Сила упругости, закон Гука и сила трения
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся смогут объяснить происхождение силы упругости и силы трения, записать закон Гука и формулы силы трения, различать трение покоя, скольжения и качения, а также решить не менее трёх качественных и расчётных задач с обоснованием выбора формулы.
- Сформировать представление о деформации тела, силе упругости и границах применимости закона Гука.
- Научить применять формулу Fупр = kΔx и формулу Fтр = μN в типовых и практико-ориентированных ситуациях.
- Организовать исследовательскую работу в парах и группах по выявлению зависимости силы упругости от удлинения и зависимости силы трения от силы нормальной реакции.
- Развивать умение анализировать экспериментальные данные, сравнивать модели и оценивать достоверность полученного вывода.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение физических моделей силы упругости и трения для объяснения работы механизмов, транспорта и бытовых устройств.
- Проявляют познавательный интерес к экспериментальной проверке физических закономерностей.
- Понимают ценность точности измерений, соблюдения техники безопасности и ответственного распределения ролей в группе.
- Оценивают собственную готовность применять физические знания при дальнейшем обучении и решении практических задач.
Метапредметные
- Извлекают информацию из экспериментальной таблицы, выделяют зависимые и независимые величины.
- Строят объяснение на основе наблюдений, формул и графического представления зависимости.
- Планируют последовательность измерений, фиксируют результаты и корректируют действия при обнаружении ошибки.
- Аргументированно обсуждают гипотезы в парах и группах, используют физические термины в устной и письменной речи.
- Сопоставляют идеализированную модель с реальной ситуацией и формулируют область применимости закона.
Предметные
- Знать понятия деформации, силы упругости, жёсткости пружины, веса тела, силы нормальной реакции и силы трения.
- Уметь записывать закон Гука Fупр = kΔx и вычислять удлинение, жёсткость или силу упругости.
- Уметь различать вес тела и силу тяжести, определять направление этих сил в простых ситуациях.
- Знать виды трения: покоя, скольжения и качения; уметь приводить примеры каждого вида.
- Уметь применять формулу Fтр = μN для горизонтальной поверхности и объяснять зависимость силы трения от условий взаимодействия.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный вклад в групповое исследование и оценивают качество собственной работы.
- Осознают связь точности физического эксперимента с безопасностью конструкций и транспорта.
- Формируют ответственное отношение к соблюдению правил работы с оборудованием.
- Выбирают уровень задания с учётом собственных возможностей и готовности к усложнению.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования и планируют порядок измерений.
- Сверяют промежуточный результат с физической моделью и выявляют возможные источники погрешности.
- Осуществляют самопроверку размерностей, знаков и направлений сил.
- Корректируют решение после обсуждения с партнёром и оценивают достижение цели урока.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки силы упругости и силы трения.
- Устанавливают причинно-следственные связи между деформацией и силой упругости.
- Строят и интерпретируют график зависимости силы упругости от удлинения.
- Сравнивают трение покоя, скольжения и качения по условиям возникновения и проявлениям.
- Применяют математическую модель к новой практической ситуации.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в группе: экспериментатор, измеритель, секретарь и докладчик.
- Формулируют уточняющие вопросы к партнёру и проверяют совместный расчёт.
- Представляют вывод группы с опорой на таблицу и график.
- Аргументированно принимают или отклоняют гипотезу, уважительно учитывая иные мнения.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую группу динамометр, штатив, набор грузов, пружину, линейку, брусок с крючком и горизонтальную поверхность.
- Подготовить для групп карточки трёх уровней сложности: базовые определения и формулы, расчётные задачи, исследовательские задачи с анализом ограничений модели.
- Распечатать бланки исследования по одному на группу: таблица «масса — сила — удлинение», место для графика и вывода.
- Подготовить карточки для парной работы с изображениями растянутой пружины, лежащего тела, движущегося бруска и колеса.
- Вывести на доску или слайд тему урока, проблемный вопрос, формулы Fупр = kΔx, Fтр = μN и памятку по направлениям сил.
- Подготовить таблицу для сравнения силы тяжести, веса, силы упругости и силы трения.
- Раздать каждой группе инструкцию по технике безопасности: не перегружать пружину, не направлять её к лицу, аккуратно закреплять грузы.
- Подготовить таймер, маркеры, стикеры трёх цветов и листы для групповых выводов.
- Методические ресурсы: демонстрационные фотографии и короткие видеосюжеты о работе амортизатора и тормозной системы, интерактивная доска или проектор, виртуальная модель пружины и графика зависимости силы от удлинения.
- Заранее проверить исправность динамометров, соответствие диапазона измерений массе грузов и наличие единиц измерения на шкалах.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и обозначить практическую значимость темы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране изображение автомобиля с амортизатором и велосипедного тормоза: "Ребята, сегодня мы будем рассматривать силы, которые ежедневно удерживают нас на дороге, защищают конструкции от разрушения и позволяют управлять движением. Посмотрите на изображения и назовите физические явления, которые здесь работают. Не стремитесь сразу дать полный ответ: сначала выдвиньте гипотезы." | Рассматривают изображения, индивидуально формулируют предположения и называют: "деформация пружины", "трение", "сцепление колеса с дорогой". |
2 мин | Учитель формулирует проблемный вопрос: "Почему растянутая пружина стремится вернуться к исходной длине, а автомобиль не начинает самопроизвольно скользить по горизонтальной дороге? Какие величины позволяют рассчитать эти силы? Запишите тему урока и отметьте в тетради, на какой вопрос вы хотели бы получить ответ." | Записывают тему, формулируют вопросы: "От чего зависит сила упругости?", "Почему трение бывает разным?", "Как найти силу трения?". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что упругость и трение связаны с реальными механизмами и безопасностью движения. Теперь восстановим знания, без которых невозможно построить новую модель сил."
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднений (6 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия силы, массы, ускорения, силы тяжести и второго закона Ньютона.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Сначала за 30 секунд самостоятельно ответьте, какие силы действуют на книгу, лежащую на столе, и на брусок, который тянут по столу. Затем обсудите ответ в паре и договоритесь, какие силы нужно изобразить стрелками. После этого две пары представят свои схемы." | Рисуют схемы сил для книги и бруска, сравнивают их с партнёром, объясняют: "На книгу действуют сила тяжести и реакция опоры; на брусок дополнительно действуют сила тяги и сила трения". |
3 мин | Учитель показывает на доске утверждения и просит отметить верные или неверные: "Сила тяжести всегда равна весу тела. Сила трения направлена всегда противоположно скорости. Сила реакции опоры на горизонтальной поверхности при отсутствии вертикального ускорения равна mg. Обоснуйте хотя бы одно решение." | Отмечают утверждения знаками «+» и «−», обсуждают: "Сила тяжести и вес не всегда равны по природе и точке приложения"; "трение покоя может быть направлено не строго противоположно скорости, потому что скорости нет". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, как изображать силы и применять второй закон Ньютона, но пока не умеем количественно описывать упругость и трение. Это и есть наше сегодняшнее затруднение."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и спланировать исследование новых зависимостей.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует пружину без груза и с одним грузом: "Изменение длины пружины заметно, но одной фотографии недостаточно, чтобы установить закон. Какие величины мы можем измерить? Какая из них будет причиной изменения, а какая — следствием? Сформулируйте гипотезу о зависимости силы упругости от удлинения." | Называют измеряемые величины: силу и удлинение; формулируют гипотезу: "При увеличении удлинения сила упругости возрастает, возможно, прямо пропорционально". |
2 мин | Учитель организует приём "Снежный ком": "Сначала каждый запишите один шаг исследования. Затем объединитесь в пары и выберите общий вариант, после чего две пары объединятся в группу и составят план из трёх-четырёх действий. В план обязательно включите измерение, таблицу и вывод." | Составляют план: закрепить пружину, последовательно подвешивать грузы, измерять удлинение и силу, записывать данные, строить график и делать вывод. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Цель определена: экспериментально установить зависимости, записать физические законы и научиться использовать их в задачах. Переходим к открытию нового знания через исследование."
Этап 4. Открытие нового знания. Групповое исследование (11 мин)
Цель этапа: экспериментально установить закон Гука и выявить особенности различных видов трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
6 мин | Учитель раздаёт оборудование и бланки: "Работаем в группах по четыре человека. Экспериментатор подвешивает грузы, измеритель считывает силу по динамометру, секретарь заполняет таблицу, докладчик готовит вывод. Не перегружайте пружину и записывайте единицы измерения. Измерьте силу и удлинение минимум для четырёх состояний. Затем нанесите точки на график Fупр(Δx)." | Распределяют роли, измеряют силу и удлинение для четырёх значений нагрузки, записывают данные в таблицу, строят график и замечают приблизительную прямую пропорциональность. |
3 мин | Учитель направляет анализ: "Сравните отношение Fупр/Δx для разных измерений. Что показывает этот коэффициент? Как по графику определить жёсткость пружины? Обратите внимание: закон работает только в пределах упругой деформации. Что произойдёт при слишком большой нагрузке?" | Вычисляют отношения Fупр/Δx, формулируют: "Коэффициент — жёсткость пружины k, единица измерения Н/м"; делают вывод о нарушении закона при остаточной деформации. |
2 мин | Учитель предлагает карточку с тремя ситуациями: "Человек стоит на полу; брусок движется по столу; велосипедное колесо катится без проскальзывания. Назовите вид трения и направление силы. Почему сила трения покоя может изменяться?" | В парах классифицируют ситуации: "трение покоя", "трение скольжения", "трение качения"; объясняют, что сила трения покоя принимает необходимое значение до максимального, препятствуя началу скольжения. |
Запись в тетрадях
Ученики записывают: «Закон Гука: Fупр = kΔx, где k — жёсткость пружины, Δx — модуль удлинения или сжатия. Сила упругости направлена противоположно деформации. Для горизонтальной поверхности при движении тела: Fтр = μN. На горизонтальной поверхности без вертикального ускорения N = mg. Трение бывает покоя, скольжения и качения».
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Эксперимент показал прямую зависимость силы упругости от деформации, а анализ ситуаций позволил различить виды трения. Теперь проверим, умеем ли мы применять эти модели к конкретным задачам."
Этап 5. Первичное закрепление и разбор задач (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритмы расчёта силы упругости, веса и силы трения через парную работу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт парам карточки базового и повышенного уровня: "Решите задачу базового уровня, а затем выберите повышенную. Задача 1: пружина жёсткостью 200 Н/м растянута на 3 см. Найдите модуль силы упругости. Задача 2: брусок массой 4 кг движется по горизонтальной поверхности, коэффициент трения скольжения равен 0,2. Найдите силу трения, считая g = 10 Н/кг. Обязательно запишите формулу, перевод единиц и ответ." | В парах переводят 3 см в 0,03 м, вычисляют Fупр = 200 · 0,03 = 6 Н; для второй задачи находят N = mg = 40 Н и Fтр = 0,2 · 40 = 8 Н. Сверяют решение с партнёром. |
3 мин | Учитель разбирает типичные ошибки: "Почему в первой задаче нельзя подставлять 3 вместо 0,03? Почему во второй задаче мы использовали N = mg? Теперь рассмотрим тело, подвешенное к пружине и находящееся в покое. Какие силы уравновешены и чему равна сила упругости?" | Отвечают: "Удлинение должно быть в метрах"; "на горизонтальной поверхности без вертикального ускорения N = mg"; записывают для покоящегося груза Fупр = mg и объясняют равновесие сил. |
Эталон решения
Задача 1: Δx = 3 см = 0,03 м. Fупр = kΔx = 200 Н/м · 0,03 м = 6 Н. Задача 2: N = mg = 4 кг · 10 Н/кг = 40 Н. Fтр = μN = 0,2 · 40 Н = 8 Н. В обоих случаях сначала выбирается модель, затем записывается формула и выполняется проверка единиц измерения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы применили формулы в типовых ситуациях и увидели, что правильный ответ начинается не с подстановки чисел, а с анализа условий и выбора модели. Теперь каждый самостоятельно проверит, насколько уверенно владеет алгоритмом."
Этап 6. Самостоятельная работа с дифференциацией (9 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание нового материала и обеспечить выбор уровня сложности.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель объясняет выбор: "Каждый выполняет обязательное задание базового уровня. Затем по готовности переходите к среднему или продвинутому уровню. Базовый уровень проверяет формулы, средний требует анализа ситуации, продвинутый — объяснения границ модели. Работайте самостоятельно, но после завершения можно свериться с эталоном на экране." | Выбирают карточку и записывают номер уровня в тетради. |
4 мин | Учитель предлагает задания. Базовый уровень: "Определите силу упругости пружины жёсткостью 150 Н/м при удлинении 4 см". Средний уровень: "Груз массой 2 кг тянут по горизонтальной поверхности с коэффициентом трения 0,3. Найдите силу трения и силу, которую нужно приложить для равномерного движения". Продвинутый уровень: "Объясните, почему формулу Fтр = μN нельзя безоговорочно использовать для силы трения покоя, и приведите пример из быта." | Решают индивидуально: базовый ответ 6 Н; средний N = 20 Н, Fтр = 6 Н, при равномерном движении сила тяги равна 6 Н; продвинутый уровень формулируют через условие Fтр ≤ Fтр max и пример удержания книги на наклонной поверхности. |
3 мин | Учитель показывает краткий эталон и проводит самопроверку: "Проверьте три позиции: единицы измерения, выбор направления сил, соответствие ответа условию. Ошибку не стирайте: подчеркните место затруднения и рядом запишите, какое правило нужно повторить." | Сверяют решение, отмечают ошибки цветом, исправляют расчёты и заполняют мини-чек-лист: «Я умею выбрать формулу», «Я умею определить N», «Я могу объяснить вид трения». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, какие действия уже стали уверенными, а какие требуют повторения. В заключение соберём отдельные факты в единую систему и вернёмся к проблемному вопросу урока."
Этап 7. Систематизация, рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: обобщить изученное, оценить достижение цели и определить содержание домашней работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём "Чистая доска": "На доске остаются четыре опорных слова: деформация, вес, упругость, трение. В парах за одну минуту восстановите связи между ними и сформулируйте по одному предложению с каждым словом. Затем ответьте на исходный вопрос: почему пружина возвращается, а автомобиль не скользит самопроизвольно?" | Составляют связное объяснение: "Деформация вызывает силу упругости; вес связан с действием тела на опору или подвес; трение препятствует относительному движению и зависит от нормальной реакции и коэффициента трения". |
2 мин | Учитель проводит рефлексию "Светофор": "Покажите зелёную карточку, если уверенно применяете закон Гука и формулу трения, жёлтую — если нужна тренировка, красную — если осталось принципиальное затруднение. На стикере допишите один вопрос, который необходимо разобрать на следующем уроке." | Показывают карточку, формулируют индивидуальный вопрос, отмечают наиболее трудный этап: перевод единиц, выбор силы реакции опоры, различение веса и силы тяжести. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите обязательный уровень; при готовности выполните повышающий или дополнительный. В записи обязательно указывайте формулу, единицы и краткое объяснение физической ситуации." | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы, сдают стикеры для обратной связи. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы не просто запомнили формулы, а проверили их происхождение экспериментом и применили к разным ситуациям. Важно помнить: сила упругости связана с деформацией, а сила трения — с взаимодействием поверхностей и нормальной реакцией. На следующем уроке мы продолжим анализ движения с учётом этих сил."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — группа выполнила не менее четырёх измерений, аккуратно заполнила таблицу, построила корректный график, сформулировала вывод о прямой пропорциональности и правильно объяснила три вида трения; индивидуальная работа выполнена без существенных ошибок.
- «4» — измерения и основная формула определены верно, но допущена одна неточность в графике, единицах или объяснении вида трения; расчётная задача решена с одной исправленной ошибкой.
- «3» — выполнена часть измерений, таблица заполнена не полностью, но учащийся распознаёт закон Гука и может по образцу вычислить силу упругости или силу трения.
- Ниже базового уровня — не различены основные силы, отсутствует связь между формулой и физической ситуацией; требуется индивидуальная консультация и повторение алгоритма.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какую зависимость между силой упругости и удлинением показал ваш эксперимент? | Выявление понимания смысла закона Гука и умения опираться на данные. |
Чем сила трения покоя отличается от силы трения скольжения? | Проверка различения видов трения и условий их возникновения. |
На каком шаге решения задачи возникло наибольшее затруднение? | Выявление точек затруднения в выборе формулы, переводе единиц и определении реакции опоры. |
Какой уровень домашнего задания вы выбираете и почему? | Оценка самооценки, учебной самостоятельности и готовности к усложнению. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы установили, что сила упругости пропорциональна деформации в пределах упругости тела, а сила трения определяется условиями контакта и нормальной реакцией. Мы также увидели, почему нельзя автоматически отождествлять вес тела с силой тяжести и почему для разных видов трения требуются разные объяснения. Типичная ошибка — подставить сантиметры в формулу, рассчитанную в единицах СИ, или забыть определить силу реакции опоры. На следующем уроке мы применим эти модели к движению тела по горизонтальной и наклонной поверхности."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи на закон Гука, нахождение удлинения и силы упругости; решить 2 задачи на силу трения скольжения по горизонтальной поверхности. В каждой задаче записать «дано», формулу, перевод единиц и ответ. | Закрепляет базовый алгоритм и проверяет правильность использования Fупр = kΔx и Fтр = μN. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи, в которых требуется различить вес и силу тяжести, определить силу реакции опоры и выбрать вид трения в описанной ситуации; одну задачу оформить с рисунком сил. | Развивает анализ условия и умение строить модель взаимодействия тел; при проверке обратить внимание на направления сил. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование: выбрать бытовой или технический пример применения упругости либо трения, описать действующие силы, указать полезный и нежелательный эффект, а также предложить способ изменения силы трения или жёсткости конструкции. | Формирует функциональную грамотность, умение переносить модель на реальный объект и оценивать практическое значение физического закона. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Как записывается закон Гука? Что обозначает коэффициент k? В каком направлении действует сила упругости? Какие существуют виды трения? При каком условии на горизонтальной поверхности можно записать N = mg? Чем вес тела отличается от силы тяжести?»
