ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ
РЕСПУБЛИКАЛЫҚ МЕМЛЕКЕТТІК ҚАЗЫНАЛЫҚ КӘСІПОРНЫ
МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА ЖӘНЕ ТЕХНИКА ИНИСТИТУТЫ
Эксперименттік және теориялық физика кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
Тақырыбы ОРТА МЕКТЕПТЕ ФИЗИКА КУРСЫНДА ЭНЕРГИЯНЫҢ САҚТАЛУ ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ
МАЗМҰНЫ
Кіріспе..............................................................................................................3
І. МЕХАНИКАЛЫҚ ЭНЕРГИЯ ЖӘНЕ ОНЫҢ ТҮРЛЕРІ.........................5
1. Кинетикалық энергия.................................................................................9
2. Потенциалдық энергия..............................................................................11
2.1 Ауырлық күші әрекет ететін дененің потенциалдық энергиясы........11
2.2 Деформацияланған серіппенің потенциалдық энергиясы...................13
ІІ. МЕХАНИКАЛЫҚ ЭНЕРГИЯНЫҢ САҚТАЛУ ЗАҢЫ........................20
ІІІ. ОРТА МЕКТЕПТЕГІ ФИЗИКА КУРСЫНДАҒЫ
ЭНЕРГИЯНЫҢ САҚТАЛУ ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ.............................25
3.1 Сабақ жоспарын келтіру.........................................................................31
3.2 Механикалық энергияның сақталу заңына есеп шығару әдістемесі..43
3.3 7-сыныптың «физика» оқулығын жаңа
«физика және астрономия» оқулығымен салыстыру..........................53
ІV.ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСТАРҒА ТАЛДАУ.......................................55
4.1Орта мектепте физика курсында зертханалық
жұмысты орындау....................................................................................55
4.2Жоғары оқу орындарында зертханалық
жұмыстарды жүргізу..............................................................................61
Қорытынды....................................................................................................67
Әдебиеттер тізімі...........................................................................................68
Қосымша А.....................................................................................................70
Қосымша Б.....................................................................................................74
КІРІСПЕ
Бітіру жұмысымның тақырыбы «Орта мектепте физика курсында энергияның сақталу
Зерттеу жұмысымның мақсаты мен міндеттері:
«физиканың тарихы» дәрісі оқытылмағандықтан бірінші «Энергияның түрлері және ашылуына
Механикалық энергия және оның түрлерін қарастыру
Энергияның сақталу заңдарына мысалдар келтіру
«Энергияның сақталу заңы» тақырыбын оқытудың сабақ жоспарын келтіру
Жаңа тақырыпты Банка бумерангтың көмегімен түсіндіріп, рқушылардың физика пәніне
Осы тақырыпқа есептер шығару әдістері келтіру
Орта және жоғары оқу орындарында зетханалық жұмыстарды орындап, оларға
7-сыныптың физика оқулығын жаңа бағдарлама бойынша физика және астрономия
Зерттеу нысаны: Орта мектепте физика курсында энергияның сақталу заңдарын
Зерттеу әдістері:
Біріту жұмысны зерттеу барысында алға қоцған мақсаттарды шешу-теориялық жағынан
Энергияның түрлері және ашылуына қысқаша тарихи шолу.
Бізде «Физиканың тарихы» дәрісі оқытылмағандықтан қысқаша шолуды жөн көрдім.
Энергияның айналу және сақталу заңдарының негізін салушылар Майер, Джоуль
Тек 1860 жылы В.Томсон өзінің «Жылудың динамикалық теориясы» атты
Бірнеше жыл бұрын шотландық физик және инженер Ренин энергия
Майер және Джоульдің зерттеулері
Сақталу заңының ашылуы және энергияның айналуы 18 – ші
Гельмгольц заңының сандық теңдеуі. Сақталу заңы және энергия түрленуінің
Майер және Джоульден басқа сақталу заңы және энергияның түрленуін
І МЕХАНИКАЛЫҚ ЭНЕРГИЯ ЖӘНЕ ОНЫҢ ТҮРЛЕРІ
Жер бетінен жоғары көтерілген тасқа жердің тарту күші –
Бір серіппені сығып, оны жазылмастай етіп жіппен байлап қоялық
Жұмыс істей алатын денелердің энергиясы болады. Әрбір қозғалған дене
Жұмыс істеу қабілеті тек жоғары көтерілген денелерге ғана емес,
Барлық жүйе немесе денелердің қандай да бір жұмыс істеу
Осыған мысал ретінде гірі бар сағатты қарастыруға болады. Тізбектеулі
Осы арқылы энергияның басқа түрлерімен танысуға болады:
1. Орналасу энергиясы немесе потенциалдық энергия. Аты айтып тұрғандай
Потенциалдық энергияға серпімді деформацияланған дене, мысалы, сығылған немесе созылған
2. Қозғалыс энергиясы немесе кинетикалық энергия. Барлық қозғалған дене
3. Жылулық энергия. Жылу әсерінен, қыздырылған денеден немесе химиялық
Бірнеше жылу бөлінеді. Энгельс [] бойынша энергия материяның қозғалыс
Энергия қозғалыстың жалпы түрі және материяның барлық түрімен өзара
Жоғары көтерген шойын тоқпақ кері құлап, қазықты қағады. (2-сурет)
Энергияның сақталу заңы материяның мәңгілік қозғалысы жөнінде философиялық тезис
ХІХ ғасырдың екінші жартысында энергия ұғымы әлі де қалыптаспаған
Қарапайым машиналардың жұмыс істеу қабілеті бар, ал олардың кейбіреуі
Мысалы, үлкен жылдамдықпен қозғалатын оқпан боранға соғылып, оны бұзады.
Шегені тақтайға қағарда қозғалыстағы балға жұмыс жасайды, металды таптағанда
Дененің жұмыс жасау қабілетін сипаттайтын шама дененің энергиясы деп
Энергия деп барлық материя түрлерінің өзара әрекеттесуі бірлік өлшемдігі
Деформацияланған денелер де потенциалдық энергияға ие бола алады.
Мысалы, жиырылған серіппе өзіне жинақталған энергия есебінен сағат тетіктерін
Пневматикалық мылтықтағы сығымдалған ауа ұңғыдағы оқты шығаруға жұмыс жасап,
1.1 Кинетикалық энергия
Механикада энергия кинетикалық және потенциалдық болып екіге бөлінеді. Қозғалыстағы
(1)
Ньютонның екінші заңы бойынша
(2)
осы мәнді жоғарыдағының орнына қойсақ:
болғандықтан
Дененің максимум жылдамдықпен жүріп өткендегі толық жұмысы
(3)
оның кинетикалық энергиясына тең болғандықтан
(4)
яғни ілгермелі қозғалған дененің кинетикалық энергиясы оның массасы мен
Дененің жылдамдығы міндетті түрде санақ жүйесіне байланысты. Біз осы
1.2 Потенциалдық энергия
Материалдық нүктеге және нүктелер жиынына консервативтік күштер әсер етеді.
Сонымен бірінші орыннан екінші орынға ауыстырғанда, жүйенің істеген жұмысы
(5)
Бұл кезде жүйе нүктелерінің жылдамдығы өзгермейді, ендеше кинетикалық энергиясы
Жүйе бөліктерінің өзара орналасуына және олардың сыртқы денелерге қатысты
2.1 Біртекті ауырлық өрісіндегі дененің потенциалдық энергиясы
Жүйенің бөлшектеріне әсер етуші күштердің модульдары мен бағыттары өрістің
Уақытқа байланысты өзгермейтін өрісті стационар өріс дейді. Жерден
(6)
мұндағы болғандағы жүйенің
(7)
мұндағы көлбеу жазықтың биіктігі.
Енді дене кез-келген қисық траекториямен қозғалса ол
(8)
мұндағы вертикаль түзуге
(9)
Сонымен, тартылыс күшінің жұмысы жолдың бастапқы және соңғы биіктіктерінің
2.2 Серпімді деформацияланған дененің потенциалдық энергиясы
Гук заңы бойынша серпімділік күші деформациялану
(10)
мұндағы -серпімділік коэффициенті (пружина үшін қаттылық)
(-) таңбасы серпімділік күшінің деформациялау бағытына қарама-қарсы екендігін көрсетеді.
Серпімді деформацияланған дене өзінің бастапқы формасы мен сызықтың мөлшерін
Денені деформациялауға, айталық пружинаны сығуға кеткен жұмыс оның потенциалдық
Пружина шамаға дейін толық деформациялағанда энергиясының өсуіне
(11)
мұндағы дефopмацияланған (яғни )
(12)
Кейбір құбылыстарды қарастырайық, сол кезде туындаған жылдамдық заттың жылдамдықтарының
Біріншісі: Дененің серпімді деформациясына байланысты. (Қосымша А.1)
Екіншісі: Электр өрісіндегі дененің қозғалысын сипаттайды. Қазір осы екі
Ауырлық күші серпімді күш сияқты қасиеттерімен ерекшеленеді. Ауырлық күшінің
(13)
немесе
(14)
-биіктіктің өзгеруі.
-түзу сызықтың қимасының ұзындығы.
-ауырлық күші барлық қозғалған жолда өзгермейді.
және бірінші және екінші нүктелердің биіктіктері.
(15)
-тартылу кезіндегі потенциалдық энергия
-орын ауыстырғандағы жұмыстың туындысы.
Қандай жолмен жұмыс туды, дене қандай жолмен орын ауыстырды,
Тартылу өрісіндегі дененің орын өзгертуіндегі жұмысы жолдың формасына тәуелді
- теріс, азаяды.
Сондықтан
(16)
бірақ шығатыны:
мұндағы (-) таңбасы жұмыс шамасының азаюына сәйкес келеді.
бұл тартылу энергиясы болады.
(17)
шамасы тартылған потенциалдық энергияның жалпы түрі.
Егер осы дене бір-бірімен үлкен қашықтықта тұрса потенциалдық энергияның
Денелер бір бірімен жақындағанда абсолют шамаға өседі. Сонда да
-дың жалпы формуласын, жеке жағдайды көрсетуге болады.
(18)
-аз шама, сондықтан дәлділік жеткілікті
осыдан
(19)
Бастапқыда -ді өрнектейміз. Әсіресе заттың потенциалдық энергиясын
(20)
Серпімді күштер консервативті күштер класына жатқызылуы тиіс. Мысалы: екі
а) ол деформацияның шамасына тәуелді;
б) оның жұмысы тұйық жүйеде нөлге тең.
Мысалы: M массасы нүкте көлбеу бойымен үйкеліссіз сырғанасын.
Осы нүктеге ауырлық күші әсер етеді
нүкте бір қалыпта болсын және ол
(21)
ауырлық күшінің істеген жұмысына тең.
Осы жұмыс бастапқы (у1) ординатасына тәуелді және (у2) нүктесінің
Егер нүктені бастапқы қалыпқа әкелсе, онда ауырлық күші А
(22)
мұндағы -потенциалдық энергия.
-бірінші нүктенің потенциалдық энергиясы
-екінші нүктенің потенциалдық энергиясы
(23)
-нүктенің толық механикалық энергиясы. Осындай нәтижені созылған серіппеден де
нүктесіне дене жылдамдықпен келуші еді,
барлық траекторияны интегралдап алатынымыз:
(24)
мұндағы - координата функциясы
Алынған өрнек күш жұмысының өзара әсерлесетін нүктелердің орналасуына тәуелді
(25)
m1 нүктесінен қашықтықта орналасқан нүктесінің потенциалдық
Осы кезде потенциалдық энрегияға мынандай анықтама беруге болады: материалдық
Тек консервативті күштер ғана болса, онда сақталу заңымен механикалық
(26)
Күннің айналасындағы планеталардың тартылу күші барлық уақытта, планетаның орналасуына
шарты орындалады. Егер деп алсақ, онда
Егер болса, онда =0,
онда тең
Келесі мысалды қарастырамыз: Серіппеге масса ілеміз,
(27)
Күштердің қосындысы нөлге тең. Ал дене кинетикалық энергияға теңеседі.
Осы кезде пружинаның потенциалдық энергиясы мына шамаға өседі:
(28)
Дененің потенциалдық энергиясы жерге тартылады да
(29)
ауада ешқандай кедергі болмаған соң жүйенің тербелісі өздігінен аяқталады,
Механикада күштің потенциалдық энергиясын ғана есептейді. Ол әр түрлі
ІІ ЭНЕРГИЯНЫҢ САҚТАЛУ ЗАҢДАРЫ
Ретсіз қозғалыс энергиясын дененің ішкі энергиясының бір бөлігі ретінде
Жалпы сақталу заңы және энергиға айналу өрнегі тұйық жүйеде:
Массасы m дене бірқалыпты қозғалып келеді және F күштің
S жол жүрген. Дененің істеген А жұмысын анықтаймыз. Жолдың
(30)
мұндағы күштің проекциясы қозғалыстың бағыты дененің
(31)
және формулаларын пайдаланып
=
(32) теңдеуді (31) теңдеуге қойсақ, онда
теңдігін аламыз.
Қозғалған дене жұмыс жасауы мүмкін, яғни ол энергияға ие.
Жеке жағдайы: дене тоқтаған кезде бір түрден келесі түрге
(33)
қандай күш болсын қозғалысқа қатыспаса, онда қорытқы күштің жұмысы
(34)
Затқа әсер ететін күш, серпімді күштер бола алады, тартылыс
(35)
Мұндағы потенциал емес күш. Бұл күштің
Потенциалдық және кинетикалық энергиялардық қосындысын толық механикалық энергия деп
(36)
және
Бұл механикалық энергияның сақталу заңы деп аталады. Толық энергия
(37)
Механикалық энергияның өзгерісі потенциал емес күш жұмысына тең. Егер
Механикалық энергияның зақталу заңы бір жағынан механика теңдеуінен шығады
Біз механикада энергиялардың өзгерісінің көптеген түрін қарастырамыз. Серпімді және
Құлап келе жатқан денеге әсер ететін ауырлық күші потенциалдық
Энергияның бір түрден екінші түрге айналатындығын, оның бір жүйе
Енді осы заңды математикалық түрде сипаттайық. Ол үшін массалары
болсын