Анализ применяемой в школьной практике методики формирования понятия массы в курсе физики средней школы

Анализ применяемой в школьной практике методики формирования понятия массы в курсе физики средней школы

На изучение темы "Масса тела. Единицы массы " отводится один урок и одна лабораторная работа "Изучение рычажных весов. Измерение массы". Повторение и систематизация учебного материала по теме "Основные понятия молекулярной теории строения вещества. Масса тела. Плотность вещества"; Контрольная работа 2 по теме "Основные понятия молекулярной теории строения вещества. Масса тела. Плотность вещества" [7].

В 7 классе вводится понятие массы как мера инертности. Перед этим проводят демонстрационный опыт. Берут две тележки, одну порожнюю другую груженную и приводят их в движение.

Затем задают вопрос: "Какую тележку (рис 2.1) легче привести в движение: порожнюю или груженую?" А затормозить? Почему? У них разная масса.Чем больше масса тела, тем труднее его вывести из состояния покоя и тем труднее его потом остановить. Иначе говоря, чем больше масса, тем в большей степени тело стремится сохранить свое состояние покоя или движения.

Рис 2.1

Свойство тела сохранять постоянным состояние покоя или состояние движения называют инерцией. Значит, масса — мера инерции (инертности). Все тела обладают инертностью, но разной.

В курсе физики масса обозначается буквой m.

Вы можете сами привести множество примеров, доказывающих, что массивное тело труднее разогнать, но и труднее остановить.

От чего зависит масса тела?

Сравните целое яблоко и половину яблока. Где вещества больше? Конечно же, в целом яблоке. Но и масса его в 2 раза больше, чем половины. Значит, чем больше данного вещества в теле, тем больше его масса.

Основной единицей массы в СИ является 1 килограмм (1 кг).

Есть еще кратные единицы массы — тонна (т) и центнер (ц):

1 т = 1000 кг = 1 • 10³ кг;

1 ц = 100 кг = 1 • 10² кг;

и дольные единицы массы — грамм (г) и миллиграмм (мг):

1 г = 0,001 кг = 1 • 10^-3 кг;

1 мг = 0,001 г = 0,000001 кг = 1 • 10^{-6 кг..}

А если сравнить массы тел из разных веществ, количество молекул (атомов) в которых одинаково? Будут ли они равны?

Массой (т. е. инерцией) обладает каждая молекула (атом). Массу всего тела можно рассматривать как сумму масс всех его молекул. Но поскольку массы молекул (атомов) различных веществ неодинаковы, то при равном их числе в двух телах (например, в алюминиевой и чугунной деталях) массыэтих тел будут сильно различаться.Масса чугунной детали будет больше массы алюминиевой.

Измеряют массу с помощью весов (рис 2.2).

После рассмотрения нового материала ученикам можно дать задание: рассмотреть свои весы, открыть коробочку разновесов, найти гирьки и разобрать пример взвешивания 2г 600мг. Все это делается для того, чтобы познакомить учащихся с правилами взвешивания.

Рис 2.2

В результате изучения материала темы учащиеся должны усвоить определение массы как меры инертности, ее символическое обозначение и основную единицу измерения. Уметь раскрыть своими словами сущность понятия "масса" и переводить основную единицу массы в дольные и кратные [1].

На изучение параграфа "Масса" в 9 классе отводится один урок. Обобщение и систематизация знаний по теме "Основы динамики" и контрольная работа по теме "Основы динамики".

Введение понятия массы трактуется как мера гравитационных свойств.

Все мы привыкли характеризовать определённые свойства тел словами тяжёлый и лёгкий, большой и маленький, гигантский и крохотный. Имеют ли они какое-либо отношение к слову масса? (Имеют). Наша с вами задача – выяснить, что же такое масса тела, и какое место это понятие занимает в физике. Не зря мы познакомились с понятием инерции раньше, чем с понятием массы.

Оказывается, что эти два понятия тесным образом связаны друг с другом. Давайте ещё раз вспомним, что же такое инерция.

Сравнить массы двух тел можно различными способами.

1.Сравнение масс тел путем взвешивания на весах

Имеются два типа весов: рычажные (рис. 2.3, а)и пружинные (рис. 2.3, б). Для всех весов определение массы производится путем сравнения двух сил: силы F — притяжения к Земле взвешиваемого тела и силы F_эт — притяжения к Земле эталона (гирь).

Рис. 2.3, а. Рис. 2.3, б.

На рычажных весах (см. рис. 12.3, а) при равенстве плеч силы притяжения к Земле взвешиваемого тела и набора гирь будут одинаковы и масса тела будет равна массе гирь (m= m_эт )

При взвешивании на пружинных весах (рис. 2.3, б) их показания пропорциональны силе F, с которой Земля притягивает взвешиваемое тело. На Луне эти показания были бы меньше, чем на Земле (примерно в 6 раз). Чтобы по силе притяжения найти массу тела, следует провести "контрольное взвешивание": взвесить на тех же весах эталон массы. Поскольку модуль силы притяжения эталона — F_эт =gm_эт , а тела — F =gm, то:

=

Тогда и на рычажных, и на пружинных весах значение массы будет одним и тем же и на Земле, и на Луне. Для рычажных весов это очевидно: тело будет уравновешено таким же набором гирь. Дли пружинных весов модуль силы F на Луне будет меньше, чем на Земле, но во столько же раз меньше будет и модуль силы F_эт . В результате поучаемое из соотношения (2.1) значение массы

m=m_эт

не изменяется.

А можно ли сравнить массы тел, не используй силы

2. Сравнение масс по инертности тел

Любое тело обладает свойством двигаться по инерции, сохраняя свою скорость неизменной, пока на это тело не подействуют силы. При этом одни тела легче разогнать (а разогнав, остановить), а другие — труднее. Для разгона или остановки груженой тележки на нее следует действовать гораздо большей силой (или гораздо дольше), чем на порожнюю. Груженая тележка более инертна.

Как определите, во сколько раз одно тело более инертно, чем другое?

Проведем опыт. Поставим на горизонтальную поверхность две тележки разной массы (m

m

) способные катиться почти без трения. Сообщим тележкам одинаковые ускорения. Для этого на тележку 1 придется подействовать силой, большей, чем на тележку 2(рис. 2.4). Первая тележка во столько раз инертнее второй, во сколько раз модуль силы F

больше, чем F

.

Рис. 2.4

Для массы как меры инертности получится такая же пропорция, как и при взвешивании:

=

Подобный опыт можно использовать для сравнения масс любых тел в любых условиях: на Земле, на Луне, на орбитальной станции. При этом F

следует понимать как модуль результирующей всех сил, приложенных к первому телу, F

— ко второму.

Напомним еще о двух практически важных свойствах массы;

• общая масса m нескольких тел равна сумме их масс:

m=m₁ +m₂ +...;

• масса однородного вещества, заключенного в объеме V пропорциональна этому объему:

m=ρV(2.5)

где ρ — плотность вещества.

Массу как меру инертности называют инертной массой, а массу, определяемую по силе притяжении тел друг к другу, — гравитационной массой.

Вывод:

- сила, с которой Земля притягивает тело, пропорционально его массе (F_т =gm);

- масса тела — мера его гравитационных свойств.

Для закрепления материала можно задать следующие вопросы:

1. Что такое масса?

2. Что такое инерция?

3. Изменится ли масса тела при его переносе с Земли на другую планету?

Решить некоторые задачи из упражнения после параграфа.

В 11 классе вводится понятие массы как мера энергии. На изучение параграфа "Закон взаимосвязи массы и энергии" отводится один урок и одно занятие на решение задач. Решение задач по теме "Основы специальной теории относительности" и обобщение, систематизация знаний по теме "Основы специальной теории относительности". Самостоятельная работа по теме "Основы специальной теории относительности".

В релятивистской механике масса тела связана с энергией, "заключенной в теле". Так, в системе отсчета, в которой тело покоится (такая система отсчета называется собственной), его энергия (энергия покоя) определяется по формуле:

E₀ =mc

Таким образом, любое тело, благодаря факту своего существования, обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя m. Эта энергия выделяется при уменьшении массы тела, и наоборот, при поглощении энергии релятивистская масса тела возрастает. Релятивистская энергия имеет колоссальные значения. Например, тело массой 1 г обладает энергией покоя

E₀ =10^-3 кг•(3•10⁸ )²

=9•10¹³ Дж.

Эта энергия эквивалентна энергии, выделяющейся при сгорании 2000 т бензина с удельной теплотой сгорания 4,5•10

.

Таким образом, увеличение энергии тела на ∆E связано увеличением его массы на ∆m, причем

∆m=

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии.

В окружающем нас мире изменение массы, связанное с изменением энергии тел, пренебрежимо мало. Так, например, при нагревании 1 л воды от 0 до 100 °С масса воды увеличивается только ∆m = 5•10^{-9 г.}

Трудно переоценить практическое значение этой несложной формулы, поскольку именно она указала на взаимосвязь и взаимопревращение вещества в энергию и наоборот. В конечном итоге человечество узнало о возможности получения энергии из вещества.

Вывод: масса и энергия взаимопревращаемы. Соотношение E=mc показывает, какую энергию E необходимо израсходовать, чтобы создать массу m, и наоборот, какая энергия заключена в массе m.