Тип уроку: урок формування нових знань із елементами дослідницької діяльності та розв’язуванням фізичних задач.
Основна ідея уроку: механічну енергію має не лише тіло, підняте над поверхнею Землі або деформоване, а й тіло, що рухається. Кінетична енергія залежить від маси тіла та квадрата його швидкості. Повна механічна енергія є сумою кінетичної та потенціальної енергій.
Результати навчання у фокусі уроку
| Група | Результат, який формуємо |
|---|---|
| ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження | Досліджує, як маса та швидкість рухомого тіла пов’язані з його кінетичною енергією; аналізує результати дослідження або модельні дані. |
| ГР2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації природничого змісту | Опрацьовує таблиці, схеми й умови задач; розрізняє кінетичну та потенціальну енергію; представляє результати обчислень. |
| ГР3. Усвідомлення закономірностей природи | Пояснює залежність кінетичної енергії від маси та швидкості; установлює зв’язок між кінетичною, потенціальною та повною механічною енергією. |
| ГР4. Розвиток наукового мислення та розв’язання проблем природничого змісту | Застосовує формули кінетичної та повної механічної енергії для розв’язування задач; аргументує відповіді на основі фізичних закономірностей. |
Обладнання
Іграшкова машинка або кулька, похила площина, лінійка, зображення рухомого автомобіля, велосипедиста, води на греблі, піднятого тіла; картки із задачами, таблиця для порівняння енергій.
Хід уроку
1. Організаційний етап. Мотивація навчальної діяльності
Учитель демонструє дві ситуації:
м’яч лежить на підлозі;
м’яч котиться по підлозі.
Запитання до учнів:
— Чим відрізняються ці ситуації?
Очікувана відповідь: у першій ситуації м’яч перебуває в стані спокою, у другій — рухається.
— Який м’яч може спричинити зміщення іншого предмета під час зіткнення?
Очікувана відповідь: рухомий м’яч.
— Чому рухоме тіло може виконувати механічну роботу?
Очікувана відповідь: під час зіткнення воно може діяти на інше тіло та переміщувати його.
— Пригадайте, яку енергію має підняте над Землею тіло. А яку енергію має тіло, що рухається?
Учитель підводить учнів до теми уроку: рухоме тіло має кінетичну енергію.
2. Актуалізація опорних знань
Запитання для фронтального опитування:
Що називають механічною енергією?
Від чого залежить потенціальна енергія піднятого тіла?
За якою формулою обчислюють потенціальну енергію тіла поблизу поверхні Землі?
У яких одиницях вимірюють енергію?
Які приклади тіл, що мають потенціальну енергію, ви можете навести?
Очікувані відповіді:
Механічна енергія характеризує здатність тіла виконувати механічну роботу.
Потенціальна енергія піднятого тіла залежить від його маси, висоти та вибраного нульового рівня.
(E_p=mgh).
Енергію вимірюють у джоулях (Дж).
Піднятий вантаж, вода у водосховищі, стиснута пружина.
Учитель наголошує: на попередньому уроці розглядали енергію, пов’язану з положенням або деформацією тіла. Сьогодні з’ясуємо, від чого залежить енергія руху.
3. Вивчення нового матеріалу
3.1. Кінетична енергія
Кінетична енергія — це енергія, яку має тіло внаслідок свого руху.
Приклади:
рухомий автомобіль;
м’яч, що летить;
вода, яка рухається в річці;
вітер, що обертає лопаті вітрогенератора;
кулька, яка скочується з похилої площини.
Учитель пропонує порівняти два випадки:
повільно рухається порожній візок;
швидко рухається завантажений візок.
— Чи однакова їхня здатність виконувати механічну роботу?
Очікувана відповідь: ні. Вона залежить і від маси візка, і від швидкості його руху.
Кінетичну енергію тіла, що рухається поступально, обчислюють за формулою:
[
E_k=\frac{mv^2}{2},
]
де:
(E_k) — кінетична енергія, Дж;
(m) — маса тіла, кг;
(v) — швидкість тіла, м/с.
Учитель звертає увагу учнів: швидкість потрібно підставляти в метрах за секунду, а масу — у кілограмах.
Важливо усвідомити:
якщо маса тіла збільшується вдвічі за незмінної швидкості, кінетична енергія збільшується вдвічі;
якщо швидкість збільшується вдвічі за незмінної маси, кінетична енергія збільшується вчетверо;
якщо тіло перебуває в стані спокою, його кінетична енергія дорівнює нулю.
3.2. Дослідження залежності кінетичної енергії від маси та швидкості
Проблемне запитання: що сильніше впливає на кінетичну енергію — зміна маси чи зміна швидкості?
Учитель пропонує учням дослідити залежності за допомогою формули. Дані в таблицях є розрахунковими модельними даними, а не результатами безпосередніх вимірювань.
Дослідження 1. Залежність від маси
Швидкість тіла стала: (v=4\ \text{м/с}).
| Маса (m), кг | Швидкість (v), м/с | Кінетична енергія (E_k), Дж |
|---|---|---|
| 1 | 4 | 8 |
| 2 | 4 | 16 |
| 3 | 4 | 24 |
Запитання:
— Як змінюється кінетична енергія зі збільшенням маси втричі?
Висновок: за сталої швидкості кінетична енергія прямо пропорційна масі.
Дослідження 2. Залежність від швидкості
Маса тіла стала: (m=2\ \text{кг}).
| Маса (m), кг | Швидкість (v), м/с | Кінетична енергія (E_k), Дж |
|---|---|---|
| 2 | 2 | 4 |
| 2 | 4 | 16 |
| 2 | 6 | 36 |
Запитання:
— У скільки разів зросла кінетична енергія, коли швидкість збільшилася з 2 до 4 м/с?
Очікувана відповідь: у 4 рази.
— Чому збільшення швидкості особливо суттєво впливає на кінетичну енергію?
Очікувана відповідь: тому що швидкість у формулі підноситься до квадрата.
Загальний висновок: кінетична енергія залежить від маси тіла та квадрата його швидкості.
3.3. Повна механічна енергія
Учитель демонструє зображення або схему кульки, яка падає з певної висоти.
— Яку енергію має кулька до початку падіння, якщо вона нерухома?
Очікувана відповідь: потенціальну енергію.
— Яку енергію вона має під час падіння?
Очікувана відповідь: потенціальну та кінетичну, оскільки кулька ще перебуває на певній висоті й уже рухається.
— А яку енергію матиме кулька, що рухається поблизу рівня підлоги?
Очікувана відповідь: кінетичну; потенціальна енергія відносно рівня підлоги буде близькою до нуля.
Механічна енергія тіла або системи тіл може складатися з кінетичної та потенціальної енергій. Їхню суму називають повною механічною енергією:
[
E=E_k+E_p.
]
Для тіла, яке рухається поблизу поверхні Землі та має гравітаційну потенціальну енергію:
[
E=\frac{mv^2}{2}+mgh.
]
Учитель уточнює, що висоту (h) визначають відносно обраного нульового рівня потенціальної енергії.
Методичний акцент: на цьому уроці учні встановлюють, з яких складників утворюється повна механічна енергія. Умови, за яких сума кінетичної та потенціальної енергій зберігається, докладно розглядатимуться на наступному уроці.
4. Закріплення знань. Розв’язування задач
Задача 1. Обчисліть кінетичну енергію м’яча масою 0,5 кг, який рухається зі швидкістю 6 м/с.
Дано: (m=0{,}5\ \text{кг}), (v=6\ \text{м/с}).
Розв’язання:
[
E_k=\frac{mv^2}{2}
=\frac{0{,}5\cdot6^2}{2}=9\ \text{Дж}.
]
Відповідь: 9 Дж.
Задача 2. Автомобіль масою 1000 кг рухається зі швидкістю 10 м/с. Визначте його кінетичну енергію.
[
E_k=\frac{1000\cdot10^2}{2}
=50,000\ \text{Дж}.
]
Відповідь: 50 000 Дж, або 50 кДж.
Задача 3. Тіло масою 2 кг рухається зі швидкістю 3 м/с і перебуває на висоті 4 м над землею. Визначте його повну механічну енергію. Вважайте (g=10\ \text{м/с}^2), нульовий рівень потенціальної енергії — поверхня Землі.
Спочатку обчислимо кінетичну енергію:
[
E_k=\frac{2\cdot3^2}{2}=9\ \text{Дж}.
]
Потенціальна енергія:
[
E_p=mgh=2\cdot10\cdot4=80\ \text{Дж}.
]
Повна механічна енергія:
[
E=E_k+E_p=9+80=89\ \text{Дж}.
]
Відповідь: 89 Дж.
Задача 4. Два однакові за масою тіла рухаються зі швидкостями 5 м/с і 10 м/с. У скільки разів відрізняються їхні кінетичні енергії?
Оскільки маси тіл однакові, порівнюємо квадрати швидкостей:
[
\frac{E_{k2}}{E_{k1}}=\frac{v_2^2}{v_1^2}
=\frac{10^2}{5^2}=4.
]
Відповідь: кінетична енергія другого тіла у 4 рази більша.
5. Формувальне оцінювання
Запропонуйте учням коротко відповісти на запитання:
Що називають кінетичною енергією?
Від яких фізичних величин залежить кінетична енергія?
Як зміниться кінетична енергія, якщо швидкість збільшити вдвічі?
Які складники має повна механічна енергія?
Чи може тіло одночасно мати кінетичну та потенціальну енергії? Наведіть приклад.
Критерії успішності: учень пояснює поняття кінетичної енергії, правильно записує формулу та називає одиниці величин, установлює залежність від маси й швидкості, розрізняє кінетичну, потенціальну та повну механічну енергію, розв’язує типові задачі.
6. Рефлексія
Запропонуйте учням завершити речення:
«Сьогодні я з’ясував / з’ясувала, що кінетична енергія…»
«Найважливіша залежність, яку я запам’ятав / запам’ятала, — це…»
«Повна механічна енергія — це…»
«Мені ще потрібно потренуватися…»
7. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал підручника про кінетичну та повну механічну енергію.
Розв’язати задачі:
Обчислити кінетичну енергію тіла масою 4 кг, яке рухається зі швидкістю 5 м/с.
Тіло масою 3 кг рухається зі швидкістю 4 м/с на висоті 2 м. Визначити його повну механічну енергію, якщо (g=10\ \text{м/с}^2), а нульовий рівень — поверхня Землі.
Пояснити, чому збільшення швидкості автомобіля вдвічі призводить до збільшення його кінетичної енергії вчетверо за незмінної маси.
Навести два приклади з повсякденного життя, коли тіло має одночасно кінетичну та потенціальну енергії.
Місце уроку в траєкторії формування груп результатів
| Група результатів | Що започатковується / розвивається / закріплюється на уроці |
|---|---|
| ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження | Розвивається: аналіз залежності кінетичної енергії від маси та швидкості на основі модельних даних. |
| ГР2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації природничого змісту | Розвивається: читання таблиць, порівняння значень, подання результатів у вигляді формул і розрахунків. |
| ГР3. Усвідомлення закономірностей природи | Закріплюється й виходить на новий рівень: розуміння енергії як фізичної величини; установлення зв’язку між кінетичною, потенціальною та повною механічною енергією. |
| ГР4. Розвиток наукового мислення та розв’язання проблем природничого змісту | Розвивається: застосування формул до практичних ситуацій, вибір послідовності обчислень і пояснення результатів. |
Методичний акцент
Важливо, щоб учні не лише запам’ятали формулу кінетичної енергії, а й усвідомили, чому швидкість у ній має особливе значення. Для цього доцільно порівнювати ситуації зі сталою масою та різними швидкостями, а також із сталою швидкістю та різними масами.
Під час обчислень потрібно звертати увагу на одиниці вимірювання: маса — у кілограмах, швидкість — у метрах за секунду, енергія — у джоулях. Для повної механічної енергії слід чітко визначати нульовий рівень потенціальної енергії.
Перехід до наступного уроку: на уроці 11 «Закон збереження і перетворення механічної енергії» учні дослідять, як під час руху тіла змінюються його кінетична та потенціальна енергії та за яких умов їхня сума залишається сталою.
Немає коментарів:
Дописати коментар