Обычно ускорение вводится в школе формально: "Ускорением называется изменение мгновенной скорости в единицу времени". Понятно, что это никак не формирует у ученика понятие ускорения, ибо оно не опирается на повседневный чувственный опыт школьника.
Попробуем предложить как-то активизировать этот опыт. Урок проводим в виде мастерской. Мастерская — это специфическая форма организации учебного диалога, создающего единое эмоциональное и смысловое поле, которое впоследствии может определить направление дальнейшего движения, структуру будущего знания или только создать мотив.
Поэтому начинаем урок с вопроса.
Как вы считаете, от чего зависит скорость тела?
Если ваши ученики приучены на вопрос выдвигать рабочие гипотезы, то вы легко получите несколько ответов. Запишите их на доске, с ними и будем работать (при проведении мастерской плохих гипотез нет):
- от величины приложенной силы, чем больше сила, тем больше скорость тела;
- от массы тела, чем больше масса, тем медленнее будет двигаться тело;
- от величины сил трения-сопротивления;
- от наклона пути к горизонту и др.
Зададимся вопросом,
в какой мере эти предложения верны, и в какой мере они сформулированы корректно.
В физике эксперимент является критерием истины. Проводим опыты на экспериментальной установке (например, КДМ -
Комплект демонстрационного оборудования по механике. СПКБ-1996, или иное, хорошо, чтобы была возможность измерять мгновенную скорость) или, на крайний случай, пользуемся анимацией явления (см. справа). Далее мы будем опираться на анимацию.
Разгоняйте машинку силой F (кнопка "Пуск"). Наблюдайте, что происходит со скоростью, если менять силу, если менять массу? Подтверждаются ли выдвинутые учениками гипотезы?
Трудно будет сказать. Мы не договорились о том, что мы понимаем под словом скорость. Неосознанно часть учеников будет думать о средней скорости на некотором участке пути, другие, не замечая неравномерности движения, будут думать о скорости равномерного движения, третьи - не о самой скорости, а о том, как быстро меняется скорость, четвертые - о мгновенной скорости. Причем будет неясно мгновенная на начальном участке пути, или в конце, или в каждой точке.
Договоримся, будем судить о мгновенной скорости в данный момент времени (например, через 5 с от начала движения).
1. "Чем больше сила, тем больше скорость" (?).
а)
Движком "Масса" установите массу 1 кг, а движком "Сила" выберите силу 10 Н. Запустите движение машинки кнопкой "Пуск!". Кликните кнопку "Стоп!", когда таймер в окне анимации покажет 5 с. Заметьте показания спидометра.
б) Уменьшим силу до 5 Н. Кликните "Пуск!", а через 5 с кликните "Стоп!". Каковы теперь показания спидометра? Сделайте вывод, подтверждается ли наше предположение.
2. "Чем больше масса, тем меньше скорость" (?).
а) Повторите опыт 1а (масса 1 кг, сила 10 Н). Заметье показания спидометра после нажатия на "Стоп!" через 5 с от начала движения.
б) Установите массу 5 кг, оставив силу прежней. Запустите движение машинки и через 5 с заметьте показания спидометра. Сделайте вывод, подтверждается ли наше предположение.
3. Сила трения и сопротивления воздуха, а также скатывающая сила при наклоне дороги в нашем примере входит в условное понятие действующей силы F, и поэтомунам рассматривать этот пункт отдельно не стоит.
4) Зададимся вопросом, а достаточно ли полно мы рассмотрели вопросы пп. 1 и 2? Ой, ли!
Например, а что если взять не 5 с, а 10? Повторите опыт 1, заметьте скорость через 5 с. А потом кликните "Стоп!" не через 5, а через 10 с. Та же скорость получилась? Нет? Сделайте выводы.
Современная физика стремится все записывать в свернутом виде. Можно ли утверждать, что v = Ft/m, то есть скорость прямо зависит от силы и времени движения и обратно от массы тела?
5) Еще пример, а что, если
взять другие 5 с, не от начала движения? Задайте силу -10 Н, а через 5 с измените, не останавливая эксперимент, поменяйте ее на +10 Н. Нажмите "Стоп!", когда таймер покажет 10 с. Вот это да! 0 м/с! Как это понять? Это не сходится с нашей формулой никак! На двигавшуюся машинку подействовала положительная сила в течение все тех же 5 с, а ее скорость не увеличивалась, а уменьшалась. Пока начальная скорость машинки была равна нулю, все было гладко, да сладко. Но теперь все не так... Как быть? Ваши предложения! Как надо переделать формулу, чтобы она давала
всегда правильный результат? (Любые предложения учеников принимаем и проверяем их на модели или лучше в реальном эксперименте в самых невероятных ситуациях. Деление ситуаций на "положительные" и "отрицательные" не принимаются. Формула должна быть
единой для любых ситуаций! Бритва Окамма!)
Перебирая ситуации, так или иначе учеников надо подвести к формулированию следующей зависимости:
vx = v0x + Fxt/m. Переход от величин к проекциям векторов позволяет автоматически учитывать знаки величин и то, что вектора, важные в процессе движения, вовсе не обязаны всегда лежать вдоль одной прямой. Для ясности можно предложить силу, действующую перпендикулярно скорости тела. Ее проекция на направление движения будет равна нулю, и влияния на скорость тела такая сила иметь не будет (проекция равна нулю).
Все случаи движения в одной формуле!
6) Тот факт, что скорость тела зависит от начальной скорости v
0 говорит нам о том, что на скорость тела влияет
предыстория движения. Таким образом утверждения типа "скорость зависит от массы" или "чем больше сила, действующая на тело, тем больше его скорость" являются верными далеко не во всех ситуациях!
7) Обратим внимание учеников на величину a
→= F/m.
→ По смыслу формулы скорости это есть
добавка к скорости за каждую единицу времени, вызванная действием силы: a
→= Δv/t.
→ Или a
→ = (v
→- v
0→)/t (если F/m
→= const).
8). Задание ученикам: Выведите наименование ускорения и укажите физический смысл этого наименования (Что означает: ускорение тела равно 5 м/с
2?).
Мы дали ученикам понятие ускорения, как такой величины, на которую увеличивается скорость тела каждую секунду вследствие действия силы (или уменьшается, если проекция силы на направление движения отрицательна). Скорость и сила прямо не связаны между собой!
Сила не является причиной скорости, а является причиной изменения этой скорости. Это не одно и то же.
В отличие от традиционного (в целом формального) введения понятия ускорения в кинематике мы связали причину и следствие. В этом смысле ускорение не самостоятельная (не независимая, бог знает, откуда берущаяся величина), а
связующая между силой - причиной и следствием - изменением скорости в ту или иную сторону. Нам представляется это существенным при изучении механики. Тот факт, что о причинах движения мы как бы говорим в динамике, никак не находит связи в головах учеников с тем, что они изучали в кинематике - слишком велик временной интервал между изучением кинематики и динамики. Да и упоминание вскользь о причинах движения не столь акцентировано на главном, как это мы постарались сделать в нашем уроке. Это если говорить о понимании природы, а не только начитывать материал.