответ.

1) Плотность воды увеличилась.2) Плотность воды уменьшилась.3) Плотность воды не изменилась.Р е ш е н и е. Масса воды при перехо-

де из твердого состояния (лед) в жид-кое состояние не изменилась. Так какобъем воды при таянии льда уменьшил-ся, ее плотность увеличилась.

Задача 9.4. Вычислите массу воз-духа в спортивном зале размером25 × 20 × 6 м. Плотность воздуха1,3 кг/м3.

Р е ш е н и е. Массу можно вычислитьпо формуле

m = ρV,m = 1,3 кг/м3 ⋅ 3000 м3 = 3900 кг.

Вы ожидали получить такой резуль-тат?

Задача 9.5. Какого объема шар за-полнит газообразный водород массой45 кг, если плотность водорода в шареравна 0,09 кг/м3?

Р е ш е н и е. Вычислим объем газаводорода в шаре:

Vm= =ρ

45

0 09 3

кг

мкг, /= 500 м3.

Задача 9.6. Зависит ли плотность ве-щества от вида атомов вещества и отих взаимного расположения? Выберитеправильный ответ.

1) Зависит только от вида атомоввещества.

2) Зависит только от взаимного рас-положения атомов вещества.

3) Зависит от вида атомов веществаи от их взаимного расположения.

4) Не зависит ни от вида атомов ве-щества, ни от их взаимного расположе-ния.

§ 10. Сила

В этой теме учащиеся знакомятсяс понятиями «взаимодействие» и «сила»без формального введения понятия «уско-рение», которое требует прежде введе-ния понятия «мгновенная скорость».Эти понятия могут быть строго опреде-лены только на основе представленийо пределе отношения бесконечно малыхвеличин, т. е. о существовании произ-водной от функции. Все эти матема-

тические операции слишком трудныдля учащихся 7 класса, поэтому фор-мальное введение понятия «ускорение»на первом этапе изучения физикипреждевременно. Но на уровне первона-чальных сведений о механических яв-лениях необходимо введение понятийсилы и массы. В повседневной практи-ке каждому человеку нужно уметь раз-личать понятия массы и силы, знать

44

единицы и способы измерения этих ве-личин.

Выбранный вариант введения поня-тия «сила» по смыслу за исключениемоперации предельного перехода полно-стью совпадает со строгим научнымопределением силы как физической ве-личины, равной произведению массытела на ускорение его движения. Нов нем не употребляется термин «уско-рение», и поэтому нет четкого ответа навопрос о направлении вектора силы.Способ определения направления век-тора силы можно найти для частногослучая действия силы на ранее непо-движное тело. В этом случае направле-ние вектора скорости совпадает с на-правлением вектора ускорения и поэто-му направление вектора силы совпадаетс направлением вектора скорости.

Если тело под действием силы начи-нает движение из состояния покоя, на-правления векторов силы и скоростисовпадают.

Задачу определения направлениявектора силы, вызывающей изменениескорости тела, движущегося с некото-

рой скоростью v�, можно свести к задачео движении первоначально неподвижно-го тела путем изменения выбора тела от-счета. Например, наблюдатель на берегуморя видит, что первоначально непо-движный относительно корабля неболь-шой предмет (например, мяч) падаетс мачты движущегося корабля по пара-болической траектории, вектор скоростимяча непрерывно изменяется по модулюи по направлению (рис. 19).

Дать ответ о направлении векторасилы, вызывающей изменение скорости,непросто.

Для ответа на вопрос о направлениивектора силы выберем в качестве телаотсчета корабль, движущийся с посто-янной скоростью. Для наблюдателя накорабле мяч перед началом падениябыл неподвижным и затем падал повертикали вниз с возрастающей скоро-стью. Ответ на вопрос о направлениивектора силы очевиден: на мяч со сто-роны Земли действует сила, направлен-ная вертикально вниз (рис. 20).

Точно такая же сила действует намяч и в любой другой системе отсчета,движущейся равномерно и прямолиней-но относительно системы отсчета, свя-занной с кораблем (рис. 21).

45

Рис. 19

Рис. 20

Рис. 21

Таким образом, для определения на-правления силы, вызывающей изме-нение скорости тела, нужно выбрать си-стему отсчета, в которой это тело доначала действия силы было неподвиж-ным. Направление движения тела поддействием силы в такой системе отсчетауказывает направление действия силы.

Как дополнительный пример можнорассмотреть задачу о равномерном дви-жении по окружности тела, подвешен-ного на нити.

Для нахождения ответа на вопросо телах, которые вызывают изменениенаправления скорости движения шара,подвешенного на нити и вращающегосяпо окружности в горизонтальной плос-кости, можно задать учащимся наводя-щие вопросы. Первый вопрос: что будетс неподвижным шаром на нити, еслиперерезать нить? Ответ: он упадет вер-тикально вниз под действием притя-жения Земли. Итак, одно тело, действу-ющее на шар, известно. Второй вопрос:что же мешает шару упасть на Землю?Ответ: противоположно направленнаясила действия нити. Третий вопрос:а как действуют на шар Земля и нитьво время его движения по окружности?

Трудность нахождения правильногоответа на этот вопрос связана лишьс проблемой определения направлениясилы, действующей на вращающийсяшар со стороны нити. Найти ответ наэтот вопрос можно на основании просто-го дополнительного опыта. Мы знаем,что направление вектора силы совпада-ет с направлением движения первона-чально неподвижного тела под действи-

ем этой силы. Положим шар на стол ипопробуем сдвинуть этот шар влево иливправо от прямой, совпадающей с гори-зонтально натянутой нитью. Опыт по-казывает, что нитью можно вызвать из-менение скорости шара только вдольнатянутой нити. Следовательно, со сто-роны нити на вращающийся шар дей-ствует сила, направленная вдоль нити(рис. 22).

Совместное действие этих двух сили вызывает изменение направлениявектора скорости. Способ нахождениярезультата действия нескольких силбудет рассмотрен на следующих уро-ках.

Задача 10.1. Р е ш е н и е. По усло-вию задачи движение камня происходи-ло под действием постоянной силы изсостояния покоя, поэтому для нахож-дения массы камня можно восполь-зоваться формулой

F mvt

= , mFtv

= = ⋅30 0 5

15

,кг = 1 кг.

Задача 10.2. Р е ш е н и е. Так какдвижение камня под действием постоян-ной силы F началось из состояния по-коя, то для нахождения скорости камняможно воспользоваться формулой

F mvt

= , vFtm

= = ⋅40 0 5

2

,м/с = 10 м/с.

Задача 10.3. Р е ш е н и е. Ракета на-чинает движение под действием по-стоянной силы F из состояния покоя.Изменение скорости от 0 до v равно помодулю v, изменение скорости в едини-цу времени равно v/t.

Связь непрерывно действующейсилы с изменением скорости в единицувремени и массой тела известна:

F mvt

= .

Отсюда найдем время t:

tmvF

= = ⋅10 20

500с = 0,4 с.

Задача 10.4. Р е ш е н и е. Движениеавтомобиля под действием постояннойсилы торможения F заканчивается со-стоянием покоя. Изменение скоростиот v до 0 равно по модулю v, изменениескорости в единицу времени равно v/t.

Связь непрерывно действующей силыс изменением скорости в единицу вре-мени и массой тела известна:

F mvt

= .

46

Рис. 22

Отсюда найдем время торможения t:

tmvF

= = ⋅2000 20

8000с = 5 с.

Задача 10.5. Р е ш е н и е. Так какдвижение человека под действием по-стоянной силы F началось из состоянияпокоя, то для нахождения его скоростиможно воспользоваться формулой

F mvt

= , vFtm

= = ⋅700 0 5

70

,м/с = 5 м/с.


Задача 10.6. Модель самолета мас-сой 2 кг начала прямолинейное дви-жение из состояния покоя и через 5 спод действием постоянной силы разо-гналась до скорости 30 м/с. Вычислитесилу, вызвавшую такое изменение ско-рости модели самолета.

Р е ш е н и е. Движение модели само-лета под действием постоянной силы Fначалось из состояния покоя, поэтомудля нахождения силы, вызвавшей из-менение скорости автомобиля, можновоспользоваться формулой

F mvt

= ,

где v — скорость модели самолета че-рез время t после начала действиясилы. Вычислим силу:

F = ⋅2305

Н = 12 Н.

Задача 10.7. При выстреле из ав-томата Калашникова на пулю массой8 г действует сила, равная примерно5600 Н. Время движения пули в стволе

равно примерно 0,001 с. С какой ско-ростью вылетает пуля из ствола авто-мата?

Р е ш е н и е. До выстрела пуля быланеподвижна, т. е. начальная скоростьравна нулю. Во время выстрела напулю в течение 0,001 с действовали по-роховые газы. Для нахождения ско-рости, которую приобрела пуля через0,001 с после начала движения, можноиспользовать формулу

F mvt

= .

Отсюда найдем скорость v:

vFtm

= .

Вычислим скорость:

v = ⋅5600 0 001

0 008

,

,м/с = 700 м/с.

Задача 10.8. С какой скоростью будетдвигаться свободно падающее тело через3 с после начала свободного падения?

Р е ш е н и е. Экспериментально уста-новлено, что при свободном падении наЗемлю на уровне моря скорость любоготела за 1 с изменяется на 9,8 м/с (приотсутствии сопротивления воздуха). Че-рез 1 с после начала падения скоростьтела будет равна 9,8 м/с, через 2 с ско-рость тела увеличится еще на 9,8 м/си станет равной

9,8 м/с + 9,8 м/с = 19,6 м/с,

через 3 с после начала свободного паде-ния скорость тела будет равна:

19,6 м/с + 9,8 м/с = 29,4 м/с.

§ 11. Сила тяжести. Вес

Совпадают ли понятия «вес тела» и«сила тяжести»? В учебнике подробнорассмотрено различие физических ве-личин «масса», «вес» и «сила тяжести».Учителю следует обратить внимание натот факт, что трудности с различениемпонятий «масса» и «вес» существуюттолько на бытовом уровне. Иначе обсто-ит дело с понятиями «сила тяжести» и«вес» (или «сила веса»). Здесь учительможет встретить возражения учащихся(или их родителей) против определенияпонятия «вес», приведенного в учебни-ке. И эти возражения могут быть под-креплены ссылками на другие книги.Например, в «Физическом энцикло-

педическом словаре», выпущенном из-дательством «Советская энциклопедия»в 1984 г. под редакцией академикаА. М. Прохорова, понятие «вес» опреде-ляется так: «Вес — численная вели-чина силы тяжести, действующейна тело, находящееся вблизи зем-ной поверхности». Согласно такомуопределению вес отождествляется с по-нятием модуля вектора силы тяжестии становится избыточным, ненужнымпонятием.

В «Политехническом словаре», вы-пущенном тем же издательством «Со-ветская энциклопедия» в 1976 г. подредакцией академика И. И. Артоболев-

47

ского, понятие «вес» определяется так:«Вес тела — сила, с которой телодействует вследствие тяготенияк Земле на опору (или подвес),удерживающую его от свободногопадения». Это определение совпадаетпо смыслу с приведенным в учебнике.

Эти два определения совершенноразличны. В первом речь идет о модулесилы, действующей на тело, а во вто-ром — о векторе силы, действующей наопору; в первом — о величине, не зави-сящей от движения тела и опоры, а вовтором — о силе, зависящей от движе-ния тела и опоры.

Почему же в двух авторитетных из-даниях принципиально различные вели-чины названы одним и тем же словом?Никакой научной проблемы за этим рас-хождением нет. Есть лишь отсутствиесогласования между учеными-физикамии учеными-техниками по вопросу о том,что следует называть словом «вес».Физики стремятся убрать из научногоупотребления все понятия, не являю-щиеся необходимыми для описания иобъяснения физических явлений. К та-ким понятиям относятся «подъемнаясила», «выталкивающая сила», «силаинерции», «центробежная сила», «силавеса» и многие другие. Употреблениеперечисленных терминов в быту и тех-нике вполне оправдано, так как упро-щает описание явлений и облегчает ихпонимание. Но с точки зрения физикиникаких особых «подъемных», «вытал-кивающих», «центробежных» сил, сил«инерции» и «веса» в природе не су-ществует. Все описываемые с помощьютаких терминов явления вызываютсядействием лишь электромагнитных игравитационных сил. Еще два типа сил,известные в физике, — слабые и силь-ные взаимодействия — в повседневныхявлениях себя не обнаруживают.

Именно нежеланием вводить в фи-зике избыточное понятие объясняетсяпопытка отождествления понятий весаи силы тяжести. Однако эта попытка неможет завершиться успехом, так какв физике не нужно двумя разными сло-вами называть одно и то же, а в тех-нике и быту понятие веса тела вполнеустановившееся и не будет изменено поуказаниям физиков, тем более в насто-ящее время, когда каждый знает о су-ществовании состояния невесомости,о явлении перегрузки при ускоренном

движении в различных транспортныхсредствах.

Факт признания физикой в настоя-щее время возможности употреблениятермина «вес тела» в смысле, принятомв технике, демонстрируется «Физиче-ской энциклопедией», выпущенной из-дательством «Советская энциклопедия»в 1988 г. под редакцией академикаА. М. Прохорова. Понятие «вес» в этомиздании определяется так: «Вес —сила, с которой любое тело, нахо-дящееся в поле сил тяжести (какправило, создаваемое каким-либонебесным телом, например Зем-лей, Солнцем и т. д.), действуетна опору или подвес, препятствую-щие свободному падению тела».Это определение совпадает по смыслус приведенным в учебнике.

Если изучение основного содержа-ния темы прошло успешно и остаетсясвободное время, можно подробнее обсу-дить с учащимися проблему соотноше-ния понятий «масса тела», «вес тела»и «сила тяжести». Начать можно с про-стого опыта с использованием наполь-ных весов.

Первый вопрос учащимся: что изме-ряют с помощью таких весов?

Шкала весов проградуирована в ки-лограммах, поэтому большинство илидаже все ученики ответят, что с помо-щью таких весов измеряют массу тела.Измерим массу учащегося и зададимследующий вопрос: зависит ли массачеловека от того, стоит он на прямыхногах или на согнутых? Очевидно, чтомасса не зависит от движений частейтела человека.

Теперь посмотрим на показания ве-сов, когда стоящий на весах ученикрезко согнет ноги в коленях, и когда онрезко разогнет ноги в коленях.

Теперь два вопроса: почему в пер-вом опыте показания весов на короткоевремя уменьшились, а во втором увели-чились?

Объяснение учащиеся смогут дать,скорее всего, только с помощью наво-дящих вопросов учителя. Нужно знатьили догадываться, как устроены на-польные весы. В них имеются стальныепружины, растягивающиеся при насту-пании человека на площадку весов.При растяжении пружин передаточныймеханизм вызывает вращение шкалы,угол поворота пропорционален силе,

48

действующей на площадку, т. е. весу.Следовательно, этот прибор являетсядинамометром, измеряющим вес тела.

При неподвижности тела и весовсила веса прямо пропорциональна мас-се, поэтому на весах можно измерятьмассу тела. Быстрое сгибание колен че-ловека на весах приводит к уменьше-нию его веса, как в лифте, начинающемдвижение вниз, а распрямление коленприводит к увеличению его веса, какв лифте, начинающем движение вверх.

Еще нагляднее опыт с динамомет-ром, моделирующий изменение весатела в лифте. Сначала удерживаем ди-намометр с подвешенным грузом в рукенеподвижно и замечаем его показа-ния. Затем наблюдаем увеличение весагруза при резком подъеме динамометраи уменьшение веса при резком опуска-нии динамометра (рис. 23).

Если в классе есть любители фото-графии, можно предложить индивиду-альное задание — фотографирование яв-ления невесомости в опыте с падающимдинамометром с подвешенным грузом.

Творческое конструкторское задание.Учащимся, проявляющим повышенныйинтерес к физике и технике, можно пред-ложить творческое конструкторское за-дание: придумать прибор, обнаружива-ющий явление невесомости, изготовитьего и продемонстрировать в классе.

Возможный вариант решения зада-чи. Внутри пластмассового разъемногошара или коробки крепится гальвани-ческий элемент. Выводы гальваническо-го элемента соединяются с пластинами

двух пар замкнутых контактов от реле.Другие пластины контактов соедине-ны с контактами электрической лампы.Когда контакты замкнуты, лампа све-тится.

Далее к контактным пластинам нанитях прикрепляется груз такой массы,чтобы под действием его веса возникалисилы упругости со стороны нитей, до-статочные для размыкания контактов.С подвешенным грузом контакты разо-мкнуты, лампа не светится.

При подбрасывании шара в нем на-ступает состояние невесомости, грузне натягивает нити, контакты замыка-ются (рис. 24). Пока шар в свободномпадении, лампа светится.

Задача 11.1. Р е ш е н и е. Сила при-тяжения груза к Земле Fт равна про-изведению массы m тела на коэффици-ент 9,8:

Fт = 9,8m.

Отсюда масса груза равна:

mF

= =т

9 8

1 96

9 8,

,

,кг = 0,2 кг.

Задача 11.2. Р е ш е н и е. На Землена уровне моря сила тяжести Fт равнапроизведению массы m тела на коэффи-циент 9,8: Fт = 9,8m.

Вычислим силу тяжести, действую-щую на тело массой 50 кг:

Fт = 9,8 ⋅ 50 Н = 490 Н.

Задача 11.3. Р е ш е н и е. На Землена уровне моря сила тяжести Fт равнапроизведению массы m тела на коэффи-циент 9,8: Fт = 9,8m.

49


Отсюда масса тела равна:

mF

= =т

9 8499 8, ,

кг = 5 кг.

Задача 11.4. Р е ш е н и е. Так как ар-буз лежит неподвижно на столе, еговес P по модулю равен силе тяжести Fт:

Р Fт, P = 9,8 ⋅ 10 Н = 98 Н.

Сила веса P приложена к столу.Задача 11.5. Р е ш е н и е. Так как

ведро стоит неподвижно на земле, еговес P по модулю равен силе тяжести Fт:

Р Fт, P = 9,8 ⋅ 6 Н = 58,8 Н.

Сила веса P приложена к земле.Задача 11.6. Р е ш е н и е. Если воз-

душный шар находится вблизи уровняморя, сила тяжести Fт равна произве-дению массы m тела на коэффици-ент 9,8:

Fт = 9,8m.

Вычислим силу тяжести, действую-щую на шар массой 500 кг:

Fт = 9,8 ⋅ 500 Н = 4900 Н.

Задача 11.7. Р е ш е н и е.

Fт = 9,8m 9,8 ⋅ 100 Н = 980 Н.


Задача 11.8. На большой высоте надземлей парашютист прыгает из непо-

движного воздушного шара вниз наземлю. Если бы сопротивления воздухане было совсем, то какой стала бы ско-рость падения парашютиста через 10 спосле прыжка?

Р е ш е н и е. Парашютист падает внизпод действием постоянной силы тяже-сти Fт. Связь действующей силы, изме-нения скорости в единицу времени имассы перемещаемого тела известна:

F mvt

= .

Отсюда найдем скорость движения v:

vFtm

= .

Сила тяжести Fт равна Fт = gm, по-этому скорость равна:

v gtmgt

m= = , v = 9,8 ⋅ 10 м/с = 98 м/с,

v = 98 ⋅ 3,6 км/ч = 352,8 км/ч.

Задача 11.9. На шар, заполненныйгелием и удерживаемый от подъемавверх нитью, действует сила тяжести1 Н. Чему равен вес шара и к какомутелу приложена сила веса?

Р е ш е н и е. Вес неподвижного шараравен по модулю действующей на шарсиле тяжести. Вес равен 1 Н. Сила весаприложена к опоре. Опорой для шараявляется воздух, поэтому сила весаприложена к воздуху.

§ 12. Сила упругости

Экспериментальное исследование си-лы упругости. Для формирования у уча-щихся представлений о силе как век-торной физической величине на первомэтапе изучения физики недостаточноабстрактного словесного определенияпонятия силы. Нужны наглядные де-монстрации действий сил, понятныеспособы измерения сил. Наглядныепредставления о силе как векторнойфизической величине формируются приознакомлении с силой упругости и сприборами для измерения сил, исполь-зование которых основано на свойствахсилы упругости.

Эти пояснения даны для того, чтобыучитель понимал, что главная цель изу-чения силы упругости на этом этапеизучения физики заключается не в изу-чении природы силы упругости (уча-

щиеся еще незнакомы с взаимодействи-ями электрических зарядов, не знаютустройства атомов), а в ознакомлениис практическими способами измерениясил. Поэтому и предлагается простоеэкспериментальное задание «Исследо-вание зависимости удлинения стальнойпружины от приложенной силы».

Если в комплекте оборудования фи-зического кабинета нет комплекта пру-жин на весь класс, то можно выполнитьтакой эксперимент коллективно, исполь-зуя только одну пружину. Способ кол-лективного выполнения эксперименталь-ного исследования описан в § 5. Еслинет такой пружины, можно использо-вать для эксперимента пружину дина-мометра.

Результаты эксперимента представ-лены в таблице 1.

50

Таблица 1

Сила, Н Длина l, ммУдлинение

l, мм

0 45 0

1 57 12

2 70 25

3 82 37

4 94 49

5 107 62

По результатам измерений строятграфик зависимости удлинения пру-жины от приложенной силы (рис. 25).Из графика видно, что все эксперимен-тальные точки лежат на одной пря-мой, следовательно, удлинение пружи-ны прямо пропорционально приложен-ной силе.

Кроме эксперимента с растяжениемпружины с помощью подвешиваемыхгрузов, полезно дать возможность уча-щимся прямого мышечного ощущениясилы в 1 Н, действующей на ладонь состороны груза массой 100 г.

Особого обсуждения заслуживает экс-периментальное задание 12.2 «Исследо-вание зависимости удлинения резиныот приложенной силы». Пример резуль-тата выполнения такого экспериментапредставлен в таблице 2.

По этим результатам построен гра-фик зависимости удлинения резины от

Таблица 2

Сила,Н

Серия 1 Серия 2

Длинаl, мм

Удлине-ние l,

мм

Длинаl, мм

Удлине-ние l,

мм

0 122 0 130 8

0,5 144 22 163 41

1,0 184 62 210 88

1,5 236 112 260 138

2,0 290 168 306 184

2,5 340 218 340 218

приложенной силы (рис. 26). На этомграфике черной ломаной линией пред-ставлены результаты измерений удли-нения резины при ступенчатом увели-чении приложенной силы (серия 1),а серой — результаты измерений приступенчатом уменьшении приложеннойсилы (серия 2).

Учащемуся, впервые приступивше-му к экспериментальным исследовани-ям, может показаться, что различиемежду графиком для стальной пружи-ны (см. рис. 25) и черной линией длярезины (см. рис. 26) может быть оцене-но как не очень существенное. Поэтомунужно научить учащихся читать графи-ки, видеть смысл полученных результа-тов с одного взгляда на график. Что жеможно прочитать на этих графиках?

51

Рис. 25

Рис. 26

Первый важный результат — отсут-ствие прямой пропорциональной зави-симости между приложенной силой иудлинением резины. Это наглядно мож-но продемонстрировать, продолжив от-резок прямой, соединяющий первую ивторую точки графика. В случае пря-мой пропорциональной зависимостина этой штриховой жирной линии (см.рис. 26) должны лежать все остальныеэкспериментально полученные точки.Однако это не так. Последняя точкаэкспериментально полученного графи-ка лежит в 2 раза выше, чем она лежа-ла бы при прямой пропорциональностиудлинения приложенной силы в соот-ветствии с первым этапом растяжения.Значит, график не следует истолковы-вать как график почти прямой про-порциональной зависимости удлиненияот силы.

Второй важный результат — приуменьшении силы растяжения наблю-дается не только отсутствие прямойпропорциональной зависимости удлине-ния от силы (штриховая светлая ли-ния), но и несовпадение результатов из-мерений при увеличении и уменьшениисилы растяжения. Это значит, что дина-мометр с резиновой полосой или рези-новым шнуром давал бы различные по-казания при действии одинаковой силыв зависимости от того, была резина рас-тянута (и на сколько) или не была рас-тянута. Поэтому подобные устройстване следует использовать как измери-тельные приборы.

На этом этапе можно задать учащим-ся вопрос: почему стальная пружинаможет использоваться в приборах дляизмерения сил?

§ 13. Сложение сил

Возрастным особенностям учащихся7 класса для формирования представле-ний о свойствах векторных величиннаиболее соответствует метод экспери-ментального «открытия» законов сло-жения сил. Возможные варианты изу-чения темы «Сложение сил» на основесамостоятельных экспериментов уча-щихся с использованием проблемногометода обучения рассмотрены в главе 1,п. 2 «Проблемное обучение».

Задача 13.1. Р е ш е н и е. Через ко-

нец вектора F�1 проведем прямую, па-

раллельную вектору F�2. Затем на этой

прямой от конца вектора F�1 отложим

отрезок, равный по длине вектору F�2.

Соединив начало вектора F�1 с концом

построенного отрезка, получим вектор

равнодействующей F�3 (рис. 27). Для на-хождения модуля вектора равнодейст-

вующей измерим длину a вектора F �1,затем измерим длину b вектора равно-

действующей F�3. По известному значе-

нию модуля вектора F�1, равному 5 Н,

и измеренным длинам векторов F�1 и F �3вычислим модуль вектора равнодейст-

вующей: Fba3 5= ⋅ H.

Задача 13.2. Р е ш е н и е. Для на-

хождения модулей векторов сил F�1 и F�2проведем через конец вектора равно-

действующей F�3 прямые, параллельные

прямым, на которых лежат векторы F�1

52


и F �2. Точки пересечения этих прямых

отметят положения концов векторов F�1и F�2 (рис. 28). Модули этих векторовопределяются так же, как при решениизадачи 13.1.

Задача 13.3. Р е ш е н и е. Так как рав-

нодействующая F�3 находится пристав-

лением начала вектора F�2 к концу век-

тора F�1, то вектор F�2 можно получить,

соединив конец вектора F�1 с концом век-

тора равнодействующей F�3 (рис. 29).

Модуль вектора силы F�2 определя-ется так же, как при решении зада-чи 13.1.

Необходимо уточнить, что когда го-ворят о приложении действия несколь-ких сил к одной точке тела, то не име-ют в виду буквальное действие сил наодну точку. Опыт показывает, что изме-нение точки приложения силы вдольпрямой, на которой лежит вектор силы,не изменяет результата действия силына тело. Поэтому более точным услови-ем применимости правила сложениявекторов сил является пересечение пря-

мых, на которых лежат векторы сил.В точку пересечения следует переноситьвекторы сил для нахождения равнодей-ствующей, к этой точке приложена рав-нодействующая (рис. 30).

§ 14. Равновесие тел

Задача 14.1. Р е ш е н и е. По рисун-ку 14.4 учебника условие равновесиярычага можно записать в виде равенства

F1l1 = F2l2.

Отсюда следует, что вес груза F1 ра-вен:

FF l

l1

2 2

1

= .

Подставляя значения F2 = 1,75 Нпоказаний динамометра и значениярасстояний l1 = 20 см и l2 = 12 см, нахо-дим вес груза:

F1

1 75 12

20= ⋅,

Н ≈ 1,05 Н.

Задача 14.2. Р е ш е н и е. По рисун-ку 14.3 учебника условие равновесиярычага можно записать в виде равен-ства

F1l1 = F2l2.

Отсюда следует, что если груз весом5 Н подвешен на расстоянии 12 см отоси вращения рычага, то для равнове-сия рычага груз весом 10 Н нужно под-весить на расстоянии

lF l

F2

2 1

2

5 12

10= = ⋅

см = 6 см.

Задача 14.3. Р е ш е н и е. По рисун-ку 14.9 учебника условие равновесиярычага можно записать в виде равен-ства

F1l1 + F2l2 = F3l3.

Отсюда следует, что

lF l F l

F3

1 1 2 2

3

= =+

= ⋅ + ⋅50 000 15 30 000 5

100 000м = 9 м.

53

Рис. 30

Рис. 29

§ 15. Центр тяжести тела

Равнодействующая параллельныхсил. Основной задачей этой темы явля-ется формирование понятия о равнодей-ствующей параллельных сил тяжестии введение понятия о точке приложе-ния этой равнодействующей — центретяжести тела. При этом необходимо об-ратить внимание учащихся на тот факт,что центр тяжести тела может нахо-диться в точке, не совпадающей ни с од-ной из точек тела. Самый простой при-мер — центр тяжести обруча.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 15.1.Это задание на нахождение центра тя-жести тела описано в учебнике подроб-но и не требует дополнительных пояс-нений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 15.2.Для определения массы линейки мож-но воспользоваться условием равнове-сия тела, имеющего ось вращения. Уча-щимся, которые затрудняются само-стоятельно спланировать и выполнитьэксперимент, можно предложить следу-ющую инструкцию.

Порядок выполнения задания1. Положите линейку на карандаш

и, перемещая ее по карандашу, найди-те положение равновесия (рис. 31). От-метьте, против какого деления шкалылинейки находится линия ее соприкос-новения с карандашом в положенииравновесия. На этой линии находитсяцентр тяжести линейки.

2. Положите на один край линейкигирю. Перемещая линейку относитель-но карандаша, найдите новое положе-ние равновесия. Заметьте деление шка-лы линейки, через которое проходитновая линия равновесия (рис. 32).

3. Отсчитайте по шкале линейкирасстояние l1 от новой линии равновесиядо центра тяжести линейки и расстоя-ние l2 от этой линии до центра тяжестигири. По условию равновесия рычагаMgl1 = mgl2, где М — масса линейки;m — масса гири. Отсюда масса линейки

равна Mml

l= 2

1

.

4. Результаты измерений и вычис-лений занесите в таблицу.

m, г l1, см l2, см М, г

Задачи 15.1 и 15.2 на первый взгляддовольно просты. Но это только на пер-вый взгляд. Проанализируем возмож-ные ответы учащихся.

На задачу 15.1, скорее всего, сразубудет предложен ответ примерно в та-кой форме: она внизу тяжелая.

Это в определенной мере правильныйответ, но неполный. Поэтому его легкоопровергнуть примером тяжелого диска,насаженного на вертикальную ось.

Все как будто бы так же, как у нева-ляшки, но ось диска не удается поста-вить вертикально, диск валится набок.Здесь особо «мудрый» ученик может за-гадать учителю загадку, приведя дискво вращение, но к этому ходу можно от-нестись спокойно, сказав: «Подождемнемного и увидим, что будет дальше».После остановки вращения диск валится.

Почему же валится диск, низкоукрепленный на вертикальной оси, а не-валяшка возвращается в вертикальноеположение? При самом небольшом от-клонении оси диска от вертикальногоположения действие силы тяжести и си-лы упругости приводит к увеличениюэтого отклонения, равновесие диска навертикальной оси неустойчивое. Принаклоне неваляшки точка приложениясилы упругости смещается так, что со-вместное действие сил тяжести и упру-гости возвращает ее в вертикальное по-ложение (рис. 33).

При достаточно низком положениицентра тяжести неваляшка может воз-вращаться в вертикальное положениеи из положения лежа (рис. 34).

54

Рис. 32

Рис. 31

Разгадка устойчивости орла на кон-чике клюва в том, что его центр тяже-сти за счет низко расположенных утя-желенных концов крыльев находитсяна вертикальной прямой, проходящейчерез кончик клюва, несколько нижеклюва. Поэтому сила тяжести и сила

упругости, действующие на кончикклюва (рис. 35), при небольших откло-нениях возвращают орла в исходное по-ложение.

Решение задачи 15.3 поясняется ри-сунком 36.

§ 16. Давление

Закон Паскаля. При изучении этойтемы наиболее важным является озна-комление со свойством жидкостей и га-зов передавать оказываемое на них дав-ление по всем направлениям одинаково.Это явление совсем неочевидное и боль-шинству учащихся неизвестное. Поэто-му начинать его изучение целесообраз-но с демонстрационного эксперимента.В учебнике описаны демонстрационныеопыты с использованием самодельногодатчика давления, изготовляемого изстеклянной воронки и резиновой плен-ки. Если в кабинете физики имеетсядатчик давления заводского изготовле-ния, демонстрации можно выполнитьв следующем порядке.

Прежде всего нужно объяснить устрой-ство датчика давления и его принципдействия. Датчик представляет собойнебольшой цилиндр из тонкой и гибкойпластмассы с гофрированными боко-выми стенками. Одно основание цилин-дра приклеено к прочной пластмассовойпластине. На этой пластине имеетсяштуцер с отверстием, на который наде-та пластмассовая трубка. Другой конецтрубки соединяется со стеклянной труб-кой водяного манометра.

Воздух в цилиндре датчика давле-ния, пластмассовой трубке и в одномколене манометра изолирован от возду-ха атмосферы, поэтому при изменении

объема цилиндра датчика изменяетсядавление воздуха не только в цилинд-ре, но и в колене водяного манометра.

До измерения давления внутри жид-кости нужно продемонстрировать важ-ную особенность датчика давления: объ-ем цилиндра датчика изменяется толькопод действием силы со стороны основа-ния гофрированного цилиндра. Для де-монстрации этой особенности датчиканужно соединить его трубкой с водянымманометром и показать, что при попыт-ке сжатия цилиндра с боков объем ци-линдра не изменяется, не изменяетсяи давление. Датчик не чувствует давле-ние на боковые стенки. Точно так жеон не чувствует давление, оказываемоена твердую пластину основания цилинд-ра. При легком нажатии на мягкое осно-вание датчика гофрированный цилиндрсжимается, давление воздуха в нем уве-личивается. Уровень воды в одном ко-лене манометра понижается, в другомповышается (см. рис. 16.4 учебника).

После выяснения принципа действиядатчика давления можно приступитьк выполнению основных опытов. Повер-нем датчик чувствительным основаниемвверх и обратим внимание учащихся натот факт, что до погружения датчикавода в правом и левом коленах маномет-ра находится на одинаковых уровнях.Следовательно, давление воздуха внутри

55

Рис. 33 Рис. 34Рис. 35 Рис. 36

датчика равно атмосферному давлению.При постепенном погружении датчикав воду уровень воды в левом колене мано-метра понижается, а в правом повыша-ется. Опыт показывает, что вода оказы-вает давление сверху вниз на находящи-еся в ней тела. Это давление возрастаетс увеличением глубины погружения.

Результаты первого опыта вполнеожидаемые или даже почти очевидные.Теперь можно поставить первую пробле-му: а давит ли вода на боковые поверх-ности погруженных в нее тел? После вы-сказывания гипотез выполняется опыт сдатчиком при вертикальном расположе-нии плоскости чувствительного основа-ния датчика давления. Опыт показыва-ет, что на одинаковой глубине вода ока-зывает на вертикально расположеннуюповерхность такое же давление, какое нагоризонтальную поверхность сверху вниз.

Вторая проблема: а давит ли вода нагоризонтальную поверхность погружен-ных в нее тел снизу вверх? После вы-сказывания гипотез выполняется опытс датчиком при горизонтальном распо-ложении вниз плоскости чувствитель-ного основания датчика давления. Опытпоказывает, что на одинаковой глубиневода оказывает на горизонтально рас-положенную поверхность такое же дав-ление снизу вверх, какое и на гори-зонтальную поверхность сверху вниз.Таким образом, экспериментальное обо-снование для формулировки закона Па-скаля подготовлено.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 16.1.Для более точной оценки давления, со-здаваемого иглой при прокалываниилиста бумаги, можно подготовить с по-мощью компьютера и принтера поло-ски бумаги с тонкими линиями на рас-стоянии 0,2 мм одна от другой.

Диаметр отверстия определяется принаблюдении с помощью лупы. В одномиз опытов было получено отверстие диа-метром 0,2 мм под действием веса гиримассой 50 г. Вес гири примерно равен:

F = mg ≈ 0,05 ⋅ 9,8 Н ≈ 0,5 Н.

При оценке давления примем пло-щадь острия иглы примерно равнойS = 0,04 мм2 = 0,00000004 м2. Давлениеоказывается примерно равным

pFS

= = 0 5

0 00000004 2

,

,

H

м=

= 12 500 000 Па ≈ 125 атм.

Задача 16.1. Р е ш е н и е. Давление,оказываемое человеком на снег безлыж, равно:

pFS1 2

800

0 08= = H

м,= 10 000 Па.

Давление, оказываемое человекомна снег на лыжах, равно:

pFS2 2

800

0 5= = H

м,= 1600 Па.

Задача 16.2. Р е ш е н и е. Давлениехоботка комара на кожу человека равноотношению силы давления к площадикончика хоботка. При массе комара5 мг его вес примерно равен 0,00005 Н,а при пятикратном превышении весасила давления примерно равна 0,00025 Н.При диаметре 0,01 мм площадь кон-ца хоботка примем примерно равной0,0001 мм2, или 0,0000000001 м2. От-сюда находим давление:

pFS

= = 0 00025

0 0000000001 2

,

,

H

м=

= 2 500 000 Па = 25 атм.

Задача 16.3. Р е ш е н и е. Если мыс-ленно удалить столб жидкости, налитой

56

Рис. 37

поверх воды в правом сосуде, и водуиз левого сосуда, находящегося вышеуровня воды в правом сосуде, то остав-шаяся часть воды в сосудах будет нахо-диться в состоянии равновесия. Непо-движность этой воды свидетельствуето том, что давления, создаваемые стол-бами жидкости на воду слева и справа,одинаковы (рис. 37):

ρ1gh1 = ρ2g (h1 + h2), ρρ

2

1 1

1 2

= +h

h h,

ρ2

1000 0 34

0 38= ⋅ ,

,кг/м3 ≈ 895 кг/м3.


Задача 16.4. В сообщающихся сосу-дах находятся вода и неизвестная жид-кость. В одном сосуде находится толь-ко вода, а в другом — вода и поверх неенеизвестная жидкость. Разность уров-ней жидкостей в сосудах h2 = 10 см,разность уровней воды в сосудахh1 = 40 см (рис. 38). Определите плот-ность неизвестной жидкости. Плот-ность воды 1000 кг/м3.

Р е ш е н и е. Если мысленно удалитьстолб налитой поверх воды жидкостив правом сосуде и воду из левого сосуда,находящегося выше уровня воды в пра-вом сосуде, то оставшаяся часть воды

в сосудах будет находиться в состоянииравновесия. Неподвижность этой водысвидетельствует о том, что давления,создаваемые столбами жидкости наводу слева и справа, одинаковы:

ρ1gh1 = ρ2g (h1 + h2), ρρ

2

1 1

1 2

= +h

h h,

ρ2

1000 0 4

0 5= ⋅ ,

,кг/м3 = 800 кг/м3.

§ 17. Закон Архимеда

Этапы открытия. После ознакомле-ния с легендой открытия закона можнопровести коллективное обсуждение во-проса о том, что же открыл Архимеди как он это сделал. Разумеется, фактвытеснения воды погружающимся те-лом и ощущение потери веса при погру-жении в воду были известны и до Архи-меда. Но как эти явления можно учиты-вать для решения поставленной задачи,первым догадался Архимед. Важно об-ратить внимание учащихся на основныеэтапы процесса открытия.

Первый шаг — наблюдение явленийвытеснения воды погружающимся те-лом и «потери в весе» при погружениитела в воду.

Второй шаг — догадка, гипотезао том, что может следовать из наблюдае-мых явлений. Можно предположить,что ход рассуждений Архимеда былпримерно таким. Выделим мысленновнутри жидкости небольшую часть, на-пример в форме шара (рис. 39, а). Поче-

му эта часть жидкости не опускаетсявниз под действием силы тяжести? На-верное, дело вот в чем. Когда мы ныря-ем в воду, то чувствуем ее давление совсех сторон. Чем глубже мы опускаемсяпод воду, тем больше давление. Следова-тельно, внутри воды одни ее части да-вят на другие, соседние. Силы давленияжидкости на шар снизу больше сил дав-

57

Рис. 38

а) б)

Рис. 39

ления сверху. Если мысленно выделен-ный водяной шар не опускается вниз, тоэто значит, что сумма всех сил давленияжидкости на него направлена вверх ив точности равна по модулю весу этогошара.

А что произойдет с твердым шаромтакого же радиуса из другого вещества,если его поместить внутри жидкостивместо жидкого шара? И в этом слу-чае выталкивающая сила равна весувытесненной жидкости. Шар, вес ко-торого равен весу вытесненной жидко-сти, не тонет и не всплывает. Шар, вескоторого больше веса вытесненной жид-кости, тонет. Шар, вес которого меньшевеса вытесненной жидкости, поднима-ется вверх. Движение вверх прекраща-ется тогда, когда ниже уровня жидко-сти остается такая часть шара, что вы-талкивающая сила становится равнойпо модулю весу тела (рис. 39, б). Весжидкости, вытесненной плавающимтелом, равен весу тела.

Третий шаг — экспериментальнаяпроверка гипотезы. Опыт с плавающимтелом можно выполнить, измерив еговес с помощью весов и объем вытеснен-ной жидкости с помощью измеритель-ного цилиндра. По измеренному объемуи известным значениям плотности водыи ускорения свободного падения вы-числяется вес вытесненной жидкости.Заключительным этапом опыта являет-ся установление равенства веса плаваю-щего тела весу вытесненной воды.

Четвертый шаг — подтвержденнаяопытом гипотеза становится экспе-риментально установленным науч-ным фактом. Такой факт может бытьсформулирован как закон природы илизакон физики: на погруженное в жид-кость тело действует выталкиваю-щая сила, равная весу вытесненнойжидкости.

Эксперименты с ведерком Архиме-да. Опыты с ведерком Архимеда можновыполнить в виде экспериментальнойзадачи. Для постановки проблемы сна-чала показываем имеющееся оборудова-ние — сплошной цилиндр и цилиндри-ческий сосуд, ведерко (рис. 40). Обра-щаем внимание учащихся на тот факт,что цилиндр входит в ведерко и пол-ностью его заполняет (рис. 41). Объемцилиндра равен объему ведерка.

Имеется спиральная пружина, накоторую можно подвесить ведерко и

цилиндр. Около пружины нет шкалыс указанием значений действующихсил упругости, но имеется указатель,которым можно отметить действующеезначение силы. Еще имеются два стек-лянных сосуда с водой.

Теперь формулируем эксперимен-тальную задачу: придумайте такие экс-перименты с использованием данногооборудования, которые наглядно под-твердят закон Архимеда.

В результате обсуждения различныхвариантов могут быть предложены ипроведены такие опыты.

1) Пустое ведерко и цилиндр подве-шиваются на пружине. Указателем от-мечается растяжение пружины под дей-ствием на ведерко и цилиндр силы тя-жести (рис. 42).

58



2) Цилиндр погружается полностьюв воду. Растяжение пружины уменьша-ется, так как, кроме силы тяжести,действующей на ведерко и цилиндр, на-правленной вниз, на цилиндр со сторо-ны воды действует сила Архимеда, на-правленная вверх (рис. 43).

3) Наливаем понемногу воду в ведер-ко. Сила тяжести постепенно увеличива-ется — пружина растягивается (рис. 44).

4) Когда ведерко наполняется докраев, пружина оказывается растянутойровно на столько, на сколько она быларастянута без воды в ведерке и без по-гружения цилиндра в воду (рис. 45). Этозначит, что сила веса воды в ведеркеравна по модулю силе Архимеда, дейст-вующей со стороны воды на цилиндр.

Так как объем цилиндра равен объе-му ведерка, можно сделать вывод, чтона погруженный в воду цилиндр дейст-вует выталкивающая сила, равная весувытесненной жидкости.

Возможный вариант выполненияэкспериментального задания 17.1. Длявычисления архимедовой силы FA, дей-ствующей на тело, тонущее в воде,

нужно измерить объем V тела и умно-жить его на плотность воды:

FA = ρV.

Архимедову силу FA, действующуюна тело, тонущее в воде, можно найтиэкспериментально, измерив с помощьюдинамометра вес Р тела в воздухе исилу Р1, удерживающую тело в равно-весии при погружении его в воду:

P = FA + P1, FA = P − P1.

Результаты расчета и измеренийможно сравнить.

Учащимся, проявляющим интереск самостоятельному выполнению экс-периментов, можно предложить экспе-риментальное задание 17.2 олимпиад-ного уровня. Особенность этого заданияпо определению плотности веществазаключается в том, что в перечень ис-пользуемого оборудования не включе-ны весы и измерительный цилиндр.Поэтому нельзя выполнить задание пу-тем прямых измерений массы и объеманекоторого количества неизвестного ве-щества.

В качестве вещества неизвестнойплотности можно использовать, напри-мер, металлический алюминий или цинкв гранулах, кусочки мрамора или раз-битого камня. Количество вещества долж-но быть достаточным для заполненияпробирки. Возможный вариант выпол-нения экспериментального задания 17.2описан на с. 20. Варианты выполне-ния домашнего экспериментального за-дания по изготовлению «картезианско-го водолаза» описаны на с. 22.

Задача 17.1. Р е ш е н и е. В первом иво втором случаях сила Архимеда равнасиле тяжести, действующей на пробир-ку. При неизменности силы тяжестиодинаковыми будут значения силы Ар-химеда: ρ1V1g = ρ2V2g.

Получаем выражение для вычисле-ния плотности ρ2 неизвестной жидко-сти:

ρ ρ ρ2 1

1

21

1

2

= =V

V

l

l,

где ρ1 и ρ2 — плотности воды и неиз-вестной жидкости; V1 и V2 — объемыпогруженной в жидкость части про-бирки; l1 и l2 — длины погруженной вжидкость части пробирки. Подставляячисловые значения, находим искомуюплотность: ρ2 = 900 кг/м3.

59


Задача 17.2. Р е ш е н и е. Равновесиевесов означает, что вес деревянного брус-ка равен весу гири. Вес тела в воздухеравен разности силы тяжести и силыАрхимеда:

mбg − Vбρвg = mгg − Vгρвg,

m mm m

б

б

бв г

г

гв− = −ρ ρρ ρ ,

m mбб в

бг

г в

г

ρ ρρ

ρ ρρ

− −⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ ,

m mб гб

г

г в

б в

= ⋅−−

ρρ

ρ ρρ ρ ,

mб = ⋅ −−1

8807900

7900 1 2

880 1 2

,

,≈ 1,0012 кг.

Задача 17.3. Р е ш е н и е. Обозначиммассу венца через m, массу серебрав нем через x, тогда масса золота в вен-це равна m − x. Учитывая, что объем Vв

венца равен сумме объемов содержа-щихся в нем серебра и золота, получа-ем уравнение

Vx m x

Ac з

= + −ρ ρ ,

где ρс — плотность серебра; ρз — плот-ность золота. Отсюда масса x серебра

в венце равна x

Vm

=−

−

Ac

c з

ρ

ρ ρ1 1

.

Так как масса золотого слитка равнамассе m венца, то объем Vз золотого

слитка равен Vm

зз

= ρ . Отсюда следует

xV V

=−

−

в з

c з

1 1

ρ ρ

. (1)

Плотности ρc серебра и ρз золотаможно выразить через массу m и объе-мы слитков Vс серебра и Vз золота:

ρсc

= mV

, (2)

ρзз

= mV

. (3)

Из формул (1) — (3) следует

xm V V

V V=

−−

( )в з

c з

. (4)

Подстановкой найденных в опытахчисловых значений величин m, Vв, Vс

и Vз находим значение x массы серебрав венце:

x = −−

2000 240 207

381 207

3 3

3 3

г см см

см см

( ) ≈ 379 г.

Ювелир украл 379 г золота, заменивего серебром.

Задача 17.4. Р е ш е н и е. При мак-симальной нагрузке воздушного шарасила Архимеда FА равна по модулюсумме веса P1 оболочки шара с корзи-ной, веса P2 водорода в шаре и веса P3

полезного груза:

FА = P1 + P2 + P3.

Сила Архимеда равна весу вытес-ненного воздуха:

FА = mвзg = ρвзVg.

Вес водорода в шаре равен:

P2 = mвдg = ρвдVg.

Используя данные из условия зада-чи, находим максимальную массу m3

полезного груза:

P3 = FА − P1 − P2,

m3g = ρвзVg − 200g − ρвдVg,

m3 = ρвзV − 200 − ρвдV == 1,2 ⋅ 300 кг − 200 кг − 0,09 ⋅ 300 кг ≈

≈ 133 кг.

Задача 17.5. Р е ш е н и е. Измеренияна фотографии показывают, что ци-линдр из льда высотой 26 мм плава-ет при погружении в воду на глубину23 мм. По закону Архимеда вес вытес-ненной льдом воды равен весу льда:

mвg mлg, ρвVв = ρлVл, ρвShв = ρлShл.

Отсюда плотность льда равна:

ρρ

л

в в

л

кг м мм

мм= = ⋅h

h

1000 23

26

3/ ≈

≈ 885 кг/м3.


Задача 17.6. На человека, плаваю-щего на поверхности воды, действуетсила Архимеда 800 Н. На сколько уве-личится эта сила после того, как че-ловек дополнительно вдохнет 1 дм3 воз-духа?

Р е ш е н и е. Сила Архимеда, дейст-вующая на плавающего человека, рав-на силе тяжести, действующей на него.После вдоха масса человека увеличи-лась на массу 1 дм3 воздуха, равнуюm1 = ρ1ΔV1 = 1,2 кг/м3 ⋅ 0,001 м3 = 0,0012 кг.Сила Архимеда, действующая на пла-вающего человека, после вдоха уве-личится на ΔF = m1g = 0,0012 ⋅ 9,8 Н ≈≈ 0,012 Н.

60

Но если человек ныряет, то действу-ющая на него сила Архимеда в резуль-тате вдоха увеличится на ΔF = ρ2ΔV1g == 1000 ⋅ 0,001 ⋅ 9,8 Н = 9,8 Н, где ρ2 —плотность воды.

Задача 17.7. В измерительном ци-линдре уровень воды находился на де-лении 100 см3. До какого деления повы-сится уровень воды в цилиндре при опу-скании в воду 20 г льда? Как изменитсяуровень воды в цилиндре после таянияльда? Плотность воды 1000 кг/м3, плот-ность льда 900 кг/м3.

Р е ш е н и е. Если лед плавает в воде,то он вытеснил такое количество воды,что ее вес равен весу льда, а масса вы-тесненной воды равна массе льда, т. е.20 г. Объем вытесненной воды массой20 г равен 20 см3, поэтому уровеньводы в цилиндре повысится до деления120 см3. После таяния льда уровеньводы в цилиндре не изменится.

Если бы лед был полностью погру-жен в воду, то после таяния льда уро-вень воды в цилиндре немного понизил-ся бы, так как объем, занимаемый 20 гльда, больше, чем объем, занимаемый20 г воды, которая образуется в резуль-тате таяния льда. Но плотность льдаменьше плотности воды, и поэтому ледплавает на поверхности, небольшая частьего возвышается над поверхностью воды.Пример такого плавания льда в приро-де — айсберги. Обсуждая эту пробле-му, обязательно задаешь вопрос: какаячасть объема айсберга находится надповерхностью воды?

Возьмем равные массы льда и воды:mл = mв, ρлVл = ρвVв.

Найдем объем воды:

Vв = ρл/ρв ⋅ Vл,Vв = 900/1000 ⋅ Vл = 0,9 ⋅ Vл. (1)

Если выпилить кусок льда точно поразмеру какой-то коробки, поместитьего внутри, отметить уровень его верх-ней поверхности, то после таяния льдасогласно выражению (1) уровень пони-зится на 0,1 часть первоначальной вы-соты.

Задача 17.8. На равноплечих весахпроизведено взвешивание алмазов. Ал-мазы были уравновешены железной ги-рей массой 20 г. Чему равна масса ал-мазов, если взвешивание произведенов воздухе? Плотность воздуха 1,2 кг/м3,плотность алмаза 3545 кг/м3, плотностьжелеза 7974 кг/м3.

Р е ш е н и е. Весы находятся в равно-весии при условии равенства сил давле-ния на чаши весов со стороны алмазови гири. Сила давления тела на опорув воздухе равна разности силы тяжестии силы Архимеда:

mag − Vaρвg = mгg − Vгρвg.

Отсюда получаем:

m mа г

а

ж

ж в

а в

= ⋅−−

ρρ

ρ ρρ ρ .

Подставляя числовые значения, на-ходим массу алмазов:

mа г= ⋅ ⋅ −−20

35457974

7974 1 2

3545 1 2

,

,≈ 20,0038 г.

При такой небольшой разнице меж-ду массой гири и массой, полученнойс учетом действия силы Архимеда натела в воздухе, при взвешивании в воз-духе яблок и помидоров можно не учи-тывать силу Архимеда. Но, например,при взвешивании алмазов следует учи-тывать силу Архимеда.

Задача 17.9. Масса воздушногошара 300 кг. Какая масса гелия потре-буется для заполнения шара для того,чтобы шар мог поднять полезный грузмассой 150 кг? Каким будет объемшара? Плотность воздуха 1,2 кг/м3,плотность гелия 0,178 кг/м3.

Р е ш е н и е. Для подъема шара силаАрхимеда должна быть больше силытяжести, действующей на шар с гру-зом. Обозначим через m массу гелия,через М массу оболочки шара и кор-зины с грузом. Запишем условие ра-венства силы Архимеда силе тяже-сти шара с грузом: Vρвg = (M + m) g,m

M mρ ρг

в = + , где V — объем гелия;

ρг — плотность гелия; ρв — плотностьвоздуха.

Из уравнения следует m M= −ρ

ρ ρг

в г

.

Подставляя значения, получаем:

m = −4500 178

1 2 0 178кг

,

, ,≈ 78,4 кг.

Для подъема шара с грузом необ-ходимо более 78,4 кг гелия, объем

шара должен быть не менее Vm= =ρг

= 78 4

0 178 3

,

, /

кг

кг м≈ 440 м3.

61

§ 18. Атмосферное давление

Урок по изучению атмосферногодавления может иметь много различ-ных сценариев. Но при выборе любогоиз них успех возможен только в случаеиспользования богатых возможностейэтой темы из-за большого выбора де-монстрационных опытов.

Большинство опытов по обнаруже-нию атмосферного давления не требуетспециального оборудования. Стакан,бутылка, пипетка, шприц и многиедругие обиходные предметы могут бытьиспользованы для выполнения демонст-рационных опытов на этом уроке.

Обозначим несколько вариантов по-строения урока. Первым можно назватьпроблемный вариант. Демонстрацион-ные опыты выполняются учителем илизаранее подготовившимися учащимисядля постановки проблемы перед всемиучащимися: почему так происходит?Далее идет коллективное обсуждениевозможных объяснений и формулиру-ется общий вывод.

Второй вариант — выступления уча-щихся с рассказами об основных этапахистории открытия атмосферного давле-ния и с демонстрациями обнаруженныхявлений.

Третий вариант — дискуссионный.Этот вариант учитывается в экспери-ментальном задании 18.1. Задание мож-но выполнить с подготовкой двух группучащихся — сторонников Аристотеля исторонников Торричелли, организовавдиспут между сторонниками двух раз-личных взглядов на проблему сущест-вования пустоты и атмосферного дав-ления. При подготовке диспута можносформулировать его участникам такиеусловия.

Представьте себе, что машиной вре-мени вы перенесены в эпоху Аристотеля,владеете греческим языком и современ-ными знаниями по физике. Но приборыи инструменты вы можете взять с собойлишь такие, какими располагаете в по-вседневной жизни. Ваша задача — от-крыть глаза Аристотелю на факт сущест-вования атмосферного давления, исполь-зуя логические доводы и эксперименты.Имейте в виду, что Аристотель, навер-ное, приведет следующие серьезные до-воды против вашего мнения:

1) Как любая часть воды не тонет вводе, теряя свой вес, так и любая часть

воздуха в воздухе теряет свой вес. Еслиже любая часть воздуха теряет свой вес,то и весь воздух не оказывает давления.

2) Ты утверждаешь, что существуетатмосферное давление, равное давлениюстолба воды высотой 10 м, и ты спосо-бен его выдержать. Площадь твоей спи-ны не меньше 0,2 м2, сила атмосферно-го давления примерно равна:

F = pS = ρgHS ≈ 1000 ⋅ 10 ⋅ 10 ⋅ 0,2 Н == 20 000 Н.

Это вес тела массой 2 т. Ты удер-жишь на своей спине такое тело?

В дискуссии должны принять учас-тие все учащиеся и решить, кто же былправ — Аристотель или Торричелли.

Пример сценария такого диспутаи перечень некоторых опытов с воз-можными вариантами их объясненийпо Аристотелю и Торричелли даныв главе 1 на с. 23—24.

Задача 18.1. Р е ш е н и е. Если при-нять площадь поверхности 1 м2, то силаатмосферного давления будет примерноравной:

F = pS = 100 000 Па ⋅ 1 м2 = 100 000 Н.

Это вес тела массой 10 т.Задача 18.2. Р е ш е н и е. Плотность

атмосферного воздуха на уровнеморя 1,2 кг/м3, атмосферное давление100 000 Па. Если бы плотность воздухане изменялась с высотой, то атмосфер-ное давление у поверхности Земли былобы равно p = ρgh, где h — высота од-нородной атмосферы. Вычислим этувысоту:

hp

g= = ⋅ρ

100 000

1 2 9 8, ,м ≈ 8500 м ≈ 8,5 км.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 18.2.Этот эксперимент легко выполнить,если в вашей местности есть холмыили горы. Для проведения эксперимен-та нужно взять барометр-анероид иснять его показания сначала в одной изнаиболее низко расположенных точекгорода, затем в одной из наиболее высо-ко расположенных точек.

Еще проще эта задача решается,когда есть возможность использоватьлифт в многоэтажном доме. При подго-товке этого эксперимента нужно знать,что вблизи уровня моря атмосферноедавление при подъеме вверх на 100 мпонижается примерно на 12 гПа или на

62

9 мм рт. ст. Так как бытовой барометрпозволяет уверенно заметить изменениядавления 2 гПа или 2 мм рт. ст., то дляобнаружения зависимости атмосферно-го давления от высоты необходимо ееизменение не менее чем на 20 м. В девя-тиэтажном доме опыт проходит вполне

успешно. По найденной разности пока-заний барометра можно оценить раз-ность высот расположения двух мест,в которых проводились измерения.

Вариант выполнения задания 18.3дан в главе 1 на с. 24—25.

§ 19. Сила трения

Природа силы трения. Эксперимен-тальное исследование свойств силы тре-ния, выполненное учащимися, дает хо-роший материал для проведения урокас использованием метода проблемногообучения. Вариант изучения этой темына основе использования метода проб-лемного обучения рассмотрен в главе 1,п. 2 «Проблемное обучение».

В учебнике представлен вариант изу-чения темы, основанный на выполненииучащимися самостоятельных экспери-ментальных исследований. Если выпол-нение фронтальных лабораторных ра-бот оказывается невозможным, то послепроведения демонстрационных опытовможно предложить учащимся задачи поэтой теме. Однако это не лучший вари-ант, так как многие учащиеся в 7 классепри решении задач испытывают затруд-нения.

Задача 19.1. Стул массой 4 кг на го-ризонтальном полу движется равномер-но и прямолинейно под действием силы24 Н. Определите коэффициент трения.

Р е ш е н и е. Коэффициент трения ра-

вен µ = = = ⋅F

N

F

mg

тр тр 244 9 8,

≈ 0,6.

Задача 19.2. Ваза массой 3 кг стоитна горизонтальном столе. Коэффициенттрения равен 0,5. Вычислите значениесилы трения между вазой и столом придействии на эту вазу силы 6 Н, направ-ленной параллельно плоскости стола.Как изменится сила трения при увели-чении действующей силы до 12 Н?

Р е ш е н и е. Для решения задачинужно сначала выяснить, достаточна липриложенная сила для приведения вазыв движение. Если приложенная силабольше максимального значения силытрения покоя, то ваза будет двигаться изначение силы трения будет равно:

Fтр = µN = µmg.Если приложенная сила меньше

максимального значения силы трения

покоя, то ваза не будет двигаться и зна-чение силы трения будет равно прило-женной силе.

Максимальное значение силы тре-ния покоя равно:

Fтр. max = µN = µmg == 0,5 ⋅ 3 ⋅ 9,8 Н ≈ 14,7 Н.

Приложенная сила меньше макси-мального значения силы трения покоя,значит, ваза не будет двигаться. Значе-ние силы трения покоя равно прило-женной силе 6 Н.

При увеличении действующей силыдо 12 Н сила трения покоя увеличитсядо 12 Н.

Задача 19.3. Тарелка массой 0,5 кгстоит на горизонтальном столе. Коэф-фициент трения равен 0,6. Вычислитезначение силы трения между тарел-кой и столом при действии на тарелкусилы 2 Н, направленной параллельноплоскости стола. Как изменится силатрения при увеличении действующейсилы до 4 Н?

Р е ш е н и е. Для решения задачинужно сначала выяснить, достаточнали приложенная сила для приведениятарелки в движение. Если приложен-ная сила больше максимального значе-ния силы трения покоя, то тарелка бу-дет двигаться и значение силы трениябудет равно:

Fтр = µN = µmg.Если приложенная сила меньше

максимального значения силы тренияпокоя, то тарелка не будет двигатьсяи значение силы трения будет равноприложенной силе.

Максимальное значение силы тре-ния покоя равно:

Fтр. max = µN = µmg == 0,6 ⋅ 0,5 ⋅ 9,8 Н ≈ 2,9 Н.

Приложенная сила меньше макси-мального значения силы трения покоя,значит, тарелка не будет двигаться.

63

Значение силы трения покоя равноприложенной силе 2 Н.

При увеличении действующей силыдо 4 Н она превысит максимальное зна-чение силы трения, поэтому тарелкадвижется и на нее действует сила тре-ния скольжения, равная 2,9 Н.

Задача 19.4. Кирпич лежит на полуна стороне площадью 300 см2. Для егоравномерного перемещения по полув этом положении необходимо прило-жить силу 40 Н, параллельную полу.Какую силу, параллельную полу, необ-ходимо приложить к этому кирпичудля его равномерного перемещения пополу, если он будет лежать на другойстороне площадью 150 см2?

Р е ш е н и е. Сила трения не зависитот площади соприкосновения тела с по-верхностью другого тела, поэтому необ-ходимо приложить такую же силу, какв первом случае, 40 Н.

Задача 19.5. Для равномерного пе-ремещения кирпича массой 6 кг пополу необходимо приложить силу 30 Н,параллельную полу. Какую силу, па-раллельную полу, необходимо прило-жить к кирпичу для его равномерногоперемещения по полу, если на негосверху положить гирю массой 4 кг?

Р е ш е н и е. Для равномерного пере-мещения кирпича необходимо прило-жить к нему силу, равную силе тренияскольжения:

F = Fтр = µN = µmg.

Сила трения прямо пропорциональ-на силе нормального давления, поэтомусила трения во втором случае увели-чится. Для вычисления силы трения вовтором случае найдем значение коэф-фициента трения по данным задачи дляпервого случая:

Fтр1 = µm1g, µ =F

m g

тр1

1

.

Во втором случае масса m равнасумме массы m1 кирпича и массы m2

гири: m = m1 + m2. Подставляем полу-ченные выражения для коэффициентатрения и массы в первую формулуи вычисляем значение силы: F mg= =µ

= + = +F

m gm m g

тр1

11 2

306

6 4( ) ( ) H = 50 H.

Задача 19.6. Автомобиль массой800 кг под действием постоянной силытрения уменьшил свою скорость от

10 м/с до 0 за 4 с. Определите силу тре-ния, действующую на автомобиль.

Р е ш е н и е. Силу трения можноопределить по вызванному ею измене-нию скорости тела в единицу времени:

F mvt

= ΔΔ , F = ⋅ =800 2000

104

H H.

Задача 19.7. Объясните, почему принебольшом наклоне доски кирпич на ееповерхности не движется под действи-ем силы тяжести вниз, а при увеличе-нии угла наклона скользит вниз, хотяна кирпич действует такая же сила тя-жести.

Р е ш е н и е. Представим вектор силы

тяжести F� как равнодействующую двух

сил, одна из которых сила F�1 направле-на перпендикулярно плоскости доски,

а другая сила F�2 направлена параллель-но плоскости доски (рис. 46 и 47). Век-

тор силы F�1 равен по модулю силе нор-

мального давления N�, а вектор силы F�2может стать причиной движения кир-пича вниз по доске, как только ее зна-чение превысит максимальное значе-ние силы трения покоя кирпича, равноеFтр. max = µN. Сравнение рисунков 46 и 47для разных углов наклона доски по-

64

Рис. 46

Рис. 47

казывает, что при увеличении угла на-клона доски при одинаковом модуле

вектора силы тяжести F� модуль векто-

ра F�1 и модуль вектора силы нормально-

го давления N� убывают, следовательно,убывает и модуль максимального зна-чения силы трения покоя: Fтр. max = µN.

Модуль вектора силы F�2 при увеличенииугла наклона доски возрастает. Поэтомупри достижении некоторого значения

угла наклона модуль вектора силы F�2превышает максимальное значение силытрения покоя Fтр. max, и кирпич скользитвниз по доске.

§ 20. Энергия

Как найти меру механической энер-гии движущегося тела? Изложение вучебнике данной темы может вызватьу учащихся много вопросов. Объясня-ется это прежде всего сложностью по-нятия «энергия». Достаточно обратитьвнимание на тот факт, что основополож-ник классической механики Исаак Нью-тон в своих трудах не использовал зако-ны сохранения энергии и импульса в ка-честве основных законов природы.

Во времена Ньютона понятие об энер-гии как некоторой сохраняющейся привзаимодействиях тел физической вели-чине только еще начало формироваться.Естественно, что и сегодня невозможновдруг и сразу понять, что такое энергия.Это первый шаг к формированию пред-ставления о том, что имеется некая фи-зическая величина, характеризующаядвижение материи и сохраняющаясяпри любых взаимодействиях.

Могут показаться надуманными по-пытки обоснования выбора того, что на-зывать потенциальной энергией и кине-тической энергией. Не проще ли простосказать: в физике произведение mgh на-звали потенциальной энергией тела,а величину mv2/2 назвали кинетиче-ской энергией тела?

Для ученика это совсем не просто,так как сейчас же возникают вопросы:а почему назвали потенциальной энер-гией именно произведение mgh, а, на-

пример, не дробьmg

h? И почему в физи-

ке назвали два произведения различ-ных физических величин одним словом«энергия» и изменения этих произволь-но названных величин в точности рав-ны друг другу? Таких чудес в науке небывает.

Так что сказать, что это произведе-ние просто назвали словом «энергия»,не будет правдой. Правда в том, чтомногие столетия выдающиеся философы

и ученые-физики искали объяснение не-прекращающемуся движению материи,искали меру этого движения. И тольков XVIII в., научившись измерять массытел и скорости их движения, нашли та-кую меру механического движения тел,которая сохранялась при взаимодейст-виях тел гравитационными силами и си-лами упругости. Даже когда были най-дены выражения для потенциальнойи кинетической энергий, слово «энер-гия» еще не было придумано. Потенци-альную энергию называли «мертвой си-лой», а кинетическую энергию — «жи-вой силой».

Попробуем найти такую меру меха-нической энергии движущегося тела,которая была бы равна изменению егопотенциальной энергии. Можно предпо-ложить, что мерой механической энер-гии движущегося тела является произ-ведение массы тела на скорость дви-жения. Если тело падало из состоянияпокоя с высоты h, то его скорость v дви-жения после прохождения пути h равнаv = gt, а произведение массы тела наскорость движения равно:

mv = mgt.

Полученный результат показывает,что произведение массы на скорость неможет быть мерой изменения потен-циальной энергии тела, так как междупроизведениями величин mgh и mgtни при каких условиях не может бытьравенства. Так как произведение массына коэффициент g дает значение силыв ньютонах, то первое из них выража-ется в ньютонах на метр, а второе —в ньютонах на секунду. Это разные фи-зические величины.

Проверим как второй возможный ва-риант произведение массы тела на квад-рат его скорости. Чтобы сравнить этопроизведение с изменением потенциаль-ной энергии тела, выразим скорость v

65

тела после падения с высоты h через ко-эффициент g и время падения t. Припадении из состояния покоя скорость vтела через t секунд равна v = gt, произ-ведение mv2 равно:

mv2 = mgtv.

Среднее значение скорости за времяпадения равно половине ее конечногозначения v, поэтому произведение tvравно двойному значению пройденногопути h:

tv = 2h.

Таким образом, произведение массытела на квадрат скорости его движенияпри свободном падении равно удвоенно-му произведению массы m тела на ко-эффициент g и высоту падения h:

mv2 = 2mgh.

Отсюда следует, что если мы хотимназывать потенциальной и кинетиче-ской энергиями тела такие физическиевеличины, изменения которых в точно-сти равны друг другу, то либо можноназывать кинетической энергией про-изведение mv2, тогда потенциальнойэнергией нужно называть произведение2mgh, либо потенциальной энергией на-зывать произведение mgh, тогда кине-тической энергией следует называть ве-личину mv2/2. В физике выбран былвторой вариант определения понятийпотенциальной и кинетической энер-гий.

Кинетическая энергия после паде-ния тела с высоты h равна потенциаль-ной энергии тела на высоте h:

E mghmv mgtv

к = = =2

2 2.

Задача 20.1. Р е ш е н и е. Потенци-альная энергия тела массой m на рас-стоянии h от поверхности земли равна:

Eп = mgh.

Масса тела 50 кг. Потенциальнаяэнергия тела на высоте 2 м от поверх-ности земли равна:

Eп = 50 ⋅ 9,8 ⋅ 2 = 980 Дж.

Потенциальная энергия тела у по-верхности земли (h = 0) равна:

Eп0 = 50 ⋅ 9,8 ⋅ 0 = 0.

Вся потенциальная энергия превра-тилась в кинетическую энергию. Кине-тическая энергия тела у поверхностиземли будет равна 980 Дж.

Задача 20.2. Р е ш е н и е. Кинетиче-ская энергия автомобиля, движущегосясо скоростью v, равна:

Eк1 = mv2/2.

Если скорость автомобиля увеличи-лась в 2 раза, его кинетическая энергияравна:

Eк2 = m (2v)2/2 = 4 ⋅ mv2/2 = 4Eк1.

Кинетическая энергия автомобиляувеличилась в 4 раза.

Задача 20.3. Р е ш е н и е. Обозначиммассу грузовика через mг, скорость гру-зовика через vг, массу легкового авто-мобиля через mл, скорость легковогоавтомобиля через vл.

По условию задачи

mг = 2mл, vг = vл/2.

Найдем кинетическую энергию гру-зового автомобиля в принятых обозна-

чениях: Em v

mv

m vк г

г гл

л

л л= = = =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

2

2

2

22

212 2

= 12Eк л

.

Кинетическая энергия грузовикав 2 раза меньше кинетической энергиилегкового автомобиля.

Задача 20.4. Р е ш е н и е. Потенци-альная энергия человека изменится на

Eп = mgh = 50 ⋅ 9,8 ⋅ 100 Дж == 49 000 Дж.

Задача 20.5. Р е ш е н и е. Потенци-альная энергия человека равна:

Eп = mgh = 50 ⋅ 9,8 ⋅ 20 Дж = 9800 Дж.

Задача 20.6. Р е ш е н и е. Выразимскорость теннисного мяча в метрах

в секунду: vм = ⋅108 1000

3600м/с = 30 м/с.

Выразим массу теннисного мяча

в килограммах: mм = 501000

= 0,05 кг.

Кинетическая энергия теннисногомяча равна:

Em v

к м

м м= = ⋅2 2

2

0 05 30

2

,Дж = 22,5 Дж.

Средняя скорость спортсмена равна

v = 10010

м/с = 10 м/с.

Кинетическая энергия спортсменаравна

Em v

к c

c c= = ⋅2 2

2

60 10

2Дж = 3000 Дж.

66

Кинетическая энергия спортсменабольше кинетической энергии мяча

вE

E

к c

к м

= 300022 5,

≈ 133 раза.

Этот результат может вызвать удив-ление, поскольку в чувственном воспри-ятии понятия «энергия» на первом ме-сте стоит понятие «скорость». А в этойзадаче скорость мяча в 3 раза превыша-ет скорость спортсмена-спринтера.

Задача 20.7. Р е ш е н и е. Если нетсопротивления воздуха, мяч будет ле-теть вверх до тех пор, пока вся егокинетическая энергия не будет израс-ходована на увеличение потенциальнойэнергии. Это значит, что потенциаль-ная энергия в верхней точке траектории

мяча будет равна его кинетическойэнергии в нижней точке траектории:

Eп = Eк, mghmv=

2

2, h

vg

=2

2.

Для вычисления значения высотыподъема мяча выразим сначала значе-ние его начальной скорости в основныхединицах — в метрах в секунду:

v = 216 км/ч = 2163 6,

м/с = 60 м/с.

Вычислим высоту подъема мяча:

hvg

= = ⋅2

23600

2 9 8,м ≈ 184 м.

Это высота дома примерно в 60 эта-жей!

§ 21. Работа. Мощность

Связь изменения кинетической энер-гии тела с действием силы. Проблемавведения понятия «работа» тесно свя-зана с проблемой введения понятия«энергия». Кажется, что здесь нет ника-кой проблемы. Просто в физике про-изведение силы на путь, пройденныйв направлении действия силы, назвалиработой. Но тут опять начинаются чуде-са: назвали еще одно произведение фи-зических величин еще одним новымсловом «работа», и вдруг оказалось, чтоэта работа в точности равна изменениюкинетической энергии тела под действи-ем этой силы.

И такого чудесного, случайного сов-падения в физике не произошло. В дей-ствительности в физике назвали работойсилы изменение кинетической энергиитела под действием этой силы. А выра-жение, связывающее работу силы с прой-денным путем, нашли преобразованиемформулы, выражающей изменение кине-тической энергии под действием силы.Так что формула

A = Fsне является определением понятия «ра-бота», а является лишь формулой длявычисления работы силы.

Для учащихся, у которых возникнетвопрос о том, как установлена связьмежду действием на тело постояннойсилы F и изменением кинетическойэнергии тела, можно сделать следую-щие преобразования.

Если в начальный момент временискорость тела была равна нулю, то по-

сле начала действия постоянной силы Fизменение скорости v в единицу време-ни равно v/t, а сила равна:

F mvt

= .

Отсюда скорость равна vFtm

= .

Подставляем это выражение дляскорости в формулу изменения кинети-

ческой энергии ΔEк тела: ΔE mvк = =

2

2

= =⋅mvFtm v

F t2 2

.

При увеличении скорости тела от 0до v ее среднее значение равно 0,5v.Произведение 0,5vt равно пройденно-му пути s. Произведя замену 0,5vt = s,получаем, что при действии постоян-ной силы и движении тела по направ-лению вектора силы изменение кине-тической энергии тела равно произве-дению модуля действующей силы напройденный путь:

A = ΔEк = Fs.

Задача 21.1. Р е ш е н и е. A = Fs == mgh = 200 ⋅ 9,8 ⋅ 2 Дж ≈ 3920 Дж.

Задача 21.2. Р е ш е н и е. Изменениекинетической энергии автомобиля рав-но работе силы на пройденном пути:

ΔEк = A = Fs.

Отсюда можно найти силу, вызвав-шую изменение кинетической энергии:

FE

s

mv

smvs

= = =−Δ к

2

220

2.

67

Выразим скорость автомобиля в мет-рах в секунду:

v = 1083 6,

м/с = 30 м/с

и вычислим значение силы:

F = ⋅⋅

1000 900

2 150Н = 3000 Н.

Задача 21.3. Р е ш е н и е. Мощностьравна отношению совершенной работык времени совершения работы: N = A/t.

Работа равна изменению кинетиче-ской энергии: A = ΔEк.

Отсюда полезная мощность спорт-смена была равна:

NAt

E

tmvt

= = =Δ к

2

2,

N = ⋅⋅

75 100

2 5Вт = 750 Вт.

Задача 21.4. Р е ш е н и е. Работаравнодействующей всех сил при раз-гоне самолета равна изменению кине-тической энергии самолета: A = ΔEк.

Выразим скорость самолета в мет-рах в секунду:

v = 3603 6,

м/с = 100 м/с.

Вычислим работу: A Emv= = =Δ к

2

2

= ⋅160 000 10 000

2Дж = 800 000 000 Дж.

Задача 21.5. Р е ш е н и е. Работасилы трения при торможении автомо-биля равна изменению кинетической

энергии автомобиля: A Emv= = − =Δ к 0

2

2

= − mv2

2.

Выразим скорость в метрах в секун-ду и вычислим работу силы трения:

v = 723 6,

м/с = 20 м/с,

A = − ⋅1500 400

2Дж =

= −300 000 Дж = −300 кДж.

Мы получили отрицательное значе-ние для работы силы трения при тор-можении автомобиля, так как измене-ние кинетической энергии определяетсякак разность между конечным и началь-ным значениями кинетической энергии,а конечное значение энергии оказалосьменьше начального значения энергии.По-другому можно сказать, что значе-ние работы получилось отрицательнымпо той причине, что вектор силы трения

при торможении направлен противопо-ложно вектору скорости.

Задача 21.6. Р е ш е н и е. Работа рав-нодействующей всех сил, действующихна пассажира, равна изменению его ки-нетической энергии:

A Emv mv

= = −Δ к22

12

2 2.

Подставив значения конечной и на-чальной скоростей автобуса, вычислимработу:

A = −⋅ ⋅80 400

2

80 100

2= 12 000 Дж.

Задача 21.7. Р е ш е н и е. Полезнаямощность двигателя равна полезной ра-боте, деленной на время ее совершения:N = A/t.

Полезная работа равна изменениюкинетической энергии автомобиля:

Amv=

2

2.

Выразим конечную скорость автомо-биля в метрах в секунду и вычислиммощность:

v = 1083 6,

м/с = 30 м/с, NAt

mvt

= = =2

2

= ⋅⋅

1700 900

2 6Вт = 127 500 Вт.

В киловаттах это равноN = 127,5 кВт,в лошадиных силах равно

N = 127 500

735 5

Bт

Bт л с, / . .≈ 173 л. с.

Задача 21.8. Р е ш е н и е. Если дви-гатель автомобиля будет развивать мак-симальную мощность в течение всегоуказанного времени, то за время t авто-мобилем будет произведена работа

A = Nt.Предположим, что вся работа двига-

теля затрачена на изменение кинетиче-ской энергии:

A = ΔЕк = mv2/2 − 0 = mv2/2.

Найдем мощность автомобиля:

NAt

E

tmvt1

1 1

2

12= = =

Δ к ,

N1

2000 900

2 5= ⋅

⋅ Вт = 180 000 Вт,

N1

180 000

735 5=

,л. с. ≈ 245 л. с.

Мощность двигателя автомобилядолжна быть равна 245 л. с., чтобы ав-

68

томобиль смог за 5 с развить скоростьдо 108 км/ч.

Автомобиль с максимальной мощно-стью 170 л. с. не сможет за 5 с разо-гнаться до скорости 108 км/ч.

За сколько секунд автомобиль, име-ющий максимальную мощность 170 л. с.,сможет развить скорость до 108 км/ч?

Найдем это время:

tAN

N t

N22

1 1

2

900 000

170 735 5= = =

⋅⋅ ,

с ≈ 7,2 с.

Задача 21.9. Р е ш е н и е. При движе-нии с постоянной скоростью двигателиэлектровоза совершают работу, которуюможно найти, умножив модуль силытяги F на пройденный путь s:

A = Fs = Fvt.Если вся мощность электровоза бу-

дет использоваться на создание силытяги, то работа A, совершенная этойсилой за время t, будет равна произве-дению мощности N на время t:

A = Nt.Из двух выражений для совершен-

ной работы получаем равенствоNt = Fvt.

Из полученного равенства находиммощность двигателей:

N = Fv.

Скорость электровоза выразим в мет-рах в секунду:

v = 36 км/ч = 36/3,6 м/с = 10 м/с.

Находим мощность двигателей элек-тровоза:

N = 300 000 ⋅ 10 Вт = 3 000 000 Вт == 3000 кВт.

Задача 21.10. Р е ш е н и е. Предпо-ложим, что вся работа А, совершен-ная мышцами ног человека, затраченана изменение его потенциальной энер-гии:

A = Nt = ΔЕп = mgh, (1)

где h — расстояние от земли до пятогоэтажа. Из выражения (1) найдем мощ-ность:

NAt

mgh

t= = ,

N = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅50 9 8 0 2 20 5

98

, ,Вт = 100 Вт.

Мощность человека равна мощности100-ваттной электрической лампы!

Задача 21.11. Р е ш е н и е. Работа Aпри равномерном движении равна:

A = Fs = 3 Н ⋅ 1 м = 3 Дж.

§ 22. Простые механизмы

Опыты с простыми механизмами.При изучении физических принциповдействия простых механизмов нужно по-мнить, что большинство школьников неимеют практического опыта при исполь-зовании простых механизмов. Поэтомупри объяснении обязательно нужно про-демонстрировать механизмы в действии,а при решении задач по возможностииспользовать не только рисунки в учеб-нике, но и наклонную плоскость, бло-ки, установленные на демонстрационномстоле. Плоскогубцы, кусачки, ножницыможно раздать учащимся для того, что-бы они производили расчеты не по кар-тинкам, а на основе собственных измере-ний.

Для самостоятельных опытов можноиспользовать набор деталей для сборкипростых механизмов.

В комплект деталей этого набора вхо-дят рычаг, наклонная плоскость, блоки,

зубчатые колеса, ручка, крепежные вин-ты. Для выполнения лабораторных за-даний на измерение сил и расстояний,например для определения КПД наклон-ной плоскости, кроме набора необходи-мы также динамометр и измерительнаялинейка.

Можно предложить задание на кон-струирование более сложных механиз-мов, например подъемного крана. Затемна уроке физики поставить задачу опре-деления выигрыша в силе собранногомеханизма.

Задача 22.1. Р е ш е н и е. Доказать,что при подъеме груза по наклоннойплоскости длиной l на высоту h без тре-ния выигрыш в силе равен отноше-нию l/h, можно следующим способом.Выделим на рисунке 48, изображаю-щем наклонную плоскость, треугольниксо сторонами l, h и горизонтальной пря-мой, соединяющей концы этих сторон.

69

Силу тяжести mg�, действующую на бру-сок, представим как равнодействующую

двух сил, силы F�1, направленной парал-лельно наклонной плоскости, и силы

F�2, направленной перпендикулярно на-

клонной плоскости. Действие силы F�2на брусок компенсируется действием

силы упругости N�, равной по модулю и

направленной противоположно силе F�2.Поэтому для равномерного движениябруска вверх по наклонной плоскостипри отсутствии сил трения нужно при-

ложить силу F�, равную по модулю

силе F�1 и направленную противополож-но ей. Получаемый при этом выигрыш

в силе равенmg

F

mg

F=

1

.

Доказать, что выигрыш в силе прииспользовании наклонной плоскостидлиной l и высотой h при отсутствии

сил трения равенmg

F

mg

Flh

= =1

, можно

путем непосредственных измерений

длин векторов сил mg� и F�1 с после-дующим вычислением их отношенияи измерений длины l и высоты h с по-следующим вычислением их отноше-ния.

Задача 22.2. Р е ш е н и е. При пово-роте рычага вокруг оси О на угол α(рис. 49) сила F1 совершает работу

A1 = F1s1 = F1l1α.

Работа силы F2 с плечом l2 при этомравна:

A2 = F2s2 = F2l2α.

Из условия равновесия рычага

F1l1 = F2l2

и одинакового значения угла α следуетравенство работ

А1 = А2, А1/А2 = 1.

Задача 22.3. Р е ш е н и е. При подъе-ме груза с помощью неподвижного бло-ка выигрыша в работе получить нельзя,потому что при отсутствии трения сила,способная вызвать перемещение груза,равна силе тяжести груза. Перемещениегруза равно пути, на котором действуетприложенная сила (концы нерастяжи-мой веревки перемещаются на одинако-вые расстояния) (рис. 50).

При подъеме груза с помощью по-движного блока выигрыша в работе по-лучить нельзя. При отсутствии трения

сила F�2, способная вызвать перемеще-ние груза, в 2 раза меньше силы тяже-

сти F�1 груза (рис. 51), так как вес урав-новешивается действием силы упру-гости со стороны двух нитей. Но приэтом перемещение s1 груза в 2 разаменьше пути s2, на котором действует

сила упругости F�2, поднимающая груз:F1 = 2F2, s2 = 2s1, F1s1 = F2s2. Эти теоре-тические обоснования желательно про-верить в опытах с использованием бло-ков, грузов и динамометров.

70

Рис. 49

Рис. 50

Рис. 48

Задача 22.4. Р е ш е н и е. Человекулегче поднимать тяжелый груз вверхс помощью неподвижного блока, нахо-дясь на земле и прилагая силу, направ-ленную вниз, чем просто поднимать егос помощью веревки вверх, потому чтоему при этом достаточно лишь крепкодержаться за веревку руками и подги-бать ноги, действуя собственным весом(рис. 52).

Задача 22.5. Р е ш е н и е. Системаиз подвижного и неподвижного блоковдает выигрыш в силе в 2 раза и не даетвыигрыша в работе.

Задача 22.6. Р е ш е н и е. Выигрышв силе, даваемый плоскогубцами, за-висит от того, как ими пользоваться.Если рукоятки плоскогубцев сжимают-ся рукой так, что силы со стороны рукиприложены к самой выступающей частирукояток, а губки плоскогубцев исполь-зуются для захвата какой-то деталисамыми концами губок (рис. 53, а), тона основании правила равновесия рыча-га можно записать равенство F1l1 = F2l2.

Выигрыш в силе равенF

F

l

l2

1

1

2

= . Для

определения выигрыша в силе нужноизмерить плечи l1 и l2 рычагов и вычис-лить их отношение. Измерения жела-тельно выполнять не по рисунку в учеб-нике, а с использованием настоящихплоскогубцев.

Максимальное значение выигрышав силе плоскогубцы дают при использо-вании их для перекусывания прово-локи или какой-то детали, когда зна-чение плеча l1 рычага максимально,а значение плеча l2 рычага минимально(рис. 53, б).

71

Рис. 53Рис. 52

Рис. 51

Задача 22.7. Р е ш е н и е. Плечо

силы F�1 равно 4 см, плечо силы F�2 рав-но 32 см. Рука как рычаг проигрываетв силе в 8 раз. Для удержания груза ве-сом 98 Н мышца должна действоватьсилой 784 Н.

Задача 22.8. Р е ш е н и е. При нажа-тии ноги на педаль тормоза (рис. 54)поршень П оказывает давление на мас-ло в цилиндре Ц. Масло через шланг Шпо закону Паскаля передает оказывае-мое на него давление на поршни Р в ци-линдре С. Повышение давления маслав цилиндре С приводит поршни Р в дви-жение, перемещение поршней прижи-мает тормозные колодки Т к барабану Бвращающегося колеса. Происходит тор-можение вращения колеса.

После прекращения нажатия на пе-даль тормоза давление масла в системеуменьшается, пружина 1 возвращает по-ршень П в исходное состояние, а пружи-на 2 оттягивает тормозные колодки отбарабана Б, торможение прекращается.

Чтобы найти силу давления F�2 порш-ня тормозной системы на тормозную

колодку при известной силе F�1 нажатияноги водителя на педаль тормоза, нуж-но сначала определить силу давленияна поршень П. Считая, что педаль какрычаг дает выигрыш в силе примернов 2 раза (см. рис. 54), получаем силудавления на поршень П, равную 100 Н.

По тому же рисунку диаметр поршня Рпримерно в 1,5 раза больше диаметрапоршня П, следовательно, его площадьпримерно в 2,25 раза больше площадипоршня П. Поэтому при одинаковомдавлении масла в системе сила давле-ния поршня Р в 2,25 раза больше силыдавления поршня П и равна 225 Н.


Задача 22.9. На рисунке 55 представ-лена схема устройства гидравлическогоподъемника автомобилей. Объясните посхеме принцип действия этого подъем-ника. Каково назначение клапанов 1 и 2и как они могут быть устроены? Какоедавление масла в системе необходимосоздать для подъема автомобиля массой1,5 т, если площадь цилиндра подъем-ника 1000 см2? С какой силой при этомдолжен давить на масло поршень насо-са, если площадь поршня 10 см2? Какойвыигрыш в силе обеспечивает этот гид-равлический подъемник?

Р е ш е н и е. Принцип действия подъ-емника следующий. При движении пор-шня П1 вниз давление масла в цилинд-ре Ц1 повышается. Повышение давленияприводит к тому, что заслонка клапа-на 1 закрывает отверстие клапана, и вы-ход масла в бак Б оказывается невоз-можным. Заслонка клапана 2 при повы-шении давления открывается, и порциямасла поступает в цилиндр Ц2 подъем-ника. Поршень П2 подъемника немно-го поднимается вверх и поднимает ма-шину. При движении поршня П1 вверхдавление масла в цилиндре Ц1 насосапонижается. Понижение давления при-водит к тому, что заслонка клапана 2закрывается, и масло из цилиндра Ц2

не выходит. Заслонка клапана 1 откры-вается, и порция масла поступает избака Б. При следующем движении пор-шня П1 вниз новая порция масла выдав-

72


ливается в цилиндр Ц2, и автомобильеще немного поднимается вверх. Такпроисходит перекачка масла из бака Бв цилиндр Ц2 и подъем автомобиля.Для опускания автомобиля нужно от-крыть кран на нижней трубе, соединя-ющей цилиндр Ц2 с баком Б.

Давление масла в системе для подъ-ема автомобиля массой 1,5 т при пло-щади цилиндра Ц2 подъемника1000 см2 = 0,1 м2 должно быть равно:

pFS

mg

S= = = ⋅1500 9 8

0 1 2

,

,

H

м= 147 000 Па.

При площади поршня подъемникав 100 раз большей площади поршня на-соса, гидравлический подъемник даетвыигрыш в силе в 100 раз.

Простые механизмы и машины.При изучении принципов действия про-стых механизмов можно предложитьнескольким учащимся подготовить со-общения о замечательных изобрета-телях машин и механизмов древнеговремени — Архимеде и Героне Алек-сандрийском — с показом схем илидействующих моделей изобретенныхими машин. Примеры хрестоматийныхматериалов об Архимеде и Героне при-ведены ниже.

В древнее время механика рассмат-ривалась как наука о простых маши-нах. Ее основой были теория рычага,изложенная Архимедом в сочинении«О равновесии плоских фигур». Маши-ны, построенные с использованием ры-чага и колеса, помогли человеку «пере-хитрить» природу. Отсюда и пошло на-звание «механика». Греческое слово«механе» означало орудие, приспособ-ление, осадную или театральную маши-ну, а также уловку, ухищрение.

Архимед родился в 287 г. до н. э.в Сиракузах на острове Сицилия. ОтецАрхимеда, астроном и математик Фи-дий, дал сыну хорошее образование. Со-вершив путешествие в египетский городАлександрию, Архимед познакомилсятам с самыми выдающимися ученымисвоего времени, изучил труды Демокри-та, Евдокса и других ученых. После воз-вращения в Сицилию Архимед зани-мался математикой и астрономией. Онпервым решил задачу, которую до негоникто решить не мог — нашел способвычисления поверхности и объема шара.О занятиях Архимеда астрономией сви-детельствуют рассказы о построенной

им астрономической сфере, захваченнойМарцеллом в качестве военного трофея,и сочинение «Псаммит», в котором Ар-химед подсчитывает число песчинок воВселенной. Результат, полученный Ар-химедом, выражается в современныхобозначениях числом 1063. В сочиненииАрхимеда впервые в истории науки со-поставляются две системы мира: геоцен-трическая, в центре которой находитсяЗемля, и гелиоцентрическая, в центрекоторой находится Солнце.

Для современников наиболее изве-стными были достижения Архимедав области механики. Он изобрел водо-подъемный винт (винт Архимеда) (см.рис. 3.8 учебника), разнообразные во-енные машины для метания копий идротиков, для поднятия и потоплениякораблей. Под руководством Архимедабыло построено много машин разногоназначения.

Во время осады Сиракуз римлянамив 212 г. до н. э. Архимеду было 75 лет.Построенные Архимедом мощные мета-тельные машины забрасывали римскиевойска тяжелыми камнями. Думая, чтоони будут в безопасности у самых стенгорода, римляне кинулись туда, но в этовремя легкие метательные машиныблизкого действия забросали их градомядер. Мощные краны захватывали же-лезными крюками корабли, приподни-мали их кверху, а затем бросали вниз,так что корабли переворачивались и то-нули.

Римляне вынуждены были отказать-ся от мысли взять город штурмом и пе-решли к осаде. Историк древности Поли-бий писал: «Такова чудесная сила од-ного человека, одного дарования, умелонаправленного на какое-либо дело…римляне могли бы быстро овладеть го-родом, если бы кто-либо изъял из средысиракузян одного старца».

Только вследствие измены Сиракузывсе-таки были взяты римлянами осенью212 г. до н. э. При этом Архимед былубит.

Об Архимеде рассказывали, что онзаявил: «Дайте мне точку опоры, и япереверну весь мир!» Так он объяснялнеограниченные возможности выигры-ша в силе с помощью рычага.

Машины Герона Александрийского.Первые тепловые машины были соз-даны в I—II вв. до н. э. выдающимсяизобретателем того времени Героном

73

Александрийским. Герон создал устрой-ство эолипил, которое сегодня назвалибы реактивной паровой турбиной. По-лый шар с двумя выступающими про-тивоположно направленными трубкамибыл соединен трубкой с сосудом, час-тично заполненным водой, и мог вра-щаться на этой трубке как на горизон-

тально расположенной оси. Когда подсосудом разводили огонь и вода в немзакипала, пар поступал в шар по широ-кой трубке, вырывался из него черезмалые отверстия на концах изогнутыхтрубок в двух противоположных на-правлениях и вызывал вращение шара.Так за счет энергии огня возникало ме-ханическое движение тела.

Герон изобрел устройство для авто-матического открывания дверей храма.Огонь, зажженный на бронзовом жер-твеннике, нагревал воздух в сосудепод жертвенником. В результате на-гревания воздух расширялся и вытал-кивал воду из сосуда по сифону в бак.Бак становился тяжелее, опускался ичерез систему блоков и веревок пово-рачивал двери на петлях.

Можно задать вопрос учащимся отом, как давно, по их мнению, изобре-тен прибор для измерения пройденногопути, который используется в автомо-биле (см. § 6 учебника). Для большин-ства из них будет неожиданным сооб-щение о том, что такой прибор былизобретен Героном Александрийскимболее двух тысяч лет тому назад и на-зван годометром. Принцип действия го-дометра такой же, как у современныхприборов. При одном полном оборотеколеса транспортное устройство (древ-няя колесница или современный авто-мобиль) проходит расстояние, равноедлине окружности, и в годометре вызы-вает поворот первого диска на опреде-ленный угол. Винт на одной оси с дис-ком вызывает вращение второго дискаи так далее до стрелки, указывающейпройденный путь по шкале.

§ 23. Механические колебания

Задачей изучения этой темы в 7 клас-се является первое знакомство с ме-ханическими колебаниями как особымвидом механического движения тел.Учащиеся должны научиться узнаватьмеханические колебания, различать сво-бодные и вынужденные колебания, уметьопределять на опыте период, частоту иамплитуду колебаний.

Основное внимание на уроке целесо-образно уделить выполнению экспери-

ментального задания по изучению ко-лебаний маятника, так как усвоениетаких понятий, как период, частота иамплитуда колебаний, лучше всего про-исходит в процессе самостоятельноговыполнения эксперимента учащимися.

Второй задачей является выяснениемеханизма возникновения механиче-ских колебаний на примерах колебаниймаятника и груза на пружине. При на-личии достаточного количества учебно-

74

Годометр

Эолипил Герона

го времени процесс возникновения сво-бодных механических колебаний в сис-теме взаимодействующих тел можнорассмотреть как на уровне динамикивзаимодействия тел с выяснением при-чин изменений модуля и направлениявектора равнодействующей сил, так ина уровне явлений взаимного превра-щения потенциальной и кинетическойэнергий тела в процессе свободных ме-ханических колебаний.

Задача 23.1. Р е ш е н и е. Если сере-дина струны гитары проходит расстоя-ние 0,5 см между крайними положени-ями за 0,001 с, то это значит, что онасовершила половину одного полного ко-лебания, так как после совершения од-ного колебания тело возвращается в ис-ходное положение и движется с той жескоростью. Следовательно, период Tколебаний в 2 раза больше и равен0,002 с. Частота ν колебаний связанас периодом T колебаний формулой

ν = 1T

и равна ν = 500 Гц. Амплитуда

колебаний струны в 2 раза меньше рас-стояния между крайними точками, ко-торых достигает колеблющееся тело,и равна 0,25 см.

Задача 23.2. Р е ш е н и е. При часто-те колебаний 0,5 Гц период колебаний

равен T = = =1 10 5

2ν , Гцc.

Перемещение маятника из крайнегоположения в положение равновесияпроисходит за 1/4 часть периода коле-баний, т. е. за 0,5 с.

Задача 23.3. Р е ш е н и е. Расстояниеот крайнего положения до положенияравновесия, равное амплитуде колеба-ний, груз проходит за 1/4 часть перио-да колебаний. За один период колеба-ний при амплитуде колебаний 25 смгруз проходит путь 1 м. При частоте0,4 Гц груз за 10 с совершает числоколебаний, равное n = νt = 0,4 ⋅ 10 = 4.Если за один период колебаний грузпроходит путь 1 м, то за 4 колебанияпройдет путь 4 м.


Задача 23.4. Шар подвешен на пру-жине и совершает свободные колеба-ния. Центр шара при колебаниях до-стигает самого высокого положенияв точке А, нижнее его положение в точ-ке С. Расстояние 4 см от верхнего по-ложения А до нижнего положения С

(рис. 23.1 в учебнике) шар проходит за0,5 с. Чему равны амплитуда а и пе-риод T колебаний шара?

Р е ш е н и е. Амплитудой колебанийназывается расстояние от положенияравновесия до точки максимальногоудаления от этого положения. Это рас-стояние АВ или ВС, равное 2 см. Пе-риодом колебаний называется мини-мальное время, через которое тело ока-зывается в той же точке пространства идвижется с той же скоростью. Периодколебаний равен 1 с.

Задача 23.5. Конец ветви камертонаколеблется после удара по нему молот-ка и проходит расстояние 0,2 см междукрайними положениями за 0,0005 с.Определите амплитуду, частоту и пе-риод колебаний струны.

Р е ш е н и е. Когда конец ветви ка-мертона проходит расстояние 0,2 сммежду крайними положениями за0,0005 с, то он совершает половину од-ного полного колебания, так как послесовершения одного колебания тело воз-вращается в исходное положение и дви-жется с той же скоростью. Следователь-но, период T колебаний в 2 раза большеи равен 0,001 с. Частота ν колебанийсвязана с периодом T колебаний форму-

лой ν = 1T

и равна ν = 1000 Гц.

Амплитуда колебаний камертонав 2 раза меньше расстояния междукрайними точками и равна 0,1 см.

Задача 23.6. Маятник совершает сво-бодные колебания частотой 2 Гц. За ка-кое время он перемещается из положе-ния равновесия в крайнее положение?

Р е ш е н и е. При частоте колебаний

2 Гц период колебаний равен T = =1ν

= =12

0 5Гц

c, .

Перемещение маятника из крайнегоположения в положение равновесияпроисходит за 1/4 часть периода коле-баний, т. е. за 0,125 с.

Задача 23.7. Груз, подвешенныйна пружине, совершает вдоль верти-кальной прямой свободные колебаниячастотой 0,4 Гц. Определите амплитудуколебаний груза, если пройденный гру-зом за 10 с путь равен 4 м.

Р е ш е н и е. При частоте 0,4 Гц грузза 10 с совершает число колебаний,равное n = νt = 0,4 ⋅ 10 = 4. Разделивпуть, пройденный за 4 колебания, на

75

число колебаний, найдем путь, прой-денный за одно колебание: 4 м : 4 = 1 м.Амплитуда колебаний груза равна 1/4

части пути, проходимого за период ко-лебаний, т. е. равна 25 см.

§ 24. Механические волны

Данная тема является прямым про-должением изучения механических ко-лебаний с добавлением понятий «длинаволны» и «скорость волны». Для по-нимания учащимися различия междупоперечными и продольными волнамижелательно выполнить демонстрациираспространения поперечных и про-дольных волн в спиральной пружине,поперечных волн в резиновом шнуреи на поверхности воды.

Полезны и демонстрации моделейраспространения продольных и попе-речных волн с помощью волновой ма-шины.

При изучении звука можно заранеепредложить учащимся, занимающимсямузыкой, подготовить краткие сообще-ния (с демонстрациями) о звуковых ко-лебаниях, об органах слуха человека,о музыкальных инструментах и ролирезонанса. Экспериментальное опреде-ление границ частоты слышимых зву-ковых колебаний можно провести кол-лективно в классе. Если в классе естьучащиеся, занимающиеся звукозаписью,им можно предложить сделать неболь-шие сообщения об истории развитиятехники записи и воспроизведения зву-ка с демонстрациями приборов.

Еще одна возможная тема для под-готовки небольшого сообщения — зем-

летрясения и сейсмические волны. Не-обходимый материал по каждой из темимеется в учебнике, но учащиеся могутвоспользоваться и дополнительной ли-тературой, использовать Интернет.

Задача 24.1. Р е ш е н и е. Если звукчастотой 500 Гц за 10 с распространяет-ся в воздухе на расстояние 3400 м, тоскорость распространения звука равна:

vst

= = 3400

10

м

c= 340 м/с.

Длина волны звука равна:

λ ν= = =vTv 340

500

м с

Гц

/ = 0,68 м.

Задача 24.2. Р е ш е н и е. Длинаволны прямо пропорциональна скоро-сти ее распространения: λ = vT. Поэто-му при распространении звуковых ко-лебаний из воздуха в воду длина волныв воде больше длины волны в воздухево столько раз, во сколько раз скоростьзвука в воде больше скорости звукав воздухе (при одинаковом периоде ко-

лебаний):λλ

вд

вз

вд

вз

= =v T

v T1500340

≈ 4,4.

Задача 24.3. Р е ш е н и е. Если причастоте колебаний 1000 Гц длина вол-ны в стали равна 5 м, то скорость рас-пространения звука в стали равна:

v = λν = 5 ⋅ 1000 м/с = 5000 м/с.

Глава 3

Строение вещества

§ 25. Атомное строение вещества

Изучение новой темы можно начатьс рассказа об атомистическом ученииДемокрита, прочитать отрывки из поэ-мы Тита Лукреция Кара «О природевещей».

Рассказ о броуновском движениитвердых частиц в жидкостях и газахжелательно сопроводить демонстра-цией на модели броуновского движенияс проецированием изображения. Пред-варительно можно продемонстрироватьучащимся сам прибор (рис. 56). В немстальные шарики служат моделямимолекул, а резиновая пробка является

моделью твердой частицы, подвергаю-щейся беспорядочным ударам молекул.Для приведения молекул в беспорядоч-ное движение вращают ручку 1 при-бора. Вращение ручки через зубчатоеколесо 2 вызывает удары по стальнойпружине 3, а пружина ударяет по моле-кулам.

После наблюдения опыта на моделиможно показать рисунки траекторийдвижения броуновских частиц, сделан-ные по наблюдениям в микроскоп(рис. 57).

Справедливость представлений древ-них атомистов о том, что в жидкостяхи твердых телах между непроницаемы-ми атомами могут быть пустоты, мож-но подтвердить простым опытом посмешиванию воды и спирта в стеклян-ной трубке длиной около 1 м. В трубкусначала наливают воду примерно до по-ловины высоты, затем тонкой струейдоливают спирт до заполнения трубки.Трубку плотно закрывают пробкой инесколько раз переворачивают для пе-ремешивания воды и спирта. После пе-ремешивания объем жидкости в трубкезаметно уменьшается, примерно на 4%.Этот результат можно наглядно пояс-нить еще одним опытом, используяв качестве моделей молекул спирта100 см3 гороха, а в качестве моделеймолекул воды 100 см3 пшена. Заполнимпрозрачный стакан до половины высо-ты пшеном, затем сверху насыплем докраев горох (рис. 58). После несколь-ких переворачиваний стакана пшенозаполняет пустые места между гороши-нами и общий объем смеси заметноуменьшается (рис. 59).

Оценка размеров молекул. Простойметод приблизительного определенияразмеров молекул основан на использо-вании особых свойств некоторых жид-костей. В опытах было обнаружено,

77

Рис. 56

Рис. 57

что капли нерастворимой в воде кисло-ты растекаются по поверхности водыв виде примерно круглых пятен, пло-щадь S каждого пятна пропорциональ-на объему V капли. Отсюда можно сде-лать вывод, что толщина пленки вовсех опытах одинакова. Вероятно, моле-кулы кислоты прочно связаны междусобой и потому образуют пленку толщи-ной в одну молекулу. Определив толщи-ну d пленки, можно узнать диаметр мо-лекулы вещества пленки: d = V/S.

Для оценки размеров молекул мо-жет быть использована стеариноваякислота. Сначала нужно приготовитьраствор стеариновой кислоты в бензоле:1 см3 кислоты в 2000 см3 бензола. Что-бы не расходовать большое количествобензола, такой раствор готовят в два

этапа. Сначала 1 см3 стеариновой кис-лоты растворяют в 50 см3 бензола, за-тем 1 см3 приготовленного растворарастворяют в 40 см3 бензола.

Чтобы тончайшая пленка кислотыбыла заметной на поверхности воды,поверхность воды покрывают возможноболее тонким слоем порошка ликоподияили талька. Этот порошок не сыплют наповерхность воды, а лишь сдувают с ла-дони очень слабым дуновением.

На едва заметный слой порошка наповерхности воды нанести одну или двекапли приготовленного раствора кисло-ты. Из этого раствора бензол быстро ис-паряется, а кислота растекается по по-верхности воды, раздвигая слой порош-ка. На поверхности воды, покрытойпорошком, образуется примерно круг-лое темное пятно.

В проведенном опыте две капли рас-твора образовали на поверхности водыпленку площадью примерно 100 см2

(рис. 60). В предварительном опытебыло установлено, что 50 капель рас-твора имеют объем 1 см3.

Найдем объем V стеариновой кисло-ты в двух каплях раствора. Так какобъем одной капли равен 1/50 см3, а врастворе находится 0,0005 доля стеари-новой кислоты, в двух каплях раствораобъем V кислоты равен:

V = 0,02 ⋅ 0,0005 ⋅ 2 см3 = 0,00002 см3.

Толщина пленки d равна

dVS

= = 0 00002

100

3

2

, см

см= 0,0000002 см.

Следовательно, длина молекулы сте-ариновой кислоты не более двух деся-тимиллионных долей сантиметра.

Задача 25.1. Р е ш е н и е. Если ростчеловека равен 1 м 80 см, то при увели-чении в 10 000 000 раз он стал бы рав-ным 18 000 000 м, или 18 000 км. Этобольше диаметра Земли.

§ 26. Взаимодействие частиц вещества

При изучении взаимодействия час-тиц вещества задача состоит в основномв осознании почти очевидных истин:между атомами и молекулами веществасуществуют силы притяжения и силыотталкивания. Понять факт существо-вания каждой из сил в отдельностиочень просто, а осознать, что обе эти

силы существуют и действуют одновре-менно, оказывается трудно.

О существовании сил притяжениямежду атомами и молекулами наглядносвидетельствует тот факт, что твердыетела очень трудно разделить на части.Медную проволоку диаметром 1 мм неразорвать руками.

78

Рис. 60


Существование сил отталкиваниямежду атомами и молекулами обнару-живается при столкновениях любыхтвердых тел. Когда один стальной шарсталкивается с другим, они отталкива-ются друг от друга в противоположныестороны. Это происходит потому, чтоатомы железа одного шара действуютсилами отталкивания на атомы железадругого шара.

Далее нужно разобраться, как междуатомами и молекулами действуют одно-временно и силы притяжения, и силыотталкивания.

Одновременное существование силпритяжения и сил отталкивания междуатомами и молекулами можно пояснитьтакой упрощенной моделью. Два шарасоединены тонкой резинкой, сила упру-гости которой уменьшается по мере рас-тяжения из-за уменьшения диаметрарезинки. Действие этой резинки нашары при растяжении моделирует дей-ствие сил притяжения между молекула-ми, убывающих с увеличением расстоя-ния (рис. 61).

Кроме того, на резинку надета ко-роткая стальная пружина, которая пре-пятствует сближению шаров силамиотталкивания на расстояниях, мень-ших длины пружины (рис. 62).

Действия противоположно направ-ленных сил притяжения и отталки-вания уравновешиваются на таком рас-стоянии между шарами, на котороммодули этих сил равны (рис. 63).

После качественного объяснения осо-бенностей взаимодействия атомов и мо-лекул можно рассмотреть графики зави-симости сил от расстояния между части-цами, представленные на рисунке 26.1учебника.

Перед проведением опыта со свинцо-выми цилиндрами по обнаружениюмежатомных сил притяжения можнонапомнить, что проблема существова-ния межатомных сил притяжения ужеобсуждалась при изучении сил трения,где мы обращали внимание на тот факт,что межатомные силы притяжения дей-ствуют на очень коротких расстояниях,поэтому для обнаружения их действияпри соприкосновении твердых тел нуж-но изготовить очень гладкие поверхно-сти без загрязнений. Такие поверхностимы можем приготовить, очистив специ-альным ножом поверхности двух свин-цовых цилиндров. Для этого цилиндры

поочередно вставляют в обойму с ножоми вращают с прижиманием к ножу.

При ознакомлении с особенностямисил взаимодействия частиц веществау учащихся естественно возникает во-прос: если любые атомы притягиваютсядруг к другу, то почему все газы в при-роде до сих пор не соединились в твер-дые или жидкие тела?

Для ответа на этот вопрос можновыполнить демонстрации особенностейдействия молекулярных сил взаимо-действия на простых моделях. Для это-го нужно изготовить модели молекул,обладающих способностью притягивать-ся друг к другу на небольших расстоя-ниях и удерживаться вместе, но пристолкновениях на больших скоростяхотталкиваться друг от друга.

Самое простое — это провести опытс шарами из пластилина, которые будутслужить моделями молекул. Если однутакую молекулу катить с небольшойскоростью к другой, то после столк-

79

Рис. 61

Рис. 62

Рис. 63

новения они слипнутся и будут удержи-ваться вместе, как молекулы в твердомили жидком теле.

А если одну такую молекулу катитьс большой скоростью к другой, то послестолкновения они не будут удерживать-ся вместе, а разлетятся в разные сто-роны. Те же самые силы притяженияне могут удержать быстро движущуюсямолекулу.

Из этих опытов можно сделать вы-вод, что при достаточно больших ско-ростях теплового движения, т. е. придостаточно высокой температуре, любоевещество должно превратиться в газо-образное. А при достаточно низкой тем-пературе любое вещество должно пре-вратиться в жидкое или твердое.

Какие же значения температуры до-статочно большие и какие достаточнонизкие? Из-за различия сил молеку-лярного притяжения у разных веществразличными оказываются и значениятемператур, при которых кинетическаяэнергия теплового движения частиц ве-щества становятся достаточной дляпреодоления действия сил молекуляр-ного притяжения.

Вывод о том, что силы молекулярно-го или межатомного притяжения зави-сят от вида атомов и молекул, можносделать из очень простых опытов. Опус-тим в воду стеклянную пластинку и вы-нем ее из воды. Стеклянная пластинкаоказывается покрытой слоем воды. Этотрезультат легко объяснить действием наводу молекулярных сил притяжения состороны атомов вещества стекла. Но по-сле такого погружения в воду стеарино-вая свеча оказывается сухой.

Чтобы понять результат опыта сосвечой, нужно вспомнить, что на каж-дую молекулу воды, находившуюся

около поверхности свечи, действуют нетолько силы молекулярного притяже-ния со стороны молекул вещества све-чи, но и силы молекулярного притяже-ния со стороны молекул воды. Так какмолекулы воды не остались на поверх-ности свечи, значит, силы взаимногопритяжения молекул воды больше силпритяжения со стороны молекул веще-ства свечи. Возвращаясь к опыту состеклянной пластинкой, можно уточ-нить вывод: молекулярные силы притя-жения молекул воды атомами веществастекла превышают силы взаимногопритяжения молекул воды.

Различие значений молекулярныхсил притяжения между атомами и мо-лекулами разных веществ открыто нетолько учеными-физиками. Особенно-сти молекулярных сил проявляются напрактике у многих растений и живот-ных. Утренняя роса и капли дождя непокрывают сплошь листья растений ицветы, а собираются в капельки, оченьслабо связанные с поверхностью расте-ний и легко скатывающиеся с листьевна землю.

Вода не смачивает листья, так какрастения имеют специальные приспо-собления, чтобы не образовываласьпленка воды. Если листья покрывалисьбы даже тонким слоем воды, то процессдыхания растений был бы невозможен.Кроме того, большое количество водына листьях утяжелило бы ветви, и не-которые из них могли бы обломиться.

Защищаются от смачивания водойвсе водоплавающие птицы, недаром по-явилось выражение «как с гуся вода».

Жуки-водомерки свободно бегают икатаются, как конькобежцы, по воде, толь-ко немного прогибая ее поверхность.

§ 27. Свойства газов

Основным содержанием уроков поизучению свойств газов должны бытьдемонстрации и собственные экспери-менты учащихся.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 27.1.Исследование зависимости объема газаот давления при постоянной темпера-туре.

До начала выполнения экспериментанеобходимо объяснить, как устроен на-

сос двойного действия, который будетиспользоваться в эксперименте, и каковпринцип действия насоса. Для этогоможно подготовить схематический ри-сунок насоса в разрезе (рис. 64) и нанем показать основные детали прибора.Еще лучше разобрать другой насос и па-раллельно показать каждую деталь в на-туре.

Ручной вакуумный насос двойногодействия может служить для разреже-

80

ния и нагнетания воздуха. Основнымиего деталями являются стальной ци-линдр 1, поршень 3, состоящий из двухкожаных манжет, привернутых гайкойк штоку 2 с рукояткой, выпускной кла-пан 4 и впускной клапан 5, изготовлен-ные из тонких резиновых трубок с про-резями.

При вытягивании штока 2 за руко-ятку насоса поршень в цилиндре дви-жется справа налево. Левая манжета 3прижимается к стенкам цилиндра 1 ивтягивает за собой воздух из цилиндра.Давление воздуха в насосе становитсяменьше давления воздуха в сосуде,с которым соединен впускной клапан 5.Воздух из сосуда поступает в насос че-рез отверстие в резиновой трубке кла-пана до выравнивания давлений.

При перемещении поршня в обрат-ном направлении правая манжета 3прижимается к стенкам цилиндра 1 исжимает перед собой воздух в цилинд-ре. Давление воздуха в насосе повыша-ется, резиновая трубка впускного кла-пана сжимается, и поступление воздухав сосуд через впускной клапан прекра-щается. Когда при дальнейшем переме-щении поршня давление воздуха в на-сосе превысит давление в сосуде, с ко-торым соединен выпускной клапан,откроется выпускной клапан 4 и воздухбудет поступать через него в сосуд, уве-личивая в нем давление. Таким обра-зом, этот насос может использоватьсякак для накачивания воздуха в сосуд(через клапан 4), так и для выкачива-ния воздуха из сосуда (через клапан 5).

Эксперимент по исследованию зави-симости объема газа от давления припостоянной температуре можно выпол-нить коллективно с использованием од-ной экспериментальной установки, со-бранной на демонстрационном столе.

В предварительном опыте нужноопределить площадь поперечного сече-ния S трубки. Для этого всю трубку за-

полняют водой, затем воду из трубкивыливают в измерительный цилиндр.По измеренному объему V0 воды в куби-ческих сантиметрах, заполнявшей труб-ку, и измеренной длине l0 трубки в сан-тиметрах вычисляют площадь попереч-ного сечения S трубки в квадратныхсантиметрах:

SV

l= 0

0

.

Для проведения основного экспери-мента длинную пластмассовую труб-ку 1 частично заполняют водой, одинее конец закрывают герметично проб-кой или поворотом ручки крана на кон-це трубки. Между водой и пробкойнужно оставить столб воздуха длинойпримерно 50—60 см. Трубка изгибает-ся так, как показано на рисунке 65.Другой конец трубки присоединяют ктройнику 2, к нему же присоединяютчерез короткие трубки манометр 5 и на-сос 4.

Исследование заключается в измере-ниях объема воздуха при различныхзначениях давления и постоянной тем-пературе. Давление измеряется мано-метром, объем воздуха может быть вы-числен по измеренной длине l столбавоздуха и площади внутреннего попе-речного сечения S трубки: V = lS.

Перед началом эксперимента можноколлективно обсудить план проведенияэксперимента и обработки его результа-тов. Измерения давления и объема воз-духа можно провести как при повыше-нии, так и при понижении давления.

81

Рис. 64

Рис. 65

Опыт начинают при атмосферном дав-лении воздуха (1 атм = 100 кПа) и да-лее увеличивают давление в каждомновом опыте на 0,1 атм = 10 кПа,продолжая измерения до давления1,6 атм = 160 кПа. Важно, чтобы уча-щиеся догадались о необходимости учи-тывать влияние разности уровней водыв левой и правой частях трубки. Про-ще это делать не путем расчетов, а вы-равниванием уровней воды в трубкев каждом опыте перемещением лапки-зажима, держащей трубку, по стержнюштатива.

Затем заготавливается на доске таб-лица, в которую будут записываться ре-зультаты измерений. Точно такую жетаблицу учащиеся чертят в своих тет-радях.

На каждое измерение можно вы-зывать по три ученика. Один работаетс насосом, другой перемещением лапкипо штативу добивается выравниванияуровней воды в трубке, третий измеря-ет длину l воздушного столба и запи-сывает результат в таблицу на доске.Потом они вычисляют объем V воздухав трубке, произведение pV и записыва-ют результаты вычислений в таблицы.В это время остальные учащиеся запи-сывают полученные результаты изме-рений в таблицы в своих тетрадях ивыполняют вычисления значений объе-ма V воздуха в трубке и произведе-ния pV самостоятельно. Затем сравни-вают результаты вычислений с резуль-татами, полученными группой у доски.

Далее после первой группы учащих-ся эксперимент продолжают вторая,третья и остальные группы.

Для выполнения опыта с понижени-ем давления следует сначала присоеди-нить шланг к штуцеру насоса, черезкоторый осуществляется выкачиваниевоздуха. При этом нужно предупредитьучащихся о недопустимости попаданияводы из трубки в насос. Чтобы этого непроизошло, необходимо поддерживатьравенство уровней воды в трубке.

В проведенном контрольном экспе-рименте в двухметровой полиэтилено-вой трубке объем воды оказался рав-ным 60 см3, отсюда площадь попереч-ного сечения равна 0,3 см2.

В таблице приведены результаты из-мерений давления p воздуха, длины lвоздушного столба и результаты вычис-лений объема V воздуха в трубке и про-

изведения давления p воздуха на егообъем V. Произведение давления p воз-духа на его объем V оказывается оченьточной постоянной величиной. Экспе-римент показывает, что закон Бойля —Мариотта для воздуха выполняется.

После завершения эксперимента порезультатам, представленным в табли-це, строят график зависимости давле-ния p воздуха от его объема V.

Таблица

p, кПа l, смV lS,

см3pV,

кПа см3

60 84,5 25,4 1520

70 72,0 21,6 1510

80 63,0 18,9 1510

90 56,6 17,1 1540

100 51,5 15,45 1545

110 46,7 14,0 1540

120 42,5 12,75 1530

130 39,5 11,85 1540

140 37,0 11,1 1550

150 34,5 10,35 1550

160 32,5 9,75 1560

Один учащийся строит график надоске, остальные учащиеся выполняютпостроение в своих тетрадях (рис. 66).

При обсуждении результатов экспе-риментального исследования можноспросить учащихся: чем объясняетсяповышение давления газа при умень-шении его объема при постоянной тем-пературе? Ответ может быть примернотаким: давление газа на стенки сосудасоздается беспорядочными ударами мо-лекул. Чем больше ударов на единицуплощади за единицу времени, тем боль-ше давление. При сжатии газа числочастиц в единице объема увеличивает-ся, возрастает число их ударов в едини-цу времени, и поэтому увеличиваетсядавление газа.

82


Задача 27.1. При закрытом отвер-стии на выходе из велосипедного насосаперемещением поршня был уменьшенобъем находящегося в нем воздуха от60 до 20 см3. Каким стало давление воз-духа в насосе, если до перемещенияпоршня давление было равно 100 кПа итемпература воздуха при сжатии не из-менялась?

Р е ш е н и е. По закону Бойля — Ма-риотта:

p1V1 = p2V2,

pp V

V2

1 1

2

100 60

20= = ⋅

кПа = 300 кПа.

Задача 27.2. В трубку длиной при-мерно 2 м, изогнутую в виде буквы U,налили столько воды, что при одинако-вых уровнях воды в коленах трубкиу ее концов осталось пространство дли-ной l0 = 40 см, заполненное воздухомпри атмосферном давлении p (рис. 27.6в учебнике). Затем отверстие на левомконце трубки закрыли и опустили ко-нец правой части трубки вниз на столь-

ко, что уровень воды в правом коленестал ниже уровня воды в левом коленена h = 1 м (рис. 27.7 в учебнике). Из-запонижения давления воздуха в левомколене на величину Δp = ρgh длинастолба воздуха в левом колене увеличи-лась и стала равна l1 = 44,5 см. Опреде-лите по этим данным атмосферное дав-ление p воздуха.

Р е ш е н и е. Расширение воздуха втрубке происходило при постояннойтемпературе. Поэтому для воздухав трубке можно записать уравнениеpV0 = (p − Δp) V1.

Из этого уравнения можно найти ат-мосферное давление p:

ppV

V V

ghl

l l= =− −

Δ 1

1 0

1

1 0

ρ.

Начальный объем воздуха в трубкеравен V0 = l0S, где S — площадь попе-речного сечения трубки.

Конечный объем равен V1 = l1S.Подставляя значения эксперимен-

тально полученных величин, находимзначение атмосферного давления воз-духа:

p = ⋅ ⋅ ⋅−

1000 9 8 1 44 5

44 5 40

, ,

,Па ≈ 96,9 кПа.

Задача 27.3. Пластмассовая бутылказаполнена воздухом при атмосферномдавлении p1 = 100 кПа и герметично за-крыта пробкой. С какой силой нужнонадавить ладонью на боковую стенкубутылки, чтобы объем воздуха в нейуменьшился в 2 раза? Площадь ладонипримите равной S = 40 см2 = 0,004 м2.

Р е ш е н и е. При изменении объемагаза при постоянной температуре про-изведение начальных значений давле-ния и объема газа равно произведениюконечных значений: p1V1 = p2V2.

Поэтому при уменьшении объемав 2 раза давление воздуха увеличива-ется в 2 раза и становится равнымp2 = 200 кПа. Следовательно, дополни-тельное давление, созданное нажимомладони, равно:

Δp = p2 − p1 = 200 кПа − 100 кПа == 100 кПа.

Сила, создающая это давление, равна:

F = ΔpS = 100 000 Па ⋅ 0,004 м2 = 400 Н.

83

Рис. 66

§ 28. Свойства твердых тел и жидкостей

Кристаллы. Изучение этой темы же-лательно начать с демонстрации при-родных и искусственно выращенныхкристаллов. Если в кабинете физикинет интересных кристаллов и наборовминералов и горных пород, можно зара-нее обратиться к учащимся с просьбойпринести из дома кристаллы для демон-страции в классе.

Если есть возможность, желательнопоказать учащимся, как выращиваюткристаллы в лаборатории или на произ-водстве, как их обрабатывают и исполь-зуют.

Строение кристаллов. Важнейшеесвойство кристаллических тел — анизо-тропию, т. е. различие свойств кристал-лов по разным направлениям из-за упо-рядоченного расположения атомов, —можно продемонстрировать в опытах пораскалыванию кристаллов гипса илидругих доступных кристаллов.

Для объяснения зависимости свойствкристаллов не только от свойств ато-мов, но и от расположения этих атомовв кристалле желательно продемонстри-ровать объемные модели кристалличе-ских решеток графита и алмаза. Приэтом можно показать способность алма-за резать стекло и способность графитаразрушаться при трении о бумагу.

Расширение твердых и жидких телпри нагревании. С явлением расшире-ния твердых и жидких тел при нагрева-нии можно ознакомить учащихся поста-новкой проблем, описанных в главе 1«Проблемное обучение». Дополним это

описание рассмотрением методики про-ведения нескольких демонстрационныхопытов.

Для демонстрации линейного рас-ширения твердых тел служит прибор,состоящий из металлического основа-ния, на левом краю которого закреп-лена металлическая пластина с тремявинтами вверху, а на правом — обоймас тремя стрелками разного цвета ипружинами, удерживающими стрелкив вертикальном положении, и шкала(рис. 67). Прибор комплектуется тремяодинаковыми по размерам стальным,латунным и алюминиевым стержнями.Каждый стержень на одном конце име-ет ямку под конусный регулировочныйвинт на левой пластине прибора, надругом — прорезь для упора в стрелку.

Перед проведением опыта каждыйстержень прорезью насаживают на од-ну стрелку, а в ямку с другой стороныупирают конец регулировочного винта.Вращением винта добиваются, чтобыкаждая стрелка немного отошла отлевого горизонтального упора на шка-ле прибора и все три стрелки занима-ли одинаковое положение относительношкалы (рис. 67, а).

Если при нагревании стержни будутрасширяться, то, упираясь в винты сле-ва, они будут толкать стрелки справаи вызывать их отклонение.

Если в кабинете физики имеется та-кой прибор, то можно выполнить опытпо обнаружению линейного расшире-ния твердых тел при нагревании и зави-

84

а)

Рис. 67

б)

симости расширения от нагреваемоговещества. До начала эксперимента мож-но спросить: одинаково ли будут расши-ряться стержни из разных металловпри одинаковом нагревании? Если не-одинаково, то какой из них расширитсябольше остальных и какой меньше?Подставку с горючим размещают подстержнями так, чтобы пламя нагревалоодинаково все стержни. По углу откло-нения стрелок судят о линейном расши-рении металлов из различных веществпри их нагревании (рис. 67, б).

Обнаружив на опыте факт различ-ного линейного расширения твердыхтел, можно поставить перед учащимисяпроблему: что произойдет, если взятьдве тонкие длинные пластины из раз-ных металлов, прочно соединить их за-клепками, а потом нагреть такую плас-тину, называемую биметаллической?

После высказывания гипотез выпол-няется эксперимент с биметаллическойпластиной, изготовленной из полос ста-ли и алюминия. Пластина прибора за-креплена на одном конце держателя.В его средней части имеется ручка.На другом конце держателя закрепле-

на шкала прибора. На держателе вышеот места крепления ручки установле-на стрелка на оси. На стрелке вышеоси имеется вырез, в который встав-лен другой конец биметаллической пла-стины.

При нагревании или охлаждениибиметаллическая пластина изгибается,движение ее незакрепленного конца вы-зывает поворот стрелки относительношкалы прибора. Заметное отклонениестрелки можно наблюдать при измене-нии температуры на 10 °С. Для сохра-нения работоспособности прибора не ре-комендуется нагревать пластину откры-тым пламенем до температуры выше50 °С.

После выполнения опытов можно за-дать вопрос о возможных способах ис-пользования биметаллических пластин.Примерами могут служить различныеавтоматические устройства, принципдействия которых основан на свойствахбиметаллических пластин для автома-тического замыкания или размыканияэлектрических цепей, — датчики по-жарной сигнализации, реле в стартерахлюминесцентных ламп.

Глава 4

Тепловые явления

§ 29. Температура

Слово «температура» знакомо каж-дому с детства, термометр используетсяв быту повседневно. Что же нового мо-гут узнать учащиеся на уроке по этойтеме? Прежде всего нужно упорядо-чить, систематизировать ранее приоб-ретенные знания о температуре и спо-собах ее измерения. Для большинстваучащихся будет трудно ответить на во-прос, что же измеряет термометр. Но-вым для них будет тот факт, что темпе-ратура является мерой кинетическойэнергии беспорядочного теплового дви-жения атомов или молекул вещества.

Каждый ученик 7 класса должензнать, что один из самых широко при-меняемых методов измерения темпера-туры основан на явлении теплового рас-ширения жидкостей. А выбор опорныхточек шкалы термометра и обоснованиеэтого выбора заслуживают подробногорассмотрения.

Важным для практики является по-нимание правил использования тер-мометров при измерении температуры.Эти правила диктуются необходимостьюустановления теплового равновесия меж-ду термометром и телом, температуракоторого измеряется.

Трудным для большинства учащих-ся будет вопрос об устройстве и принци-пе действия медицинского ртутного тер-мометра. Этому практическому вопросуследует уделить особое внимание.

Результатом выполнения домашнегоэкспериментального задания 29.1 долж-но быть установление того факта, чтопоказания комнатного термометра зави-сят от места его расположения в комна-те. Если нас интересует температуравоздуха в комнате, то нужно исключитьвлияние на него всех остальных тел. Натермометр не должен падать прямойсолнечный свет, нельзя, чтобы термо-метр находился вблизи нагревательных

и осветительных приборов. Не следуетвешать термометр на внешнюю стенукомнаты, которая летом имеет повы-шенную, а зимой пониженную темпера-туру относительно температуры воздухав комнате.

В экспериментальном задании 29.2предлагается придумать конструкцию,принцип действия термометра, способ-ного измерять минимальную и макси-мальную температуру.

Знание максимального и минималь-ного значений температуры за некото-рый интервал времени является посто-янной практической потребностью.

После обсуждения оригинальных ва-риантов решения поставленной задачиможно предложить другую задачу наразгадывание принципа действия мак-симального и минимального термомет-

86

Рис. 68

ра. Внешний вид такого термометрапредставлен на рисунке 68. Для выпол-нения измерений термометр устанавли-вают вертикально. Он имеет две шкалыи две трубки с ртутью. При повышениитемпературы ртуть в правой трубке дви-жется вверх и перемещает вверх неболь-шой стержень. В левой трубке при по-вышении температуры ртуть движетсявниз, а стержень за ртутью не движется.

При понижении температуры ртутьв правой трубке движется вниз, а стер-жень за ртутью не движется. В левойтрубке при понижении температуры ртутьдвижется вверх и перемещает вверх стер-жень. Таким образом, положение ниж-него края правого стержня отмечаетмаксимальное значение температуры,а положение нижнего края левого стер-жня отмечает минимальное значениетемпературы за период наблюдения. Дляподготовки термометра к следующим из-мерениям нажимают кнопку между ко-ленами термометра, и стержни опуска-ются до столбиков ртути в трубках.

Когда все гипотезы обсуждены,крышка термометра вскрывается исравнивается ожидаемое с действитель-ным (рис. 69). В данном термометре ра-бочим телом является не ртуть, а про-зрачная жидкость, находящаяся в стек-лянном баллоне, соединенном с верхнимконцом левого колена трубки термомет-ра. Левое колено трубки соединено вни-зу с правым коленом, ртуть находитсяв сообщающихся сосудах. При повы-шении температуры рабочее тело рас-ширяется и движет ртуть в левом коле-не вниз; в правом колене уровень ртутипри этом повышается, а жидкость надртутью выталкивается в полупустойстеклянный баллон, частично заполнен-ный жидкостью.

Если в начальный момент временистержни в трубках находились в сопри-косновении со столбиками ртути, то

при повышении температуры столбикв правой трубке поднимается ртутьювверх, а в левой трубке остается напрежнем месте. От движения вниз поддействием силы тяжести его удерживаетпритяжение магнитной полосы, распо-ложенной за пластиной со шкалой. При-тяжение к магниту обусловлено тем, чтов стержне находится железная проволо-ка. При понижении температуры уро-вень поверхности ртути в правой трубкеопускается вниз, а стержень остается наместе, отмечая значение максимальнойтемпературы. При нажатии кнопки маг-нитные полосы (рис. 70) отодвигаютсяот трубок термометра и не удерживае-мые магнитным притяжением стержнипод действием силы тяжести опускают-ся до ртути в трубках.

§ 30. Внутренняя энергия

Основной задачей при изучении этойтемы является формирование у учащих-ся представлений о существовании не-которого запаса энергии внутри любоготела — внутренней энергии, о возмож-ности извлечения этой энергии из телаи использовании в практических целях.

Вопросы в конце параграфа учебниканаправлены на углубление пониманияизложенного материала с использова-нием новых примеров. Ответы на этивопросы могут быть, например, такими.

Подробный ответ на первый вопросдан в учебнике после описания опыта

87


с пластмассовой бутылкой, взлетающейс резиновой пробки. При желании этотопыт можно заменить опытом с резино-вой пробкой, вылетающей из пробиркипри нагревании.

Примерами явлений, в которых засчет кинетической энергии тепловогодвижения молекул газа совершается ме-ханическая работа и приводится в дви-жение тело большей массы, могут слу-жить движение поршня в цилиндреавтомобильного двигателя, выстрел ору-дия, полет космической ракеты.

Примерами явлений, в которых засчет механической работы внешних силувеличивается кинетическая энергиятеплового движения атомов тела, могутслужить повышение температуры шинавтомобилей и самолетов при резкомторможении, зажигание спички в ре-зультате нагревания ее головки притрении о коробку, повышение темпера-туры сверла дрели при сверлении, ис-парение части обшивки космическихкораблей при возвращении из космиче-ского пространства, превращение в парметеорных тел, влетающих в атмосферуЗемли из космического пространства.Причиной испарения части обшивкикосмических кораблей и метеорных телявляется действие сил трения о воздух.При скоростях движения 8—40 км/сэти силы так велики, что под их дейст-вием температура поверхности движу-щегося тела повышается до несколькихтысяч градусов.

Примерами передачи энергии в про-цессе теплообмена от горячего тела хо-лодному без изменения температурыхолодного тела могут служить таяниельда при постоянной температуре 0 °С,превращение воды из жидкости в парв кипящем на горячей плите чайнике.

Уменьшение внутренней энергиигаза происходит при расширении газабез теплообмена с окружающими те-лами.

В ясный летний день воздух в ре-зультате теплообмена с земной поверх-ностью нагревается и расширяется.Из-за уменьшения плотности при рас-ширении теплый воздух под действиемсилы Архимеда поднимается в болеевысокие слои атмосферы. Там давлениениже, поэтому поднимающийся теплыйвоздух продолжает расширяться. Прирасширении воздух совершает работуза счет уменьшения своей внутренней

энергии, поэтому температура воздухапонижается. Содержащийся в тепломвоздухе водяной пар при охлаждениисначала конденсируется в капли воды,затем превращается в кристалликильда. Так возникают облака.

Изменение внутренней энергии воз-духа без теплообмена с другими теламипроисходит в цилиндре дизельного дви-гателя. При сжатии воздуха движущим-ся поршнем его температура повышает-ся до 600—700 °С. При такой высокойтемпературе горючее в цилиндре воспла-меняется без использования электриче-ской искры.

Вариант опыта по определению ме-ханического эквивалента теплоты (за-дание 30.2) может быть следующим.

Оборудование: свинцовая дробь мас-сой 0,2 кг, картонная или пластмассо-вая трубка, термометр, измерительнаялинейка.

Содержание и порядок выполнениязадания

В картонный или пластмассовыйцилиндр насыпают свинцовую дробь,начальная температура которой равнатемпературе воздуха в комнате. Затемвертикально расположенный картонныйцилиндр резко поворачивают вокруггоризонтальной оси на 180°. Поднятаяна высоту h дробь падает (рис. 71). Вовремя падения сила тяжести F = mg напути h совершает работу

A = Fs = mgh.

88

Рис. 71

Изменение кинетической энергиидроби равно совершенной работе:

ΔEк = A = mgh.

При ударе дроби о дно цилиндра еекинетическая энергия превращаетсяво внутреннюю энергию теплового дви-жения атомов свинца. Для того чтобыповышение температуры можно былоизмерить обычным термометром, ци-линдр необходимо перевернуть пример-но 100 раз. При этом увеличение внут-ренней энергии дроби будет равно:

ΔU = А = 100mgh.

Измерив температуру дроби в началеи конце опыта, можно выразить изме-нение внутренней энергии дроби черезколичество теплоты Q, которое потре-бовалось бы для такого же изменения

внутренней энергии дроби путем тепло-передачи:

ΔU = Q = cmΔt.

m,кг

h,м

A,Дж

t,С

Q,кал

A/Q,Дж/кал

По найденным значениям работы Аи количества теплоты Q можно вычис-лить механический эквивалент тепло-ты как отношение работы к эквива-лентному количеству теплоты. Удель-ная теплоемкость свинца равнас = 31 кал/(кг ⋅ °С).

§ 31. Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Изучая эту тему, учащиеся должныусвоить новые понятия «количествотеплоты» и «удельная теплоемкость»при выполнении самостоятельных экс-периментов по измерению количестватеплоты и удельной теплоемкости и прирешении задач с применением уравне-ния теплового баланса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 31.1.Изучение явления теплообмена. Передпроведением этого простого экспери-мента нужно обсудить с учащимисяплан его выполнения и обратить внима-ние на порядок проведения измерениймассы и температуры горячей воды.Так как в данном эксперименте массаводы определяется по результатам из-мерений объема воды, необходимо по-мнить о том, что при наливании горя-чей воды в измерительный цилиндрили мензурку происходит процесс теп-лопередачи от горячей воды измери-тельному сосуду. Поэтому если сначалаизмерить температуру горячей водыв сосуде, в котором проводилось нагре-вание, а потом налить горячую водув измерительный цилиндр, то при изме-рении объема горячей воды произойдеттеплопередача от горячей воды измери-тельному сосуду и понижение темпера-туры горячей воды. Процесс теплообме-на с холодной водой начнется при болеенизком значении температуры горячейводы, чем было получено в измерениях.

Поэтому нужно сначала налить го-рячую воду в измерительный цилиндр,измерить ее температуру и потом вы-лить горячую воду в сосуд с холоднойводой.

Задача 31.1. Р е ш е н и е. Запишемусловие задачи в краткой форме:

m1 = 100 г = 0,1 кгt1 = 25 °Сс1 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)m2 = 50 г = 0,05 кгс2 = 700 Дж/(кг ⋅ °С)t3 = 30 °Сt2 = ?Запишем уравнение теплового ба-

ланса:

Q1 = Q2, c1m1 (t3 − t1) = c2m2 (t2 − t3).

Из этого уравнения можно опреде-лить начальную температуру t2 тела:

t tc m t t c m t

c m

c m t t

c m21 1 3 1 2 2 3

2 2

1 1 3 1

2 23= = + =

− + −( ) ( )

= ⋅ ⋅ −⋅

4200 0 1 30 25

700 0 05

, ( )

,°C + 30 °C = 90 °C.


m1 = 160 г = 0,16 кгс1 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)m2 = 40 г = 0,04 кгt2 = 100 °Сс2 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)t3 = 36 °Сt1 = ?

89

Запишем уравнение теплового ба-ланса:

Q1 = Q2, c1m1 (t3 − t1) = c2m2 (t2 − t3).

Из этого уравнения можно найти на-чальную температуру t1 тела:

tc m t c m t t

c m1

1 1 3 2 2 2 3

1 1

=− −( )

.

Так как c1 = c2, то

tm t m t t

m1

1 3 2 2 3

1

= =− −( )

= ⋅ − ⋅ −0 16 36 0 04 100 36

0 16

, , ( )

,°C = 20 °C.


m1 = 100 г = 0,1 кгс1 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)m2 = 50 г = 0,05 кгс2 = 700 Дж/(кг ⋅ °С)t2 = 90 °Сt3 = 30 °Сt1 = ?Запишем уравнение теплового ба-

ланса:

Q1 = Q2, c1m1 (t3 − t1) = c2m2 (t2 − t3).

Из этого уравнения можно найти на-чальную температуру t1 воды:

tc m t c m t t

c m1

1 1 3 2 2 2 3

1 1

= =− −( )

= ⋅ ⋅ − ⋅ −⋅

4200 0 1 30 700 0 05 90 30

4200 0 1

, , ( )

,°C = 25 °C.


m1 = m2

с1 = с2

t2А = t2Б = 100 °Сt1А = 20 °Сt3А = 25 °СmА = 0,2 кгt1Б = 23 °Сt3Б = 30 °СmБ = 0,1 кгсА/сБ = ?Запишем уравнения теплового ба-

ланса для тел А и Б в жидкостях:

c1m1 (t3А − t1А) = cАmА (t2А − t3А),

c2m2 (t3Б − t1Б) = cБmБ (t2Б − t3Б).

Из этих уравнений находим отноше-ния левых и правых частей уравнений:

c m t t

c m t t

c m t t

c m t t

A A

Б Б

А А A A

Б Б Б

1 1 3 1

2 2 3 1

2 3

2

( )

( )

( )

(

−−

−−=

3Б).

Учитывая равенства m1 = m2 и с1 = с2

по условию задачи, находим отношенияудельных теплоемкостей веществ тел Аи Б:

( )

( )

( )

( )

t t

t t

c m t t

c m t tA A

Б Б

А А A A

Б Б Б Б

3 1

3 1

2 3

2 3

−−

−−= ,

c

c

t t m t t

t t m t tА

Б

A A Б Б Б

Б Б А A A

= =− −− −

( ) ( )

( ) ( )3 1 2 3

3 1 2 3

= =− ⋅ ⋅ −− ⋅ ⋅ −

( ) , ( )

( ) , ( )

25 20 0 1 100 30

30 23 0 2 100 2513

.


Задача 31.5. В картонный цилиндрнасыпали свинцовую дробь с начальнойтемпературой, равной температуре воз-духа в комнате. Затем цилиндр распо-ложили вертикально и 50 раз резко по-вернули вокруг горизонтальной оси на180°. При каждом повороте дробь под-нималась на высоту h = 0,5 м и затемпадала. Вся приобретенная во время па-дения кинетическая энергия превраща-лась при ударе после падения во внут-реннюю энергию теплового движенияатомов свинца. Температура дроби по-сле 50 падений с высоты 0,5 м повыси-лась на 2 °С. Определите удельную теп-лоемкость свинца.

Р е ш е н и е. Во время падения силойтяжести F = mg на пути h совершаетсяработа

A = Fs = mgh.

Изменение кинетической энергиидроби равно совершенной работе:

ΔEк = A = mgh.

При ударе дроби о дно цилиндра еекинетическая энергия превращается вовнутреннюю энергию теплового движе-ния атомов свинца. Увеличение внут-ренней энергии дроби равно:

ΔU А = 50mgh.

Для такого же изменения внутрен-ней энергии дроби путем теплопередачипотребовалось бы количество теплоты

Q = cmΔt = ΔU = 50mgh.

Из последнего равенства по найден-ным значениям работы А и измерен-ному значению изменения температу-ры вычислим удельную теплоемкостьсвинца:

cgh

t= = ⋅ ⋅50 50 9 8 0 5

2Δ, , ≈ 122 Дж/(кг ⋅ °C).

90

Задача 31.6. Для определения удель-ной теплоемкости вещества тело мас-сой 400 г из этого вещества нагрели дотемпературы 100 °С и опустили в же-лезный стакан калориметра, содержа-щий воду массой 200 г. Начальная тем-пература калориметра с водой 23 °С.После установления теплового равно-весия температура тела, воды и кало-риметра была равна 30 °С. Опреде-лите удельную теплоемкость веществаисследуемого тела. Масса калориметра100 г, удельная теплоемкость железа640 Дж/(кг ⋅ °С), удельная теплоемкостьводы 4180 Дж/(кг ⋅ °С).

Р е ш е н и е. Запишем условие зада-чи в краткой форме:

m1 = 0,2 кгm2 = 0,1 кгm3 = 0,4 кгс1 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)с2 = 640 Дж/(кг ⋅ °С)t1 = t2 = 23 °Сt3 = 100 °Сt4 = 30 °Сс3 = ?Запишем уравнение теплового ба-

ланса:Q1 = Q2,

c1m1 (t4 − t1) + c2m2 (t4 − t1) = c3m3 (t3 − t4).

Из этого уравнения получаем

cc m c m t t

m t t31 1 2 2 4 1

3 3 4

= =+ −

−( ) ( )

( )

= ⋅ + ⋅ −⋅ −

( , , ) ( )

, ( )

4200 0 2 640 0 1 30 23

0 4 100 30 Дж/(кг ⋅ °C) =

= 226 Дж/(кг ⋅ °C).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 31.2.Измерение удельной теплоемкости ве-щества. Описанный в учебнике порядоквыполнения этого задания не являетсяединственно возможным. Но этот вари-ант предложен не случайно. В опытахпо изучению тепловых явлений необ-ходимо строго выполнять правила безо-пасности труда для учащихся при ра-боте в кабинете физики. Нужно бытьуверенными в безопасности учащихсяпри работе с приборами и материалами,температура открытых поверхностейкоторых не должна превышать 60 °С.В учебнике предложен такой план про-ведения эксперимента, в процессе ко-торого ученик не работает с нагрева-тельными приборами, не получает тел,нагретых до высокой температуры.Нужно обратить внимание и на такуюдеталь проведения эксперимента, какполучение учащимся калориметра с по-мещенным в него цилиндром. При та-ком порядке проведения экспериментавозможность ожога учащегося при со-прикосновении с горячим цилиндромполностью исключается.

§ 32. Теплопроводность. Конвекция. Теплопередача излучением

Теплопроводность. Изучение явле-ний переноса теплоты лучше начинатьне с рассказа о них и объяснения учите-ля, а с наблюдений опытов и постанов-ки перед учащимися проблемы: чемобъясняются результаты этих опытов?Нужно при каждом удобном случаепредоставлять учащимся возможностьнаходить объяснения физических явле-ний самостоятельно, а не получать навсе вопросы готовые ответы. Задачаучителя при этом заключается в поста-новке проблемы, по возможности неза-метной помощи в процессе поиска ре-шения проблемы и заключительномподведении итогов обсуждения с введе-нием определений понятий и четкойформулировкой основных выводов.

Различие способности разных мате-риалов передавать теплоту можно на-

блюдать в опыте с нагреваниемстержней из меди, алюминия и стали,к которым прикреплены пластилино-выми шариками гвозди или палочки.При одинаковом нагревании стержнейс одного конца повышение температу-ры вдоль стержней происходит с разнойскоростью. Это видно по неодновремен-ному отпаданию пластилиновых шари-ков от разных стержней.

Когда учащиеся объяснят отпада-ние шариков пластилина от стержнейих нагреванием, задается вопрос о ме-ханизме теплопередачи. Ожидаемыйправильный ответ — в этом опыте теп-лопередача происходит в результа-те непосредственного взаимодействияатомов или молекул твердого телапри их беспорядочном тепловом дви-жении.

91

Далее можно подготовить основаниедля различения явлений теплопроводно-сти и конвекции следующим вопросом:а не перемещаются ли в этом процессебыстрые атомы тела от мест с высокойтемпературой в места с низкой темпера-турой? Когда это предположение будетотвергнуто, можно определить явлениетеплопроводности как процесс переносатеплоты от горячего тела к холодномуили внутри одного тела от частей телас высокой температурой к частям телас низкой температурой без перемещениявещества.

Конвекция. Явление конвекции же-лательно продемонстрировать и в газах,и в жидкостях. Конвекцию в газах мож-но продемонстрировать с помощью са-модельной бумажной спирали на нити.Учитель может пояснить способ изго-товления бумажной спирали и ее приме-нения для обнаружения конвекционныхпотоков. Это облегчит выполнение экс-периментального задания 32.2.

Прибор для демонстрации явленияконвекции в жидкости состоит из за-мкнутой стеклянной трубки в формеквадрата с открытым вертикальнымучастком трубки. Прибор заполняетсяводой и закрепляется в штативе. Затемв вертикальную трубку бросают не-сколько кристалликов марганцовки.Марганцовка растворяется, и постепен-но вследствие диффузии происходитраспространение окраски. После уста-новки пламени спиртовки под прибо-ром наблюдается быстрое распростране-ние окраски по всему квадрату.

Можно заметить, как в месте нагре-вания более теплая и потому менееплотная вода поднимается вверх, а наее место поступает более плотная хо-лодная вода из нижней горизонталь-ной трубки. Перемещение нагретого ве-щества конвекцией быстро переноситтепло от нагревателя на большие рас-стояния.

После объяснения наблюдаемых яв-лений самопроизвольного перемещенияжидкостей и газов при существованииразности температур в веществе нужнообратить внимание учащихся на важ-ные результаты такого перемещения —быстрый перенос теплоты на большиерасстояния от нагревателя и быстроевыравнивание температур внутри сосу-да с жидкостью или внутри закрытогопомещения, заполненного газом.

После этого можно повторить вопрос,который был задан при рассмотренииявления теплопроводности: а не переме-щаются ли в процессе конвекции быст-рые атомы жидкости или газа от местс высокой температурой в места с низ-кой температурой? Теперь мы на этотже вопрос должны получить положи-тельный ответ. Так выясняется главноеотличие явления конвекции от явлениятеплопроводности— конвекция есть про-цесс переноса теплоты перемещениемнагретого вещества.

Теплопередача излучением. Озна-комление со способностью тел изменятьсвою внутреннюю энергию без совер-шения работы и без непосредственногоконтакта с другими телами можно осу-ществить в опытах с теплоприемником.

Прибор, называемый теплоприемни-ком, — это небольшая цилиндрическаякоробка с тонкими металлическимистенками и пластмассовой ручкой. Однасторона коробки окрашена черной крас-кой, другая — белой. Коробка соединя-ется резиновой трубкой с манометром.

При приближении теплоприемникас черной стороной к горячему телу ма-нометр показывает повышение давле-ния воздуха в коробке (рис. 72). Этозначит, что стенка теплоприемника по-глощает излучение, нагревается и на-гревает находящийся в коробке воздух.В результате нагревания давление воз-духа повышается.

При повороте теплоприемника белойстороной к тому же горячему телу из-менение давления оказывается оченьмалым (рис. 73). Следовательно, чернаяповерхность поглощает излучение зна-чительно лучше, чем белая.

Обнаружив повышение давления воз-духа в коробке теплоприемника вблизи

92


горячего тела, можно предложить уча-щимся самостоятельно объяснить на-блюдаемое явление. Если будет высказа-но предположение о передаче тепла отгорячего тела коробке теплоприемникатеплопроводностью, то надо дать воз-можность другим учащимся опроверг-нуть эту гипотезу. Лучший путь опро-вержения этой гипотезы — эксперимен-тальный.

Поставим между горячим телом итеплоприемником металлическую плас-тину. Эта пластина обладает лучшейтеплопроводностью, чем воздух, а пере-дача тепла после ее внесения прекраща-ется. Следовательно, она осуществля-лась не теплопроводностью.

Предположение о переносе теплаконвекцией можно также опровергнутьопытом. Для этого помещаем большуюпластину, расположенную горизонталь-но под теплоприемником и препятству-ющую конвективному движению возду-ха. Опыт показывает, что такая пласти-на не влияет на передачу энергии отгорячего тела теплоприемнику.

Результаты выполненных экспери-ментов дают основания для выводао том, что, кроме теплопроводностии конвекции, энергия от одного теладругому может передаваться без учас-тия частиц вещества. Энергия можетизлучаться и переноситься электромаг-нитными волнами. Электромагнитны-

ми волнами являются такие излучения,как свет, радиоволны, рентгеновскиелучи. Способность тела излучать и по-глощать электромагнитные излучениязависит от свойств поверхности тела.

Экспериментальное задание 32.2 поизучению процессов теплопередачи нетребует специального оборудования иможет быть предложено в качестве до-машнего задания.

Процессы теплопередачи в природеи в повседневной жизни. На второмразвороте этого параграфа учебникаданы примеры конвекции в природе ив повседневной жизни. Учитель можетвыбрать для обсуждения те, которыеему кажутся наиболее интереснымии доступными для учащихся. При же-лании и возможности эти и другие при-меры могут быть рассмотрены на от-дельном уроке при предварительномраспределении между учащимися темкоротких сообщений. Темы для вы-ступлений учащихся могут быть та-кими:

Теплопроводность в повседневнойжизни.

Конвекция в атмосфере Земли.Конвекция в недрах Земли и движе-

ние материков.Конвекция воздуха в квартире.Конвекция воздуха в холодильнике.Теплопередача излучением.

§ 33. Плавление и кристаллизация

Изменение внутренней энергии телпри плавлении и кристаллизации. Приизучении явлений плавления и крис-таллизации тел основной познаватель-ной задачей является установление тогофакта, что внутренняя энергия тела за-висит не только от температуры тела,т. е. от кинетической энергии тепловогодвижения его атомов, но и от взаимногорасположения атомов. К такому заклю-чению приводят результаты экспери-ментальных исследований, в которыхобнаруживаются процессы поглощениятеплоты кристаллическими телами безповышения их температуры при плав-лении и выделения теплоты жидкостя-ми без понижения их температуры приих превращениях в кристаллическиетела. В учебнике в качестве примерарассмотрены такие превращения воды.

Процесс передачи теплоты твердомутелу без повышения его температурыпри плавлении не очень удивляет уча-щихся, так как естественно предполо-жить, что это объясняется потерямитепла в результате теплопередачи окру-жающим телам. Поэтому целесообразносначала напомнить учащимся о сущест-вовании явления выделения теплотыкристаллизующейся жидкостью без по-нижения температуры. Это явлениебыло рассмотрено при изучении поня-тия «внутренняя энергия» (см. § 30).Психологически факт выделения энер-гии телом без изменения температурыпроизводит большое впечатление.

Затем важно обратить внимание нато, что при кристаллизации вода отда-ла окружающим телам ровно столькоэнергии, сколько лед поглотил в про-

93

цессе плавления. Значит, поглощаемаяпри плавлении льда энергия сохраняет-ся внутри жидкой воды, она являетсячастью внутренней энергии тела.

При плавлении кристаллическоготела теплота плавления расходуется наразрыв прочных связей атомов или мо-лекул в кристалле. Здесь можно прове-сти аналогию с затратами энергии наподъем тела над Землей с преодолениемдействия сил земного тяготения. Затра-ченная на подъем тела энергия не исче-зает. Она сохраняется в виде потенци-альной энергии и может превратитьсяв кинетическую энергию при свободномпадении на Землю.

Изменение взаимного расположенияатомов при плавлении кристалличе-ского тела точно так же приводит кувеличению потенциальной энергиивзаимодействия частиц тела. Эта потен-циальная энергия превращается в ки-нетическую энергию теплового движе-ния атомов или молекул тела при крис-таллизации жидкости.

Экспериментальные исследованияявлений плавления и кристаллизации.При изучении этой темы очень важнодать учащимся возможность самостоя-тельного выполнения экспериментовпо исследованию явлений плавления икристаллизации. Экспериментальное за-дание 33.1 по измерению теплоты плав-ления льда требует для своего проведе-ния минимального набора оборудованияи материалов: два стакана, термометр,измерительный цилиндр, горячая вода,лед. Лед необходимо заготовить заранее.

Предлагаемый порядок проведенияэтого эксперимента может показатьсянесколько усложненным, но, преждечем заменять этот вариант, обратитевнимание на такие его особенности, какисключение потерь тепла на передачуокружающим телам из-за одинаковостизначений начальной и конечной темпе-ратуры стакана со льдом, исключениетеплопередачи стакану по той же при-чине и упрощение расчетов.

Экспериментальное задание 33.2 поисследованию тепловых свойств веще-ства по желанию учителя может бытьпереведено из дополнительных заданийв основной проблемный эксперимент.В этом случае в начале урока не следу-ет называть новую тему, а объявить,что на этом уроке будет выполненоэкспериментальное исследование явле-

ния охлаждения жидкостей в результа-те теплопередачи окружающим телам.Эксперимент можно проводить коллек-тивно с одновременным заполнениемтаблиц и построением графиков на дос-ке и в тетрадях.

План эксперимента следующий.Имеются два вещества в жидком состо-янии. Равные количества этих веществнаходятся в пробирках в сосуде с горя-чей водой при температуре 65 °С. Еслиэти пробирки вынуть из горячей водыи дать им возможность остывать в оди-наковых условиях, то одинаково ли бы-стро будет понижаться температуракаждого из них?

Обсудив возможные предположения,планируется эксперимент, подготавли-вается таблица 1 для записи результа-тов и размечаются координатные осидля построения графиков.

Для экономии времени можно под-готовить отчетный лист и размножитьего по числу учащихся в классе. Цельюпроведения исследования ставится еже-минутное измерение температуры в ин-тервале температур от 65 до 45 °С.

Эксперимент целесообразно начатьс исследования зависимости температу-ры воды в первой пробирке от времениостывания. Пробирка ставится в ста-кан для замедления процесса остыва-ния и поддержания постоянных усло-вий теплообмена. Первый учащийсяследит за показаниями секундомера икаждую минуту дает сигнал для счи-тывания показаний термометра, второйсчитывает показания термометра и за-писывает их в таблицу на доске, третийнаносит экспериментальную точку напервый график.

Каждый учащийся в классе делаетзаписи в таблицу в своем отчетном лис-те и строит графики по результатамэкспериментов.

После завершения эксперимента сводой другая группа учащихся выпол-няет аналогичный эксперимент с пара-фином, который выдается как неизвест-ное вещество. После выполнения 4—5 измерений группа экспериментаторовзаменяется с таким расчетом, чтобы всеучащиеся успели принять непосредст-венное участие в эксперименте.

Пример экспериментально получен-ных результатов с водой и парафиномпредставлен в таблице 2 и графикамина рисунке 74.

94

95

Рис. 74

Таблица 1 Таблица 2

Время,мин

Тв,С

Тп,С

Время,мин

Тв,С

Тп,С

0 65 65 0 65 65

1 1 57 61

2 2 50 59

3 3 45 58

4 4 57

5 5 57

6 6 57

7 7 57

8 8 57

9 9 57

10 10 57

11 11 57

12 12 57

13 13 56

14 14 56

15 15 55

16 16 55

17 17 54

18 18 53

19 19 53

20 20 52

21 21 51

22 22 50

23 23 50

24 24 49

После построения второго графикавозникает проблема, требующая разре-шения: почему температура второго ве-щества несколько минут не изменялась,хотя процесс теплопередачи от горячейпробирки более холодному окружающе-му воздуху продолжался?

После постановки этой проблемыможно приступать к выяснению фактазависимости внутренней энергии тел нетолько от температуры тела, но и отвзаимного расположения атомов.

Задача 33.1. Р е ш е н и е.с = 4180 Дж/(кг ⋅ °С)λ = 334,4 кДж/кгT1 = 24 °СT2 = 8 °СT3 = 0 °Сt1 = 10 минt2 = ?Запишем уравнение теплового ба-

ланса для первого случая:

Q1 = Nt1, cm (T1 − T2) = Nt1. (1)

Во втором случае выполняется ра-венство

Q2 = Nt2, cm (T2 − T3) + λm = Nt2. (2)

Отсюда получаем выражение длявычисления времени t2:

tcm T T m

N22 3=− +( ) λ

. (3)

Найдем мощность из уравнения (1)и подставим в уравнение (2):

t t tcm T T m

cm T T

c T T

c T T22 3

1 21

2 3

1 21= =

− +−

− +−

( )

( )

( )

( )

λ λ.

Подставив числовые значения вели-чин, получаем

t2

4180 8 0 334 400

4180 24 8= − +

−( )

( )10 мин =

= 55 мин.


Задача 33.2. На графике (рис. 75)представлено, как изменялась с течени-ем времени температура воды массой0,1 кг, находившейся в начальный мо-мент времени в кристаллическом со-стоянии при температуре −100 °С, припостоянной мощности теплопередачи100 Вт. Используя этот график, опре-делите удельную теплоемкость льда,удельную теплоту плавления льда иудельную теплоемкость жидкой воды.

Р е ш е н и е. График показывает, чтосначала температура льда непрерыв-но повышалась и через 210 с достиглазначения 0 °С. В этом интервале изме-нения температуры происходило нагре-вание льда. Количество переданнойтеплоты Q можно найти как произведе-ние мощности P нагревателя на время tнагревания и как произведение удель-

96

ной теплоемкости сл льда на массу mльда и изменение его температуры ΔT:Nt = cлmΔT.

Отсюда удельная теплоемкость льдаравна:

cNt

m Tл = = ⋅⋅Δ

100 210

0 1 100,Дж/(кг ⋅ °C) =

= 2100 Дж/(кг ⋅ °C).

Затем в течение 333 с льду ежесе-кундно передавалось количество тепло-ты 100 Дж, но температура тающегольда и воды не изменилась ни на одинградус, так как вся энергия расходова-лась на плавление льда. Количество пе-реданной теплоты Q можно найти какпроизведение мощности Р нагревателяна время t плавления и как произведе-ние удельной теплоты плавления льда λна массу m льда: Nt = λm.

Отсюда удельная теплота плавленияльда λ равна:

λ = = ⋅Ntm

100 333

0 1,Дж/кг =

= 333 000 Дж/кг.

После того как весь лед расплавил-ся, температура жидкой воды за 418 сповысилась на 100 °С. Количество пере-

данной в это время теплоты Q можнонайти как произведение мощности Nнагревателя на время t нагревания икак произведение удельной теплоемко-сти жидкой воды св на массу m водыи изменение ее температуры ΔT:

Nt = cвmΔT.

Отсюда удельная теплоемкость водыравна:

cNt

m Tв = = ⋅⋅Δ

100 418

0 1 100,Дж/(кг ⋅ °С) =

= 4180 Дж/(кг ⋅ °С).

Задача 33.3. В медный стакан кало-риметра массой 600 г, содержащийводу массой 450 г, опустили кусок льдапри температуре 0 °С. Начальная тем-пература калориметра с водой 25 °С.В момент времени, когда весь лед рас-таял, температура воды и калоримет-ра стала равной 5 °С. Определите мас-су льда. Удельная теплоемкость меди390 Дж/(кг ⋅ °С), удельная теплоем-кость воды 4,2 кДж/(кг ⋅ °С), удельнаятеплота плавления льда 333 кДж/кг.

Р е ш е н и е.с1 = 390 Дж/(кг ⋅ °С)с2 = с3 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)λ = 333 000 Дж/кгm1 = 600 г = 0,6 кгm2 = 450 г = 0,45 кгt1 = 25 °Сt2 = 5 °Сt3 = 0 °Сm3 = ?Запишем уравнение теплового ба-

ланса:

Q1 = Q2, c1m1 (t1 − t2) + c2m2 (t1 − t2) == c3m3 (t2 − t3) + λm3.

Отсюда получаем

mc m t t c m t t

c t t3

1 1 1 2 2 2 1 2

3 2 3

= =− + −

− +( ) ( )

( ) λ

= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅⋅ +

390 0 6 20 4200 0 45 20

4200 5 333 000

, ,кг =

= 0,12 кг.

§ 34. Испарение и конденсация. Кипение

При изучении явлений испаренияи конденсации новым для учащихсяможет быть факт поглощения теплотыв процессе испарения жидкости и выде-ления теплоты при конденсации пара.

Нужно обратить особое внимание на экс-периментальное задание 34.1 и дать уча-щимся возможность исследовать процессиспарения простым методом.

Экспериментальное задание 34.2 по

97

Рис. 75

измерению влажности воздуха можетбыть выполнено в классе или для жела-ющих как домашнее задание. Можнотакже выполнить этот экспериментколлективно с использованием одногокомплекта оборудования на демонстра-ционном столе.

Задача 34.2. Р е ш е н и е.с1 = 4200 Дж/(кг ⋅ °С)r 2 256 000 Дж/кгm1 = 0,4 кгη = 0,8N = 1 кВтt1 = 30 °Сt2 = 100 °Сt = ?

Запишем уравнение теплового ба-ланса:

Q1 = Q2, Q1 = ηNt,

Q2 = c1m1 (t2 − t1) + rm1,

ηNt = c1m1 (t2 − t1) + rm1.

Отсюда получаем

tc m t t rm

N= =

− +1 1 2 1 1( )

η

= ⋅ ⋅ + ⋅⋅

4200 0 4 70 2 256 000 0 4

0 8 1000

, ,

,Дж/(кг ⋅ °С) =

= 1275 c ≈ 21,25 мин.

§ 35. Теплота сгорания

Тепловые машины. Принципы дей-ствия тепловых машин будут изучатьсяв курсе физики 9 класса. Однако приуспешном освоении обязательного учеб-ного материала по программе физики7 класса и наличии учебного времениможет быть полезным предварительноеознакомление с принципами действиянекоторых тепловых машин при изуче-нии данной темы. Польза от такогопредварительного знакомства может за-ключаться в развитии интереса к изу-чению физики.

Изучение тепловых двигателей мож-но провести в виде урока, на которомвыступят 5—7 учащихся с заранее под-готовленными сообщениями. Во времявыступлений желательно использоватьучебные таблицы, входящие в переченьобязательного оборудования школьногокабинета физики. В этих таблицах име-ются фотографии, рисунки и схемыустройства тепловых машин, а в прила-гаемых к ним методических разработкахесть описания их принципов действия.

Для выступлений можно предло-жить такие темы:

1. Первые паровые машины.2. Первые автомобили.3. Карбюраторный двигатель внут-

реннего сгорания.

4. Дизельный двигатель.5. Паровая турбина и ТЭЦ.6. Газовая турбина и ее применения.7. Ракета.По каждой теме учащимся нужно

дать список доступной литературы, ко-торую можно использовать для подго-товки к выступлению. При этом нужносказать, что это только некоторые мате-риалы, а дополнительные нужно ис-кать в библиотеке, в Интернете.


Q1 = Q2, qm1 = сm2Δt,

mcm t

q1

2 4180 1 100

50 000 000= = ⋅ ⋅Δ

кг ≈

≈ 0,00836 кг ≈ 8,36 г.


ΔEп = Q, ΔEп = mаgh, Q qmб,

hq m

m g= =

⋅⋅

⋅⋅

б

a

44 000 000 10

1000 10м ≈

≈ 44 000 м = 44 км.


Q1 = Q2, Q1 = qmб, Q2 = свmвΔt = св вVвΔt,

qmб = св вVвΔt,

mc V t

qбв в в= = ⋅ ⋅ ⋅ρ Δ 730 1 2 0 0025 300

44 000 000

, ,кг ≈

≈ 0,000015 кг ≈ 15 мг.

Глава 5

Тестовый контроль знаний и умений учащихсяпо физике

Для чего нужен тестовый контрользнаний и умений учащихся по физикев основной школе. Систематическое ис-пользование тематических тестов необ-ходимо для адекватной подготовки уча-щихся к этой форме контроля результа-тов обучения. Основной довод в пользуприменения тестов в основной школе —необходимость объективной оценкиуровня подготовки учащегося в объеметребований образовательного стандарта.

Объективная оценка результатовобучения необходима не только приитоговом контроле, но и на всем протя-жении обучения. Устранение субъек-тивности в процессе оценивания уровнязнаний и умений учащихся достигаетсяисключением участия человека в этойпроцедуре. Для этого используются за-дания для письменных ответов, фор-мализованные таким образом, чтобыстали возможными однозначная оценкарезультатов любым проверяющим илимашиной и самоконтроль результатовсамим учащимся по коду правильныхответов.

При использовании любого педаго-гического теста предполагается, что врезультате тестирования будет получе-но некоторое число, объективно харак-теризующее достижения испытуемого.Обязательным требованием к тесту яв-ляется его способность одинаковым ре-зультатам деятельности испытуемыхдавать соответствующие одинаковыечисла, а разным результатам деятель-ности — разные числа.

При текущем контроле основное на-значение тематических тестов заключа-ется не столько в определении уровняусвоения учащимися каждой темы ивыставлении оценки, сколько в обнару-жении конкретных пробелов в знанияхпо этой теме и характера ошибок, допу-скаемых по невнимательности или не-

брежности при выполнении заданий.После выявления конкретных пробеловнеобходимо возвратиться к изучениюсоответствующих теоретических вопро-сов темы.

Однако эта задача не единственная.Большинство учащихся задания в пре-делах обязательных требований выпол-няют без серьезных затруднений. Зачемже нужен таким учащимся тематиче-ский тест? Тематические тесты успеш-но обучающимся учащимся могут датьобъективную количественную оценкустепени овладения физикой и возмож-ность сравнить свои успехи с успехамидругих учащихся. Эта задача выполня-ется только в том случае, если, кромезаданий, ориентированных на обяза-тельные требования образовательногостандарта с применением знаний в зна-комой ситуации, тест будет содержатьи задания, ориентированные на провер-ку способностей самостоятельно анали-зировать и решать проблемы в нестан-дартных ситуациях, использовать зна-ния и умения на практике. При такойконструкции теста будет не только объ-ективно определен уровень овладенияучащимися обязательными знаниями иумениями, но и дана количественнаяоценка их способностей самостоятельноприменять полученные знания в не-стандартных ситуациях.

Использование большого числа зада-ний в тесте, и среди них части заданийна применение знаний в незнакомой си-туации, позволит учащимся получитьсведения о своих достижениях по объек-тивной условной шкале, сравнить своиуспехи по разным предметам и иметьобъективные критерии для выбора про-филя дальнейшего обучения.

Критерии оценки успешности выпол-нения теста. При использовании тестапринципиально важным является выбор

99

критерия успешности его выполнения.Может показаться обоснованным такойкритерий, как успешное выполнениевсех заданий теста, не выходящих запределы требований образовательногостандарта. Однако на практике такойкритерий обычно не применяется какнеоправданно жесткий по несколькимпричинам.

Прежде всего, необходимо постояннопомнить, что каждый учебный предметв общеобразовательной школе изучает-ся не для запоминания и воспроизведе-ния определенного набора фактов и пра-вил, а для развития способностей уча-щихся, для последующего примененияполученных знаний и умений в прак-тической жизни и в процессе последую-щего обучения. Как установлено иссле-дованиями психологов, приобретенныезнания и умения по какому-либо учеб-ному предмету в основном успешноприменяются на практике и пополня-ются при последующем обучении, еслиучащийся овладевает более чем 70% со-держания материала данного предмета.Поэтому за нижнюю границу для оцен-ки «зачтено» при выполнении итогово-го теста может быть принято примерно70% успешно выполненных заданий впределах обязательных требований об-разовательного стандарта.

Если же в итоговый тест еще вклю-чаются задания, ориентированные напроверку способностей самостоятель-но анализировать и решать проблемыв нестандартных ситуациях, то обяза-тельными для аттестации можно счи-тать только задания первого типа. Придостаточном уровне успешности вы-полнения обязательных заданий в 70%и, например, при доле 70% таких за-даний в общем объеме теста нижняяграница успешного выполнения всеготеста получается равной примерно50% условных баллов (0,7 × 0,7 = 0,49).Если все задания теста оценивать оди-наково, то для зачета необходимо вы-полнить не менее половины заданийтеста.

Возможный вариант перевода числаправильно решенных заданий теста из14 заданий в оценку по шкале из 5 бал-лов представлен в таблице.

При дифференцированном подходек отдельным заданиям теста оценка ре-зультата выполнения теста может вы-ражаться некоторым условным числом

Таблица

Число правиль-ных ответов

7—9 10—11 12—14

Оценка в бал-лах

3 4 5

баллов. Например, максимально воз-можное число баллов при выполне-нии теста может быть равным 50 или100 баллам. При выборе такой шкалыоценки успехи учащихся, проявляю-щих интерес к изучению физики, ста-новятся более выраженными.

В этой главе представлен набор тема-тических тестов по физике для 7 классаи тест для итогового контроля.

Возможные типы заданий в тестепо физике для итогового контроля испособы их решения. До применениятестов в качестве средств контролязадачей учителя является подготовкаучащихся к новому для них способупроверки знаний и умений. Преждевсего их нужно ознакомить с различны-ми возможными способами формулиро-вания заданий в тесте и правильнымиспособами выбора ответа. На каждыйтип задания целесообразно дать примеррешения.

По форме задания тестов по физикечасто совпадают с привычными для уча-щихся задачами, но отличаются в частитребований к деятельности учащихсяпри выполнении задания. Главное отли-чие заключается в том, что от учащего-ся не требуется письменное решениеили обоснование своего мнения. Задачуон должен решить и полученный ре-зультат сравнить с ответами, предла-гаемыми на выбор. Из нескольких прав-доподобных ответов он должен выбратьтолько один правильный. Например:

Три тела А, Б и В имеют одина-ковую массу. При опускании в водутело А плавает на поверхности,тело Б внутри жидкости не всплыва-ет и не тонет, тело В тонет. На ка-кое из трех тел действует наимень-шая сила Архимеда?

1) на тело А2) на тело Б3) на тело В4) на все три тела действуют

одинаковые силыПри решении представленной зада-

чи для выбора правильного ответа тре-

100

буется знание закона Архимеда: на по-груженное в жидкость тело действуетвыталкивающая сила, равная весу вы-тесненной жидкости. Затем нужносравнить силу Архимеда с одинаковойдля всех трех тел силой тяжести. Навсе три тела действует одинаковая силатяжести, так как их массы одинаковы.На плавающее на поверхности водытело А и на тело Б внутри жидкости,которое не всплывает и не тонет, дейст-вует выталкивающая сила, равная весутела. Тело В тонет, значит, действую-щая на него сила Архимеда меньшесилы тяжести. Следовательно, наи-меньшая сила Архимеда действует натело В. Правильный ответ под номе-ром 3.

Задание с выбором ответа можетиметь форму некоторого неоконченногоутверждения и нескольких правдопо-добных его завершений, среди которыхтолько одно правильное. Например:

Физическая величина, равная про-изведению силы на путь, пройденныйв направлении действия силы, назы-вается

1) работой2) мощностью3) кинетической энергией4) потенциальной энергиейВ данной задаче правильный ответ

под номером 1.Задание с выбором правильного от-

вета может представлять собой обыч-ную физическую задачу, для решениякоторой нужно выполнить расчет исравнить полученный результат с чис-лами, приведенными в ответах на вы-бор. Если полученный результат совпа-дает с одним из ответов, то решениеможно считать законченным. Если жерезультат не совпадает ни с одним изпредложенных на выбор ответов, тонужно проверить решение и постарать-ся найти правильное. Например, зада-ние на расчет:

При прямолинейном равномерномдвижении автомобиль за 5 с прохо-дит расстояние 100 м. Какое расстоя-ние при таком движении он пройдетза 2 с?

1) 200 м 3) 120 м 5) 20 м2) 140 м 4) 40 мИногда в тестах предлагаются зада-

ния, в которых для выбора правильно-го ответа нужно прочитать несколькоутверждений и выбрать из них верные.

Постановка вопроса в такой форме озна-чает, что правильных утверждений вэтом случае может быть или несколько,или одно, или ни одного. Например:

Из нижеприведенных утвержденийвыберите верное(ые).

А. Внутренняя энергия тела мо-жет изменяться путем теплопере-дачи.

Б. Внутренняя энергия тела можетизменяться в результате совершенияработы сил.

В. Внутренняя энергия тела неможет изменяться ни в результатесовершения работы сил, ни путемтеплопередачи.

1) только А 3) только В2) только Б 4) А и БПравильный ответ под номером 4.Проверка умений определять харак-

тер физического процесса по графикуможет выполняться, например, с помо-щью такого задания.

По графику зависимости пути пря-молинейного движения тела от вре-мени определите путь, пройденныйтелом за 3 с от момента начала от-счета времени, и скорость тела в мо-мент времени t 3 с (рис. 76).

1) s = 6 м, v = 2 м/с2) s = 3 м, v = 2 м/с3) s = 6 м, v = 0 м/с4) s = 3 м, v = 0 м/сДля нахождения по графику пути,

пройденного за 3 с, проводим вертикаль-ную прямую через точку, соответствую-щую на оси абсцисс моменту времениt = 3 с. От точки пересечения этой пря-мой с графиком проводим горизонталь-ную прямую до пересечения с осью ор-динат, по которой отсчитывается прой-денный путь. Точка пересечения с этойосью определяет значение пройденногопути за 3 с. Путь равен 6 м.

101

Рис. 76

Скорость тела в момент времениt = 3 с можно определить следующимобразом. Так как участок графика, со-ответствующий интервалу времени отмомента времени t = 2 с до моментавремени t = 4 с, является горизонталь-ной прямой, то можно сделать вывод,что в этом интервале времени пройден-ный путь не изменяется. Такая зависи-мость пути от времени соответствует со-стоянию покоя, скорость равна нулю.Правильный ответ под номером 3.

Как готовиться к тестовому контро-лю знаний и умений по физике и каквыполнять задания теста. Для успеш-ного выполнения тестовых заданийглавными условиями являются овладе-ние основными физическими понятия-ми, понимание физических законов иумение применять их на практике. Ноуспех при выполнении заданий тестаможет оказаться меньшим, чем уча-щийся заслуживает в действительно-сти, если он не будет иметь опыта вы-полнения тестовых заданий, не распре-делит разумно время на их выполнение.Поэтому учителю необходимо специаль-но готовить учащихся к выполнениютестовых заданий как особой формыконтроля знаний и умений учащихся.Возможным вариантом самостоятель-ной подготовки учащегося к тестовомуконтролю результатов изучения однойтемы является работа по следующейсхеме.

1) Самостоятельное выполнение за-даний тематического теста без исполь-зования книг или каких-то записей завремя, отведенное на выполнение теста.

2) Проверка правильности решенийпо кодам ответов.

3) Анализ ошибочных решений.Если ошибки допущены по невнима-тельности при чтении условия задачи,из-за неправильного использованияединиц измерения или из-за небрежно-сти при записи выбранного ответа, тонужно постараться запомнить этот типошибок и не допускать их при выпол-нении следующих тестов. Ошибки, до-пущенные не случайно, а из-за недо-статка знаний, нужно исправить, ещераз поработав с учебником, тем самымпополнить свои знания.

4) Повторное выполнение другоговарианта тематического теста по той жетеме для проверки выполненной работынад ошибками.

Хотя важнейшей составляющей под-готовки к контролю знаний по физикеявляется приобретение глубоких ипрочных знаний физических законов иумений применять их на практике, по-лезно знать и учитывать некоторые об-щие особенности тестового способа про-верки знаний и умений.

Одна из важных особенностей тестовзаключается в том, что обычно общийобъем заданий теста может быть та-ким, что части учащихся не удастсяза отведенный интервал времени пол-ностью выполнить все задания. Боль-шое количество заданий в тесте обу-словливается не только необходимо-стью охватить проверкой усвоение всехосновных знаний и умений по физи-ке, предусмотренных образовательнымстандартом, но и намерением дать объ-ективную оценку индивидуальных спо-собностей каждого экзаменующегосяв области самостоятельного примене-ния этих знаний. С учетом такой осо-бенности тестовых заданий можно датьучащимся некоторые советы по тактикеих выполнения.

При большом объеме заданий итого-вого теста и высоком уровне трудностичасти заданий для достижения макси-мального успеха при их выполнениицелесообразно избрать следующий по-рядок выполнения заданий и распреде-ления времени на их выполнение.

Первый этап — разделите интервалвремени, отведенный на выполнение те-ста, на три равные части и за одну третьэтого интервала попробуйте решить всезадания теста. Например, если темати-ческий тест из 15 заданий предлагаетсявыполнить за 45 мин, то в первой по-пытке все задания следует попробоватьрешить примерно за 15 мин, затрачи-вая на каждое задание не более 1 мин.

Те задания, для выполнения кото-рых вам требуется больший интервалвремени или относительно которыхвы не вполне уверены в правильностипредполагаемого ответа, пока пропус-кайте и не записывайте сомнительныеответы. Такая тактика необходима длятого, чтобы не потерять слишком многовремени на размышления и попыткирешения одного или двух трудных длявас заданий в самом начале работы надтестом.

Длительная задержка в начале тестаиз-за недостатка времени на выполне-

102

ние остальных заданий может привестик досадным ошибкам при решении бо-лее легких заданий или даже к тому,что к решению части очень простых за-даний вы не успеете даже приступить.

Если вы в основном овладели кур-сом физики в пределах обязательныхтребований школьной программы, тос первой попытки вам удастся успешновыполнить более половины заданий,так как большинство из них довольнопросты. Это придаст вам уверенностив своих силах и поможет достижениюуспеха на следующих этапах.

Второй этап — выполнение заданий,вызвавших затруднения при первой по-пытке решения. На этом этапе целесо-образно распределить время на решениекаждой из оставшихся задач примернопоровну, а не засиживаться над первойиз них. Пройдите все оставшиеся нере-шенные задачи не более чем за 15 мин,и у вас еще останется время на те зада-ния, которые не удалось выполнитьс двух попыток. Теперь, когда у вас вы-полнены почти все задания теста, выможете спокойно подумать над остав-шимися двумя-тремя задачами.

Если все задания выполнены ранееотведенного на тест интервала времени,разумно не проявлять самоуверенностии не спешить сдавать свою работу.У вас есть возможность еще раз спокой-но и не торопясь проверить, правильноли вы поняли условия каждого из зада-ний и смысл поставленных вопросов,правильно ли решили задачи и верноли записали полученные ответы. Приэтом можно независимо проконтроли-ровать правильность решений заданийс выбором ответа путем нахожденияошибок в каждом из непринятых вари-антов ответов. Однако поисками такихошибок разумно заниматься толькопосле завершения решения всех зада-ний теста.

Другая особенность итогового тесто-вого контроля связана с использовани-ем заданий с выбором ответа на постав-ленный вопрос, который, по вашемумнению, является правильным. Важнознать, что для затруднения нахожденияправильного ответа путем отбрасываниянеправильных ответов к составителямзаданий тестов предъявляется требова-ние правдоподобия неправильных отве-

тов на поставленные вопросы. Поэтомунужно очень внимательно читать усло-вия заданий с выбором ответа и всепредлагаемые ответы на них, не подда-ваясь впечатлению нахождения пра-вильного ответа после прочтения толькоодного или двух из всех предлагаемыхответов.

Очень важно понимать, что тест полюбому предмету, в том числе и тест пофизике, является одновременно инстру-ментом проверки знаний и умений ис-пытуемого по данному учебному пред-мету и инструментом проверки уровняобщего развития его умственных спо-собностей. Помня об этом, не отсту-пайте от попыток решения тех заданий,которые кажутся вам выходящими запределы ваших знаний и умений. Осо-знайте, что в случае выполнения зада-ния с выбором ответа перед вами нестоит задача объяснения явления илидоказательства какого-то утверждения.От вас требуется лишь выбор правиль-ного ответа из нескольких предлагае-мых. И это не только значительно болеелегкая задача, но в некоторых случаяхвы при выполнении теста можете дажепополнить свои знания по физике. Такчто не теряйтесь, например, если вамвстретилось в тесте такое задание:

Единицей давления в СИ является1) ньютон2) килограмм3) паскаль4) джоульЕсли вы не помните или в жизни ни

разу не слышали название такой еди-ницы, да к тому же не понимаете, чтозначат буквы СИ, то и в этом случае непрекращайте попытки решения задачи.Например, вы знаете, что ньютон яв-ляется единицей силы, килограмм —единицей массы, а джоуль — единицейэнергии и работы. В этом случае выдолжны догадаться, что для единицыдавления остается единственный воз-можный выбор — ответ 3 (паскаль).Это пример решения тестового заданияметодом отбрасывания неправильныхответов.

Этот пример показывает, что мето-дом отбрасывания неправильных отве-тов можно не только дать правильныйответ на задание теста, но и пополнитьсвои знания по физике.

103

Тематические и итоговый тесты

Т е с т 1Физические явления. Механическое движение. Скорость.

Таблицы и графики

1. Какой из ответов обозначает физиче-ское явление?1) скорость2) падение тел3) траектория движения4) измерение времени

2. Какое из слов является названиемфизического прибора?1) секундомер2) путь3) метр4) автомобиль

3. В физике путь — это1) физическая величина2) физическое явление3) траектория4) дорога

4. Какое из слов обозначает единицуфизической величины?1) длина2) время3) метр4) атом

5. Сколько секунд в одном часе?1) 60 3) 360 5) 36002) 100 4) 1000

6. Четыре наблюдателя измерили вре-мя бега одного спортсмена на дис-танции 100 м и получили результа-

ты 10,2; 10,1; 10,4 и 10,1 с. Среднееарифметическое значение равно1) 10,0 с 3) 10,25 с2) 10,2 с 4) 10,3 с

7. Автомобиль движется по горизон-тальной дороге. Какой буквой на ри-сунке 77 обозначена траектория точ-ки на покрышке колеса за один обо-рот в системе отсчета, связаннойс автомобилем?1) А 2) Б 3) В 4) Г

8. На рисунке 78 представлен графикзависимости пути s, пройденного те-лом, от времени t. Какой путь былпройден телом за три секунды от мо-мента начала движения?1) 4 м 3) 1 м2) 2 м 4) 0

9. По графику зависимости пути s,пройденного телом, от времени t(см. рис. 78) определите, с какойскоростью двигалось тело от концачетвертой до конца пятой секунды.1) 0 3) 1,5 м/с2) 1,2 м/с 4) 6 м/с

10. По графику зависимости модуляскорости тела от времени (рис. 79)определите путь, пройденный те-лом от момента времени t = 1 с домомента времени t = 2 с.1) 0 2) 1 м 3) 2 м 4) 4 м

11. Физическая величина, задаваемаятолько числом без указания направ-ления в пространстве, называется1) скалярной величиной

104

Рис. 77


2) векторной величиной3) алгебраической величиной4) геометрической величиной

12. Из трех физических величин —пути, времени и скорости — век-торной величиной1) является только путь2) является только время3) является только скорость4) не является ни одна

13. Ваня сказал: «Я видел радугу по-сле дождя». Сергей сказал: «А ядогадался, что радуга получаетсяпри освещении солнцем водяныхкапель. На даче я пустил струюводы из шланга так, что она распа-лась на капли. И тогда я увидел ра-

дугу». Кто из ребят рассказал о вы-полненном опыте?1) только Ваня2) только Сергей3) Ваня и Сергей4) ни один из них

14. Механическое движение характе-ризуется траекторией движения,путем и скоростью. Какая из этихвеличин зависит от выбора тела от-счета?1) только траектория2) только путь3) только скорость4) траектория и скорость5) траектория, путь и скорость

Т е с т 2Масса. Сила. Сила тяжести. Сила упругости. Сложение сил

1. При попытке автомобилиста быстрозатормозить перед красным сигна-лом светофора колеса автомобиля,двигавшегося с большой скоростью,прекращают вращение, но автомо-биль еще некоторое время продол-жает движение. Это объясняется1) действием большой силы трения

на колеса2) малой силой трения, действую-

щей на колеса3) явлением инерции4) действием силы тяжести

2. Гиря подвешена на нити, которая необрывается под действием силы тя-жести гири, но легко обрываетсяпри небольшом добавлении груза.Снизу к гире привязана точно такаяже нить. Если за эту нить потянутьвниз с постепенно возрастающимусилием, то1) оборвется верхняя нить2) оборвется нижняя нить3) оборвутся верхняя и нижняя нити4) оборваться могут верхняя и ниж-

няя нити с одинаковой вероятно-стью

3. Тела А и Б имеют одинаковый объ-ем, из них тело А инертнее, чемтело Б. Какое из этих тел сильнеепритягивается к Земле?1) тело А2) тело Б3) оба тела одинаково4) притяжение тел к Земле не зави-

сит ни от объема тела, ни от его инерт-ности, поэтому по условию задачинельзя определить, какое из тел силь-нее притягивается к Земле

4. Основная единица силы в Междуна-родной системе единиц — это1) грамм2) килограмм3) ньютон4) джоуль

5. При превращении воды из кристал-лического состояния (льда) в жид-кую воду объем воды уменьшается.Как изменяется при этом плотностьводы?1) увеличивается2) уменьшается3) не изменяется4) плотность воды может увели-

читься или уменьшиться в зависимостиот количества воды в опыте

6. Массы сплошных однородных тел А,Б и В одинаковы, из них тело А об-ладает наименьшим объемом, а телоБ — наибольшим объемом (рис. 80).

105

Рис. 80

Какое из этих тел обладает наиболь-шей плотностью вещества?1) тело А2) тело Б3) тело В4) плотность вещества всех трех тел

одинакова

7. Единица силы 1 Н — это такаясила, под действием которой1) тело массой 1 кг движется со ско-

ростью 1 м/с2) скорость тела массой 1 кг изме-

няется на 1 м/с за 1 с3) тело массой 1 кг движется по

инерции со скоростью 1 м/с4) тело любой массы движется со

скоростью 1 м/с

8. Из четырех физических величин —пути, скорости, массы и силы —векторными величинами являются1) путь и скорость2) масса и сила3) скорость и сила4) путь, скорость и сила

9. Весом тела называется сила, дейст-вующая1) со стороны тела на опору или

подвес2) на тело со стороны Земли только

на неподвижные тела3) на тело со стороны Земли только

на свободно падающие тела4) на любые тела со стороны Земли

независимо от того, движутсяони или неподвижны

10. Гиря весом 98 Н стоит на столе.Чему равна масса гири?1) 0 3) 10 кг2) 9,8 кг 4) 100 кг

11. Человек сидит на стуле. К какимтелам приложены сила тяжести че-ловека и сила веса?1) сила тяжести приложена к че-

ловеку, сила веса — к стулу2) сила тяжести приложена к сту-

лу, сила веса — к человеку3) сила тяжести и сила веса прило-

жены к стулу4) сила тяжести и сила веса прило-

жены к человеку

12. На рисунке 81 представлены резуль-таты экспериментального иссле-дования зависимости удлинениястальной пружины от модуля дей-ствующей на нее силы. Определитепо этим результатам, каким будет

удлинение пружины при действиина нее силы 2 Н.1) 1 см 3) 3 см2) 2 см 4) 4 см

13. Два вектора сил приложены к од-ной точке тела (рис. 82). Модуль

вектора F�1 равен 5 Н, модуль век-

тора F�2 равен 12 Н. Чему равен мо-дуль равнодействующей этих сил?1) 7 Н 3) 17 Н2) 8,5 Н 4) 60 Н

14. Два вектора сил приложены к од-ной точке тела (рис. 83). Модуль

вектора F�1 равен 4 Н, модуль век-

тора F�2 равен 3 Н. Чему равен мо-дуль вектора равнодействующейэтих сил?1) 1 Н 3) 5 Н2) 3,5 Н 4) 7 Н

106

Рис. 81

Рис. 82

Рис. 83

Т е с т 3Равновесие тел. Давление. Закон Архимеда. Атмосферное давление. Сила трения.

Энергия. Работа. Мощность. Простые механизмы. Механические колебания и волны

1. Рычаг с двумя грузами находитсяв равновесии на горизонтальной оси,проходящей через точку О. Расстоя-ния от точек подвешивания грузовдо оси вращения указаны на рисун-ке 84. Вес груза В равен 6 Н. Чемуравен вес груза А?1) 9 Н 3) 4 Н2) 6 Н 4) 2 Н

2. Под действием веса груза А и силы

F� рычаг находится в равновесии нагоризонтальной оси, проходящей че-рез точку О. Расстояния от точек

подвеса груза и приложения силы F�до оси вращения и другие расстоя-ния указаны на рисунке 85. Модуль

силы F� равен 48 Н. Чему равен весгруза А?1) 36 Н 3) 60 Н 5) 80 Н2) 48 Н 4) 75 Н

3. Точка приложения равнодействую-щей сил тяжести, действующих навсе точки тела, называется1) точкой тяжести2) осью вращения3) центром тяжести4) центром симметрии

4. На какой примерно глубине в моредавление воды равно 100 000 Па?Коэффициент g считайте равным 10.1) 10 м 3) 1000 м2) 100 м 4) 10 000 м

5. На человека весом 700 Н при плава-нии на поверхности воды действуетсила Архимеда, равная примерно1) 0 3) 700 Н2) 70 Н 4) 7000 Н

6. Почему при набирании жидкостив шприц движение поршня шприцавверх приводит к возникновениюв трубке фонтана (рис. 86)?1) фонтан возникает потому, что

атмосферное давление снаружибольше давления разреженноговоздуха в сосуде

2) фонтан возникает потому, что жид-кость обладает свойством расши-рения и заполняет любое пустоепространство

3) фонтан возникает потому, что пу-стой сосуд втягивает воду

4) фонтан возникает потому, чтовоздух обладает способностью за-полнять пустоту. Он стремитсяв трубку и вталкивает туда нахо-дящуюся на его пути воду

7. При равномерном движении брус-ка по горизонтальной поверхностина грани с площадью поверхно-сти 200 см2 сила трения равна 2 Н.Каково значение силы трения при

107


Рис. 84

равномерном движении того же брус-ка на грани с площадью поверхно-сти 100 см2?1) 1 Н2) 2 Н3) 4 Н4) 8 Н

8. Первый человек массой 100 кг идетсо скоростью 1 м/с, второй человекмассой 50 кг бежит со скоростью2 м/с. Кто из них обладает большейкинетической энергией и во сколькораз?1) первый, в 2 раза2) первый, в 4 раза3) второй, в 2 раза4) второй, в 4 раза5) кинетическая энергия первого и

второго человека одинакова

9. Автомобиль массой 1000 кг движет-ся равномерно и прямолинейно соскоростью 10 м/с. Какую полезнуюработу необходимо совершить дляувеличения его скорости в том женаправлении до 20 м/с?1) 1 944 000 Дж2) 300 000 Дж3) 150 000 Дж4) 50 000 Дж

10. Какую работу совершает тракторпротив сил трения за 10 с при рав-номерном движении и мощностидвигателя 200 кВт?1) 2 000 000 Дж 3) 2000 Дж2) 20 000 Дж 4) 20 Дж

11. Автомобиль массой 1000 кг за 4 сразгоняется из состояния покоя доскорости 10 м/с. Чему равна по-лезная мощность двигателя авто-мобиля?1) 2 592 000 Вт2) 162 000 Вт3) 200 000 Вт4) 12 500 Вт

12. На рисунке 87 представлена схемаиспользования наклонной плоско-сти для подъема груза. Какой вы-игрыш или проигрыш в силе и вработе дает такая наклонная плос-кость при отсутствии сил трения?1) выигрыш в силе в 2 раза, выиг-

рыша или проигрыша в работене дает

2) выигрыш в силе в 2 раза, проиг-рыш в работе в 2 раза

3) выигрыш в силе в 2 раза, выиг-рыш в работе в 2 раза

4) проигрыш в силе в 2 раза, выиг-рыш в работе в 2 раза

5) наклонная плоскость не дает вы-игрыша ни в силе, ни в работе

13. Шар, подвешенный на пружине,совершает свободные колебания самплитудой 2 см и периодом коле-баний 2 с. Чему равны расстояниеот верхнего положения А до ниж-него положения С (рис. 88) и вре-мя, за которое шар проходит эторасстояние?1) АС равно 2 см, время движения

1 с2) АС равно 2 см, время движе-

ния 2 с3) АС равно 2 см, время движе-

ния 4 с4) АС равно 4 см, время движе-

ния 4 с5) АС равно 4 см, время движения

1 с

14. Звук частотой 100 Гц за 3 с распро-страняется в воздухе на расстояние1200 м. Определите длину волнызвука.1) 360 км 3) 36 м2) 40 км 4) 4 м

108

Рис. 88

Рис. 87

Т е с т 4Взаимодействие частиц вещества. Свойства газов. Свойства жидкостей и твердых тел.Температура. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Тепло-

передача. Плавление и кристаллизация. Испарение и конденсация. Кипение

1. Диффузия атомов и молекул проис-ходит быстрее всего1) в газах2) в жидкостях3) в твердых телах4) с одинаковой скоростью в любых

состояниях вещества

2. Каждая молекула свободно движет-ся до столкновения с другой молеку-лой вещества, при столкновении из-меняет модуль и направление скоро-сти движения, движется до новогостолкновения и так далее1) только в твердом состоянии ве-

щества2) только в жидком состоянии ве-

щества3) только в газообразном состоянии

вещества4) в твердом, в жидком и газообраз-

ном состоянии вещества

3. В каком из трех состояний веще-ства — газообразном, жидком илитвердом — его молекулы не участву-ют в тепловом движении?1) только в газообразном состоянии2) только в жидком состоянии3) только в твердом состоянии4) во всех состояниях вещества его

молекулы участвуют в тепловомдвижении

4. При переходе воды из кристалличе-ского состояния в жидкое плотностьводы оказывается больше плотностильда, потому что в кристалле льда1) имеются пузырьки воздуха2) расстояния между молекулами

меньше, чем в жидкой воде3) расстояния между молекулами

больше, чем в жидкой воде4) расстояния между молекулами

такие же, как в жидкой воде

5. За температуру 0 °С принята темпе-ратура1) тающего льда при нормальном

атмосферном давлении2) тающего льда в вакууме3) тающей смеси поваренной соли

и льда4) человеческого тела

6. Если скорость хаотического движе-ния частиц газа увеличивается, обя-зательно1) понижается температура газа2) увеличивается объем газа3) повышается давление газа4) повышается температура газа5) увеличивается объем газа и по-

вышается его давление

7. Главное отличие термометра для из-мерения температуры тела человекаот термометра для измерения темпе-ратуры воздуха в том, что медицин-ский термометр1) имеет меньшие размеры2) «запоминает» самую высокую

температуру3) сделан из безвредных для челове-

ка материалов4) препятствует повышению темпе-

ратуры человека выше 42 °С

8. В сосуде А находится воздух, в со-суде Б — воздух и насыщенный во-дяной пар. Начальные значениятемпературы и давления в сосудаходинаковы. При одинаковом охлаж-дении давление понизилось1) в сосудах А и Б одинаково2) в сосуде Б больше, чем в сосу-

де А3) в сосуде А больше, чем в сосуде Б4) в сосуде А, а в сосуде Б не изме-

нилось

9. Температура кипения воды от давле-ния воздуха над ее поверхностью1) не зависит2) повышается с повышением дав-

ления3) понижается с повышением давле-

ния4) повышается с понижением дав-

ления

10. Каким способом можно изменитьвнутреннюю энергию тела?1) только совершением работы2) только теплопередачей3) совершением работы и теплопе-

редачей4) внутреннюю энергию тела изме-

нить нельзя

109

11. Почему зимой в меховой шубе че-ловеку тепло?1) шуба имеет большую массу, по-

этому в ней сохраняется боль-шой запас домашнего тепла.На морозе она понемногу отдаетэтот запас тепла человеку

2) в мехе много воздуха. Теплоем-кость воздуха очень велика,и имеющееся в мехе тепло пере-дается человеку

3) в мехе много воздуха. Воздухобладает малой теплопроводно-стью, что способствует сохране-нию тепла, выделяемого теломчеловека

4) мех обладает способностью повы-шать температуру любого тела,находящегося внутри него

12. В каком из перечисленных случаевпередача энергии от одного тела кдругому происходит в основном из-лучением?1) при поджаривании яичницы на

горячей сковородке2) при нагревании воздуха в ком-

нате от радиатора центральногоотопления

3) при нагревании шин автомоби-ля в результате торможения

4) при нагревании земной поверх-ности Солнцем

13. При падении из облака при темпера-туре воздуха выше нуля снежинкичастично тают. В процессе таяния

1) снежинки поглощают энергиюиз воздуха

2) снежинки выделяют энергию ипередают ее воздуху

3) снежинки не поглощают и невыделяют энергию

4) выделяемую снежинками энер-гию поглощают образующиесякапли воды

14. Вещество, взятое в кристалличе-ском состоянии, некоторое времянагревали, затем оно остывало.

График зависимости температурывещества от времени в течение это-го опыта представлен на рисун-ке 89. Сколько минут в этом экспе-рименте длился процесс остыванияжидкого вещества?1) 7 мин 3) 10 мин2) 8 мин 4) 15 мин

И т о г о в ы й т е с т1. Перед вами три предложения:

А. В летний солнечный день чело-век увидел, что птица в небе рас-правила крылья и парит в воз-духе.

Б. Он подумал: «Может быть, птицане падает без взмахов крыльевпотому, что нагретый воздух под-нимается от земли вверх и под-держивает ее».

В. Человек сорвал одуванчик, ду-нул на него и стал наблюдатьполет парашютиков, чтобы про-верить свое предположение.

В каком из предложений содержит-ся описание наблюдения и в каком —описание опыта?

1) А — описание наблюдения, В —опыта

2) Б — описание наблюдения, В —опыта

3) В — описание наблюдения, Б —опыта

4) А — описание опыта, В — на-блюдения

2. Иногда в жаркий день легкие обла-ка на небе как будто тают и исчеза-ют. Какое физическое явление приэтом происходит?1) конденсация водяного пара в

жидкость2) кристаллизация воды3) испарение воды

3. На рисунке 90 изображены траекто-рии движения одной и той же точки,находящейся на покрышке колесавелосипеда, относительно разных тел

110

Рис. 89

отсчета за один оборот колеса. С ка-ким телом отсчета был связан наблю-датель, зафиксировавший траекто-рию точки, обозначенную буквой В?1) с ободом колеса2) с осью колеса3) с землей сбоку от едущего по го-

ризонтальной дороге велосипеда4) с любым из трех тел отсчета, пе-

речисленных в ответах 1—3

4. По графику (рис. 91) определитескорость движения тела в интервалевремени от конца второй до концачетвертой секунды.1) 0 3) 1 м/с2) 0,5 м/с 4) 2 м/с

5. По графику (см. рис. 91) определи-те путь, пройденный телом в интер-вале времени от конца второй доконца четвертой секунды.1) 0 2) 2 м 3) 4 м 4) 8 м

6. По графику (рис. 92) определитепуть, пройденный телом в интервалевремени 0—7 с.1) 49 м 3) 7 м 5) 02) 35 м 4) 1 м

7. По графику (см. рис. 92) определи-те модуль скорости в интервале вре-мени 3—5 с.1) 7 м/с 3) 2,5 м/с2) 5 м/с 4) 1 м/с

8. По графику (см. рис. 92) определите,сколько секунд в интервале 0—9 стело было неподвижным.1) 1 с 2) 2 с 3) 3 с 4) 4 с

9. Как называют явление сохраненияскорости тела при отсутствии дейст-вия на него других тел?1) свободное падение2) инерция3) движение4) покой

10. Массы сплошных однородных ша-ров (рис. 93) одинаковы. Какой изэтих шаров сделан из веществас наибольшей плотностью?

1) 1 2) 2 3) 34) плотность вещества всех шаров

одинакова

11. При подвешивании тела на пружи-ну динамометра показания на шка-ле динамометра 1 Н. Чему равнымасса m груза и сила тяжести Fт,действующая на этот груз со сторо-ны Земли?

1) m ≈ 0,102 кг, Fт = 1 Н2) m = 1 кг, Fт = 1 Н3) m ≈ 0,102 кг, Fт = 9,8 Н4) m = 1 кг, Fт = 9,8 Н

12. Ребенок стоит на весах. Показаниявесов 10 кг. Чему равны масса ре-бенка, его вес и каково направле-ние вектора силы веса?

1) масса 10 кг, вес 98 Н, векторсилы веса направлен к Земле

111

Рис. 92

Рис. 93

Рис. 91

Рис. 90

2) масса 98 кг, вес 10 Н, векторсилы веса направлен от Земли

3) масса 10 кг, вес 98 Н, векторсилы веса направлен от Земли

4) масса 98 кг, вес 10 Н, векторсилы веса направлен к Земле

13. Сила, возникающая при движенииодного тела относительно другого ипрепятствующая его перемещению,называется силой трения скольже-ния. В каком(их) из перечислен-ных случаев движение происходитпри участии силы трения скольже-ния?А. Автомобиль едет по дороге.Б. Человек шагает по земле.В. Груз скользит на наклонной

плоскости.1) только в случае А2) только в случае Б3) только в случае В4) во всех перечисленных случаях5) ни в одном из перечисленных

случаев

14. Вектор силы F�3 является равнодей-

ствующей силой двух векторов F�1и F�2. Векторы F�1 и F�3 представлены

на рисунке 94. Вектор F�2 лежит напрямой АВ. Определите модуль

вектора F�2, если модуль вектора F�1равен 4 Н.1) 1 Н 3) 4 Н2) 3 Н 4) 5 Н

15. Чему равно давление доски сноубор-диста на горизонтальную поверх-ность снега, если площадь доскиравна 0,2 м2, а масса сноубордиставместе с доской равна 100 кг?1) 20 Па 3) 500 Па2) 196 Па 4) 4900 Па

16. Давление в жидкости плотностью ρв открытом сосуде на глубине hравно1) ратм 3) ρgh2) ратм + ρgh 4) ратм − ρgh

17. Прозрачную бутылку наполовинунаполнили водой, закрыли проб-кой и горлышко бутылки опустилив сосуд с водой. Пробку вынулипод водой и увидели, что не всявода вылилась из бутылки. Чтопроизойдет с уровнем воды внутрибутылки, если атмосферное давле-ние понизится?1) понизится2) повысится3) не изменится

18. U-образную трубку частично запол-нили водой до одинакового уровняв обоих коленах. Затем левый ко-нец закрыли герметично пробкой(колено 1), а правый конец (коле-но 2) опустили (рис. 95). В резуль-тате уровни воды в коленах трубкистали отличаться на высоту столбаводы h. Чему равны давления р1 ир2 на воду со стороны воздуха в ко-ленах 1 и 2 трубки?1) р1 = р2 = ратм

2) р1 = ратм, р2 = ратм + ρgh3) р1 = ратм + ρgh, р2 = ратм

4) р1 = ратм − ρgh, р2 = ратм

5) р1 = ратм, р2 = ратм − ρgh

19. Мыльный пузырь плавает в возду-хе и постепенно опускается вниз.Какое соотношение между силой

112

Рис. 94

Рис. 95

тяжести mg и силой Архимеда FА,действующими на мыльный пу-зырь, верно для этого явления?1) FА > mg2) FА < mg3) FА = mg4) сила Архимеда в этом случае на

мыльный пузырь не действует

20. Для определения центра тяжестидиска провели два опыта. На краюдиска просверлили два отверстияА и С (рис. 96). В первом опытедиск навесили на горизонтальныйстержень за отверстие А. Затем на-весили на тот же стержень отвес(нить с грузом). В положении рав-новесия на диске провели ли-нию АВ вдоль нити отвеса. Во вто-ром опыте поступили аналогично,подвесив диск за отверстие С.

Вдоль второго положения нити от-веса провели линию СД. Опреде-лите по результатам опыта, какаяточка на диске отмечает положениецентра тяжести диска.1) точка А 3) точка О2) точка С 4) точка М

21. Кошка и собака бегут с одинаковойскоростью. Масса кошки 2 кг, мас-са собаки 4 кг. Чему равна кине-тическая энергия собаки, если ки-нетическая энергия кошки равна100 Дж?1) 25 Дж 3) 100 Дж2) 50 Дж 4) 200 Дж

22. Какой полезной мощностью обла-дает человек массой 100 кг, увели-чивший свою скорость от 0 до10 м/с за 10 с бега?

1) 10 000 Вт 3) 1000 Вт2) 5000 Вт 4) 500 Вт

23. Брусок массой m под действиемсилы F, направленной параллельнонаклонной плоскости, перемеща-ется равномерно и прямолинейновверх по наклонной плоскости нарасстояние l и при этом поднимает-ся на высоту h от первоначальногоположения. Чему равен КПД на-клонной плоскости?

1) η = mgh

Fl3) η = mgl

Fh

2) η = Flmgh

4) η = Fhmgl

24. В эксперименте по изучению коле-баний маятника в течение 50 с ма-ятник совершил 10 колебаний.Чему равны период и частота коле-баний маятника?1) T = 5 с, ν = 500 Гц2) T = 500 с, ν = 0,2 Гц3) T = 5 с, ν = 0,2 Гц4) T = 0,2 с, ν = 5 Гц

25. В каких телах происходит диффу-зия?1) только в газообразных телах2) только в жидких телах3) только в твердых телах4) во всех телах

26. В каком(их) состоянии(ях) веще-ства составляющие его атомы и мо-лекулы участвуют в тепловом дви-жении?1) только в газообразном2) только в газообразном и жидком3) только в жидком и твердом4) в газообразном, жидком и твер-

дом

27. Каким способом можно изменитьвнутреннюю энергию тела?1) только совершением работы2) только теплопередачей3) совершением работы и теплопе-

редачей4) внутреннюю энергию тела изме-

нить невозможно

28. Какой вид теплопередачи сопро-вождается переносом вещества?1) только излучение2) только конвекция3) только теплопроводность4) излучение, конвекция и тепло-

проводность5) излучение и теплопроводность

113

Рис. 96

29. Какой из перечисленных теплоизо-ляторов лучший?1) воздух2) вакуум3) шерсть4) пенопласт

30. Какого цвета одежду лучше одетьв жаркий солнечный день?1) одежду белого цвета, так как

поверхность белого цвета лучшеотражает солнечное излучение

2) одежду черного цвета, так какповерхность черного цвета луч-ше поглощает солнечное излу-чение

3) одежду разноцветную, чтобыона отражала излучения всехцветов

4) одежду разноцветную, чтобыона поглощала излучения всехцветов

31. При нагревании вещества массой 5 кгна 4 °С было затрачено 20 000 Джэнергии. Чему равна удельная теп-лоемкость вещества?1) 1000 Дж/(кг ⋅ °С)2) 4000 Дж/(кг ⋅ °С)3) 5000 Дж/(кг ⋅ °С)4) 40 000 Дж/(кг ⋅ °С)

32. В стакане, теплоемкостью которогоможно пренебречь, смешали 100 гводы при температуре 100 °С и 50 гводы при температуре 40 °С. Какойстала температура смеси после на-ступления теплового равновесия?1) 140 °С 3) 70 °С2) 80 °С 4) 60 °С

33. На рисунке 97 показан график за-висимости температуры воды отвремени при охлаждении от +100до −100 °С с постоянной мощно-стью теплопередачи. Сколько вре-мени длился процесс кристаллиза-ции воды?1) 961 с 3) 333 с2) 418 с 4) 210 с

34. Летом на открытом балконе бельевысохнет быстрее1) в холодный дождливый день2) в жаркий дождливый день3) в холодный день без осадков4) в жаркий день без осадков

35. Для чего калориметр состоит из двухцилиндрических стаканов, встав-ленных один в другой с небольшимпромежутком?1) внешний стакан служит для

защиты руки от ожога при вы-сокой температуре жидкости вовнутреннем стакане

2) два стакана нужны для увеличе-ния теплоемкости калориметра

3) слой воздуха между внутренними внешним стаканами служиттеплоизоляцией внутреннего ста-кана

4) внешний стакан нужен, чтобыпри выливании из внутреннегостакана вода не растеклась постолу и не испортила другиеприборы на столе

Рис. 97

Коды правильных ответов на задания тематических тестов

Т е с т 1

Номерзадания

Номер правильного ответа

1 2 3 4 5

1 ×

2 ×

3 ×

4 ×

5 ×

6 ×

7 ×

8 ×

9 ×

10 ×

11 ×

12 ×

13 ×

14 ×

Т е с т 2



1 2 3 4

1 ×

2 ×

3 ×

4 ×

5 ×

6 ×

7 ×

8 ×

9 ×

10 ×

11 ×

12 ×

13 ×

14 ×

Т е с т 3

115



1 2 3 4 5

1 ×

2 ×

3 ×

4 ×

5 ×

6 ×

7 ×



1 2 3 4 5

8 ×

9 ×

10 ×

11 ×

12 ×

13 ×

14 ×

Т е с т 4

Ответы и решения задач итогового теста

1. О т в е т 1.Глядя на природные явления, чело-

век выполняет наблюдение. Опыт илиэксперимент проводится для проверкигипотезы.

2. О т в е т 3.В задаче описан процесс испарения

капель воды в облаках из-за повыше-ния температуры воздуха в жаркийдень.

3. О т в е т 3.Наблюдатель, находящийся на зем-

ле сбоку от движущегося велосипеда,видит одновременно движение точки наободе вращающегося колеса и движе-ние той же точки вдоль дороги вместесо всем велосипедом. Результатом сло-жения двух траекторий движения яв-ляется кривая, называемая циклоидой.

4. О т в е т 4.По графику зависимости скорости

движения тела от времени видно, чтов интервале от конца второй до концачетвертой секунды скорость тела не из-менялась и равна 2 м/с.

5. О т в е т 3.По графику видно, что скорость дви-

жения тела в интервале от конца вто-рой до конца четвертой секунды неизменялась и равна 2 м/с. Это озна-чает, что тело двигалось равномерно

и путь, пройденный телом в указан-ном интервале времени, равен s vt,s = 2 м/с ⋅ 2 с = 4 м.

6. О т в е т 3.На рисунке 98 дан график зависимо-

сти пути от времени. Путь s0—7, прой-денный телом в интервале времени0—7 с, найдем как разность пути s7,пройденного телом к моменту време-ни 7 с, и пути s0, пройденного теломк моменту времени 0 с:

s0—7 = s7 − s0.

Чтобы найти точку графика, соот-ветствующую моменту времени 7 с,проведем вертикальную прямую от точ-ки 7 на оси времени до пересеченияс графиком. Обозначим найденную точ-

116



1 2 3 4

1 ×

2 ×

3 ×

4 ×

5 ×

6 ×

7 ×



1 2 3 4

8 ×

9 ×

10 ×

11 ×

12 ×

13 ×

14 ×

Рис. 98

ку буквой А. Чтобы найти путь, прой-денный телом к моменту времени 7 с,проведем горизонтальную линию отточки А до пересечения с вертикаль-ной осью. В результате получаем,что s7 = 7 м. Аналогично находим, чтоs0 = 0 м.

В результате получаем, что

s0—7 = 7 м − 0 м = 7 м,

т. е. в интервале времени 0—7 с телопрошло путь 7 м.

7. О т в е т 3.Чтобы определить по графику за-

висимости пути от времени (рис. 99)модуль скорости v3—5, нужно сначалаопределить, каким было движение вэтом отрезке времени. На графике путьв интервале времени 3—5 с представленотрезком наклонной прямой. Это озна-чает, что движение было равномерным,т. е. скорость в этом интервале временине изменялась. Скорость v3—5 равна:

v3—5 = s3—5/t3—5.

Путь s3—5 равен:

s3—5 = s5 − s3.

Чтобы найти точку графика, соот-ветствующую моменту времени 5 с,проведем вертикальную прямую от точ-ки 5 на оси времени до пересеченияс графиком. Обозначим найденную точ-ку буквой А. Чтобы найти путь, прой-денный телом к моменту времени 5 с,проведем горизонтальную линию отточки А до пересечения с вертикаль-ной осью. В результате получаем, чтоs5 = 7 м. Аналогично находим, чтоs3 = 2 м.

Откуда

s3—5 = 7 м − 2 м = 5 м,

т. е. в интервале времени 3—5 с телопрошло путь 5 м.

Найдем модуль скорости:

v3—5 = s3—5/t3—5 = 5 м/2 с = 2,5 м/с.

8. О т в е т 3.По графику (рис. 100) видно, что

в интервале времени 0—9 с тело былонеподвижным в течение одной секундыв интервале 2—3 с и в течение 2 с в ин-тервале 5—7 с. На этих участках гра-фик представлен горизонтальными от-резками, пройденный путь не изменял-ся. В интервале времени 0—9 с телобыло неподвижным 3 с.

9. О т в е т 2.Явление сохранения скорости тела

при отсутствии действия на него дру-гих тел называется инерцией.

10. О т в е т 3.Плотностью вещества называется

отношение массы m тела из данноговещества к объему V тела: ρ = m/V.Так как массы всех шаров одинако-вы, а наименьший объем имеет шар 3,то шар 3 обладает наибольшей плотно-стью.

11. О т в е т 1.По условию задачи при подвешива-

нии груза неизвестной массы на пружи-ну динамометра показания на шкалединамометра равны 1 Н. Показания нашкале динамометра снимаются приусловии, что пружина динамометрапрекращает растягиваться под действи-ем силы тяжести, действующей на под-вешенный груз со стороны Земли. Приэтом устанавливается равновесие двухсил — силы упругости пружины исилы тяжести груза. Значит, сила Fт

тяжести равна 1 Н.

117

Рис. 99

Рис. 100

Так как сила тяжести Fт пропорцио-нальна массе m тела:

Fт = 9,8m,

то масса груза равна:

m = Fт/9,8, m = 1/9,8 кг ≈ 0,102 кг.

12. О т в е т 1.Показания весов по условию задачи

10 кг. Это означает, что весы програду-ированы в килограммах и с помощьюэтих весов измерили массу ребенка. Ве-сом Р называется сила, с которой телов результате действия на него силы тя-жести действует на опору, препятству-ющую падению тела. Поскольку в этойзадаче рассматривается случай равнове-сия, когда ребенок стоит на неподвиж-ных весах, то вес Р равен по модулюсиле Fт тяжести:

Р = Fт = 9,8m = 98 Н.

Вектор веса приложен к весам и на-правлен в ту же сторону, что и сила тя-жести, т. е. к Земле.

13. О т в е т 3.Чтобы ответить на вопрос задачи,

нужно рассмотреть подробно каждыйиз перечисленных случаев движения.

При движении автомобиля по дорогеучасток шины автомобиля, соприка-сающийся с дорогой, неподвижен отно-сительно земли. Но колесо вращается,действуя с определенной силой вдольповерхности на дорогу. В ответ возника-ет сила трения покоя, равная ей по мо-дулю, направленная в противополож-ную сторону и приложенная к колесу.В результате дорога «толкает» колесовперед. Таким образом, в процессе нор-мального движения машины, если ко-леса катятся, а не проскальзывают поповерхности дороги, движение происхо-дит при участии силы трения покоя.Сила трения скольжения не участвует,когда автомобиль едет по дороге.

При ходьбе человека подошва ногив момент соприкосновения с поверхно-стью дороги неподвижна относительноповерхности дороги и в то же время от-талкивается от этой поверхности. Оттал-киваясь, нога действует на дорогу с не-которой силой. Горизонтальная состав-ляющая этой силы направлена вдольповерхности дороги и приложена к до-роге. В тот же момент возникает силатрения покоя, равная этой силе по моду-лю, противоположная по направлению

и приложенная к ноге человека. Чело-век делает шаг. Сила трения скольже-ния не участвует в этом движении.

Когда груз скользит по наклоннойплоскости, то, кроме скатывающейсилы, на груз в противоположном на-правлении действует сила трения сколь-жения. Она направлена вдоль поверхно-сти соприкосновения тел и противопо-ложна вектору скорости относительногодвижения. Это правильный ответ.

14. О т в е т 2.

Вектор равнодействующей силы F�3двух векторов находится по правилу

сложения двух векторов F�1 и F�2: к кон-

цу вектора F�1 нужно приставить начало

вектора F�2. В этом случае модуль иско-

мого вектора F�2 равен отрезку, соединя-

ющему конец вектора F�1 и конец векто-

ра F�3 (рис. 101). Модуль искомого век-

тора F�2 с учетом масштаба рисункаравен 3 Н.

15. О т в е т 4.Давлением р называется физическая

величина, равная отношению модулясилы F, действующей перпендикулярноповерхности, к площади этой поверхно-сти S. На поверхность снега действуетвес сноубордиста вместе с доской. Веспо модулю равен силе тяжести. Иско-мое давление равно:

р = Fт/S = m9,8/S == 100 ⋅ 9,8 Н/0,2 м2 = 4900 Па.

16. О т в е т 2.Давление внутри жидкости на глу-

бине h от ее поверхности складываетсяиз давления ρgh столба жидкости высо-той h и внешнего атмосферного давле-ния ратм: ратм + ρgh.

118

Рис. 101

17. О т в е т 1.В условии задачи сказано, что когда

горлышко бутылки, наполовину запол-ненной водой, опустили в сосуд с водойи под водой вынули пробку, то увиде-ли, что не вся вода вылилась.

По условию задачи h — высота стол-ба оставшейся воды в бутылке, рв —давление воздуха над водой в бутылке.Вода перестала выливаться из бутылки,когда сумма давления воздуха над во-дой в бутылке рв1 и давления столбаводы ρgh1, оставшейся в бутылке, сталаравна атмосферному давлению ратм1:

рв1 + ρgh1 = ратм1.

При понижении атмосферного дав-ления до нового значения ратм2 давлениестолба воды в бутылке превышаетвнешнее давление и часть воды вытека-ет из бутылки. Вода перестает вытекатьиз бутылки, когда сумма давления воз-духа над водой в бутылке рв2 и дав-ления столба воды ρgh2, оставшейсяв бутылке, становится равной атмо-сферному давлению ратм2. Уровень водыв бутылке понижается.

18. О т в е т 4.Когда оба колена трубки открыты,

давление на воду со стороны воздухав обоих коленах одинаково и равноатмосферному давлению pатм, уровниводы в коленах одинаковы (рис. 102).Когда один конец трубки закрылипробкой, а другой конец оставили от-крытым и правое колено опустили, то

уровни воды в коленах трубки сталиотличаться на высоту h (рис. 103). Дав-ление на воду со стороны воздуха в ко-лене 1 обозначим р1, давление столбаводы h обозначим р, давление на водусо стороны воздуха в колене 2 обозна-чим р2. В этом опыте уровни воды в ко-ленах трубки перестали изменяться,когда сумма давления р1 в колене 1 состороны воздуха на воду и давления рстолба h воды стала равна давлению р2

на воду со стороны воздуха в колене 2:

р1 + р = р2. (1)

Давление столба h воды равнор = ρgh, а давление на воду со сторонывоздуха в колене 2 равно р2 = ратм. Под-ставим эти значения в формулу (1):

р1 + ρgh = ратм. (2)

Из формулы (2) получим

р1 = ратм − ρgh.

19. О т в е т 2.На плавающее в любой среде тело

действуют равные по модулю сила тя-жести и сила Архимеда. По условию за-дачи мыльный пузырь опускается вниз,т. е. равнодействующая этих двух силнаправлена вниз. Это возможно в томслучае, если модуль силы тяжестибольше модуля силы Архимеда:

mg > FА.

20. О т в е т 4.При подвешивании диска за отвер-

стие А на горизонтальный стерженьв положении равновесия диска егоцентр тяжести оказывается на вертика-ли, проходящей через точку подвеса,а нить АВ подвеса проецируется на ли-нию внутри диска, на которой находит-ся точка — центр тяжести.

В результате второго опыта мы на-ходим второе положение нити отвеса,отмеченное точками С и Д. Одна из то-чек этой нити проецируется на точкуположения центра тяжести диска.

Двум линиям АВ и СД одновременнопринадлежит точка их пересечения —точка М. За этой точкой внутри дисканаходится центр тяжести диска.

21. О т в е т 4.Кинетическая энергия тела прямо

пропорциональна произведению массытела на квадрат скорости, деленномупополам:

E = mv2/2.

119

Рис. 102 Рис. 103

Так как скорости кошки и собакиодинаковы, а масса mс собаки вдвоебольше массы mк кошки: mс = 2mк, токинетическая энергия собаки вдвоебольше кинетической энергии кошки:

Eс = mсv2/2 = 2mкv2/2 = 2Eк =

= 2 ⋅ 100 Дж = 200 Дж.

22. О т в е т 4.Полезная мощность Nп равна отно-

шению полезной работы Ап к времени tее совершения:

Nп = Ап/t.

В этой задаче полезной работойможно считать работу Ап, которая за-трачена человеком на увеличение ско-рости от v0 = 0 км/с до v1 = 10 км/с за10 с бега. Результат совершенной по-лезной работы — увеличение кинетиче-ской энергии человека от Ек0 до Ек1:

Ап = Ек1 − Ек0 = mv12/2 − mv0

2/2 == (m/2) (v1

2 − v02),

Ап = 50 ⋅ (102 − 02) = 5000 Дж.

Найдем полезную мощность:

Nп = 5000 Дж/10 с = 500 Вт.

23. О т в е т 1.Коэффициент полезного действия

любого механизма равен отношениюполезной работы Ап к затраченной ра-боте Аз:

η = Ап/Аз.

При подъеме тела весом mg по на-клонной плоскости на высоту h полез-ная работа Ап равна работе по преодоле-нию силы тяжести mg при перемеще-нии вертикально вверх на расстояние h:

Ап = mgh,

а затраченная работа Аз равна работесилы F, направленной параллельно на-клонной плоскости и перемещающейбрусок равномерно и прямолинейно нарасстояние l:

Аз = Fl.

Коэффициент полезного действия на-клонной плоскости в этом случае равен:

η = =A

A

mgh

Fl

п

з

.

24. О т в е т 3.Если за время t произошло n колеба-

ний, то период колебаний T, равныйвремени одного колебания, равен:

T = t/n, T = 50/10 с = 5 с.

Частотой колебаний называется чис-ло колебаний за одну секунду:

v = n/t = 10/50 = 0,2 Гц.

25. О т в е т 4.Диффузией называется процесс про-

никновения атомов или молекул одноговещества в промежутки между атомамиили молекулами другого вещества.Этот процесс происходит при соприкос-новении тел в результате тепловогодвижения атомов веществ.

Так как в тепловом движении участ-вуют частицы вещества независимо оттого, в газообразном, жидком или твер-дом состоянии оно находится, то про-цесс диффузии возможен во всех телах.

26. О т в е т 4.В тепловом движении участвуют

атомы и молекулы вещества в любомсостоянии этого вещества — в газооб-разном, жидком и твердом.

27. О т в е т 3.Внутреннюю энергию вещества мож-

но изменить путем совершения работыи теплопередачей.

28. О т в е т 2.Переносом вещества сопровождается

конвекция — нагретое вещество стано-вится легче, поднимается вверх, пере-дает тепло окружающей среде и за счетэтого охлаждается, становится тяже-лее, опускается вниз и т. д.

29. О т в е т 2.Лучшим теплоизолятором является

вакуум, так как в пустом пространственевозможны такие виды теплопереда-чи, как теплопроводность и конвекция.Теплопередача в вакууме осуществляет-ся лишь путем излучения.

30. О т в е т 1.Роль одежды на время прогулки под

солнечными лучами в жаркий день за-ключается в защите человека от пе-регревания. Для защиты от солнечногоизлучения одежда должна хорошо отра-жать солнечное излучение. Таким свой-ством обладает одежда белого цвета.

31. О т в е т 1.Числовое значение удельной тепло-

емкости вещества с равно количеству

120

теплоты, которое вызывает повышениетемпературы тела массой 1 кг на 1 °C:

с = Q/(m ⋅ t),с = 20 000 Дж/(5 кг ⋅ 4 °C) =

= 1000 Дж/(кг ⋅ °C).

32. О т в е т 2.При теплообмене некоторое количе-

ство теплоты переходит от горячейводы к холодной до тех пор, пока меж-ду ними не установится тепловое равно-весие. Этот момент характерен тем, чтотемпература перестает изменяться. Обо-значим температуру смеси в состояниитеплового равновесия t и составимуравнение теплового баланса:

сm1 (t1 − t) = сm2 (t − t2),

где с — удельная теплоемкость воды;t1 = 100 °C — температура горячей во-ды, t2 = 40 °C — температура холоднойводы; сm1 (t1 − t) — количество тепло-ты, отданное в результате охлажденияв процессе теплообмена горячей водойхолодной воде; сm2 (t − t2) — количе-ство теплоты, полученное холодной во-дой в процессе теплообмена от горячейводы.

Для вычисления температуры смесивыразим массу воды в килограммах:

m1 = 100 г = 0,1 кг,m2 = 50 г = 0,05 кг.

Подставим числовые данные в урав-нение теплового баланса:

0,1 (100 − t) = 0,05 (t − 40),200 − 2t = t − 40, t = 80 °C.

Температура смеси после наступле-ния теплового равновесия равна 80 °C.

33. О т в е т 3.Процесс кристаллизации воды, т. е.

процесс превращения воды в кристаллыльда, происходит при 0 °C. Процесс кри-сталлизации не является мгновенным.

После начала кристаллизации образует-ся смесь воды и льда. Температура этойсмеси остается неизменной и равной0 °C до тех пор, пока вся вода не превра-тится в лед. На графике процессу крис-таллизации соответствует горизонталь-ный отрезок и показано, что процесспри 0 °C продолжался 333 с.

34. О т в е т 4.При высыхании белья молекулы

воды с поверхности белья переходятв окружающий воздух. Этот процесспроисходит тем интенсивнее, чем мень-ше молекул воды находится в воздухе,окружающем белье, т. е. чем меньшевлажность окружающего воздуха.

В дождливый день относительнаявлажность близка к 100%, т. е. бельеокружено воздухом, содержащим боль-шое количество паров воды. Испарениев таких условиях затруднено и в холод-ный, и в жаркий день.

При испарении с поверхности вы-рываются самые быстрые молекулы.В жаркий день температура воздуха ибелья высокая, быстрых молекул водымного, процесс испарения более интен-сивный, чем в холодный день.

Таким образом, белье на открытомбалконе высохнет быстрее всего в жар-кий день без осадков.

35. О т в е т 3.Небольшой слой воздуха между

внутренним и внешним стаканами ка-лориметра является хорошим тепло-изолятором. Это нужно для того, чтобытермоизолировать внутренний стакани его содержимое. В этом случае можносвести до минимума потери тепла засчет теплопередачи, так как внутрен-ний стакан не касается предметов во-круг него и под ним — он лишь стоитна тонкой подставке на дне внешнегостакана.

Приложение

Для получения представлений о том,как именно высказывали и обосновыва-ли свои идеи ученые, создававшие на-уку физику, здесь представлены неболь-шие отрывки из трудов древнегреческих

философов и одной из работ первого рус-ского физика и астронома М. В. Ломо-носова, также краткие сведения об авто-рах этих трудов.

ДЕМОКРИТ

Демокрит родился в греческом горо-де Абдеры около 460 г. до н. э. В моло-дости он получил большое наследствои истратил его на научные поездки.В Афинах Демокрит познакомился сучением Анаксагора и слушал Сократа,совершил путешествия в Вавилон, Пер-сию, Египет, Индию. Как утверждают,он сказал о себе: «Из всех моих совре-менников я обошел наибольшую частьЗемли; я делал исследования более глу-бокие, чем кто-либо другой; я виделмного разнообразных климатов и страни слышал многих ученых людей, и ни-кто еще меня не превзошел в сложениилиний, сопровождаемом логическим до-казательством».

Познакомившись с научными дости-жениями своих современников в Евро-пе, Африке и Азии, Демокрит разрабо-тал собственную систему взглядов повопросам этики, логики, теории позна-ния, математики, астрономии, физики,биологии, техники, языкознания. По-этому Демокрита называют первым эн-циклопедическим умом среди греков.

Сохранилось предание, что в родномгороде Демокрит был привлечен к судуза растрату наследства. На суде вместооправдательной речи Демокрит прочи-тал одно из своих научных сочиненийкак результат научных поездок по все-му миру. И суд оправдал его.

Одной из важнейших работ Демо-крита была книга «Великий миро-строй», в которой излагалось учение остроении мира. До наших дней не до-шла ни одна из книг Демокрита. Об ихсуществовании и содержании известнолишь по цитатам и пересказам в трудахсовременников и ученых, жившихпозднее и изучавших его труды. Нижеприводятся высказывания Демокрита

об атомах и строении Вселенной, при-водимые в трудах других ученых.

Изложение учения Демокрита

Учение об атомах

Гален. «Л и ш ь в о б щ е м м н е н и ис у щ е с т в у е т ц в е т, в м н е н и и —с л а д к о е, в м н е н и и — г о р ь к о е,в д е й с т в и т е л ь н о с т и ж е с у щ е с т-в у ю т т о л ь к о а т о м ы и п у с т о т а».Так говорит Демокрит, полагая, что всеощущаемые качества возникают из со-единения атомов, существуя лишь длянас, воспринимающих их, по природеже нет ничего ни белого, ни черного, нижелтого, ни красного, ни горького, нисладкого. Весь смысл самого этого уче-ния должен быть таков. Лишь у людейпризнается что-либо белым, черным,сладким, горьким и всем прочим в этомроде, поистине же все есть «ч т о» и«н и ч т о». И это опять — его собствен-ные выражения, а именно, он называлатомы «ч т о», а пустоту «н и ч т о».Итак, атомы суть всевозможные ма-ленькие тела, не имеющие качеств, пус-тота же — некоторое место, в которомвсе эти тела, в течение всей вечностиносясь вверх и вниз, или сплетаютсякаким-нибудь образом между собой,или наталкиваются друг на друга и от-скакивают, расходятся и сходятся сно-ва между собой в такие соединения,и таким образом они производят и всепрочие сложные тела и наши тела, и ихсостояния и ощущения. ...первотела немогут ни в каком отношении изменять-ся, они не могут подвергаться измене-ниям, в существование которых верятвсе люди на основании чувственногоопыта; так, например, ни один из ато-мов не нагревается, не охлаждается,

122

равным образом не делается ни сухим,ни влажным и тем более не становитсяни белым, ни черным и вообще не при-нимает никакого иного качества вслед-ствие полного отсутствия изменения.

Диоген. По Демокриту — началовселенной — атомы и пустота... Мировбесчисленное множество, и они имеютначало и конец во времени. И ничто невозникает из небытия, ни разрешаетсяв небытии. И атомы бесчисленны поразнообразию величин и по множеству;носятся же они во вселенной, кружасьв вихре, и таким образом рождается всесложное: огонь, вода, воздух, земля.Дело в том, что последние суть соедине-ния некоторых атомов. Атомы же неподдаются никакому воздействию инеизменяемы вследствие твердости.

Симплпций. Демокрит полагает, чтовечные начала по своей природе сутьмаленькие сущности, бесконечно мно-гие по числу... Он полагает, что сущ-ности настолько малы, что недоступнывосприятию наших органов чувств.У них разнообразные формы и разнооб-разные фигуры, и они различны по ве-личине. И вот из них, как из элементов,возникают вследствие их соединениявидимые и ощущаемые массы. Вследст-вие несходства и прочих указанных раз-личий они пребывают в беспорядочномдвижении и носятся в пустоте, носясьже, они встречаются и переплетаютсядруг с другом, так что приходят в со-прикосновение и располагаются рядом.

Однако, по его мнению, из них при ихсплетении отнюдь не образуется поисти-не единая природа. Ибо совершенно не-лепо, чтобы два или большее число мог-ли бы когда-либо стать одним. Причи-ной же того, что эти сущности в течениенекоторого времени «д е р ж а т с я в м е-с т е» друг с другом, он считает то, чтомежду ними образуются связи и чтотела захватывают друг друга. Дело втом, что одни из них кривые, другие —крючковидные, третьи — впалые, чет-вертые — выпуклые, прочие имеютдругие бесчисленные различия.

Платон. Огонь, вода, земля и воз-дух — все они существуют, как гово-рят, от природы и благодаря случаю,и ничто из них не существует благода-ря искусству. Также и тела, следующиеза ними, — это относится к Земле, ееСолнцу, Луне и звездам, — возникличерез посредство этих совершенно нео-душевленных веществ. Каждое из по-следних носилось по случайной, прису-щей ему силе, и там, где они сталкива-лись, они как-то надлежащим образомприлаживались друг к другу... . Вот та-ким-то способом возникло и небо в це-лом и все, что на небе, равно как и всеживотные и растения. От этого же воз-никла и смена времен года. И все этопроизошло, по учению Демокрита, непо причине ума и не благодаря како-му-нибудь богу и не через искусство,но, как мы подчеркиваем, от природыи случайно.

ЛУКРЕЦИЙ

Наиболее полное и подробное изло-жение взглядов атомистов дано в поэмеТита Лукреция Кара «О природе ве-щей». Тит Лукреций Кар жил в Римев I в. до н. э. Это было время восстанияСпартака, триумвирата Цезаря, Помпеяи Красса. Лукреций в поэтической поэ-ме изложил философские взгляды афин-ского философа Эпикура (341—270 гг.до н. э.). Эпикур в области физики при-нял основные положения атомистиче-ского учения Демокрита, внеся в него

лишь небольшие изменения. У Демо-крита число форм атомов так же беско-нечно, как и число атомов, а у Эпикурабесконечно число атомов каждой фор-мы, число же форм атомов конечно.Эпикур придавал большое значение на-блюдениям природных явлений: «Ибоисследовать природу не должно на осно-вании пустых предположений и законо-положений, но должно исследовать еетак, как взывают к этому видимые яв-ления».

ЛУКРЕЦИЙ О ПРИРОДЕ ВЕЩЕЙ

Книга первая

...Должно ведь было бы все, чему смертное тело присуще,Быть истребленным давно бесконечного времени днями.Если ж в теченье всего миновавшего ранее века

123

Были тела, из каких состоит этот мир, обновляясь,То, несомненно, они обладают бессмертной природойИ потому ничему невозможно в ничто обратиться.И, наконец, от одной и той же причины и силыГибла бы каждая вещь, не будь материя вечной. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .чтоб к словам моим ты с недоверием всё ж не отнессяИз-за того, что начала вещей недоступны для глаза,Выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно, признаешь,

270 Что существуют тела, которых мы видеть не можем.Ветер, во-первых, морей неистово волны бичует,Рушит громады судов и небесные тучи разносит,Или же, мчась по полям, стремительным кружится вихрем,Мощные валит стволы, неприступные горные выси,Лес низвергая, трясет порывисто: так, налетая,Ветер, беснуясь, ревет и проносится с рокотом грозным.Стало быть, ветры — тела, но только незримые нами,Море и земли они вздымают, небесные тучиБурно крутят и влекут внезапно поднявшимся вихрем;. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Далее, запахи мы обоняем различного рода,Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают.Также палящей жары или холода нам не приметитьНо это все обладает, однако, телесной природой,Если способно оно приводить наши чувства в движенье:Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может.И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,Да и не видно того, как она исчезает от зноя.Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,

310 Что недоступны они совершенно для нашего глаза.Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальцеНосится, из году в год становится тоньшe и тоньше;Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривленныйПлуга железный сошник незаметно стирается в почве;И мостовую дорог, мощеную камнями, видимСтертой ногами толпы; и правые руки у статуйБронзовых возле ворот городских постепенно худеютОт припадания к ним проходящего мимо народа,Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,

320 Но отделение тел, из нее каждый миг уходящих,Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .при всей своей видимой плотности, вещиВсё ж, как увидишь сейчас, всегда будут пористы телом:Так, сквозь каменья пещер сочится текучая влагаВод, и слезятся они обильными каплями всюду;

360 Ведь, коль в клубке шерстяном содержится столько же телаСколько и в слитке свинца, то и весить он столько же долженИбо всё книзу давить является признаком тела,Наоборот: пустота по природе своей невесома.Так что, коль что-нибудь легче другого того же размера,Больше в себе пустоты заключает оно очевидно.Наоборот: если что тяжелее, то, стало быть, большеТела имеется в нем, а порожнего меньше гораздо.Значит, бесспорно к вещам примешано то, что стремимсяРазумом чутким найти и что мы пустотой называем...

124

Книга вторая

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 Если же думаешь ты, что стать неподвижно способны

Первоначала вещей и затем возродить в них движенье,Бродишь от истины ты далеко в заблужденьи глубоком.Ведь, в пустоте находясь и витая по ней, неизбежноПервоначала вещей уносятся собственным весомИли толчками других. И часто, в движеньи столкнувшисьВместе, одни от других они в сторону прядают сразу.И удивляться нельзя: ведь они в высшей степени крепки,Плотны и вески, и вспять отскочить им ничто не мешает.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Первоначала вещей, — раз они порожденья природы,А не при помощи рук на один образец создавались, —

380 В формах различных летать и несхожими быть по фигурам.. . . . . . . . . . . . . . . . . через рог фонаря проникает свободноСвет, но не дождь. Почему? Ибо света тела основные

390 Мельче, чем те, из каких состоит благодатная влага.И хоть мгновенно вино, когда цедишь его, протекает,Но потихоньку идет и сочится ленивое масло;Иль потому, что его, очевидно, крупней элементы,Иль крючковатей они и спутаны больше друг с другом;И получается так, что не могут достаточно быстроСвязь меж собой разорвать по отдельности первоначалаИ вытекать, проходя чрез отверстие каждое порознь.Надо добавить еще, что и мед и молочная влагаНа языке и во рту ощущаются нами приятно;

400 Наоборот же, полынь своей горечью или же дикийТысячелистник уста нам кривят отвратительным вкусом.Так что легко заключить, что из гладких и круглых частичекТо состоит, что давать ощущенье приятное может;Наоборот, то, что нам представляется горьким и терпким,Из крючковатых частиц образуется, тесно сплетенных,А потому и пути к нашим чувствам оно раздирает,Проникновеньем своим нанося поранения телу.Всё, наконец, что для чувств хорошо или кажется плохо,Разнится между собой и несходные формы имеет;

АРИСТОТЕЛЬ

Аристотель был одним из величай-ших мыслителей древности. Он родил-ся в 384 г. до н. э. в городе Стагирево Фракии, в 367 г. до н. э. приехалв Афины и стал учеником школы Пла-тона, называемой Академией. Послесмерти Платона в 347 г. до н. э. онпокинул Академию. В 343 г. до н. э.македонский царь Филипп пригласилАристотеля стать воспитателем сынаАлександра. Аристотель согласился ина протяжении нескольких лет былучителем юноши, который после смер-ти отца стал сначала царем Македонии,а затем, после завоеваний Египта, Пер-сии и Индии, получил имя Александ-ра Великого или Александра Македон-

ского. В 335 г. до н. э. Аристотельоткрыл свою школу в Афинах, назван-ную позднее Лицеем. По названию этойшколы стали называть и другие школылицеями.

Аристотель изучил и критическипроанализировал все достижения древ-негреческих ученых, затем в системати-зированном виде изложил свои взглядыпо всем вопросам науки своего времени.Список трудов Аристотеля содержит на-звания 146 работ. Наука физика полу-чила свое название по названию одногоиз его сочинений.

В средние века труды Аристотелябыли признаны христианской церковьюсоответствующими Священному Писа-

125

нию и для большинства ученых служи-ли источником непререкаемых истин повсем вопросам науки.

После смерти Александра Македон-ского в 323 г. до н. э. Аристотеля сталипреследовать как друга покорителя Гре-ции и он был вынужен покинуть Афи-ны. Умер он в 322 г. до н. э. на островеЭвбея.

АРИСТОТЕЛЬ

ФИЗИКА

КНИГА СЕДЬМАЯ

Глава первая

Все движущееся необходимо приво-дится в движение чем-нибудь. Если онов самом себе не имеет начала движения,то ясно, что оно приводится в движениедругим...

Глава шестая

...Люди подразумевают под пустотойпротяжение, в котором нет никакоговоспринимаемого чувствами тела; по-лагая, что все существующее есть тело,они говорят: в чем вообще ничего нет,это и есть пустота, и то, что наполненовоздухом, есть пустота. Ведь не то сле-дует доказывать, что воздух есть нечто,

а что не существует протяжения, отлич-ного от тел, отделимого от них и имею-щегося в действительности, котороеразнимает всякое тело, делая его несплошным, как утверждают Демокрити Левкипп и многие другие «физиоло-ги», или находится вне тела Вселенной,если это тело сплошное.

...Они утверждают, во-первых, чтоиначе не было бы движения по отноше-нию к месту (каково перемещение иувеличение): ибо нет движения, если небудет пустоты, так как наполненноене имеет возможности воспринять что-либо...

Глава седьмая

...Однако нет никакой необходимо-сти, если существует движение, призна-вать пустоту..., так как тела могут усту-пать друг другу место одновременно....Возможно также и уплотнение телане путем вхождения в пустоту, а вслед-ствие вытеснения находящегося внутри(например, при сдавливании воды нахо-дящегося внутри воздуха)...

Итак, что легко опровергнуть сооб-ражения, с помощью которых доказы-вается существование пустоты, — этоясно...

М. В. ЛОМОНОСОВ

Михаил Васильевич Ломоносов(1711—1765) родился вблизи Холмогорв семидесяти километрах от Архангель-ска. Отец его занимался рыбным про-мыслом. В 1730 г. Ломоносов девятнад-цатилетним юношей отправился в Мо-скву и поступил учиться в Московскуюдуховную академию. В 1735 г. как наи-более способный студент он был взятдля обучения в Петербургскую акаде-мию наук, а затем отправлен за грани-цу для продолжения образования.

В 1742 г. Ломоносов вернулся в Пе-тербург. В 1745 г. он стал профессоромАкадемии наук по кафедре химии и за-тем был произведен в академики.

Ломоносов вел научные исследова-ния в области физики, химии, астроно-мии, геологии, географии, занималсярусской историей, писал стихи, органи-зовал производство мозаичных картин.А. С. Пушкин писал о нем: «Соединяянеобыкновенную силу воли с необыкно-

венной силой понятия, Ломоносов обнялвсе отрасли просвещения. Жажда наукибыла сильнейшей страстью сей души,исполненной страстей. Историк, ритор,механик, химик, минералог, художники стихотворец — он все испытал и всепроник».

В середине XVIII в. большинствоученых рассматривали теплоту как не-кую тонкую невесомую материю, при-сутствие которой в теле обусловливаетего нагретость. М. В. Ломоносов былсторонником атомистического учения ив своих трудах разработал основы ки-нетической теории теплоты и газов.

Из работы М. В. Ломоносова

«Размышления о причине теплотыи холода»

§ 1. Очень хорошо известно, что теп-лота возбуждается движением: от вза-имного трения руки согреваются, дерево

126

загорается пламенем; при ударе кремняоб огниво появляются искры; железонакаливается от проковывания частымии сильными ударами, а если их прекра-тить, то теплота уменьшается и произве-денный огонь в конце концов гаснет.Далее, восприняв теплоту, тела или пре-вращаются в нечувствительные частицыи рассеиваются по воздуху, или распа-даются в пепел, или в них настолькоуменьшается сила сцепления, что ониплавятся. Наконец, зарождение тел,жизнь, произрастание, брожение, гние-ние ускоряются теплотою, замедляютсяхолодом. Из всего этого совершенно оче-видно, что достаточное основание теп-лоты заключается в движении. А таккак движение не может происходить безматерии, то необходимо, чтобы доста-точное основание теплоты заключа-лось в движении какой-то материи.

§ 2. И хотя в горячих телах большейчастью на вид не заметно какого-либодвижения, таковое все-таки очень частообнаруживается по производимым дей-ствиям. Так, железо, нагретое почти донакаливания, кажется на глаз находя-щимся в покое; однако одни тела, при-двинутые к нему, оно плавит, другие —превращает в пар; т. е., приводя части-цы их в движение, оно тем самым по-казывает, что и в нем имеется движе-ние какой-то материи. Ведь нельзя от-рицать существование движения там,где его не видно: кто, в самом деле, бу-дет отрицать, что когда через лес про-носится сильный ветер, то листья исучки деревьев колышатся, хотя прирассматривании издали и не видно дви-жения. Точно так же, как здесь вслед-ствие расстояния, так и в теплых телахвследствие малости частиц движущей-ся материи движение ускользает от взо-ра; в обоих случаях угол зрения такостр, что нельзя видеть ни самих час-тиц, расположенных под этим углом,ни движения их. Но мы считаем, чтоникто — разве что он приверженецскрытых качеств — не будет теплоту,источник стольких изменений, припи-сывать материи спокойной, лишенной

всякого движения, а следовательно, идвигательной силы.

§ 3. Так как тела могут двигатьсядвояким движением — общим, при ко-тором все тело непрерывно меняет своеместо при покоящихся друг относи-тельно друга частях, и внутренним,которое есть перемена места нечувстви-тельных частиц материи, и так как присамом быстром общем движении частоне наблюдается теплоты, а при отсутст-вии такового движения наблюдаетсябольшая теплота, то очевидно, что теп-лота состоит во внутреннем дви-жении материи...

§ 26. Далее, нельзя назвать такуюбольшую скорость движения, чтобымысленно нельзя было представить себедругую, еще большую. Это по справед-ливости относится, конечно, и к тепло-творному движению; поэтому невоз-можна высшая и последняя степеньтеплоты как движения. Наоборот, тоже самое движение может настолькоуменьшиться, что тело достигает, нако-нец, состояния совершенного покоя иникакое дальнейшее уменьшение дви-жения невозможно. Следовательно, понеобходимости должна существоватьнаибольшая и последняя степень холо-да...

§ 34. На основании всего изложенно-го выше мы утверждаем, что нельзяприписывать теплоту тел сгущению ка-кой-то тонкой, специально для тогопредназначенной материи, но что теп-лота состоит во внутреннем вращатель-ном движении связанной материи на-гретого тела. Тем самым мы не толькоговорим, что такое движение и теплотасвойственны и той тончайшей материиэфира, которой заполнены все про-странства, не содержащие чувствитель-ных тел, но и утверждаем, что материяэфира может сообщать полученное отСолнца теплотворное движение нашейЗемле и остальным телам мира и их на-гревать, являясь той средой, при помо-щи которой тела, отдаленные друг отдруга, сообщают теплоту без посредни-чества чего-либо ощутимого...

Оглавление

Глава 1. Методические пути реализациипринципов развивающего обученияв преподавании физики. . . . . . . . . . . 3

1. Цели обучения физике в основной

школе и способы их достижения . . . . . —

2. Проблемное обучение . . . . . . . . . . . 6

3. Демонстрационный эксперимент

и опыты учащихся . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Личностно ориентированное

обучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5. Содержание личностно ориентирован-

ной деятельности учащихся и методика

ее организации . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6. Содержание обучения физике

в 7 классе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Глава 2. Механические явления . . . . 31

§ 1. Физические явления . . . . . . . . . . —

§ 2. Физические величины. Измерение

длины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

§ 3. Измерение времени . . . . . . . . . . . —

§ 4. Механическое движение. . . . . . . . 33

§ 5. Скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

§ 6. Методы исследования механическо-

го движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

§ 7. Таблицы и графики. . . . . . . . . . . 39

§ 8. Явление инерции. Масса . . . . . . . 41

§ 9. Плотность вещества. . . . . . . . . . . 43

§ 10. Сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

§ 11. Сила тяжести. Вес. . . . . . . . . . . 47

§ 12. Сила упругости . . . . . . . . . . . . . 50

§ 13. Сложение сил . . . . . . . . . . . . . . 52

§ 14. Равновесие тел . . . . . . . . . . . . . 53

§ 15. Центр тяжести тела . . . . . . . . . . 54

§ 16. Давление . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

§ 17. Закон Архимеда . . . . . . . . . . . . 57

§ 18. Атмосферное давление . . . . . . . . 62

§ 19. Сила трения . . . . . . . . . . . . . . . 63

§ 20. Энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

§ 21. Работа. Мощность . . . . . . . . . . . 67

§ 22. Простые механизмы. . . . . . . . . . 69

§ 23. Механические колебания . . . . . . 74

§ 24. Механические волны . . . . . . . . . 76

Глава 3. Строение вещества . . . . . . . 77

§ 25. Атомное строение вещества . . . . . —

§ 26. Взаимодействие частиц вещества . 78

§ 27. Свойства газов . . . . . . . . . . . . . 80

§ 28. Свойства твердых тел

и жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Глава 4. Тепловые явления . . . . . . . 86

§ 29. Температура . . . . . . . . . . . . . . . —

§ 30. Внутренняя энергия. . . . . . . . . . 87

§ 31. Количество теплоты. Удельная

теплоемкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

§ 32. Теплопроводность. Конвекция.

Теплопередача излучением . . . . . . . . . 91

§ 33. Плавление и кристаллизация . . . 93

§ 34. Испарение и конденсация.

Кипение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

§ 35. Теплота сгорания . . . . . . . . . . . 98

Глава 5. Тестовый контроль знанийи умений учащихся по физике . . . . . . 99

Тематические и итоговый тесты . . . . . 104

Коды правильных ответов на задания

тематических тестов . . . . . . . . . . . . . 115

Ответы и решения задач итогового

теста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Физика (О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина)...372.8:53 74.262.22 12. . 12 ....

Documents

Transcript of Физика (О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина)...372.8:53 74.262.22 12. . 12 ....