Технология проблемного обучения на примере занятия по физике в СПО на тему "Сохранение импульса при неупругом ударе"

ЭТАП

ВРЕМЯ

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧИТЕЛЯ

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧАЩИХСЯ

ПРОБЛЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / МЕТОДИЧЕСКИЙ АКЦЕНТ

1. Оргмомент

4 мин

Приветствие, проверка присутствующих

Установление дисциплины

2. Мотивация. Создание проблемной ситуации

6 мин

Демонстрирует видеофрагмент:

—

«Пластилиновый шарик массой 50 г летит со скоростью 4 м/с и ударяется о такой же неподвижный шарик. После удара они “слипаются” и движутся вместе. Какова их скорость после удара?»

Задаёт вопрос:

—

«Можно ли здесь применить закон сохранения импульса? Ведь тела деформируются, энергия “теряется”…»

Смотрят, обсуждают в парах.

Типичные ответы:

— «Нет, импульс не сохраняется — ведь что-то “потерялось”»;

— «Может, сохраняется, но не вся энергия»;

— «Как проверить?»

Проблема: интуитивное отождествление «потери энергии» с «потерей импульса».

Цель: развести понятия импульс и энергия

3. Актуализация и формулировка гипотез

.

10 мин

Организует мини-фронтальную дискуссию:

—

«Что такое импульс? Как он определяется?»

—

«Какие условия нужны для сохранения импульса?»

—

«Зависит ли импульс от формы или внутреннего устройства тела?»

Фиксирует гипотезы на доске:

Г1

: «Импульс не сохраняется — тела слиплись».

Г2

: «Импульс сохраняется, потому что внешних сил нет».

Вспоминают определение

p = mv, условие —замкнутая система, отвечают, что импульс — векторная величина, зависит только от массы и скорости.

Вносят гипотезы в рабочие листы.

Акцент:

проверка гипотез — не голосованием, а расчётом/экспериментом

4. Учебное исследование (групповая работа)

12 мин

Раздаёт группам (по 3–4 чел.) карточки с заданием:

Задача-модель:

m₁ = 2 кг, v₁ = 3 м/с; m₂ = 1 кг, v₂ = 0. После неупругого удара тела движутся вместе. Найдите v′.

Инструкция:

1. Рассчитайте суммарный импульс

до

удара.

2. Предположитеv′, при котором импульспослеравен импульсудо.

3. Демонстрирует эксперимент в симуляторе

4. Зафиксируйте: совпало ли?

Наблюдают в симуляторе → совпадение.

Делают вывод:

«Импульс сохранился, хотя кинетическая энергия уменьшилась»

Выполняют расчёт:

p₀ = 2·3 + 1·0 = 6 кг·м/с

p₁ = (2+1)·v′ = 3v′→v′ = 2 м/с

Эксперимент как основа → Формирование критериального мышления: не «мне кажется», а «проверим».

5. Обобщение и формализация

10 мин

Организует защиту результатов одной группы.

На доске фиксирует:

ЗСИ при неупругом ударе:

m₁v₁ + m₂v₂ = (m₁ + m₂)·v′

Задаёт проблемный вопрос-«ловушку»:

—

«А если удар произошёл на шероховатой поверхности? Сохранится ли импульс?»

Выводит наусловие применимости:

— Только при

отсутствии внешних сил

(или их импульс ≪ импульса взаимодействия).

Участвуют в обсуждении.

Понимают: не характер удара (упругий/неупругий), а

замкнутость системы

определяет применимость ЗСИ.

Фиксируют формулу и условие в тетради.

Смещение акцента: оттипа удара→ ктипу системы

6. Применение: дифференцированная практика

18 мин

Предлагает решение задач разного уровня:

База

 «Вагон массой 20 т, движущийся со скоростью 0.5 м/с, сцепляется с неподвижным вагоном массой 30 т. Чему равна скорость состава после сцепки?»

Профиль:

«В автоматической линии деталь массой m = 5 кг, движущаяся по направляющей со скоростью v₀ = 2 м/с, сталкивается с упором, оснащённым резиновым демпфером. После удара деталь и упор (масса M = 15 кг, изначально неподвижен) движутся вместе в течение короткого времени, пока не сработает фиксатор.

Требуется оценить:

а) скорость совместного движения сразу после удара,

б) какая доля кинетической энергии перейдёт в тепло/деформацию (важно для расчёта износа),

в) как изменится результат, если упор закреплён жёстко (M → ∞)?»

«Тело массой m, движущееся со скоростью v, налетает на неподвижное тело массой 2m. Удар неупругий. Во сколько раз уменьшится кинетическая энергия системы?»

Олимпиада:

«Пуля массой m, летящая горизонтально со скоростью v, застревает в подвешенном на нити деревянном шаре массой M. На какую высоту поднимется шар?»

(требует связки ЗСИ + ЗСЭ)

Решают вместе с учителем. Заполняют листы исследований

Сильные — помогают другим (роль наставников). Олимпиадная задача предлагается в качестве дополнительной для сильных учеников, опережающих других или для решения дома по желанию

Целенаправленная дифференциация.

7. Самостоятельная лабораторная работа

22 мин

Выполняют лабораторную работу в симуляторе PhET:

Ход работы

1. Во вкладке "Introduction" переведите слайдер "Темп." в крайнее правое положение, а слайдер упругости "Elasticify" установите на 100%, из опций справа вверху выберите только "Вектора скоростей". Нажмите кнопку "Больше данных", тогда вы сможете получать "живые данные" о движении шаров.

2. Нажмите кнопку "Пуск" и наблюдайте центральный удар шаров. Следите внимательно за их скоростями и импульсами до и после столкновения.

3. Запишите в тетрадь название работы и первый заголовок: "Центральный упругий удар.". Верните шары на исходную кнопкой "В начало". Чтобы разглядеть детали столкновения, будем двигаться по шагам. Запишите в тетрадь массы шаров из таблицы, проекции их скорости (velocity) и импульс (momentum). Кликайте кнопку "Шаг" до тех пор, пока шары не столкнутся. Их импульсы в этот момент сменят свои значения. Запишите величины проекций скоростей и импульсов в тетрадь. Найдите алгебраическую сумму импульсы шаров до столкновения и такую же сумму после столкновения. К какому выводу вы пришли? Запишите его в тетрадь.

4. По скоростям определите кинетическую энергию каждого шара до и после столкновения. Сложите их попарно, чтобы получить сумму энергий шаров до столкновения и сумму энергий шаров после столкновения. Сравните эти суммы. Что можно сказать? Свой вывод запишите в тетрадь.

5. Проверьте ваши выводы, изменив как угодно массы шаров и начальную скорость (стрелочку скорости красного шара можно изменять мышкой). Если всё правильно, двигайтесь дальше.

6. Слайдер упругости "Elasticify" переведите в положение 0%. Кликните "Пуск" и наблюдайте неупругое столкновение шаров. Что изменилось, почему, ведь как будто шары те же? В тетради сделайте заголовок "Центральный неупругий удар".

7. Повторите опыты п.п. 3 и 4. Запишите выводы о неупругом ударе в тетрадь. Запомните разницу в поведении законов сохранения в одном и в другом случае. Почему энергия при неупругом ударе не сохраняется? Куда девается часть энергии шаров? Ответы запишите в тетрадь.

8. Если вам интересно, можно заняться нецентральным ударом, для этого перейдите в анимации на вкладку "Advanced". Из опций выберите"Больше данных", "На плоскости" и "Вектора скоростей". Потаскайте мышкой носики векторов скоростей так, чтобы при пуске шары столкнулись, но не центрально. Нажмите кнопку "Пуск", наблюдайте нецентральный упругий удар шаров.

9. Сделайте в тетради заголовок "Нецентральный упругий удар шаров". Верните шары на исходную. Запишите в тетрадь массы шаров, величины проекций скоростей и импульсов шаров на оси Х и Y до столкновения, кнопкой "Шаг" двигайте шары всё ближе друг к другу.

10. Сразу после удара шаров зафиксируйте в тетради проекции скоростей и импульсов шаров после столкновения. Сложите проекции импульсов шаров на ось Х до столкновения и проекции после столкновения, также поступите с проекциями импульсов на ось Y. Сделайте сравнение полученных сумм. Какой вывод можно сделать? Выполняется ли закон сохранения импульса для проекций импульсов при нецентральном упругом ударе? Запишите выводы в тетрадь.

11. По известным проекциям импульсов найдите на листе в клеточку вектор суммы импуьсов шаров до столкновения и такую же сумму после столкновения. Что можно сказать сравнив эти два вектора? А для самих векторов выполняется ли закон сохранения энергии? Вывод запишите в тетрадь.

12. Включите опцию "KineticEnergy.". Наблюдайте за величиной энергии шаров до и после столкновения. Какой вывод можно сделать? Запишите его в тетрадь.

Самостоятельно выполняют задания, при работе вне компьютерного класса используют свои устройства (смартфоны, планшеты и т.п.)

Закрепление пройденного.

8. Рефлексия и итог

8 мин

Проводит экспресс-опрос:

—«Какой вопрос вы бы задали себе в начале урока?»

—«Что изменилось в вашем понимании?»

Подводит итог:

✔ Импульс сохраняется

независимо от типа удара

— если система замкнута.

✘ Энергия может не сохраняться — но это

не влияет на импульс

Выдает домашнее задание

Устные ответы:

— «Я думал, что если тела слиплись — всё “сломалось”»;

— «Теперь вижу: главное — нет внешних сил»;

— «Хочу попробовать задачу про пулю».

Диагностика и обратная связь

Рефлексия как переход к самостоятельной познавательной активности.

Тело 1

Тело 2

Система

До удара

Скорость, v

Импульс, p

Σp₀ =

После удара

Скорость, v′

Импульс, p

Σp₁ =

💡 Гипотеза: Мы предполагаем, что Σp₀ ___ Σp₁, потому что…

Символ

Значение А

Значение Б

Масса детали

m

5 кг

5 кг

Нач. скорость детали

v₀

2 м/с

2 м/с

Масса упора

M

15 кг

M → ∞

Суммарный импульс до удара

p₀ =

Скорость после удара (неупругий удар)

v′ = m·v₀ / (m + M)

Кинетическая энергия до

Eₖ₀ = ½m·v₀²

Кинетическая энергия после

Eₖ₁ = ½(m+M)·v′²

Доля потерянной энергии

η = (Eₖ₀ – Eₖ₁)/Eₖ₀ =

💡 Гипотеза: При увеличении массы упора скорость после удара ____________, но потери

энергии ____________ — значит, .....