Методическая разработка урока "Работа, мощность, энергия"

Современный урок физики в школе

методическая разработка урока

Работа, мощность, энергия

Введение

Актуальность стратегии преподавания урока обусловлена противоречием между требованием ФГОС к метапредметным результатам в части формирования смыслового чтения и использованием приемов и методик работы с письменной информацией на уроке.

Выявлены серьёзные проблемы в формировании грамотности чтения школьников как способности к осмыслению текстов неизвестного содержания, формулированию простых оценочных суждений на его основе и дальнейшему использованию прочитанного в различных жизненных ситуациях.

По результатам последних исследований PISAу наших учащихся «…слабо сформированы умения осуществлять поиск информации, по ключевым словам, интерпретировать графическую информацию. Умение осмыслить и оценить информацию текста у российских 15-летних читателей хуже, чем у их сверстников из стран-членов ОСЭР»

Анализ мониторинга физических знаний в школе за последние два года, также говорит о низком проценте выполнения заданий на извлечение из текста информации и интерпретацию и оценку ее достоверности – 48 (задания с выбором ответа), заданий требующего развернутого ответа – 27.

Все это определяет необходимость активизировать работу по формированию смыслового чтения на уроках физики.

В данной методической разработке представлена возможность использовать тексты физического содержания на различных этапах тем самым способствуя формированию навыков смыслового чтения.

Учебная дисциплина «Физика»

Тема программы: Законы сохранения.

Тема учебного занятия: Работа, мощность, энергия.

Форма организации процесса обучения: урок-смыслового чтения и работы с текстами физического содержания.

Тип учебного занятия: комбинированный.

Цель урока: создание условий для деятельности обучающихся по осмыслению текстов неизвестного содержания, формулированию простых оценочных суждений на его основе и дальнейшему использованию прочитанного в различных жизненных ситуациях.

Задачи урока.

Формирование знаний обучающихся о физических величинах: работа, мощность, энергия, и на их основе понимание закона сохранения энергии.

Развивать способности анализировать учебный материал, развитие внимательности, смыслового чтения, способствовать развитию критического мышления.

Обеспечить расширение мировоззрения студентов о физической картине мира, синтез со знаниями, полученными на других уроках.

Основные понятия: работа, мощность, энергия, закон сохранения энергии.

Требование к предметным результатам:

Ученик научиться

• давать определения физических величин: работа силы, потенциальная, кинетическая и полная механическая энергия, мощность и закону сохранения энергии

• применять полученные знания для решения практических задач.

Получит возможность научиться:

• приводить примеры практического использования знаний о механических явлениях и физических законах; использовать эти знания в повседневной жизни – для бытовых нужд, в учебных целях, для охраны здоровья, безопасного использования машин, механизмов, технических устройств.

Используемые педагогические технологии: элементы технологии системно-деятельностного подхода.

Основные методы и приёмы обучения: приёмы стратегии смыслового чтения, методы диалога.
Образовательные ресурсы: Учебник: Физика. 10 класс. Мякишева Г.Я., (под ред. Парфентьевой Н.А.) – М.: Просвещение, 2021. Физика. 10 класс Электронное приложение (DVD) к учебнику Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б., Сотского Н.Н. (под ред. Парфентьевой Н.А.) – М.: Просвещение, 2021.

Материально – техническое оснащение учебного занятия: компьютер, проектор, презентация к уроку.

Количество часов: 1 ч. (45мин)

План- конспект учебного занятия.

Организационный этап.(1 мин)

Учитель:- Добрый день, проверим присутствующих на уроке.

Сегодня у нас урок применения знаний, и мы с вами будем работать с текстами физического содержания используя различные приёмы.

Актуализация знаний (13 мин)

Учитель:- Начнём с воспроизведения и коррекции уже имеющихся знаний.

Используя приём «Алгоритмы» работаем с текстом №1 (приложение №1, приложение №2)

В текстах описано три вида о разных физических величина, они вам знакомы. Обобщим наши знания по алгоритму (8 +5мин)

Вызывается три человека к доске. Каждый ряд получает свой текст

Таблица №1 Варианты ответа учащихся

Ученики отвечают согласно алгоритму. На местах взаимопроверка. Выставляют отметки

0 ошибок- «5»

1 ошибка-«4»

2 ошибка-«3».

Учитель:- как вы думаете если мы уже знаем многое, то какова цель будет нашего сегодняшнего урока.

Ученики: - расширить знания, применить в незнакомой ситуации полученные знания (2 мин)

Первичное закрепление в изменённой ситуации (конструктивные задания)(18 мин)

Мотивация учебной деятельности обучающихся.

Учитель:- как вы думаете, что такое «Лошадиная сила»? Варианты записываются у доски. Для уточнения работаем с текстом №2 приём работы «Инсерт» (6+3мин) (приложение №3)

Объяснение вызывает затруднение. Тогда приступим к работе с текстом.

Вариант заполнения таблицы.

Ответы на вопросы:

№1 – Г

№2 – В

№3 – Б

№4 Суммарная мощность окажется меньше т.к. лошади будут мешать друг другу и мощность каждой из них будет меньше.

Учитель:- Как вы думаете, можно ли создать «Вечный двигатель»? Варианты записываются у доски. Для уточнения работаем с текстом №3 приём работы «Кластер»(6+3мин) (Приложение №4)

Кластер – способ графической организации учебного материала.

Примерные ответы на вопросы:

№1 – Б, В

№2 – Г

№3 – А

№4 –Если уменьшить объём ящиков, то выталкивающая сила, действующая на них, уменьшится, т.к. она прямо пропорциональна объёму тела.

Творческое применение и добывание знаний в новой ситуации (проблемные задания) (6 мин)

Учитель демонстрирует «Банку- бумеранг». Попросит учеников объяснить механизм работы.

Для уточнения работаем с текстом №4, приём работы «Работа с вопросником» (3+3мин) (приложение №5)

1.Как устроена банка: к центру дна и крышки банки прикрепив концы жгута из тонких резиночек. К середине жгута надо привязать на веревочке свинцовый грузик.

2.Принцип работы: Кинетическая энергия движущейся банки с грузом переходит в потенциальную энергию закручивания резинового жгута.

3. Как изменится расстояние, на которое откатится та же банка, если увеличить массу груза, подвешенного на том же жгуте при тех же условиях опыта? увеличится.

4. Как изменится расстояние, на которое откатится та же банка, если, не изменяя массу груза, подвесить его на резинках с большим коэффициентом жесткости при тех же условиях опыта. Уменьшится.

5. Для проверки закона сохранения энергии нужно убедиться, что кинетическая энергия банки в начале движения равна кинетической энергии в момент возвращения «бумеранга». Какие утверждения верны?

А. Закон сохранения энергии не выполняется для данного эксперимента, т.к. при обратном движении банка остановится, сократив пройденный путь.

Б. Закон сохранения энергии выполняется: часть кинетической энергии движущейся банки из-за трения превратится во внутреннюю.

Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (1 мин)

По этой части следующее домашнее задание: Задача: Рассчитать мощность потока воды, протекающей через плотину, если высота падения воды 25 м, а расход ее - 120 м3 в минуту.

Рефлексия (подведение итогов занятия) «Что если…» (3 мин)

Что если бы мы двигали шкаф, а он стоял на месте, то…?

Что было бы, если бы закон сохранения энергии не выполнялся?

Что было бы, если бы если впрячь в одну упряжку большее число лошадей, как изменится их суммарная мощность? 

Литература

1. Открытый банк заданий для оценки естественнонаучной грамотности (VII-IX классы) https://fipi.ru/otkrytyy-bank-zadaniy-dlya-otsenki-yestestvennonauchnoy-gramotnosti

2. PISA: естественнонаучная грамотность. – Минск: РИКЗ, 2020. – 168 с.

3. Физика. 9 класс. Тренинг «Работа с текстом физического содержания» СтатГрад 2014−2015 уч.

Приложение №1

Приём «Алгоритм»

1. Название величины:

2. Какое свойство тела или явление характеризует данная величина?

3. Определение величины:

4. Формула, выражающая связь данной величины с другими:

5. Единицы величины:

6. Способы ее измерения:

Приём «Инсерт»

Прием «Инсерт» – это маркировка текста по мере его чтения.

Приложение №2

Механическая энергия.

На заводах и фабриках, станки и машины приводятся в движения с помощью электродвигателей, которые расходуют при этом электрическую энергию (отсюда и название).

Автомобили и самолеты тепловозы и теплоходы, работают, расходуя энергию сгорающего топлива, гидротурбины - энергию падающей с высоты воды. Да и сами мы, чтобы жить, учиться и работать, возобновляем свой запас энергии при помощи пищи, которую мы едим.

Слово "энергия" употребляется нередко и в быту. Так, например, людей, которые могут быстро выполнять большую работу, мы называем энергичными, обладающими большой энергией. Что же такое энергия? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим примеры.

Сжатая пружина (рис), распрямляясь, совершить работу, поднять на высоту груз, или заставить двигаться тележку.

Поднятый над землей неподвижный груз не совершает работы, но если этот груз упадет, он может совершить работу (например, может забить в землю сваю).

Способностью совершить работу обладает и всякое движущееся тело. Так, скатившийся с наклонной плоскости стальной шарик А (рис), ударившись о деревянный брусок В, передвигает его на некоторое расстояние. При этом совершается работа.

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, говорится, что они обладают энергией.

Энергия - физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или несколько тел). Энергия выражается в системе СИ в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях.

Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.

При совершении работы энергия тел изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальная и кинетическая энергия.

Потенциальной (от лат. потенция - возможность) энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел и частей одного и того же тела.

Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли, потому что энергия зависит от взаимного положения его и Земли. и их взаимного притяжения. Если считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю, то потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. Обозначим потенциальную энергию тела Еп, поскольку Е = А , а работа, как мы знаем, равна произведению силы на путь, то

А = Fh,

где F - сила тяжести.

Значит, и потенциальная энергия Еп равна:

Е = Fh, или Е = gmh,

где g - ускорение свободного падения, m - масса тела, h - высота, на которую поднято тело.

Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, удерживаемая плотинами. Падая вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.

Потенциальную энергию молота копра (рис.) используют в строительстве для совершению работы по забиванию свай.

Открывая дверь с пружиной, совершается работа по растяжению (или сжатию) пружины. За счет приобретенной энергии пружина, сокращаясь (или распрямляясь), совершает работу, закрывая дверь.

Энергию сжатых и раскрученных пружин используют, например, в ручных часах, разнообразных заводных игрушках и пр.

Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело. Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках, которые широко применяют в горной промышленности, при строительстве дорог, выемке твердого грунта и т. д. Еп = kx²/2, k-жёсткость тела, х-смешение тела от положения равновесия.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема - движение) энергией.

Кинетическая энергия тела обозначается буквой Ек .

Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и движущийся воздух - ветер.

От чего зависит кинетическая энергия? Обратимся к опыту (см. рис.). Если скатывать шарик А с разных высот, то можно заметить, что чем с большей высоты скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше он продвигает брусок, т. е. совершает большую работу. Значит, кинетическая энергия тела зависит от его скорости.

За счет скорости большой кинетической энергией обладает летящая пуля.

Кинетическая энергия тела зависит и от его массы. Еще раз проделаем наш опыт, но будем скатывать с наклонной плоскости другой шарик - большей массы. Брусок В передвинется дальше, т. е. будет совершена бóльшая работа. Значит, и кинетическая энергия второго шарика, больше, чем первого.

Чем больше масса тела и скорость, с которой он движется, тем больше его кинетическая энергия.

Для того чтобы определить кинетическую энергию тела, применяется формула:

Ек = mv²/2,

где m - масса тела, v - скорость движения тела.

Кинетическую энергию тел используют в технике. Удерживаемая плотиной вода обладает, как было уже сказано, большой потенциальной энергией. При падении с плотины вода движется и имеет такую же большую кинетическую энергию. Она приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока. За счет кинетической энергии воды вырабатывается электрическая энергия.

Энергия движущейся воды имеет большое значение в народном хозяйстве. Эту энергию используют с помощью мощных гидроэлектростанций.

Энергия падающей воды является экологически чистым источником энергии в отличие от энергии топлива.

Все тела в природе относительно условного нулевого значения обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе. Полная механическая энергия системы тел, обладающей потенциальной и кинетической энергией, остается неизменной при любых взаимодействиях внутри этой системы- Закон Сохранения Энергии.

Мощность.

На совершение одной и той же работы различным двигателям требуется разное время. Например, подъемный кран на стройке за несколько минут поднимает на верхний этаж здания сотни кирпичей. Если бы эти кирпичи перетаскивал рабочий, то ему для этого потребовалось бы несколько часов. Другой пример. Гектар земли лошадь может вспахать за 10-12 ч, трактор же с многолемешным плугом (лемех - часть плуга, подрезающая пласт земли снизу и передающая его на отвал; многолемешный - много лемехов), эту работу выполнит на 40-50 мин.

Ясно, что подъемный кран ту же работу совершает быстрее, чем рабочий, а трактор - быстрее чем лошадь. Быстроту выполнения работы характеризуют особой величиной, называемой мощностью.

Мощность равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена.

Чтобы вычислить мощность, надо работу разделить на время, в течение которого совершена эта работа. мощность = работа/время.

Или N = A/t,

где N - мощность, A - работа, t - время выполненной работы.

Мощность - величина постоянная, когда за каждую секунду совершается одинаковая работа, в других случаях отношение A/t определяет среднюю мощность:

Nср = A/t . За единицу мощности приняли такую мощность, при которой в 1 с совершается работа в Дж.

Эта единица называется ваттом (Вт) в честь еще одного английского ученого Уатта.

Итак, 1 ватт = 1 джоуль/ 1 секунда, или 1 Вт = 1 Дж/с .Ватт (джоуль в секунду) - Вт ( 1 Дж/с).

В технике широко используется более крупные единицы мощности - киловатт (кВт), мегаватт (МВт) .

1 МВт = 1 000 000 Вт, 1 кВт = 1000 Вт, 1 мВт = 0,001 Вт, 1 Вт = 0,000001 МВт, 1 Вт = 0,001 кВт, 1 Вт = 1000 мВт.

Различные двигатели имеют мощности от сотых и десятых долей киловатта (двигатель электрической бритвы, швейной машины) до сотен тысяч киловатт (водяные и паровые турбины).

Таблица 5.Мощность некоторых двигателей, кВт.

На каждом двигателе имеется табличка (паспорт двигателя), на которой указаны некоторые данные о двигателе, в том числе и его мощность.

Мощность человека при нормальный условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и еще бóльшую.

Зная мощность двигателя, можно рассчитать работу, совершаемую этим двигателем в течение какого-нибудь промежутка времени.

Из формулы N = A/t следует, что

A = Nt.

Чтобы вычислить работу, необходимо мощность умножить на время, в течение которого совершалась эта работа.

Механическая работа. Единицы работы.

В обыденной жизни под понятием "работа" мы понимаем всё.

В физике понятие работа несколько иное. Это определенная физическая величина, а значит, ее можно измерить. В физике изучается прежде всего механическая работа.

Рассмотрим примеры механической работы.

Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу - перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается.

Из этих примеров видно, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Механическая работа совершается и в том случае, когда сила, действуя на тело (например, сила трения), уменьшает скорость его движения.

Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается.

Итак, механическая работа совершается, только когда на тело действует сила, и оно движется.

Нетрудно понять, что чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна перемещению тела.

Поэтому, условились измерять механическую работу произведением силы наперемещение, пройденное по этому направлению этой силы:

работа = сила × путь×- угол между перемещением и направлением силы.

или

A = F s cos α

где А - работа, F - сила и s -перемещение, α- угол между перемещением и направлением силы.

За единицу работы принимается работа, совершаемая силой в 1Н, на пути, равном 1 м.

Единица работы - джоуль (Дж) названа в честь английского ученого Джоуля. Таким образом,

1 Дж = 1Н · м.

Используется также килоджоули (кДж) .

1 кДж = 1000 Дж.

Формула А = Fs применима в том случае, когда сила F постоянна и совпадает с направлением движения тела. Способ измерения работы- косвенный.( Косвенные измерения — измерения, при которых значение величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.)

Если направление силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положительную работу.

Если же движение тела происходит в направлении, противоположном направлению приложенной силы, например, силы трения скольжения, то данная сила совершает отрицательную работу.

A = -Fs.

Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы не совершает, работа равна нулю:

A = 0.В дальнейшем, говоря о механической работе, мы будем кратко называть ее одним словом - работа.

Приложение №3

Приложение №3

Текст №2 «Лошадиная сила»

Крестным отцом единицы измерения мощности «лошадиная сила» был английский изобретатель паровой машины 18 века Джеймс Уатт. Он доказал преимущества использования своих машин перед привычными лошадками, на которых «держалась» вся техника того времени. За 8 часов паровая машина Уатта выполнила работу в 4 раза большую, чем лошадь. Это позволило изобретателю объявить, что мощность его машины составляет 4 лошадиных силы. Вот таким образом и появилась эта единица.

Так сколько же это - 1 лошадиная сила?

Измерив, общий вес поднятого лошадью груза и высоту, на которую он был поднят за какое-то время, Уатт рассчитал мощность работавшей лошади. Оказалось, что за 8 часов работы, лошадь подняла на высоту одного метра около 2000000 кг груза, что в секунду составило 75 килограммов. Следовательно, единица мощности «лошадиная сила» соответствует мощности машины, поднимающей каждую секунду груз массой 75 кг на высоту в 1 метр, что составляет 735 ватт.

Позднее оказалось, что без отдыха лошадь долго продержаться не сможет. При длительной нормальной работе мощность лошади составляет всего одну треть лошадиной силы, т.е. на самом деле 1 лошадиная сила (1 л. с.) значительно больше той мощности, которую способна развивать средняя лошадь.

Как одна из основных единиц, «лошадиная сила продержалась до середины 20-го века. В октябре 1960г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была введена новая единая Международная система единиц СИ. В честь великого ученого Джеймса Уатта единица мощности в этой системе была названа Ваттом (Вт). А лошадиная сила стала внесистемной единицей.

Прошло более двухсот лет с возникновения единицы «лошадиная сила», а она до сих пор находит широкое применение. Так, например, по-прежнему мощность автомобильных двигателей измеряют в лошадиных силах.

А если впрячь в одну упряжку большее число лошадей, как изменится их суммарная мощность? Оказывается, общая мощность окажется намного меньше ожидаемой! Беспокойные лошадки будут мешать друг другу и мощность каждой из них будет тем меньше, чем больше количество лошадей в упряжке.

Вопросы:

1. Сравните работу, совершённую за 8 часов паровой машиной Уатта и лошадью.

А) Совершённые работы равны

Б) Лошадь совершила бόльшую работу

В) Машина совершила бόльшую работу

Г) Лошадь совершила работу, в 4 раза меньшую

1. Чему равна 1 л. с. в основных единицах измерения мощности?

А) 1 ватт

Б) 35 ватт

В) 735 ватт

Г) 750 ватт

1. Какую мощность измеряют в л. с. в настоящее время?

А) Этой единицей не пользуются

Б) Измеряют мощность двигателя автомобиля

В) Измеряют мощность человека

Г) Измеряют мощность простых механизмов

1. Изменится ли суммарная мощность, если впрячь в одну упряжку 5 лошадей, а не одну? Почему?

Приложение№4

Текст №3 «Вечный двигатель»

В нашей Вселенной безраздельно властвует закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия всегда сохраняется. Это означает, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Вместо этого она просто переходит из одного вида в другой. Чтобы движение осуществлялось постоянно, энергия системы должна всегда оставаться постоянной и никуда не выделяться. Из одного этого факта следует, что вечный двигатель построить нельзя.

Почему? Чтобы поддерживать постоянное движение, должны выполняться следующие требования:

1. Машина не должна иметь каких-либо «трущихся» частей. Трение, которое будет создано между деталями, в конечном счете приведёт к тому, что двигатель потеряет свою энергию.

2. Машина должна работать в вакууме (без воздуха). Эксплуатация машины не в вакууме приведет к потере ее энергии за счет трения между движущимися частями и воздухом, даже если это займет очень много времени.

3. Двигатель не должен воспроизводить звук. Звук также является формой передачи энергии. Если машина издает какие-либо звуки, это ведёт к потере энергии.

Среди множества проектов вечного двигателя было немало основанных на законе Архимеда. Один из таких проектов выглядит следующим образом: высокий сосуд (20 м), наполненный водой, имеет расположенные на одной грани в разных ее концах шкивы, через которые перекинут прочный бесконечный канат с четырнадцатью закрепленными полыми ящиками кубической формы. Ящики одинаковы, равноудалены, водонепроницаемы и имеют стороны в 1 м (Рис. 1).

Действительно, ящики, находящиеся в воде, будут стремиться всплыть вверх. На них действует сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками.

Но чтобы канат вращался, ящики должны входить в сосуд со дна, а для этого они должны преодолеть давление столба воды, которое окажется значительно больше силы Архимеда.

Вопросы:

1. Выберите утверждения, которые соответствуют закону сохранения энергии:

А) Энергия может быть разрушена

Б) Энергия всегда сохраняется

В) Энергия переходит из одного вида в другой

Г) Энергия может быть создана

1. Что является причиной потери энергии двигателем?

А) Звук, издаваемый устройством

Б) Трение деталей о воздух

В) Трение между деталями

Г) Все ответы правильные

1. На каком законе было основано большое количество проектов вечного двигателя?

А) Архимеда

Б) Паскаля

В) Сохранения энергии

Г) Всемирного тяготения

1. Изменится ли выталкивающая сила, действующая на ящики в приведённом в тексте примере, если уменьшить их объём? Почему?

Приложение №5

Приложение №5