Методическая разработка урока по физике в 10 классе "Механическая работа и мощность"

Методическая разработка урока по физике в 10 классе

Материал данной методической разработки урока позволит ввести понятие механической работы и величины, характеризующей быстроту, с которой она производится, – мощность, а так-же рассмотреть, как в частном случае рассчитывается механическая работа; закрепить умения решать качественные и количественные задачи.

Тема: Механическая работа. Мощность.

Цели урока: раскрыть физический смысл понятий механическая работа, мощность;

формировать умение логически рассуждать; кратко и исчерпывающе излагать свои мысли;

содействовать формированию основных мировоззренческих идей о материальности мира, познаваемости мира, интереса к дисциплине.

Задачи урока:

обеспечить в ходе урока усвоение, повторение, закрепление следующих основных понятий: механическая работа, мощность;

развивать у обучающихся умение выделять существенное в изучаемом материале, самостоятельность;

заботиться о профилактики их утомляемости на уроках.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Оборудование: учебники, презентация «Механическая работа и мощность», компьютер, проектор.

Ход урока

       I.            1. Организационный момент.

2. Сообщение темы и цели урока.

    II.            1. Актуализация опорных знаний.

2. Изучение нового материала

Механическая работа.

Мощность.

 III.            Закрепление нового материала.

Решение задач.

IV.            Подведение итогов. Рефлексия.

   V.            Домашнее задание.

Актуализация опорных знаний

1.     Что такое сила?

2.     Какие виды сил вы знаете?

Изучение нового материала

Теоретический материал

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Другими словами, работа – мера воздействия силы.

Описание движения тел также возможно с помощью таких понятий динамики, как работа и энергия.

Все наши ежедневные действия сводятся к тому, что мы с помощью мышц либо приводим в движение окружающие тела и поддерживаем это движение, либо же останавливаем движущиеся тела.

Этими телами являются орудия труда (молоток, ручка, пила), в играх – мячи, шайбы, шахматные фигуры. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приводят в движение орудия труда. Применение машин во много раз увеличивает производительность труда благодаря использованию в них двигателей. Назначение любого двигателя в том, чтобы приводить тела в движение и поддерживать это движение, несмотря на торможение как обычным трением, так и «рабочим» сопротивлением (резец должен не просто скользить по металлу, а, врезаясь в него, снимать стружку; плуг должен взрыхлять землю и т. д.). При этом на движущееся тело должна действовать со стороны двигателя сила.

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел).

Второй закон Ньютона в импульсной форме Δ = Δt позволяет определить, как меняется скорость  тела по модулю и направлению, если на него в течение времени Δt действует сила .

Воздействия на тела сил, приводящих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы.

Изменение скорости по модулю возможно лишь в том случае, когда проекция силы F_r на направление перемещения тела отлична от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изменяющей скорость тела по модулю. Она совершает работу. Поэтому работу можно рассматривать как произведение проекции силы F_r на модуль перемещения |Δ| (рис. 5.1):

А = F_r|Δ|. (5.1)

Если угол между силой и перемещением обозначить через α, то F_r = Fcosα. Следовательно, работа равна: А = F|Δ|cosα. (5.2)

Работа постоянной силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и косинуса угла между ними.

В общем случае при движении твёрдого тела перемещения его разных точек различны, но при определении работы силы мы под Δ понимаем перемещение её точки приложения. При поступательном движении твёрдого тела перемещение всех его точек совпадает с перемещением точки приложения силы.

Работа, в отличие от силы и перемещения, является не векторной, а скалярной величиной. Она может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

Знак работы определяется знаком косинуса угла между силой и перемещением. Если α < 90°, то А > 0, так как косинус острых углов положителен. При α > 90° работа отрицательна, так как косинус тупых углов отрицателен. При α = 90° (сила перпендикулярна перемещению) работа не совершается.

Если на тело действует несколько сил, то проекция равнодействующей силы на перемещение равна сумме проекций отдельных сил:

F_r = F_1r + F_2r + ... .

Поэтому для работы равнодействующей силы получаем

А = F_1r|Δ| + F_2r|Δ| + ... = А₁ + А₂ + ... . (5.3)

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (алгебраическая сумма работ всех сил) равна работе равнодействующей силы.

Совершённую силой работу можно представить графически. Поясним это, изобразив на рисунке зависимость проекции силы от координаты тела при его движении по прямой.

Пусть тело движется вдоль оси ОХ (рис. 5.2), тогда

Fcosα = F_x, |Δ| = Δ_х.

Для работы силы получаем

А = F|Δ|cosα = F_xΔx.

Очевидно, что площадь прямоугольника, заштрихованного на рисунке (5.3, а), численно равна работе при перемещении тела из точки с координатой х₁ в точку с координатой х₂.

Формула (5.1) справедлива в том случае, когда проекция силы на перемещение постоянна. В случае криволинейной траектории, постоянной или переменной силы мы разделяем траекторию на малые отрезки, которые можно считать прямолинейными, а проекцию силы на малом перемещении Δ–постоянной. Тогда, вычисляя работу на каждом перемещении Δ а затем суммируя эти работы, мы определяем работу силы на конечном перемещении (рис. 5.3, б).

Единица работы. Единицу работы можно установить с помощью основной формулы (5.2). Если при перемещении тела на единицу длины на него действует сила, модуль которой равен единице, и направление силы совпадает с направлением перемещения её точки приложения (α = 0), то и работа будет равна единице. В Международной системе (СИ) единицей работы является джоуль (обозначается Дж):

1 Дж = 1 Н • 1 м = 1 Н • м.

Джоуль – это работа, совершаемая силой 1 Н на перемещении 1 если направления силы и перемещения совпадают.

Часто используют кратные единицы работы – килоджоуль и мега джоуль:

1 кДж = 1000 Дж,
1 МДж = 1000000 Дж.

Мощность. Работа может быть совершена как за большой промежуток времени, так и за очень малый. На практике, однако, далеко не безразлично, быстро или медленно может быть совершена работа. Временем, в течение которого совершается работа, определяют производительность любого двигателя. Очень большую работу может совершить и крошечный электромоторчик, но для этого понадобится много времени. Потому наряду с работой вводят величину, характеризующую быстроту, с которой она производится, – мощность.

Мощность – это отношение работы А к интервалу времени Δt, за который эта работа совершена, т. е. мощность – это скорость совершения работы:

N=            (5.4)

Подставляя в формулу (5.4) вместо работы А её выражение (5.2), получаем

Таким образом, если сила и скорость тела постоянны, то мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов. Если же эти величины переменные, то по формуле (5.4) можно определить среднюю мощность подобно определению средней скорости движения тела.

Понятие мощности вводится для оценки работы за единицу времени, совершаемой каким-либо механизмом (насосом, подъёмным краном, мотором машины и т. д.). Поэтому в формулах (5.4) и (5.5) под  всегда подразумевается сила тяги.

В СИ мощность выражается в ваттах (Вт).

Мощность равна 1 Вт, если работа, равная 1 Дж, совершается за 1 с.

Наряду с ваттом используются более крупные (кратные) единицы мощности: 1 кВт (киловатт) = 1000 Вт, 1 МВт (мегаватт) = 1 000 000 Вт.

Помимо Ватта, существуют и внесистемные единицы измерения мощности. Например, 1 лошадиная сила примерно равна 745 Ваттам.

Кратко

Закрепление изученного материала

Ответить на вопросы и решить задачи:

1. Положительную или отрицательную работу совершает сила тяжести, когда тело скользит вниз по наклонной плоскости, когда тело тянут вверх по наклонной плоскости.

2. Почему водитель автобуса уменьшает скорость при подъеме в гору?

3. Человек, идущий по берегу, тянет на веревке лодку, прикладывая силу 200 Н. Угол между веревкой и берегом 30. Какую работу совершит человек при перемещении лодки на 5 м?

4. Какую мощность развивает человек, когда он взбегает с первого на четвертый этаж за полминуты? Высота каждого этажа 4 м. масса ученика 60 кг.

Пример решения задачи

Трактор равномерно тянет плуг, прилагая силу в 10 кН. За 10 мин он проходит путь 1,2 км. Определить мощность, развиваемую трактором.

Дано                   СИ

F=10кH          10000Н

t=10мин         600с

S=1,2км         1200м

Решение

N-?                           N=A/t=FS/t=10000H 1200м/600с=20000Вт Ответ: 20000Вт

Рефлексия: Эмоциональный отклик – что меня удивило или вдохновило на уроке, какие задания вызывали у меня трудности.

Домашнее задание: проработать конспект, учить § 40.

Информационные источники (основные учебники по предмету)

Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. Учеб. для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; под ред. Н.А. Парфентьевой – М.: Просвещение, 2023. – 416 с.: ил. – (Классический курс).

Интернет-ресурсы

1.     https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=2661

2.     Скачано с www.znanio.ru