Потенциальная и кинетическая энергия
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока научиться различать потенциальную и кинетическую энергию, выбирать формулу для расчёта энергии тела и решать не менее двух практических задач с проверкой единиц измерения и оценкой правдоподобия ответа.
- Образовательная задача: сформулировать физический смысл потенциальной и кинетической энергии и записать формулы $E_p=mgh$ и $E_k=\frac{mv^2}{2}$.
- Развивающая задача: научиться анализировать условие задачи, выделять массу, высоту, скорость и выбирать соответствующую модель расчёта.
- Метапредметная задача: развивать умение работать с текстом учебника, таблицей величин, формулой и цифровой визуализацией физического явления.
- Воспитательная задача: показать связь физики с техникой, спортом, безопасностью и профессиональной деятельностью, снизить тревожность перед заданиями ОГЭ через пошаговый алгоритм решения.
Планируемые результаты
Личностные
- Ученик осознаёт практическую ценность закона сохранения энергии для объяснения движения транспорта, работы механизмов и спортивных действий.
- Ученик проявляет ответственное отношение к безопасности, понимая, что увеличение скорости и массы тела увеличивает его кинетическую энергию.
- Ученик принимает необходимость последовательной проверки решения вместо угадывания ответа.
- Ученик связывает изучение физики с возможными техническими и естественно-научными профессиями.
Метапредметные
- Ученик извлекает из текста задачи числовые данные и переводит их в систему СИ.
- Ученик сравнивает физические величины, устанавливает зависимость энергии от массы, высоты и скорости.
- Ученик применяет алгоритм решения задачи: данные — формула — подстановка — вычисление — единица — ответ.
- Ученик использует ЭОР и ИКТ для наблюдения модели движения и формулировки вывода.
- Ученик участвует в обсуждении, аргументирует выбор формулы и корректно оценивает решение одноклассника.
Предметные
- Ученик знает определения потенциальной и кинетической энергии и условия, от которых зависит каждая из них.
- Ученик умеет рассчитывать потенциальную энергию тела у поверхности Земли по формуле $E_p=mgh$.
- Ученик умеет рассчитывать кинетическую энергию движущегося тела по формуле $E_k=\frac{mv^2}{2$.
- Ученик умеет определять вид энергии в конкретной физической ситуации и объяснять превращение одного вида энергии в другой.
- Ученик умеет решать типовые расчётные задания, близкие к формату ОГЭ, с записью единиц измерения.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную учебную цель: научиться уверенно распознавать виды механической энергии.
- Осознают связь изучаемых формул с безопасностью движения и работой технических устройств.
- Преодолевают затруднение через обращение к алгоритму, а не через отказ от решения.
- Оценивают собственную готовность к решению аналогичного задания ОГЭ.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель урока после анализа проблемной ситуации.
- Планируют последовательность решения расчётной задачи.
- Сверяют полученный результат с эталоном и находят ошибку в единицах или вычислениях.
- Оценивают степень освоения материала с помощью самооценки и приёма «Светофор».
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки потенциальной и кинетической энергии.
- Устанавливают причинно-следственные связи между массой, высотой, скоростью и энергией.
- Моделируют превращение энергии при падении тела с высоты.
- Читают формулы как математические модели физического явления.
- Используют учебник, ЭОР и таблицу физических величин для поиска и проверки информации.
Коммуникативные УУД
- Формулируют ответ полным предложением и используют физические термины.
- Обсуждают в парах выбор формулы и объясняют ход решения.
- Задают уточняющие вопросы к условию задачи.
- Корректно проводят взаимопроверку по критериям и аргументируют найденную ошибку.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или интерактивную доску с изображениями поднятого мяча, движущегося автомобиля, падающего тела и горки.
- Открыть ЭОР с интерактивной моделью превращения потенциальной энергии в кинетическую; заранее проверить звук, изображение и работу симуляции.
- Подготовить карточки трёх уровней: распознавание вида энергии, прямой расчёт по формуле, задача с анализом превращения энергии.
- Распечатать по одной карточке базового уровня на каждого ученика, по одной повышенной карточке на пару и два комплекта задания для групп.
- Вывести на доску памятку: «Дано — СИ — формула — подстановка — вычисление — единица — ответ».
- Подготовить таблицу для заполнения: «Величина — обозначение — единица СИ — формула зависимости».
- Подготовить калькуляторы или разрешить использование встроенного калькулятора на планшете при самостоятельной работе.
- Подготовить стикеры зелёного, жёлтого и красного цвета для быстрой самооценки.
- Подобрать в учебнике фрагмент с определениями и формулами энергии для чтения с остановками; номера страниц заранее не фиксировать.
- Подготовить маркер, таймер и экран для демонстрации ЭОР.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учеников в учебную деятельность и показать практическую значимость темы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, наличие тетради, ручки и калькулятора. Сегодня мы будем не просто запоминать две формулы, а учиться видеть энергию в движении автомобиля, падении мяча и работе механизмов. В конце урока каждый сможет решить типовое задание, похожее на задание ОГЭ." | Проверяют готовность к уроку, записывают дату и тему. |
2 мин | Учитель показывает на экране два изображения: поднятый над полом мяч и движущийся велосипед: "Посмотрите на экран. Как вы думаете, какое тело способно совершить большую работу: неподвижный мяч на полке или быстро движущийся мяч? Что общего у этих ситуаций?" Учитель фиксирует версии, не объявляя правильный ответ. | Сравнивают ситуации, высказывают предположения: "У поднятого мяча энергия связана с высотой", "У движущегося — со скоростью". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что способность тела совершать работу может быть связана с его положением и движением. Сейчас выясним, как называются эти виды энергии и как их рассчитывать."
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о механической работе, массе, высоте, скорости и единицах СИ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "Вспомните, от каких величин зависит механическая работа. Сначала подумайте самостоятельно, затем обсудите ответ с соседом. Запишите две величины, которые обязательно должны быть указаны в задаче о движении тела." | Индивидуально записывают варианты, затем обсуждают в парах и предлагают ответы: "сила и перемещение", "масса, скорость, высота — если речь идёт об энергии". |
3 мин | Учитель показывает таблицу и задаёт вопросы: "Какова единица массы? Высоты? Скорости? Работы и энергии? Что произойдёт с работой постоянной силы, если перемещение увеличить в два раза?" Учитель напоминает: энергия и работа измеряются в джоулях. | Отвечают: "килограмм, метр, метр в секунду, джоуль"; формулируют: "при неизменной силе работа увеличится в два раза"; исправляют записи в тетради. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили величины и единицы, которые понадобятся для расчётов. Но пока мы не можем объяснить, почему неподвижное тело тоже способно совершить работу. Это и есть наше затруднение."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему и совместно определить план открытия нового знания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует короткую анимацию: шар находится на высоте, затем падает и разгоняется: "В верхней точке шар почти неподвижен, а в нижней движется быстро. Почему он всё же начинает движение? Куда исчезает энергия положения?" Учитель просит назвать то, чего не хватает для объяснения. | Наблюдают анимацию, формулируют затруднение: "Мы не знаем, как описать энергию неподвижного тела и энергию движущегося тела". |
2 мин | Учитель направляет формулировку цели: "Предложите план. Какие понятия нужно определить? Какие величины входят в формулы? Как проверить формулы на задаче?" Учитель записывает на доске план: определить — сравнить — вывести формулы — применить. | Формулируют цель: "Научиться различать и рассчитывать потенциальную и кинетическую энергию"; принимают план работы. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема поставлена: нужно научиться описывать энергию положения и энергию движения. Переходим к учебнику и ЭОР, чтобы самостоятельно открыть необходимые зависимости."
Этап 4. Открытие нового знания. Межпредметная связь (10 мин)
Цель этапа: сформировать представление о потенциальной и кинетической энергии через работу с учебником, ЭОР и связями с математикой и технологией.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает чтение с остановками: "Откройте учебник на фрагменте о механической энергии. Найдите определение энергии и прочитайте его про себя. Остановитесь после первого определения и подчеркните, что именно описывает энергия тела." Учитель уточняет: "Как связаны энергия и способность совершить работу?" | Читают фрагмент, подчёркивают ключевую мысль, формулируют: "Энергия характеризует способность тела совершать работу". |
3 мин | Учитель показывает на экране неподвижный груз на высоте: "Если тело находится на некоторой высоте над выбранным уровнем, оно обладает потенциальной энергией. Запишем формулу $E_p=mgh$. Что обозначают $m$, $g$, $h$? Почему высота измеряется от выбранного уровня?" Учитель связывает тему с математикой: "В формуле энергия прямо пропорциональна массе и высоте. Если массу увеличить в два раза, что произойдёт с энергией?" | Записывают формулу и расшифровку величин: "$m$ — масса, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ — высота"; отвечают: "энергия увеличится в два раза"; отмечают прямую пропорциональность. |
2 мин | Учитель запускает ЭОР с моделью движущегося тела: "Теперь изменим скорость, оставив массу постоянной. Что наблюдаем? Обратите внимание: скорость входит в формулу в квадрате. Запишите $E_k=\frac{mv^2}{2$. Как изменится энергия при увеличении скорости в два раза?" | Наблюдают модель, записывают формулу, отвечают: "кинетическая энергия увеличится в четыре раза", объясняя роль $v^2$. |
2 мин | Учитель связывает тему с технологией и безопасностью: "Почему автомобиль на большой скорости труднее остановить? Почему на дорогах ограничивают скорость? Используйте понятие кинетической энергии и сформулируйте ответ одним предложением." | Формулируют: "При большой скорости кинетическая энергия автомобиля больше, поэтому для остановки требуется большая работа и расстояние". |
Запись в тетрадях
- Потенциальная энергия — энергия, зависящая от взаимного положения взаимодействующих тел или положения тела в поле сил.
- $E_p=mgh$, где $m$ — масса, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ — высота над выбранным уровнем.
- Кинетическая энергия — энергия движущегося тела.
- $E_k=\frac{mv^2}{2}$, где $m$ — масса тела, $v$ — его скорость.
- Энергия измеряется в джоулях: $1$ Дж = $1$ Н·м.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь мы различаем два вида энергии: энергия положения называется потенциальной, а энергия движения — кинетической. Далее проверим понимание на коротких заданиях и научимся выбирать формулу без подсказки."
Этап 5. Первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: закрепить распознавание видов энергии и алгоритм выбора формулы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки с ситуациями и организует работу в парах: "Для каждой ситуации определите основной вид энергии и назовите величину, от которой он зависит: камень лежит на краю обрыва; лыжник движется по склону; растянутая пружина; поезд движется по рельсам. Обсудите каждый ответ и будьте готовы объяснить выбор." | В парах распределяют ситуации, записывают ответы: "камень — потенциальная, зависит от высоты; лыжник — кинетическая и потенциальная; пружина — потенциальная упругая; поезд — кинетическая". |
2 мин | Учитель проводит приём «Светофор»: "Покажите зелёную карточку, если утверждение верно, жёлтую — если нужно уточнение, красную — если неверно. Потенциальная энергия зависит от скорости. Кинетическая энергия зависит от квадрата скорости. Энергия измеряется в ваттах." | Поднимают карточки, объясняют ответы: первое утверждение неверно, второе верно, третье неверно; называют джоуль как единицу энергии. |
2 мин | Учитель разбирает задачу: "Мяч массой $0{,}5$ кг поднят на высоту $4$ м. Найдите его потенциальную энергию, если $g=10$ Н/кг. Сначала назовите данные и формулу, затем выполните вычисление." | Записывают: $m=0{,}5$ кг, $h=4$ м, $g=10$ Н/кг; выбирают $E_p=mgh$; вычисляют $E_p=0{,}5\cdot10\cdot4=20$ Дж; формулируют ответ. |
Эталон решения
Дано: $m=0{,}5$ кг, $h=4$ м, $g=10$ Н/кг. Требуется найти $E_p$. Используем формулу $E_p=mgh$. Подставляем значения: $E_p=0{,}5\cdot10\cdot4=20$ Дж. Ответ: потенциальная энергия мяча равна $20$ Дж.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы научились определять вид энергии и подставлять данные в формулу. Теперь каждый самостоятельно проверит, может ли выполнить полный алгоритм без помощи пары."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (10 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное владение формулами и алгоритмом решения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней: "Выберите уровень, на котором сможете работать уверенно. Базовая карточка обязательна для всех; после неё можно перейти к повышенной. Пользуйтесь памяткой, но не подсказывайте соседу." | Выбирают карточку, записывают фамилию и начинают работу. |
5 мин | Учитель предлагает задания. Базовый вариант: определить вид энергии в трёх ситуациях и вычислить потенциальную энергию тела массой $2$ кг на высоте $3$ м. Повышенный вариант: вычислить кинетическую энергию автомобиля массой $1000$ кг, движущегося со скоростью $10$ м/с. Учитель напоминает: "Не пропускайте перевод в СИ и запись единицы ответа." | Решают задания индивидуально. В базовом задании получают $E_p=60$ Дж; в повышенном — $E_k=50000$ Дж. |
2 мин | Учитель выводит на экран эталон: "Сверьте не только число, но и формулу, единицы и оформление. Если ошибка есть, подчеркните место, где она возникла: данные, формула, вычисление или единица." | Проводят самопроверку, отмечают тип ошибки, исправляют решение другим цветом. |
2 мин | Учитель предлагает взаимную проверку по двум критериям: "Обменяйтесь карточками с соседом только после самостоятельной проверки. Поставьте отметку за правильный выбор формулы и за последовательное оформление решения." | Сверяют работу по эталону, называют партнёру две сильные стороны и один способ исправления ошибки. |
Эталон решения
Для автомобиля: $m=1000$ кг, $v=10$ м/с. Используем формулу $E_k=\frac{mv^2}{2}$. Тогда $E_k=\frac{1000\cdot10^2}{2}=\frac{100000}{2}=50000$ Дж. Ответ: кинетическая энергия автомобиля равна $50000$ Дж.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что формула становится понятной, если сначала определить физическую ситуацию. Осталось связать два вида энергии в единой картине движения и проверить, как энергия превращается из одного вида в другой."
Этап 7. Включение в систему знаний, рефлексия и домашнее задание (6 мин)
Цель этапа: обобщить материал, установить превращение энергии и определить дальнейший шаг обучения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель снова запускает ЭОР с падением тела: "Рассмотрите движение тела с высоты. В верхней точке оно имеет большую потенциальную энергию и малую кинетическую. Что происходит во время падения?" Учитель связывает ответ с математикой и естествознанием: "Какая величина уменьшается, а какая увеличивается?" | Наблюдают модель и формулируют: "При падении потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая увеличивается; энергия переходит из одного вида в другой". |
2 мин | Учитель проводит устный блиц в формате ОГЭ: "Выберите формулу для тела, движущегося со скоростью. Какая величина возрастает в четыре раза при увеличении скорости в два раза? В каких единицах измеряется энергия?" | Отвечают: "$E_k=\frac{mv^2}{2$"; "кинетическая энергия"; "в джоулях". |
2 мин | Учитель организует «Билет на выход»: "На стикере напишите три элемента: одно определение, одну формулу и один вопрос, который ещё требует объяснения. Внизу поставьте цвет самооценки: зелёный — могу решить сам, жёлтый — нужна тренировка, красный — нужна помощь." | Заполняют билет на выход, указывают формулу и личную затруднённость, прикрепляют стикер к соответствующей части доски. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы научились различать энергию положения и энергию движения, записывать две формулы и применять их к задачам. На следующем уроке продолжим изучать превращения энергии и закон сохранения механической энергии."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно определены виды энергии, без ошибок решены обе расчётные задачи, записаны данные, формулы, вычисления и единицы измерения; ученик объясняет превращение потенциальной энергии в кинетическую.
- «4» — правильно выполнено большинство заданий, допущена одна несущественная вычислительная ошибка или неточность в пояснении, алгоритм решения в целом соблюдён.
- «3» — правильно определён хотя бы один вид энергии и решена одна расчётная задача при наличии помощи или исправлений; имеются отдельные ошибки в формуле, единицах или вычислениях.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о потенциальной и кинетической энергии? | Выявление осознания основных понятий и различий между видами энергии. |
Как определить, какую формулу использовать в задаче? | Проверка понимания связи между физической ситуацией и формулой. |
На каком шаге решения вы испытывали затруднение: данные, СИ, формула, вычисление или единица? | Выявление конкретной точки затруднения в алгоритме решения. |
Сможете ли вы самостоятельно решить похожее задание ОГЭ? Какой цвет самооценки выбираете? | Субъективная оценка готовности и планирование дальнейшей поддержки. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы увидели, что энергия может быть связана с положением тела и его движением. Главное при решении задачи — сначала понять физическую ситуацию, затем выбрать формулу и только после этого подставлять числа. Не забывайте, что скорость в формуле кинетической энергии возводится в квадрат, а энергия измеряется в джоулях. На следующем уроке мы рассмотрим закон сохранения механической энергии и решим задачи на превращение одного вида энергии в другой."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Повторить определения потенциальной и кинетической энергии; решить 4 задачи прямого расчёта: две на $E_p=mgh$ и две на $E_k=\frac{mv^2}{2}$, обязательно оформить «Дано — СИ — формула — ответ». | Закрепляет распознавание вида энергии, выбор формулы и вычислительный алгоритм; при проверке обратить внимание на единицы и квадрат скорости. |
Средний (повышающий) | Решить 2 задачи на сравнение: определить, во сколько раз изменится потенциальная энергия при изменении массы или высоты и во сколько раз изменится кинетическая энергия при изменении скорости. | Формирует понимание зависимостей и готовит к заданиям на анализ, а не только на подстановку чисел. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить и решить собственную задачу о падении мяча, движении велосипеда или подъёме груза, в которой последовательно рассматриваются потенциальная и кинетическая энергия; кратко описать превращение энергии. | Развивает моделирование, создание физической задачи и применение знаний в межпредметном и жизненном контексте. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Как называется энергия поднятого над Землёй тела?», «Как называется энергия движущегося тела?», «В каких единицах измеряется энергия?», «Почему увеличение скорости в два раза увеличивает кинетическую энергию в четыре раза?»
