Сила как характеристика взаимодействия тел: упругость, тяготение и трение
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока объяснить действие сил упругости, тяжести и трения, применять закон Гука $F_{упр}=kx$, определять равнодействующую сонаправленных и противоположно направленных сил и приводить примеры полезного и вредного трения.
- Сформировать представление о силе как физической характеристике взаимодействия тел, её направлении, точке приложения и единице измерения.
- Научить исследовательским способом устанавливать зависимость силы упругости от удлинения пружины и формулировать закон Гука.
- Развивать умение выдвигать гипотезы, планировать опыт, фиксировать результаты в таблице, строить выводы и аргументировать ответ.
- Воспитывать ответственное отношение к безопасной работе с оборудованием и понимание роли трения и тяготения в природе, технике и повседневной жизни.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к исследованию механических явлений.
- Осознают значение физики для объяснения движения, работы механизмов и безопасного поведения.
- Оценивают собственный вклад в парную и групповую исследовательскую работу.
- Понимают необходимость аккуратности, соблюдения инструкции и честной фиксации результатов опыта.
Метапредметные
- Формулируют учебную проблему и цель исследования на основе наблюдаемого явления.
- Извлекают сведения о силах из текста учебника, схемы, опыта и таблицы измерений.
- Сравнивают силы по направлению и модулю, устанавливают причинно-следственные связи.
- Сотрудничают в группе, распределяют роли, представляют результат и аргументируют вывод.
- Осуществляют самоконтроль по критериям и корректируют решение после проверки.
Предметные
- Знать, что сила является мерой взаимодействия тел, имеет модуль, направление и точку приложения и измеряется в ньютонах.
- Уметь изображать силы стрелками и находить равнодействующую сонаправленных и противоположно направленных сил.
- Знать формулу закона Гука $F_{упр}=kx$ и уметь вычислять силу упругости по жёсткости пружины и её удлинению.
- Объяснять явление тяготения, силу тяжести, зависимость силы тяжести от ускорения свободного падения и различия на планетах.
- Различать трение покоя и трение скольжения, объяснять полезное и вредное действие трения.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осознают личную ответственность за соблюдение правил работы с динамометром и пружиной.
- Проявляют готовность проверять собственную гипотезу экспериментом.
- Связывают изучение сил с профессиями инженера, конструктора, механика и техника.
- Формируют отношение к научному знанию как к результату наблюдения и доказательства.
Регулятивные УУД
- Принимают и уточняют цель исследования зависимости силы упругости от удлинения.
- Планируют последовательность измерений и распределяют время работы.
- Сверяют результаты с формулой и эталоном, находят причину расхождения.
- Оценивают достижение цели по листу самооценки и формулируют следующий шаг.
Познавательные УУД
- Выделяют признаки силы по наблюдению за взаимодействием тел.
- Строят простую модель сил с помощью стрелок и схем.
- Сравнивают данные опыта, выявляют пропорциональную зависимость.
- Применяют формулы $F_{упр}=kx$, $F_{тяж}=mg$ и правила сложения сил.
- Работают с текстом учебника, таблицей значений ускорения свободного падения и реальным контекстом.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли экспериментатора, измерителя, записывающего и докладчика.
- Задают уточняющие вопросы о направлении и результате действия силы.
- Аргументируют выводы данными измерений, а не только предположением.
- Согласуют общий ответ группы и корректно обсуждают различия результатов.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую группу по пружине, штативу, набору грузов, динамометру, линейке и карточке исследовательского задания; проверить исправность оборудования.
- Распечатать инструкцию по исследованию закона Гука и таблицу измерений — по одной на группу; подготовить лист самооценки — каждому ученику.
- Подготовить карточки с изображениями сил: растянутая пружина, падающий мяч, автомобиль на дороге, санки, велосипедный тормоз.
- Вывести на доску тему, единицу силы, формулы $F_{упр}=kx$ и $F_{тяж}=mg$, а также схему сложения сил.
- Подготовить таблицу ускорения свободного падения: Земля — примерно $9{,}8$ Н/кг, Луна — $1{,}6$ Н/кг, Марс — $3{,}7$ Н/кг.
- Раздать каждой паре карточку с задачей на равнодействующую и каждой группе карточку с ситуацией о трении в технике.
- Подготовить проектор или интерактивную доску для демонстрации растяжения пружины и фотографий применения трения.
- Организовать безопасное размещение грузов, проверить устойчивость штативов и обозначить правило: не перегружать пружину.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и вызвать интерес к проблеме действия сил.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране три короткие ситуации: растянутая пружина, падающий предмет и автомобиль, который тормозит. "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем не просто вспоминать определения, а проверять физические предположения опытом. Посмотрите на изображения: что общего у этих явлений? Назовите не предмет, а причину изменения движения или формы тела." | Рассматривают изображения, выдвигают гипотезы: "Во всех случаях тела взаимодействуют", "На тела действуют силы". |
2 мин | Учитель объявляет приём "Проблемный вопрос": "Можно ли по одному наблюдению определить силу? Как сравнить действие пружины, Земли и поверхности дороги? В конце урока мы должны ответить, что такое сила и как её находить." Учитель предлагает выбрать роль в группе: экспериментатор, измеритель, секретарь или докладчик. | Выбирают роли, формулируют предварительный ответ: "Силу можно сравнивать по изменению движения или деформации", записывают проблемный вопрос. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели разные проявления взаимодействия. Теперь восстановим опорные знания, которые помогут нам описать силу не словами, а величинами и стрелками."
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о взаимодействии, движении, деформации, массе и единицах измерения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Вспомните, что происходит с телом, если на него действует другое тело. Почему мяч меняет скорость, а пружина изменяет форму? Сначала запишите ответ самостоятельно, затем обсудите его с соседом." | Записывают по одному объяснению, обсуждают в парах, предлагают ответы: "Изменяется скорость", "Возникает деформация", "Тела взаимодействуют". |
3 мин | Учитель показывает динамометр и спрашивает: "Какая физическая величина измеряется этим прибором? В каких единицах? Что означает стрелка на рисунке силы? Как связаны масса и сила тяжести?" На доске фиксирует слова: взаимодействие, сила, масса, деформация. | Отвечают: "Динамометр измеряет силу", "Единица — ньютон", "Стрелка показывает направление", "$F_{тяж}=mg$"; дополняют кластер на доске. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что взаимодействие может изменить движение или форму тела, а силу можно измерить. Но пока неизвестно, как сила связана с удлинением пружины и как складываются несколько сил. Это и станет задачей исследования."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать гипотезы и план исследования силы упругости, равнодействующей и трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует пружину без груза и с одним грузом. "Рассмотрите пружину. Если добавить второй груз, как изменится удлинение? Увеличится ли сила упругости? Сформулируйте гипотезу в форме: если ..., то ... ." Учитель записывает гипотезы групп на доске. | Предполагают: "Если нагрузка увеличится в два раза, удлинение примерно увеличится в два раза", "Сила упругости направлена противоположно деформации". |
2 мин | Учитель показывает две стрелки сил: 5 Н вправо и 3 Н влево. "Как определить действие двух сил одной силой? А почему шкаф не начинает двигаться сразу, когда мы слегка толкаем его? Запишите план: измерить, сравнить, вывести правило, применить к ситуациям." | Предлагают понятия "равнодействующая" и "трение покоя", формулируют цель: "Установить зависимость силы упругости от удлинения и научиться находить результат действия сил". |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Гипотезы сформулированы, план выбран. Сейчас группы проверят первую гипотезу экспериментом, а затем сопоставят результат с текстом учебника и физической моделью."
Этап 4. Открытие нового знания: исследование закона Гука (10 мин)
Цель этапа: экспериментально установить зависимость силы упругости от удлинения и сформулировать закон Гука.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт оборудование и инструкцию. "Проверьте устойчивость штатива. Измерьте длину пружины без груза, затем подвешивайте по одному грузу. Каждый раз записывайте длину, удлинение и показание динамометра. Не растягивайте пружину сверх инструкции. Секретарь заносит данные в таблицу, докладчик готовит вывод." | Распределяют роли, измеряют начальную длину пружины, проверяют нулевую отметку приборов. |
5 мин | Учитель сопровождает исследование вопросами: "Что в опыте является независимой величиной? Что измеряем в ответ? Почему нужно каждый раз отсчитывать длину от первоначального положения? Сравните, во сколько раз изменились нагрузка и удлинение." | Проводят 3–4 измерения, вычисляют $x=l-l_0$, записывают результаты, сравнивают отношение силы к удлинению. |
3 мин | Учитель просит группы представить вывод и показывает на доске обобщённую запись: "Для малых деформаций сила упругости прямо пропорциональна удлинению: $F_{упр}=kx$. Коэффициент $k$ называют жёсткостью пружины, его единица — Н/м. Сила упругости направлена противоположно деформации." | Докладывают вывод: "При увеличении удлинения сила упругости увеличивается пропорционально"; записывают формулу, обозначения и единицу жёсткости. |
Запись в тетрадях
Сила упругости возникает при деформации и направлена противоположно смещению частей тела. Закон Гука: $F_{упр}=kx$, где $k$ — жёсткость пружины, $x$ — удлинение или сжатие.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Опыт подтвердил нашу гипотезу: при увеличении деформации сила упругости возрастает. Теперь распространим идею силы на тяготение, сложение сил и трение, чтобы увидеть общую картину взаимодействий."
Этап 5. Систематизация: тяготение, равнодействующая и трение (8 мин)
Цель этапа: связать новые понятия в единую систему и научиться объяснять реальные ситуации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует работу в группах по карточкам. "Группа первая изучает таблицу ускорения свободного падения, группа вторая определяет равнодействующую, группа третья анализирует трение, группа четвёртая объясняет силу упругости. Прочитайте фрагмент учебника, выделите ключевую формулу и подготовьте вывод из двух предложений." | Изучают свой фрагмент, выделяют определения и формулы, готовят краткое сообщение. |
3 мин | Учитель предлагает группам задачи: "На тело действуют силы 7 Н вправо и 2 Н влево. Найдите равнодействующую. Почему книга покоится на столе? Почему при ходьбе обувь не проскальзывает? Как изменится вес одного и того же тела на Луне?" | Решают и объясняют: $R=7-2=5$ Н вправо; книга удерживается взаимодействием со столом; трение покоя препятствует скольжению; на Луне сила тяжести примерно в 6 раз меньше земной. |
2 мин | Учитель обобщает на доске: "Сила тяжести возникает из-за тяготения и определяется формулой $F_{тяж}=mg$. При движении по поверхности действует трение скольжения, а до начала движения — трение покоя. Трение может быть полезным и вредным." | Дополняют схему: тяготение — сила тяжести; силы в одну сторону складываются, в противоположные вычитаются; приводят по одному примеру полезного и вредного трения. |
Эталон решения
Для сил 7 Н вправо и 2 Н влево направления противоположны, поэтому $R=F_1-F_2=7-2=5$ Н. Направление равнодействующей совпадает с направлением большей силы — вправо. Для тела массой $2$ кг на Земле $F_{тяж}=mg=2\cdot9{,}8=19{,}6$ Н, а на Луне $F_{тяж}=2\cdot1{,}6=3{,}2$ Н.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы связали три группы явлений: тяготение создаёт силу тяжести, деформация — силу упругости, соприкосновение поверхностей — силу трения. Проверим теперь, умеете ли вы самостоятельно выбирать нужную модель и формулу."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное применение формул, правил сложения сил и различения видов трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней. "Выберите уровень по своей готовности: обязательный, повышающий или дополнительный. Работайте самостоятельно, записывайте формулу, подстановку и единицу измерения. После сигнала сверяйтесь с эталоном на доске, но сначала закройте соседнюю тетрадь." | Выбирают уровень, записывают фамилию и начинают индивидуальную работу. |
5 мин | Учитель предлагает задания. Базовый: "Пружина жёсткостью 200 Н/м растянулась на 0,03 м. Найдите силу упругости. Тело массой 3 кг находится на Земле. Найдите силу тяжести." Повышающий: "На тело действуют силы 12 Н вправо и 5 Н влево. Найдите равнодействующую и изобразите её." Дополнительный: "Объясните, почему подошва обуви имеет рельеф, а в механизмах используют смазку." | Решают: $F_{упр}=200\cdot0{,}03=6$ Н; $F_{тяж}=3\cdot9{,}8=29{,}4$ Н; $R=12-5=7$ Н вправо. Формулируют объяснение о полезном и вредном трении. |
3 мин | Учитель открывает эталон и проводит приём "Светофор": "Проверьте не только число, но и направление силы, единицу измерения и запись формулы. Поднимите зелёную карточку, если всё совпало, жёлтую — если есть одна ошибка, красную — если нужен разбор." | Сверяют решения, отмечают ошибки, исправляют их другим цветом, показывают карточку самооценки. |
Эталон решения
$F_{упр}=kx=200\cdot0{,}03=6$ Н. $F_{тяж}=mg=3\cdot9{,}8=29{,}4$ Н. При противоположных направлениях $R=F_1-F_2=12-5=7$ Н, направление — вправо, поскольку сила 12 Н больше силы 5 Н.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что формула сама по себе не решает задачу: нужно определить вид взаимодействия, направление силы и единицы измерения. Осталось оценить, какой вывод вы уносите с урока и что требует повторения."
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (6 мин)
Цель этапа: обобщить изученное, выявить затруднения и определить содержание домашней работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт стикеры и предлагает приём "Билет на выход": "Ответьте письменно на три вопроса: какую формулу вы сегодня вывели опытом; чем трение покоя отличается от трения скольжения; как изменится сила тяжести на Луне? Одним предложением укажите, где в быту вы используете трение." | Пишут ответы: "$F_{упр}=kx$"; "трение покоя не даёт начаться скольжению"; "на Луне сила тяжести меньше"; приводят пример ходьбы, торможения или крепления деталей. |
3 мин | Учитель подводит итог и объясняет уровни домашней работы: "Выберите обязательный уровень, а затем по желанию добавьте повышающий или дополнительный. Важно не переписать решение, а объяснить, какая сила действует и почему. На следующем уроке начнём с разбора типичных ошибок." | Записывают домашнее задание, отмечают в листе самооценки: "Я могу объяснить...", "Мне нужно повторить...", прикрепляют билет на выход к доске или сдают учителю. |
Критерии оценивания практической работы
- "5" — исследование выполнено полностью, не менее трёх измерений занесены в таблицу без пропусков, корректно вычислены удлинения, сформулирован закон Гука; самостоятельная работа выполнена без существенных ошибок.
- "4" — опыт проведён и вывод сформулирован, но допущена одна неточность в измерениях, вычислениях или обозначениях; правильно решены не менее двух заданий самостоятельной работы.
- "3" — получены основные измерения с помощью учителя, распознаны виды сил, но допущены ошибки в формуле, направлении равнодействующей или единицах; правильно выполнено хотя бы одно базовое задание.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какую зависимость между силой упругости и удлинением показал опыт? | Проверка осознания содержания закона Гука и связи формулы с экспериментом. |
Как определить направление равнодействующей двух противоположных сил? | Выявление понимания правила сложения сил и типичных ошибок в направлении. |
Чем трение покоя отличается от трения скольжения? | Диагностика различения условий возникновения двух видов трения. |
Что оказалось самым трудным и какую помощь вы выберете для повторения? | Фиксация субъективной оценки, развитие самоанализа и планирования коррекции. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы исследовали силу не как отвлечённое слово, а как измеримую характеристику взаимодействия тел. Мы установили закон Гука, научились находить силу тяжести и равнодействующую, а также увидели, что трение может одновременно помогать и мешать. Обратите внимание на типичную ошибку: при противоположных силах нужно не складывать модули автоматически, а учитывать их направления. На следующем уроке мы продолжим решать задачи на силы и рассмотрим условия равновесия тел."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи: две на закон Гука и силу тяжести, одну на равнодействующую противоположно направленных сил и одну на различение трения покоя и трения скольжения по описанию ситуации. В каждой задаче записать дано, формулу, вычисления и единицу измерения. | Закрепляет базовые формулы и алгоритм выбора физической модели; при проверке обратить внимание на направление сил и единицы измерения. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи с реальным контекстом: сравнить силу тяжести одного тела на Земле и Марсе, определить равнодействующую при трёх силах на одной прямой, объяснить изменение силы трения при торможении велосипеда. | Развивает применение знаний в новой ситуации и умение аргументировать ответ схемой и вычислениями. |
Продвинутый (дополнительный) | Провести мини-исследование: выбрать два бытовых примера полезного и вредного трения или деформации, описать взаимодействующие тела, направление сил и предложить способ увеличить или уменьшить действие силы. Объём — одна страница со схемой. | Формирует исследовательское и инженерное мышление; при проверке оценить корректность модели, причинное объяснение и связь с опытом урока. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что называют силой? В чём измеряют силу? Как записывается закон Гука? Почему сила тяжести на Луне меньше, чем на Земле? Когда силы складываются, а когда вычитаются? Какой вид трения помогает нам ходить?»
