Жұмыс және энергия тарауына дипломдық зерттеу

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі

М. Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан мемлекеттік университеті

ФИО

Жұмыс және энергия ұғымдарына ғылыми әдістемелік талдау жасау

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

5В011000 «Физика» мамандығы

Орал 2018

Мазмұны

Кіріспе .....................................................................................................

Жұмыс және энергия тарауының құрылымы мен мазмұны ..............

Жұмыс .....................................................................................................

Әртүрлі күштердің жұмысы .................................................................

Энергия және оның түрлері ..................................................................

Толық механикалық энергия. Энергияның сақталу заңы ..................

Жұмыс және энергия тарауының негізгі білім элементерін

оқыту әдістемесі .....................................................................................

Жұмыс ұғымын қалыптастыру әдісі ....................................................

Энергия ұғымын қарастыру әдісі .........................................................

Жұмыс және энергия туралы білім элементтерін қалыптастыру .....

Жұмыс және энергия тараулары бойынша сабақ жоспарлары .........

Оқушылардың жұмыс және энергия тарауы бойынша білімдерін тексеру жолдары ....................................................................................

Қорытынды.............................................................................................

Пайдаланылған әдебиеттер...................................................................

Кіріспе

Зерттеудің өзектілігі: Қазақстан Республикасы білім беру стандартының, базистік оқу жоспарының қабылдануы пәнді оқыту мазмұнына, құрылымына, әдістемесіне елеулі өзгерістердің енгізілуін талап етеді. Қазіргі кезде физиканы оқытуда оқушылардың болашақта қандай мамандықты таңдап алуына тәуелсіз, олардың пән бойынша міндетті дайындық деңгейін қамтамасыз ету физиканы оқытудың өзекті міндеттерінің бірінен саналады. Ал физикалық білім берудің ерекшелігіне әрбір оқушының, оның ішінде пәнге ерекше ықылас пен қабілеттілік байқатқан оқушылардың қажеттілігін қанағаттандыруға мүмкіндік туғызатын оқытудың деңгейлік және бағдарлы саралауға бағытталуын жатқызуға болады.

Физиканың жаратылыстану ғылымдары жүйесіндегі жетекші рөлі, жалпы адамзаттық мәдениеттің маңызды құраушысы ретіндегі ауқымды гуманитарлық потенциалының болуы, сондай-ақ оның оқушыларды тәрбиелеу мен дамытудағы мүмкіндіктері физиканы мектепте жалпы білім беретін міндетті пән ретінде оқытылуы тиіс екендігін көрсетеді.

Бүгінгі таңда еліміздегі және әлем кеңістігіндегі физикалық білім берудің басым бағыттары ретінде:

• оқушыларды іргелі физикалық теориялардың негіздерімен таныстыру, игерілген білімдерін бақыланатын құбылыстар мен процестерді түсіндіруге қолдана алу біліктілігін қалыптастыру;

• оқушылардың ғылыми ойлауын және дүниетанымын, әлемнің ғылыми бейнесін қалыптастыру;

• оқушыларды болашақ кәсіпті таңдап алуға дайындау, олардың шығармашылық қабілеттіліктерін дамыту, білім алуға ынталандыру, қазіргі заманғы өркениеттегі физиканың рөлін ашу;

• оқушылардың ақпаратты сын көзімен ой елегінен өткізе алу, түсіндіре алу, түрлендіре алу, игеру, оның ғылыми сапасын бағалай алу сияқты қабілеттіліктерін дамыту болып табылады.

Физиканың білім берудің бұл мақсаттарына жетудегі мүмкіндіктері жеткілікті, ол оның қоршаған ортаны, қоғам өмірінің әлеуметтік-экономикалық және мәдени өмірін танып-білудегі мәнімен анықталады.

Физика – жеке тұлғаның ақыл-ой қабілетінің көзін ашу және оның үздіксіз дамуы мен жетілуін қамтамасыз ететін пәннің бірі.

Бірақ, қазір техниканың өрлеу кезеңінде физика пәнінің мұғалімдері оқушылардың пәнге деген қызығушылығының төмендегенін айқындайды. Бұған қазіргі материалы өте қиын және кемшілігі мол оқулықтар кінәлі. Ал физиканың өзі жоғары сыныптарға өту барысында түсініксіз, қызықты емес пәнге айналды. Осы қызық және қажетті, бірақ қиын пәнді балалар жақсы көріп, қажетті екенін түсінуіне қандай жағдай жасау керек? Білім беру ісін ізгілендіру туралы жиі айтылуда. Бұл көкейкесті мәселе. Бұл сұрақтың шешімін табу мақсатында мен дипломдық жұмысымда «Жұмыс және энергия» тарауы арқылы оқушылардың қызығушылықтарын арттыру әдістемелерін ұсынып отырмын.

Зерттеудің мақсаты: орта мектепте оқытылатын «Жұмыс және энергия» тарауын оқытуда жаңа технологияларды қолданып, оқушылардың білімдерін жоғары деңгейге көтеру. Ол үшін теориялық білім мен есеп шығару практикасын қалыптастырудың әдіс-тәсілдерін қарастырып, оны оқу үрдісінде пайдалану жолдарын анықтып, оқушылардың осы тарау бойынша алған білімдерінің жан- жақты терең де берік меңгерілуін қамтамасыз ету.

Зерттеудің ғылыми болжамы: егер «Жұмыс және энергия» бөлімі теориялық тұрғыдан тереңдетіліп, оны оқытудың белсенді әдістерін саралап, тиімді оқу құралдарымен қамтамасыз етілсе, онда оқушылардың физикалық білімінің деңгейі көтеріліп, олардың шығармашылық әрекеттерін қалыптастыруға болады.

Зерттеу пәні: жұмыс және энергия бөліміне теориялық және әдістемелік тұрғыдан дифференциалдық түрде талдау жасай отырып, электронды түрде оқыту үдерісі.

Зерттеудің мақсаты, пәні және ғылыми болжамының негізінде оның басты міндеттері айқындалады:

жалпы физика курсының жұмыс және энергия бөлімін оқытудың теориялық негізін беру;

физика курсының жұмыс және энергия бөлімінің мазмұнын жетілдіруге бағытталған материалдарды іріктеу, топтау;

жұмыс және энергия бөлімін оқытуда оқушылардың танымдық әрекетіне негізделген тиімді әдістерді саралау.

Зерттеудің ғылыми жаңалығы:

физика курсының «Жұмыс және энергия» бөлімін оқытудың теориялық мәселелерінің ғылыми тұрғыдан талдануы;

«Жұмыс және энергия» бөлімін оқытудың ғылыми әдістемелік нұсқауы.

Зерттеу базасы: №34 жалпы орта білім беретін мектепте жүргізілді.

1 Жұмыс және энергия тарауының құрылымы мен мазмұны

1.1 Жұмыс

Айталық, Ғ күші әсер еткен дене қандай да бір траекторияның бойымен қозғала отырып, s жол жүріп өтсін делік. Бұл жағдайда күш денеге үдеу бере отырып, не оның жылдамдығын өзгертеді, не қозғалысқа қарсы әсер ететін екінші күштің (немесе күштердің) әсерін жояды. s жолдағы Ғ-тің әсері жұмыс деп аталатын шамамен сипатталады.

Жұмыс скаляр шама делінеді, ол орын ауыстыру бағытындағы Ғs күш проекциясы мен күш түскен нүктенің жүріп өткен жолының көбейтіндісіне тең:

A= Ғss (1)

Орын ауыстыру бағытындағы (яғни жылдамдық бағытындағы) Ғs күш проекциясы барлық уақытта өзгеріссіз қалған жағдайда (1) өрнегі орындалады. Атап айтқанда, бұл дененің түзу сызықты қозғалған кезінде және шама жағынан тұрақты Ғ күші қозғалыс бағытымен тұрақты α бұрышын жасаған кезде орынды. Ғs=Fcosα болғандықтан да (1) өрнегіне төмендегідей түр беруге болады:

A= Fscosα (2)

Жұмыс – алгебралық шама. Егер күш пен орын ауыстыру бағыты сүйір бұрыш жасаса (cosα>0), жұмыс оң таңбалы болады. Егер α бұрышы доғал (cosα<0) болса, жұмыс теріс таңбалы болады. α=π/2 болғанда жұмыс нөлге тең. Соңғы жағдай механикадағы жұмыс ұғымының жұмыс жайындағы кәдімгі түсініктен едәуір айырмашылықтың барлығын анық көрсетеді. Кәдімгі түсініктегі кез келген күш жұмсау, соның ішінде бұлшық еттің күш салуы жұмыс істеумен қоса жүреді. Мысалы, қозғалмай тұрып, ауыр жүкті горизонталь жолмен апару үшін жүк таситын адам көп күш жұмсайды, яғни «жұмыс істейді». Алайда жұмыс мұндай жағдайларда механикалық шама ретінде нөлге тең болады.

Егер орын ауыстыру бағытындағы күш проекциясының шамасы қозғалыс кезінде тұрақты болып қалмаса, жұмысты есептеу үшін s жолды элементар Δs учаскелерге бөлеміз. Бұлардың кішілігі соншалық, тіпті дененің осындай учаскелерді жүріп өткен уақыты ішінде Fs-ті өзгеріссіз қалады деп есептеуге болады. Сонда әрбір элементар учаскедегі күш жұмысы жуықтап алғанда мынаған тең болады:

ΔA≈ Ғs Δs

ал бүкіл s жолдағы жұмыс элементар жұмыстардың қосындысы ретінде есептелуі мүмкін:

Барлық Δsi–ті нөлге ұмтылдырған кезде (3) жуықтатылған теңдік іліксіз теңдікке көшеді:

1-сурет.

1-суретте траекториядағы (осін горизонталь ось деп атауға болады, ал осы осьтің 1 және 2 нүктесі арасындағы кесіндінің ұзындығы жолдың толық ұзындығына тең болады) нүкте орнының функциясы ретінде графигі салынағн. Суреттен элементар ΔAi жұмыстың сан мәні жағынан штрихталған жолақтың ауданына тең, ал 1 нүктеден 2 нүктеге дейінгі жолдағы А жұмыс сан мәні жағынан 1 және 2 вертикаль түзулер мен осінің арасындағы Fs қисықпен шектелген фигураның ауданына тең екені көрінеді.

Жұмыстың бірліктері. Жұмыс бірлігі ретінде бірлік күштің орын ауыстыру бағытындағы бірлік жолда істеген жұмысы алынады:

ХБЖ жүйесінде жұмыс бірлігі джоуль (Дж). Ол 1 ньютон күштің 1 метрге тең жолдағы істеген жұмысына тең.

СГС жүйесінде жұмыс бірлігі эрг. Ол 1 дина күштің 1 сантиметрге тең жолдағы істеген жұмысына тең.

МКГСС жүйесінде – килограммометр (кгк·м), ол 1 кгк күштің 1 метрге тең жолдағы істеген жұмысына тең.

Жұмыс бірліктері арасында мынадай қатыстар бар:

1Дж=1Н·1м=105 дин·102см=107 эрг,

1кгк·м=1кгк·1м=9,81Н·1м=9,81 Дж.

Векторлардың скаляр көбейтіндісі. Жұмысқа арналған өрнек күш векторы мен орын ауыстыру векторының скаляр көбейтіндісі түрінде берілуі мүмкін.

А және В екі вектордың скаляр көбейтіндісі деп осы векторлардың модульдарын олардың арасындағы α бұрыштың косинусына көбейткенге тең скалярды айтады (2-сурет). Скаляр көбейтіндісінің символы векторлар символдарының арасына ешқандай таңба қоймастан АВ түрінде жазылады.

Сөйтіп, скаляр көбейтінді анықтама бойынша мынаған тең:

AB=ABcosα. (5)

α сүйір бұрыш болғанда, АВ нөлден артық, ал α доғал бұрыш болғанда, АВ нөлден кем болады; өзара перпендикуляр екі вектордың саляр көбейтіндісі (α=π/2) нөлге тең.

Квадрат астындағы вектор деп вектордың өзіне-өзінің скаляр көбейтіндісі екендігін ескерелік:

A2=AA=Aacos0=A2 (6)

(вектордың өзіне-өзінің векторлық көбейтіндісі нөлге тең). Демек, вектордың квадраты оның модулінің квадратына тең.

Анықтамадан, скаляр көбейтінді қосылғыштардың ретіне байланысты болмайды, сондықтан да векторлық көбейтіндіден гөрі скаляр көбейтінді коммутативті екен.

(5) өрнекке мына төмендегідей түр беруге болады:

AB=ABcosα=A(Bcosα)=B(Acosα)

2-сурет.

2 - суреттен Bcosα-A векторының бағытындағы В векторының проекциясына – ВА-ға тең екендігі, осыған ұқсас Acosα=AB-B векторының бағытындағы А векторының проекциясына тең екендігі көрініп тұр. Сондықтан скаляр көбейтіндісіне анықтаманы басқаша да беруге болады: екі вектордың скаляр көбейтіндісі деп, төмендегідей көбейтілген векторлардың бірінің модулын екінші вектордың біріншінің бағытындағы проекциясына көбейткенге тең скалярды айтамыз.

AB=ABB=ABA . (7)

Векторлар қосындысының проекциясы қосылғыш векторлар проекцияларының қосындысына тең. Осыдан:

A(B+C+…)=A(B+C+…)A=A(BA+CA+…)=ABA+ACA+…=AB+AC+…

екендігі шығады. Сонымен векторлардың скаляр көбейтіндісі дистрибутивті – қандай да бір А векторының бірнеше векторларының қосындысына скаляр көбейтіндісі жеке-жеке алғандағы әрбір А векторлар қосылғыштарының скаляр көбейтіндісіне тең.

Векторлардың скаляр көбейтіндісін пайдаланып, жұмысқа арналған (4) өрнегін мына түрде жазуға болады:

мұндағы Δs деп элементар орын ауыстыру векторын түсінеміз.

Денеге бір мезгілде бірнеше күш әсер етсін делік, оның қорытқы күші мынаған тең болсын: Векторлардың скаляр көбейтіндісінің дистрибутивтігінен аз жолынан істелген қорытқы ΔА жұмыс мына формула бойынша есептелінеді:

яғни бірнеше күштің қорытқы жұмысы әрбір күштің жеке-жеке атқарған жұмысының алгебралық қосындысына тең, Δs элементар орын ауыстыруы

Δs=υΔt

арқылы берілуі мүмкін. Сондықтан (8) формуласы мына түрге келтіріледі:

(7) формуламен сәйкес FsΔs=FΔsF, мұндағы ΔsF – күш бағытындағы элементар орын ауыстырудың проекциясы. Сондықтан жұмысты былай жазуға болады:

3-сурет.

Егер күш тұрақты шама, әрі бағыты болса (3-сурет), (8) формуладағы Ғ векторын интеграл сыртына шығаруға болады, нәтижесінде жұмысқа арналған өрнек мына түрде жазылады:

мұндағы s – орын ауыстыру векторы, ал sF – күш бағытындағы оның проекциясы.

1.2 Әртүрлі күштердің жұмысы

Ауырлық күшінің жұмысы

Әртүрлі траекториямен қозғалған кездегі ауырлық күшінің ісиейтін жұмысын қарастырайық. Массасы m дене h биіктікке көтерілген делік. Қозғалыс бағыты бойымен денеге тұрақты F=mg күші әсер етеді (төмен қарай бағытталған). Осы күштің әсерімен дене h аралыққа орын ауыстырады. Бұл күштің жұмысы (жұмыс анықтамасы бойынша)

ΔA=FΔs=Fh=mgh

болады.

Енді осы берілген дене сол h биіктіктен көлбеу АВ жазықтығымен түссін. Жазықтықтың көлбеулік бұрышы α, ал үйкеліс жоқ деп есептелік. Көлбеу жазықтық бойымен денеге ауырлық күшінің құраушысы F1=mgsinα күші әсер етеді. Дененің көлбеу жазықтықпен жүрген AB=s аралығын h биіктігі арқылы (ΔABC-дан) өрнектеуге болады, яғни . Бұдан F1 күшінің істейтін жұмысы

болады.