Робота і енергія (8 клас - 10 уроків). План

Урок 1.  Механічна робота. Одиниці роботи.

Урок 2.  Потужність.

Урок 3.  Розв’язування задач.

Урок 4.  Енергія. Потенціальна енергія тіла.

     Урок 5.  Кінетична енергія тіла. Повна механічна енергія.

Урок 6. Перетворення механічної енергії. Закон збереження

             механічної енергії. 

Урок 7. Прості механізми.  „Золоте правило” механіки.

Урок 8.  Коефіцієнт корисної дії механізмів.

 

Урок 9.  Розв’язування задач по темі „ Робота і енергія”.

          Лабораторна робота № 10 „ Визначення ККД похилої площини".

Урок 10.  Контрольна робота.
Список використаної літератури.

Урок 1. Механічна робота. Одиниці роботи.

Мета: сформулювати визначення роботи, назвати одиниці її вимірювання, розвивати уміння здійснювати обчислення за формулою роботи, виховувати позитивне відношення до праці, повагу один до одного і дбайливе відношення до результатів праці кожного.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Обладнання: карточки, малюнки, досліди по переміщенню бруска по

                        горизонтальній поверхні, підняття вантажів різної маси.

Хід уроку

1.     Активізація опорних знань ( 4 хв ).

Розглянувши тему „Взаємодія тіл”, ви дізналися про причини зміни швидкості руху тіла, причини зміни форми і об’єму тіл. Вивчаючи цю тему, ви познайомилися з різними видами сил, помітили, що під час взаємодії, тіла діють одне на одного з певною силою, змінюючи швидкість тіла, навчилися користуватися простими механізмами. Логічним продовженням цієї теми є вивчення розділу фізики , в якому розглядається робота та енергія.

2.     Вивчення нового матеріалу ( 25 хв ).

Учням пропонується заслухати невеликий текст.

  Група вчених працювала над питанням створення нової установки для виконання роботи  у важкодоступному місці. Досконалий  робот міг виконувати завдання, поставлене людиною, в умовах високої температури. За рахунок згоряння великої кількості палива, теплова електростанція забезпечувала багато населених пунктів електроенергією. Про такі повідомлення дізнавався хлопчик, читаючи газету і тримаючи важку сумку на зупинці.

* Скажіть, коли в даних випадках виконувалась робота? 

Учні висловлюють різні думки. Вчитель коментує кожну з них.

У повсякденному житті досить часто ми вживаємо слово „робота”, розуміючи під ним, виконання якоїсь корисної дії людиною чи пристроєм. Така діяльність потребує певних зусиль: чи це буде підняття вантажу, чи розв’язування важкої задачі. Але, вивчаючи фізику, ми вводимо поняття роботи, розуміючи під ним „механічну роботу” або роботу певної сили. Буксир тягне баржу, діючи на неї силою тяги, на баржі лежить важкий вантаж, який тисне на неї. На баржу і буксир діє сила опору води, а також виштовхувальна сила. З цих сил механічну роботу виконує сила тяги, бо баржа рухається в напрямі дії сили, сила тиску роботи не виконує, бо в напрямі дії цієї сили баржа і буксир не рухаються. Механічна робота буде виконана більша, якщо баржа пройде більшу відстань, пункт призначення буде на великій відстані від місця відплиття. Також більша буде виконана робота, якщо перевезено буде додатковий вантаж, при цьому треба збільшити силу тяги. Робимо висновок, що механічна робота залежить від значення сили та шляху, який пройде це тіло під дією певної сили. Залежність спостерігається прямо пропорційна.

Формулюємо визначення механічної роботи:

Механічна робота – це фізична величина, яка дорівнює добутку сили на шлях, що пройдений тілом у напрямку цієї сили. A=Fl                                             A – робота (  Дж )                                                       F  -  сила (Н)                                                        l - шлях ( м )

Одиниця роботи Дж – джоуль, названа на честь англійського вченого Джеймса Прескотта Джоуля ( 1818 – 1889 ).

1Дж – це механічна робота, яку виконує сила 1Н під час переміщення тіла на 1м у напрямку дії сили.

1Дж = 1Н·1м

Проаналізуємо формулу роботи:

1)    якщо F ≠ 0 і S ≠ 0, то А ≠  0; 2)    якщо F = але S ≠0, то А = 0; 3)    якщо F ≠ 0, але S = 0, то А = 0.

Наприклад, тіла, які лежать на столі, чинять тиск на стіл, але роботи не виконують. Якщо на тіло діють інші тіла і воно рухається по інерції, то при цьому не виконується механічна робота, бо в цьому випадку є переміщення, але немає діючої сили.

* Яких же значень може набувати механічна робота?

Розглядаємо заготовлені малюнки.

Знаємо, що сила і переміщення мають напрям, але робота напряму не має, проте вона може бути: додатною, від’ємною або дорівнювати нулю – залежно від того куди напрямлена сила відносно напрямку  руху самого тіла.

1.     Якщо напрям сили збігається з напрямом руху тіла, то механічна робота – додатна ( сила „прискорює”  рух тіла ). (а)

2.     Якщо напрям сили протилежний напряму руху тіла, то механічну роботу вважають від’ємною ( сила „гальмує” рух тіла). (б)

3.     Якщо напрям сили перпендикулярний до напряму руху тіла, то сила роботи не виконує, тобто дорівнює нулю. (в)

Роздаються карточки на визначення значення механічної роботи.

Наприклад:

            * Автобус їде по прямолінійній дорозі. На нього діють сили: сила тяжіння, сила реакції опори, сила опору рухові, сила тяги двигунів. Визначити значення роботи.

            * Заєць, побачивши вовка, почав тікати, прикладаючи більше зусилля на лапи, пил від його бігу став особливо великим, коли він різко загальмував. Які сили діють на зайця і яке вони мають значення?

3.     Закріплення матеріалу: ( 10 хв)

Розв’язування задач: клас ділиться по рядам на три групи, кожній групі пропонується по чотири завдання, різної складності, керівник групи розприділяє завдання між членами групи, враховуючи можливості учнів. потім завдання виконують учні біля дошки, а кожна група записує в зошит розв’язання за своїм представником.

Карточка №1. 1. Записати в СІ величини:

                        5 кДж, 800 мДж, 4 МДж , 700 кН, 7,5 МН, 6000 мН.

                         2. Сила тяги скутера 800Н, хлопчик проїхав на ньому

                        2 км. Визначити, яку роботу здійснила сила тяги.

                              3. Яку роботу треба виконати, щоб підняти з ями

                              глибиною 5м, вантаж масою 20 кг?

                               4. Яка маса каменю, що підняли з дна озера, глибиною 

                                    3м, якщо при цьому була виконана робота 900 Дж,

                                   густина каменя 3000кг/м³?

Карточка №2. 1. Записати в СІ величини:

                        4 кДж, 200 мДж,  5 МДж , 900 кН, 6,5 МН, 3000 мН.

                         2. Сила тяги мотоцикла 1300Н, хлопчик проїхав на  

                         ньому 6 км. Визначити, яку роботу здійснила сила тяги.

                              3. Яку роботу треба виконати, щоб підняти з ями

                              глибиною 6м, вантаж масою 14 кг?

                               4. Яка маса каменю, що підняли з дна річки, глибиною 

                                    2м, якщо при цьому була виконана робота 600 Дж,

                                   густина каменя 3000кг/м³?

Карточка №3. 1. Записати в СІ величини:

                        7 кДж, 900 мДж, 3 МДж , 200 кН, 5,5 МН, 7000 мН.

                         2. Сила тяги машини 1800Н, чоловік проїхав на ньому

                        12 км. Визначити, яку роботу здійснила сила тяги.

                              3. Яку роботу треба виконати, щоб підняти з ями

                              глибиною 1м, вантаж масою 2500 г?

                               4. Яка маса каменю, що підняли з дна басейну,

                              глибиною   4м, якщо при цьому була виконана робота  

                              1900 Дж, густина каменя 3000кг/м³?

4.     Підсумок уроку( 5 хв)

1.     Яка фізична величина описує взаємодію тіл?

2.     Яким є основний наслідок дії сили?

3.     Від чого залежить значення роботи?

4.     Які умови необхідні для виконання механічної роботи?

5.     Домашнє завдання: § 26 Вправа №26 (4, 7), експериментальне завдання.

Тема 2. Потужність.

Мета: сформувати в учнів поняття потужності як фізичної величини, що характеризує швидкість виконання роботи. Розвивати уміння розв’язувати задачі на визначення потужності та роботи, виховувати акуратність при виконанні записів у зошитах та уважність під час виконання завдань.

Тип уроку: комбінований

Обладнання: проведення досліду: два стакани і черпачок, підняття вантажу на різну висоту, підняття вантажу на однакову висоту різними способами.

Хід уроку:

1.     Актуалізація опорних знань: ( 5 хв )

Інтерактивна вправа: мікрофон.

На попередньому уроці вивчалась тема „ Робота. Одиниці вимірювання роботи”, для перевірки якості засвоєння поняття роботи  і залежності її від певних величин, ми проведемо такий експеримент. Потрібно вичерпати воду з однієї посудини і перенести її до іншої, причому намагатися не розливати. Два учні по бажанню переносять воду, набираючи її маленьким черпачком з одного стакана в інший. Один учень переніс половину, а потім інший другу половину. 

    Після виконання завдання вчитель запитує учнів класу: „Чи однакову роботу виконали обидва учні?”. Кожен висловлює свою думку, беручи в руки уявний мікрофон.  Аргументуючи своє пояснення, показує якість засвоєння матеріалу, якість виконання домашнього завдання.

2.     Вивчення нового матеріалу: (20 хв)

Людська цивілізація пройшла довгий шлях у своєму розвитку. В будь-який період для людини поставало питання виконання певної роботи. Взяти хоча б будівництво: від ручної праці до застосування сили підйомних кранів пройшли тисячоліття. Обробіток землі також змінився від давніх часів: від використання м’язової сили, сили свійських тварин до використання потужної техніки. Одна і таж сама робота виконується набагато швидше з використанням техніки.

Тобто робимо висновок, що для виконання певної роботи треба затрати різним виконавцям неоднаковий час. Швидкість виконання роботи характеризують потужністю.

Формулюємо визначення потужності: потужність – це фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи і чисельно дорівнює відношенню виконаної роботи до часу, за який цю роботу виконано.

N=,    А – робота (Дж)               N –потужність (Вт)               t- час (с)

Одиниця потужності в СІ – ват (Вт), названа на честь британського винахідника Джейна Ватта.

1 ват – це така потужність, за якої протягом 1с виконується робота 1 Дж, тобто      1Вт = .

З означення потужності можна зробити висновок, що потужність чисельно дорівнює роботі, яку виконує тіло за одну секунду. Під час виконання механічної роботи більшу потужність розвиває те тіло, яке за той самий час виконує більшу роботу.

Приклад: якщо два учні одночасно підіймуть і поставлять на стіл різні вантажі, наприклад 1 і 2 кг, то говорять, що другий учень розвинув більшу потужність, бо за той самий час він виконав у 2 рази більшу роботу.

Порівняйте такі дані:

* потужність, яку розвиває людина під час ходьби, приблизно 60-100Вт;

* потужність легкового автомобіля приблизно в тисячу разів більша від середньої потужності людини;

* потужність літака в тисячу разів більша від потужності автомобіля;

* потужність космічного корабля приблизно в тисячу разів більша від потужності літака.

Потужність транспортного засобу, наприклад автомобіля, зручно подавати не через роботу і час, а через силу і швидкість.

A =FS,   N=,   N==F= F υ                           N = F·υ

                                                       

Під час руху зі сталою швидкістю сила тяги двигуна компенсує силу опору рухові. Наведена формула пояснює, чому водій перемикає двигун на малу швидкість, коли автомобіль їде вгору схилом або поганою дорогою: для збільшення сили тяги при тій самій потужності двигуна треба зменшувати швидкість.  Доведіть це! Проблемне питання.

3.     Закріплення нового матеріалу: (15 хв)

Задачі, розв’язувані на уроці

1.     Людина, підіймаючись сходами, розвивала потужність 20 Вт. Яку роботу виконала людина за 15 с? ( Відповідь : 300 Дж.)

2.     Двигун автомобіля, розвиваючи потужність 10 кВт, виконав роботу 1,2 МДж. За який час була виконана ця робота? ( Відповідь: 2 хв.)

3.     Кінь тягне віз зі швидкістю 3 м/с, прикладаючи силу 100 Н. яку потужність розвиває він? ( Відповідь: 300Вт.)

4.     Підсумок уроку: ( 5 хв)

1.     Чи завжди є сталою швидкість виконання роботи?

2.     Назвіть кратні та частинні одиниці потужності.

3.     Чому потужність пов’язана зі швидкістю руху?

4.     Що необхідно знати, щоб визначити виконану роботу, не вимірюючи шляху?

Домашнє завдання : § 27, Вправа № 27 1-5.

Урок 3. Розв’язування задач.

Мета: з’ясувати рівень засвоєння учнями вивченого матеріалу по темах

„ Робота і потужність”, розвивати уміння розв’язувати задачі, виховувати культуру запису і акуратність в оформленні записів.

Тип уроку: застосування умінь і навиків.

Обладнання: карточки, малюнки.

Хід уроку:

1.     Організація класу: (3 хв)

Сьогодні ми проводимо урок у вигляді гри „ Сходження на вершину знань”. Клас поділяється на три групи, які можуть піднятися на вершину гори – знань трьома маршрутами: перша група, виконавши експериментальні завдання, друга група, розв’язавши і пояснивши якісні задачі, третя група, розв’язавши розрахункові задачі. Кожній групі прийдеться долати маршрут поетапно,  кожний учасник може продвинути свою групу на крок вперед, виконавши правильно завдання. Якщо завдання виконати групі не вдається, то допомагає інша група і робить на один крок вперед рух своєї групи. Старшим груп вручається пакет із завданнями і пропонується витягнути жеребки для визначення по черговості сходження на гору.

2.     Розв’язування задач: (30 хв)

      Після організаційних питань, почергово  виконуються завдання.

Експериментальні задачі.

1.     Використовуючи динамометр, набір важків і масштабну лінійку, виконайте роботу в 1 Дж; 2 Дж; 5 Дж.

2.     На столі лежить стержень від штатива. Яку роботу необхідно виконати, щоб поставити його вертикально? Для розв’язання використовуйте динамометр і масштабну лінійку.

3.     На столі поряд лежать п’ять брусків. Яку роботу необхідно виконати, щоб укласти їх в один стос? Є динамометр і масштабна лінійка.

4.     Маючи динамометр, секундомір і вимірювальну стрічку, визначте середню потужність, яку розвиває учень, коли він: а) пересуває вантаж по столу; б) підіймає цей вантаж із підлоги на стіл.

Якісні задачі

1.     Тіло підвішене до нитки і перебуває у рівновазі. Чи виконує роботу сила натягу, яка діє на тіло? Сила тяжіння?

2.     Зі спортивного лука вистрілили стрілою під кутом до горизонту. Стріла описала в польоті параболу. Чи виконувала роботу сила тяжіння, коли стріла: а) підіймалася до точки найвищого підняття; б) опускалася на землю?

3.     Чи може сила тертя спокою виконати роботу? Якщо так, наведіть приклад.

4.     Сокиру  забили в колоду, потім витягли її. Чи однакову при цьому виконали механічну роботу?

5.     Два однакові за розміром і конструкцією кораблі розвивають різну потужність. Чи з однаковою швидкістю будуть рухатися ці кораблі?

6.     Чи однакову потужність розвивають двигуни вагона потяга, коли він рухається з однаковою швидкістю без пасажирів і з пасажирами?

Розрахункові задачі

1.     Яку роботу треба виконати, щоб підняти з  дна озера до поверхні води камінь масою 5 кг і об’ємом 2 дм ³? Глибина озера 7м. опір води не враховувати. ( Відповідь: 210 Дж.)

2.     Яку роботу треба виконати, щоб із цеглин, які лежать на землі, скласти трос із трьох цеглин? Із п’яти? Маса однієї цеглини m, товщина h.

     ( Відповідь: 10 mgh.)

3.     Підйомник потужністю 2 кВт підіймає вантаж із середньою швидкістю 4 м/с на висоту 5 м. яка при цьому виконується робота?

    ( Відповідь: 2,5 кДж.)

4.     Пружину за 3 с розтягли на 5 см. яку середню потужність при цьому розвивали, якщо для утримання пружини в розтягнутому стані потрібна сила 120 Н? ( Відповідь: 1 Вт.)

5.     Підіймальний кран підняв із дна озера сталевий зливок масою 3,4 т. скільки часу тривало підняття, якщо глибина озера 6,1 м, а кран розвивав потужність 2 кВт? ( Відповідь: 1,5 хв.)

Кожен учень, як учасник групи сходження  намагається прийняти активну участь у грі, розв’язуючи відповідні завдання, завдання по силі. Долаючи останній перевал, кожна група виконує самостійну роботу.

                                            Самостійна робота № 1

                                                Механічна робота

                                              Початковий рівень

1.     Чи виконує роботу сила тяжіння, коли тіло вільно падає?

2.     Чи виконує механічну роботу учень, якщо він тримає рюкзак у руці?

                                            Середній рівень

1.     Яку роботу виконує двигун автомобіля на шляху 100м, розвиваючи силу тяги 8 кН?

2.     Якою силою виконана робота 60кДж на шляху 6м?

                                           Достатній рівень

1.     а) Тіло рухається зі сталою швидкістю по горизонтальній поверхні столу. Чи виконує роботу сила тяжіння під час цього руху?

б) Легковий автомобіль, розвиваючи силу тяги 700Н, рухається із середньою швидкістю 72 км/год протягом однієї години. Яку роботу при цьому виконує його двигун? ( Відповідь: 50,4 МДж.)

    2. а) Тіло підвішене до пружини і перебуває в рівновазі. Чи виконує роботу

         сила пружності, що діє на тіло? Сила тяжіння?

        б) Навантажений автомобіль масою 5т, переміщуючись рівномірно

          горизонтальною дорогою, подолав відстань 2 км. Яку роботу виконав

         двигун автомобіля, якщо сила тертя становить 0,001 сили тяжіння, що

         діє на автомобіль? ( Відповідь: 100кДж.)

                                                      Високий рівень

1.     а) Чи може сила тертя спокою виконати роботу? Якщо так, наведіть приклад.

б) Бульбашка метану об’ємом 2см³, що утворилася на дні озера на глибині 5м, спливає на поверхню. Чому дорівнює робота зі спливання бульбашки? Зміною об’єму бульбашки знехтувати. ( Відповідь: 0,1 Дж.)

    2. а) Цвях забили в колоду, потім витягли його. Чи однакову при цьому

          виконали механічну роботу?

       б) Під час спливання колоди з глибини 5м сила Архімеда виконала

          роботу 4кДж. Яка маса колоди? Густина деревини 700кг/м³.

         ( Відповідь: 56 кг.) 

                                           Самостійна робота №2

                                                 Потужність

                                           Початковий рівень

1.     Хто розвиває більшу потужність: людина, яка повільно підіймається сходами, чи спортсмен тієї ж маси, який стрибає з жердиною?

2.     Чи однакову потужність розвиває двигун вагона трамвая, коли він рухається з однаковою швидкістю без пасажирів і з пасажирами?

                                              Середній рівень

1.     Самоскид під час перевезення вантажу розвиває потужність 30кВт. Яку роботу він виконує протягом 45 хв? ( Відповідь: 81 мДж.)

2.     Скільки часу має працювати двигун потужністю 25 кВт, щоб виконати роботу 36000кДж? ( Відповідь: 24 хв.)

                                             Достатній рівень

1.     Обчисліть потужність насоса, який подає щохвилини 1300л води на висоту 24м. ( Відповідь: 5,2 кВт.)

2.     Водозливна гребля під час повені пропускає кожної секунди об’єм води, що дорівнює 45000м³. знаючи, що висота греблі 25м, визначте потужність водяного потоку. ( Відповідь: 11·10⁹Вт.)

                                                Високий рівень

1.     Яку потужність необхідно розвинути, щоб стиснути пружину на 4 см протягом 5с, якщо для стиснення її на 1 см потрібна сила 24, 5 кН?

    ( Відповідь: 360Вт.)

2.     Довжина мідної труби 2м, зовнішній діаметр 20 см, товщина стінок 1 см. на яку висоту підіймає трубу за 13с підйомник потужністю 350кВт? ( Відповідь: 4,3м.)

3.     Підсумок уроку: (4 хв)

Виконавши всі завдання всі групи наблизились до вершини знань. Долаючи нелегкі перешкоди всі три групи справились дуже добре. Кожен член експедиції був задіяний роботою, кожен намагався бути активним і принести користь своїй групі і самому для себе подолати таку важку стежину. За урок ви отримаєте дві оцінки: перша за роботу під час „маршруту”, другу – за виконану самостійну роботу, яка оцінюється для кожного по різному, тому що завдання підібрані диференційовано.

Під кінець хочеться сказати такі слова:

Ніколи на спиняйсь на півдорозі,

За кроком крок рушай в далеку путь.

Нехай ведуть тебе стрімкі дороги,

До школи, й знань, які дають вам тут.

Домашнє завдання : § 27 Вправа 27: 1,4,5,6.