Автор: Петренко Надежда Федоровна,

учитель физики высшей квалификационной категории.

Образовательная организация: Муниципальное бюджетное

общеобразовательное учреждение Городского округа Балашиха

«Средняя общеобразовательная школа № 7 с углубленным

изучением отдельных предметов»

Адрес: 143980, Московская обл., Г. о. Балашиха,

мкр. Железнодорожный, ул. Октябрьская, д. 7.

Дата 2014-2015 уч. год

МБОУ СОШ №7 с УИОП Г.о. Балашиха Московской обл.
1



Ключевые ситуации при решении задач по физике в 7 классе
Для меня в курсе физики
7 класса
важными являются
ключевые ситуации
:  закон Архимеда (решение расчетных задач),  КПД простых механизмов.
Задачи

Ключевая ситуация «Закон Архимеда»

1)
Металлическая деталь весит в воздухе 44,5 Н, а при погружении в керосин 40,5 Н. Определите: 1) архимедову силу, действующую на эту деталь, 2) объем детали, 3) из какого металла она изготовлена.
2)
Цинковый шар весит 3,6 Н, а при погружении в воду 2,8 Н. Сплошной ли это шар или имеет полость? Если не сплошной, то определите объем полости.
3)
Кусок металла весит в воздухе 7,8 Н, в воде – 6,8 Н, в жидкости А – 7 Н, в жидкости В – 7,1 Н. Определите объем металла и плотности жидкостей А и В.
Ключевая ситуация «КПД простых механизмов»

1 )
Выполняя лабораторную работу по определению КПД рычага, ученик поднял груз массой 400 г на высоту 5 см, приложив силу 1 Н. При этом конец рычага, на который нажимал ученик, переместился на 21 см. Определите:  величину полезной работы,  совершенную (полную) работу,  КПД этого рычага.
2)
При выполнении лабораторной работы по определению КПД установки, состоящей из подвижного и неподвижного блоков, груз массой 400 г был поднят на высоту 50 см силой 2,5 Н. Определите:  величину полезной работы,  совершенную (полную) работу,  КПД установки.
3)
С помощью одного подвижного и одного неподвижного блоков равномерно подняли груз весом 80 Н на высоту 8 м.  Какая сила была приложена к другому концу веревки?  Какую работу выполнили при подъеме груза, если КПД установки 80%?
4)
С помощью рычага подняли груз весом 120 Н на высоту 20 см. Плечи рычага относятся между собой как 1:6.  Какая работа при этом совершается?  На сколько опустится конец длинного плеча вниз, если КПД рычага 80%?  Какую силу необходимо приложить к большему плечу рычага? При решении подобных задач учащиеся сталкиваются с
проблемой
: с чего начинать само решение, «как подобрать нужную формулу?» Поэтому у меня сложилась определенная система работы по снятию такой проблемы:
o
решение задач по мере их усложнения (от простого – к сложному),
o
подробный анализ условия задачи,
o
исследовательский подход
Урок решения задач по разрешению ключевой ситуации «Архимедова сила. Закон

Архимеда»
провожу после изучения нового материала по данной теме и выполнения лабораторной работы «Определение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело». Одна из целей урока (развивающая): формировать умения анализировать 2

FА

ρж

g

V
свойства и явления на основе знаний, выделять главную причину, влияющую на результат, проверить уровень самостоятельности мышления учащихся по применению знаний в различных ситуациях, пользоваться справочными материалами и таблицами, грамотно осуществлять перевод единиц измерения в СИ.
Задача

№1

подробно

анализируется

совместно

с

учащимися,

далее

с

учетом

уровня

класса

и

математической

подготовленности учащихся предлагаются для самостоятельного решения задачи №2

и№3.

Привожу фрагмент урока

Учитель.
Чемвызвано уменьшение веса тела при его погружении в жидкость?
Учащиеся.
На погруженное в жидкость тело действует
выталкивающая сила
.
Учитель.
Какова природа выталкивающей силы?
Учащиеся.
Выталкивающая сила действует на тело со стороны жидкости. Жидкость давит на дно и стенки сосуда, так же, как и на любое погруженное в нее твердое тело. Давление, действующее на боковые поверхности (грани) погруженного тела, одно и то же на любом выбранном уровне (глубине), значит, равны и силы, действующие на боковые поверхности. Они направлены навстречу друг другу, уравновешивают друг друга, под их действием тело только сжимается. По-другому действует жидкость на верхнюю и нижнюю поверхность (грани). На верхнюю поверхность действует давление столба жидкости высотой
h

1
, а на нижнюю – большее давление столба жидкости
h

2
, т.к. давление жидкости зависит от высоты столба жидкости, отсчитываемого от свободной поверхности жидкости (
p = ρgh
) ,
h

2

> h

1
. Значит, и сила, действующая на тело сверху, меньше силы, действующей снизу. Равнодействующая этих сил, направленная вверх, в сторону действия большей силы, и называется
выталкивающей силой
(или
силой Архимеда
). Это полностью подтверждается экспериментом по определению веса тела в воздухе и при погружении в жидкость.
Учитель.
Как ее можно рассчитать?
Учащиеся.
Надо из большей силы давления, с которой действует жидкость на нижнюю поверхность тела, вычесть меньшую силу – на верхнюю поверхность тела.

Или,определить (измерить) вес тела в воздухе и при погружении в жидкость. Затем из веса тела в воздухе вычесть вес тела в жидкости.
F

А

= Р – Р’.
Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель.
Как рассчитывается вес тела в воздухе в состоянии покоя?
Учащиеся. Р = mg,
где m – масса тела, g – ускорение свободного падения (или g = 9,8 Н/кг). Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель.
Выразите массу тела из данной формулы.
Учащиеся. m = P/g

Учитель.
Каким образом можно определить еще величину выталкивающей силы?
Учащиеся.
Выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме этого тела.
F

А

= m

ж

g = P

ж

Учитель.
Сформулируйте закон Архимеда. Запишите формулу закона.
Учащиеся.
Тело, погруженное в жидкость или газ, выталкивается вертикально вверх с силой, равной весу жидкости или газа в объеме тела (или его погруженной части).
F

А

= ρ

ж

gV’
или при полном погружении тела в жидкость
F

А

= ρ

ж

gV

т

,

V’
– объем части тела, погруженной в жидкость, а
V

т
– объем тела полностью погруженного в жидкость. Таким образом,
выталкивающая

сила

зависит
от плотности жидкости, объема тела;
не

зависит
от плотности тела, глубины погружения, положения тела, формы тела. Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель.
Представьте запись формулы закона Архимеда посредством метода треугольника.
Учащиеся.



Учитель.
Выразите из формулы все величины, входящие в нее.
Учащиеся. ρ

ж

= F

А

/gV

т

, g = F

А

/ρ

ж

V

т

, V

т

= F

А

/ρ

ж

g .

Учитель.
Каким образом можно определить название металла, из которого изготовлена деталь? 3

F1

F2

l1

l2

l1

l2

F1

F2

Учащиеся.
Определить массу детали и, зная ее объем, рассчитать плотность металла; затем, пользуясь справочной таблицей плотностей – узнать название металла.
Учитель.
Дайте определение плотности вещества, запишите расчетную формулу и укажите единицы измерения.
Учащиеся.
Плотностью вещества называется физическая величина, равная отношению массы тела к его объему. Физический смысл плотности вещества - какая масса вещества сосредоточена в единице объема тела.
ρ = m/V
. Единицей измерения плотности является 1 кг/м 3 , в ряде случаев используется 1 г/см 3 . 1 г/см 3 = 1000 кг/м 3 .
Учитель.
Есть ли возможность по условию задачи или в ходе ее решения определить наличие полостей в теле, погруженном в жидкость?
Учащиеся.
Сравнить объем тела и объем вещества, из которого оно изготовлено, если объемы равны, то пустот внутри тела нет; если объем тела больше объема вещества – значит, есть полость. Можно еще сравнить плотность тела и плотность вещества, из которого оно изготовлено.
Учитель.
Как рассчитать объем полости в теле?
Учащиеся.
Найти объем тела V т , пользуясь формулой закона Архимеда. По весу тела в воздухе определить объем вещества V в . Если V т = V в - нет полости, если V т > V в - есть полость. Объем полости равен разности объема тела и объема вещества V = V т - V в . Решаем задачу №1. Решения задач №1, №2, №3 прилагаются.
Урок решения задач по разрешению ключевой ситуации «КПД простых механизмов»
провожу после изучения нового материала по теме «КПД механизмов» и выполнения лабораторной работы «Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости» для систематизации знаний учащихся по теме, применения формулы расчета КПД к различным видам простых механизмов и машин (гидравлический пресс).
Задачи №1 и №2 (обучающие)
подробно анализируется совместно с учащимися, далее с учетом уровня класса и математической подготовленности учащихся предлагаются для самостоятельного решения
задачи №3 и№4 (контролирующие).

Привожу фрагмент урока

Учитель.
Что такое простой механизм? Какие виды механизмов вы знаете? Каково их назначение?
Учащиеся.
Приспособления, служащие для преобразования силы, называются
механизмами
. К ним относятся: рычаг с его видами (блок, ворот), и наклонная плоскость с ее видами (клин, винт). Механизмы применяют для того, чтобы получить
выигрыш
в силе, в скорости или чтобы изменить направление силы (для практического удобства).
Учитель.
Что такое рычаг?
Учащиеся. Рычаг
– это твердое тело, которое может вращатьсявокруг неподвижной опоры. Силы
F
, действующие на рычаг, могут поворачивать его либо по ходу часовой стрелки, либо – против часовой стрелки. Примеры рычагов: рычажные весы, весла, кусачки, ножницы, качели, локоть человека, шлагбаум, тачка, педаль, дверь, ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень и т.д.
Учитель.
Что называется плечом силы?
Учащиеся.
Плечом силы называется кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы (
l
). Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. 4

F1

F2

l1

l2

h1

h2

Учитель.
Каким образом, пользуясь рычагом, можно получить выигрыш в силе?
Учащиеся.
Экспериментально установлено, что рычаг находится в равновесии, если силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил:
F

1

/F

2

= l

2

/l

1
. Это правило было установлено Архимедом. Из него следует, что с помощью рычага можно получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз одно плечо больше другого.
Учитель.
При использовании рычага для подъема или опускания груза на некоторую высоту, каким образом связаны между собой плечи сил и высоты?
Учащиеся.

Учитель.
Чем отличаются друг от друга подвижный и неподвижный блоки?
Учащиеся. Блок
представляет собой колесо с желобом, по которому пропускают веревку, трос, цепь, нить и т.д. Если ось блока закреплена и при подъеме груза не опускается и не поднимается, то такой блок называется
неподвижным.
Его можно рассматривать как равноплечный рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление действия силы. Ось
подвижного блока
поднимается и опускается вместе с грузом. В этом блоке плечо к которому прикладывается сила
F
, в 2 раза больше плеча, на которое действует вес
Р
груза, поэтому
подвижный блок дает выигрыш в силе 2 раза

P/F = l

2

/l

1

= 2
.
Учитель.
Дайте определение механической работы, запишите формулу, укажите единицы измерения.
Учащиеся.
Механическая
работа
– это физическая величина, характеризующая результат действия силы. Она совершается, когда тело двигается под действием приложенной к нему силы (подъем камня, выстрел, движение автомобиля, движение поезда). Если сила приложена, но движения нет, или, наоборот, тело движется по инерции, то работа не совершается.
Механическая работа
(
А
) прямо пропорциональна силе (
F
) и перемещению (
s
). Она равна произведению силы на пройденный путь:
A

= F*s
, если на всем пути сила постоянна, а направление силы совпадает с перемещением. Единицей измерения работы является джоуль (
Дж
). Работу в 1 Дж совершает сила в 1 Н при перемещении на 1 м в направлении силы.
Учитель
. Как рассчитать работу по подъему тела на некоторую высоту над поверхностью земли?
Учащиеся.

А = mgh;
при использовании блоков необходимо помнить о разновидности блока – подвижный или неподвижный, чтобы учесть выигрыш в силе или проигрыш в расстоянии.
Учитель.
В чем состоит принципиальное отличие работы полезной от работы, совершенной?
Учащиеся.
Существуетдва вида работы:
А

п
– полезно используемая, или просто полезная, и
А

с
– совершенная (затраченная, полная), которая включает в себя кроме полезной работы еще и работу по преодолению сил трения, сопротивления воздуха и т.п., мешающих движению и совершению полезной работы. Совершенная работа всегда больше полезной работы.
Учитель.
В чем состоит «золотое правило» механики? Как понимать: выигрыш и проигрыш?
Учащиеся.
Практика показала, что ни один из механизмов не дает выигрыша в работе, т.к. произведение сил, действующих на разные части механизмов, на пути, проходимые этими частями, одинаковы. Это происходит потому, что все механизмы подчиняются правилу: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии, - это правило называется
«золотым

правилом»

механики
. Под выигрышем в силе, расстоянии подразумевается приложение меньшей силы, преодоление меньшего расстояния; проигрыш – Пользуясь правилом подобия треугольников (прямоугольных), из построения видно, что h1 h2 = l 1 l 2 5
приложение большей силы, увеличение перемещения. Таким образом, простые механизмы дают возможность получить выигрыш в силе
или
в расстоянии, но не в работе!
Учитель.
Каков физический смысл КПД механизма?
Учащиеся.
Каждое устройство характеризуется величиной, показывающей эффективность совершаемой им работы, - это
коэффициент полезного

действия
(
КПД
), равный отношению полезной работы к совершенной работе. КПД показывает – какую часть составляет полезная работа от совершенной работы. Расчетная формула η = Ап Ас ∗ 100 . КПД для удобства выражают в процентах %. Если не использовать процентное выражение, тогда η = Ап Ас (определяется значение КПД в долях 1 для отдельных учащихся со слабой математической подготовкой).
Учитель.
Пользуясь формулой КПД, выразите из нее полезную работу, совершенную работу.
Учащиеся.
Ап = η Ас 100 ; Ас = Ап ∗ 100 η .
Учитель.
Почему КПД механизмов всегда меньше 100%, меньше 1?
Учащиеся.
Полезная работа всегда меньше совершенной работы, т.к. необходимо преодолевать силу трения при движении тел, учитывать массу самого механизма. При решении задач с КПД рекомендую учащимся обязательно:  выполнить
чертеж
с указанием приложенных сил, расстояний (перемещений, плеч рычага);  записать формулу КПД;  четко расписать формулы полезной и совершенной работы;  учесть «золотое правило» механики;  выразить в ходе математических преобразований искомую величину. Решаем задачи №1, №2; самостоятельное решение учащимися задач №3, №4 Решения задач №1, №2, №3, №4 прилагаются.
Литература

1.
Перышкин А.В. Физика.7 класс: учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2009.
2.
Генденштейн Л.Э., Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика. 7класс: учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Мнемозина, 2009.
3.
Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М., Кирик Л.А. Задачи по физике. 7 класс. М.: Дом педагогики, Гимназия, Фолио, 2005.
4.
Кирик Л.А. Самостоятельные и контрольные работы по физике. Разноуровневые дидактические материалы. 7 класс. Механика. Давление жидкостей и газов. М.: Илекса, 2004.
5.
Физика – Первое сентября. Научно-методическая газета для преподавателей физики, астрономии и естествознания. Издательский дом «Первое сентября».
6.
Физика в школе. Научно-методический журнал. ООО Издательство «Школа-Пресс»
Решения задач по теме «Закон Архимеда»

1.
Металлическая деталь весит в воздухе 44,5 Н, а при погружении в керосин 40,5 Н. Определите:
1)
архимедову силу, действующую на эту деталь,
2)
объем детали,
3)
из какого металла она изготовлена. 6

2.
Цинковый шар весит 3,6 Н, а при погружении в воду 2,8 Н. Сплошной ли это шар или имеет полость? Если не сплошной, то определите объем полости.
3.
Кусок металла весит в воздухе 7,8 Н, в воде – 6,8 Н, в жидкости А – 7 Н, в жидкости В – 7,1Н. Определите объем металла и плотности жидкостей А и В.


Решения задач по теме «КПД механизмов»

1.
Выполняя лабораторную работу по определению КПД рычага, ученик поднял груз массой 400 г на высоту 5 см, приложив силу 1 Н. При этом конец рычага, на который нажимал ученик, переместился на 21 см. Определите: o величину полезной работы, o совершенную (полную) работу, o КПД этого рычага.
2 .
При выполнении лабораторной работы по определению КПД установки, состоящей из подвижного и неподвижного блоков, груз массой 400 г был поднят на высоту 50 см силой 2,5 Н. Определите: o величину полезной работы, o совершенную (полную) работу, o КПД установки.
3 .
С помощью одного подвижного и одного неподвижного блоков равномерно подняли груз весом 80 Н на высоту 8 м. o Какая сила была приложена к другому концу веревки? o Какую работу выполнили при подъеме груза, если КПД установки 80%?
4.
С помощью рычага подняли груз весом 120 Н на высоту 20 см. Плечи рычага относятся между собой как 1:6. o Какая работа при этом совершается? o На сколько опустится конец длинного плеча вниз, если КПД рычага 80%? o Какую силу необходимо приложить к большему плечу рычага? 7