Сила упругости, закон Гука и силы трения
Цели и задачи
- Цель по SMART: за 45 минут научиться экспериментально определять коэффициент жёсткости пружины и коэффициент трения скольжения, различать силу трения покоя и силу трения скольжения, а также объяснять результаты с использованием закона Гука и формулы силы трения.
- Сформировать умение измерять удлинение пружины, силу упругости и силу трения, заносить результаты в таблицу и делать вывод по данным опыта.
- Закрепить решение расчётных и качественных заданий формата ОГЭ по темам «закон Гука» и «силы трения».
- Развивать навыки постановки опыта, проверки гипотезы, оценки погрешностей и аргументированного обсуждения результатов.
- Воспитывать ответственное отношение к технике безопасности, аккуратность измерений и уверенность при выполнении экспериментальных заданий.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают практическое значение сил упругости и трения в технике, быту и будущей профессиональной деятельности.
- Проявляют ответственность за соблюдение правил безопасной работы с оборудованием.
- Снижают тревожность перед заданиями ОГЭ через освоение понятного алгоритма экспериментального решения.
- Оценивают собственный вклад в работу пары и достоверность полученного результата.
Метапредметные
- Извлекают данные из показаний динамометра и линейки, представляют их в таблице и используют для вывода.
- Планируют последовательность эксперимента, фиксируют результаты и выполняют самопроверку по критериям.
- Сравнивают силу трения покоя и силу трения скольжения, устанавливают причинно-следственные связи.
- Формулируют вывод, аргументируя его измерениями и физическими законами.
- Распределяют роли в паре, задают уточняющие вопросы и корректно обсуждают расхождения результатов.
Предметные
- Знать понятия «сила упругости», «деформация», «жёсткость пружины», «сила трения покоя» и «сила трения скольжения».
- Уметь применять закон Гука $F_{упр}=kx$ и формулу силы трения скольжения $F_{тр}=mu N$ в простых расчётах.
- Уметь экспериментально определять коэффициент жёсткости пружины и коэффициент трения скольжения.
- Различать трение покоя, трение скольжения и трение качения, приводить примеры их проявления.
- Уметь объяснять направление сил упругости и трения на схеме тела.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную учебную цель: научиться получать физическую величину не только по формуле, но и экспериментально.
- Проявляют готовность признавать ошибку измерения и корректировать способ действия.
- Осознают связь физического знания с безопасностью механизмов, транспорта и бытовых устройств.
- Поддерживают партнёра и соблюдают нормы делового сотрудничества.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель опыта и составляют последовательность измерений.
- Проверяют единицы измерения, знаки и направление сил до записи результата.
- Сопоставляют результат с теоретическим ожиданием и находят возможную причину расхождения.
- Оценивают выполнение работы по критериям и вносят исправления до сдачи отчёта.
Познавательные УУД
- Выделяют физические величины, приборы и условия опыта в предложенной инструкции.
- Строят простую модель взаимодействия тела с пружиной и опорой.
- Анализируют таблицу измерений и устанавливают зависимость силы упругости от удлинения.
- Применяют формулы, преобразуют их и проверяют размерность полученного ответа.
- Сравнивают различные виды трения по условиям возникновения и направлению силы.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли экспериментатора, измерителя и контролёра в паре.
- Объясняют партнёру ход измерений и обосновывают выбор формулы.
- Задают вопросы о причинах расхождения результатов и предлагают способ проверки.
- Представляют общий вывод кратко, точно и с опорой на данные опыта.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую пару пружину, штатив, набор грузов, динамометр, линейку, деревянный брусок с крючком и горизонтальную поверхность.
- Проверить исправность динамометров и предварительно определить диапазон растяжения пружин, чтобы не допустить их необратимой деформации.
- Распечатать инструкцию практикума и таблицу результатов по одной на каждого ученика.
- Распечатать карточки с заданиями формата ОГЭ трёх уровней по одной на пару и два индивидуальных варианта для самопроверки.
- Вывесить на доске памятку: $F_{упр}=kx$, $F_{тр}=mu N$, $N=mg$ для горизонтальной поверхности, единицы силы и длины.
- Подготовить слайд с изображением пружины, бруска на горизонтальной поверхности и направлениями сил.
- Разложить на столах карточки ролей: «экспериментатор», «измеритель», «контролёр безопасности».
- Подготовить секундомер или таймер на 3 минуты, маркеры, стикеры зелёного и жёлтого цвета.
- Проверить, что проходы между столами свободны; напомнить правило: груз подвешивается плавно, растянутую пружину не отпускать резко.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в практическую работу, связать тему с реальными задачами и снизить тревожность перед форматом ОГЭ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и проверяет готовность оборудования: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы не просто повторим формулы, а проверим их экспериментом. На столах должны быть пружина, динамометр, линейка, брусок и грузы. Работать будем аккуратно: сила измеряется прибором, а вывод подтверждается числами." | Проверяют комплект оборудования, надевают при необходимости защитные очки, распределяют роли в паре и отвечают: "Готовы к практикуму". |
2 мин | Учитель показывает изображение амортизатора автомобиля и тормозной колодки: "Почему амортизатор возвращается к исходной форме? Почему автомобиль не продолжает скользить после торможения? Какие силы работают в этих ситуациях? Сегодня вы получите ответы измерением, а затем решите задание, похожее на ОГЭ." | Называют предполагаемые силы: "Сила упругости" и "Сила трения"; формулируют ожидание: "Сила зависит от растяжения и состояния поверхности". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что упругость возвращает тело к исходной форме, а трение препятствует движению. Теперь проверим, какие величины нужно измерить, чтобы описать эти силы количественно."
Этап 2. Актуализация знаний и инструктаж по технике безопасности (5 мин)
Цель этапа: восстановить опорные понятия и обеспечить безопасное выполнение измерений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Подумай — обсуди в паре»: "Вспомните, что называют деформацией, силой и равнодействующей. Как направлена сила упругости? Как направлена сила трения? Сначала подумайте самостоятельно, затем обсудите ответ с соседом." | Записывают по одному определению, обсуждают его в паре и формулируют: "Деформация — изменение формы или размеров тела; сила упругости направлена против деформации; сила трения направлена против движения или возможного движения". |
2 мин | Учитель записывает на доске формулы: $F_{упр}=kx$, $F_{тр}=mu N$, и спрашивает: "Что обозначает каждая буква? В каких единицах измеряются сила, удлинение и жёсткость? Как найти нормальную реакцию опоры для бруска на горизонтальной поверхности?" | Называют: $F$ — сила в ньютонах, $k$ — жёсткость в ньютонах на метр, $x$ — удлинение в метрах, $N=mg$ при горизонтальной поверхности. |
1 мин | Учитель проводит инструктаж: "Грузы подвешиваем плавно, не тянем пружину рукой с большой силой, не направляем крючки на себя. Брусок перемещаем без рывка. Если прибор повреждён или показание неустойчиво, сразу сообщаем учителю." | Повторяют два правила безопасности и показывают жестом, кто выполняет каждую роль. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили направления сил, формулы и единицы измерения. Теперь поставим два опыта: сначала исследуем упругость пружины, затем — трение бруска о поверхность."
Этап 3. Постановка задачи и планирование практикума (4 мин)
Цель этапа: сформулировать проверяемые вопросы и составить алгоритм опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт инструкцию и обращается к классу: "Запишите два вопроса исследования: как связаны сила упругости и удлинение пружины; как определить коэффициент трения по силе, необходимой для равномерного движения бруска. Какие данные нам понадобятся? Не называйте приборы, назовите величины." | Записывают вопросы и называют величины: длина пружины без нагрузки, длина с грузом, сила нагрузки, сила тяги при равномерном движении, масса бруска и грузов. |
2 мин | Учитель уточняет алгоритм: "Сначала определяем нулевое положение, затем добавляем грузы и снимаем показания. Для трения сначала слегка тянем брусок и фиксируем максимальное показание до начала движения, затем равномерно тянем и фиксируем устойчивое показание. Почему эти показания различаются?" | Составляют в отчёте последовательность действий; предполагают: "Максимальная сила соответствует трению покоя, а устойчивая меньшая сила — трению скольжения". |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "План опыта готов: измеряем, записываем, вычисляем и объясняем. Переходим к выполнению первой части — исследованию закона Гука."
Этап 4. Эксперимент 1. Исследование силы упругости и закона Гука (10 мин)
Цель этапа: экспериментально установить пропорциональность силы упругости удлинению и определить жёсткость пружины.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует установку: "Измерьте длину пружины без груза и запишите её как $l_0$. Затем подвешивайте грузы по одному. Каждый раз записывайте массу груза, силу тяжести $F=mg$ и новую длину $l$. Удлинение вычисляйте по формуле $x=l-l_0$. Следите, чтобы пружина не касалась штатива." | Измеряют $l_0$, подвешивают первый груз, записывают массу, силу и длину пружины; меняют роли после первого измерения. |
5 мин | Учитель контролирует пары и напоминает: "Для каждого опыта вычислите $x$ в метрах, затем найдите $k=F_{упр}/x$. Если закон Гука выполняется, значения $k$ будут близкими. Не округляйте промежуточные результаты слишком рано." | Проводят не менее трёх измерений, заполняют таблицу, вычисляют удлинение и жёсткость, сравнивают значения $k$. |
3 мин | Учитель задаёт вопросы: "Что произойдёт с удлинением при увеличении силы в два раза? Почему результаты не совпали идеально? Какие источники погрешности вы видите?" | Формулируют вывод: "При упругой деформации удлинение возрастает вместе с силой; отношение $F/x$ примерно постоянно". Называют погрешность отсчёта по шкале и неточность установки груза. |
Запись в тетрадях
Ученики записывают: «Закон Гука: при малых упругих деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению: $F_{упр}=kx$. Жёсткость пружины: $k=F_{упр}/x$. Сила упругости направлена противоположно деформации».
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы нашли жёсткость пружины по экспериментальным данным и увидели область применимости закона Гука. Теперь проверим, как измерять силу, препятствующую движению бруска по поверхности."
Этап 5. Эксперимент 2. Сила трения покоя и сила трения скольжения (10 мин)
Цель этапа: различить трение покоя и скольжения и определить коэффициент трения скольжения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает брусок и динамометр: "Поставьте брусок на поверхность. Медленно увеличивайте силу тяги, пока брусок не начнёт двигаться. Максимальное показание перед началом движения обозначьте $F_{тр.пок}$. Что оно характеризует?" | Медленно тянут брусок, фиксируют максимальное показание и записывают: "$F_{тр.пок}$ — наибольшая сила трения покоя в данном опыте". |
4 мин | Учитель продолжает инструкцию: "Теперь тяните брусок так, чтобы он двигался равномерно. При равномерном движении равнодействующая равна нулю, поэтому показание динамометра равно силе трения скольжения. Повторите измерение три раза." | Получают равномерное движение, записывают три показания динамометра, находят среднее значение $F_{тр}$. |
2 мин | Учитель задаёт вопрос: "На горизонтальной поверхности нормальная реакция примерно равна силе тяжести. Вычислите $N=mg$, затем коэффициент трения $mu=F_{тр}/N$. Как изменится сила трения при увеличении массы груза?" | Вычисляют $N$ и $mu$, отвечают: "При неизменной поверхности сила трения скольжения возрастёт вместе с нормальной реакцией, то есть с массой". |
2 мин | Учитель организует сравнение результатов: "Сравните коэффициенты разных пар. Почему они отличаются? Сравнивать нужно не только числа, но и одинаковость материалов, чистоту поверхности и способ тяги." | Сопоставляют результаты, называют причины расхождений и формулируют вывод о зависимости силы трения от силы реакции опоры и свойств поверхностей. |
Эталон решения
Если масса бруска с грузом $m=0{,}5$ кг, а сила равномерной тяги $F_{тр}=1{,}5$ Н, то на горизонтальной поверхности $N=mg=0{,}5\cdot10=5$ Н. Коэффициент трения: $mu=F_{тр}/N=1{,}5/5=0{,}3$. Максимальное показание перед началом движения, например $1{,}8$ Н, характеризует силу трения покоя и обычно больше силы трения скольжения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы экспериментально различили момент срыва и равномерное скольжение. Осталось закрепить алгоритм на заданиях, где нужно выбрать формулу, выполнить расчёт и объяснить физический смысл результата."
Этап 6. Первичное закрепление и задания формата ОГЭ (8 мин)
Цель этапа: применить результаты практикума в качественных и расчётных заданиях, отработать проверку единиц и направления сил.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточку и говорит: "Решите в парах задачу. Пружина жёсткостью $200$ Н/м растянулась на $3$ см. Определите силу упругости. Запишите перевод единиц, формулу, вычисление и ответ." | Переводят $3$ см в $0{,}03$ м, вычисляют $F_{упр}=200\cdot0{,}03=6$ Н, записывают ответ: "Сила упругости равна 6 Н". |
3 мин | Учитель предлагает второе задание: "Брусок массой $2$ кг движется равномерно по горизонтальной поверхности. Коэффициент трения равен $0{,}25$. Определите силу трения, принимая $g=10$ Н/кг. После решения объясните, почему динамометр показывает постоянную силу." | Вычисляют $N=mg=20$ Н, $F_{тр}=mu N=0{,}25\cdot20=5$ Н; объясняют: "При равномерном движении сила тяги уравновешивает силу трения". |
2 мин | Учитель проводит приём «Светофор»: "Поднимите зелёную карточку, если можете выбрать формулу самостоятельно, жёлтую — если нужна проверка единиц, красную — если пока путаете виды трения. По одному примеру объясните выбранный цвет." | Поднимают карточки, называют затруднение или подтверждают готовность; исправляют одну ошибку в решении соседа. |
Эталон решения
Для первой задачи: $x=3$ см $=0{,}03$ м; $F_{упр}=kx=200\cdot0{,}03=6$ Н. Для второй задачи: $N=mg=2\cdot10=20$ Н; $F_{тр}=mu N=0{,}25\cdot20=5$ Н. При равномерном движении $F_{тяги}=F_{тр}$ по модулю.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы использовали один и тот же алгоритм ОГЭ: выделили данные, перевели единицы, выбрали закон, вычислили и проверили ответ. Теперь каждый выполнит короткую самостоятельную проверку без подсказки пары."
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (3 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание формул и различий между видами трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт индивидуальные карточки: "Выполните два пункта. Первый: пружина жёсткостью $150$ Н/м растянута на $2$ см — найдите силу упругости. Второй: подпишите, где действует трение покоя, а где трение скольжения: книга лежит на наклонной доске; санки движутся по снегу." | Индивидуально переводят $2$ см в $0{,}02$ м, находят $F=3$ Н; подписывают: "книга — трение покоя, санки — трение скольжения". |
1 мин | Учитель показывает эталон на доске и говорит: "Проверьте не только число, но и единицы. Если нашли ошибку, зачеркните неверную запись одной линией и исправьте рядом." | Сверяют решение, отмечают результат знаком «+» или «?» и записывают, что нужно повторить. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Основные вычисления выполнены, а ошибки стали подсказками для повторения. Завершим урок выводом по опыту и коротким билетом на выход."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (2 мин)
Цель этапа: осмыслить результаты практикума, зафиксировать затруднения и определить дальнейшую работу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт стикеры для приёма «Билет на выход»: "Напишите три коротких ответа: какую формулу применяли для пружины; чем трение покоя отличается от трения скольжения; какая ошибка измерения была наиболее вероятной в вашей паре." | Записывают ответы: "$F_{упр}=kx$"; "трение покоя препятствует началу движения, трение скольжения — движению поверхностей"; называют конкретную погрешность. |
1 мин | Учитель объявляет домашнее задание и говорит: "Выберите уровень, соответствующий вашей уверенности. Обязательный уровень выполняют все, повышающий и дополнительный — по желанию. Перед уходом проверьте, что оборудование возвращено на место и таблица измерений заполнена." | Сдают билет на выход, убирают оборудование, записывают выбранный уровень домашнего задания. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — полностью заполнена таблица не менее чем по трём измерениям для пружины и трём измерениям для трения; корректно вычислены $x$, $k$, $N$ и $mu$; сформулированы выводы о законе Гука и различии видов трения; соблюдены правила безопасности.
- «4» — выполнены все основные измерения и расчёты, но допущена одна неточность в округлении, единицах или формулировке вывода, не повлиявшая на общий результат.
- «3» — выполнены основные измерения, однако есть две-три ошибки в формулах, единицах или определении вида трения; вывод неполный, но ход опыта понятен.
- Ниже отметки «3» — отсутствуют необходимые измерения или не сформулирована связь между данными опыта и физическим законом; работу необходимо доработать по инструкции.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Как по эксперименту определить жёсткость пружины? | Проверка осознания алгоритма применения закона Гука и умения связать измерения с формулой. |
Почему максимальное показание перед началом движения обычно больше показания при равномерном скольжении? | Выявление понимания различия между трением покоя и трением скольжения. |
Какая ошибка в вашем опыте могла сильнее всего повлиять на результат? | Формирование навыка оценки погрешности и критического отношения к данным. |
Какое задание формата ОГЭ вы теперь решите увереннее? | Субъективная оценка переноса практического навыка на экзаменационную задачу. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы проверили формулы не только в тетради, но и реальным измерением. Мы увидели, что при упругой деформации сила связана с удлинением, а сила трения зависит от взаимодействия поверхностей и реакции опоры. Типичная ошибка — забыть перевести сантиметры в метры или перепутать трение покоя с трением скольжения. Если будете действовать по алгоритму «данные — единицы — формула — вычисление — проверка», задания ОГЭ станут значительно понятнее. На следующем уроке мы продолжим применять законы механики к движению тел и разбору экспериментальных данных."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи: две на закон Гука с определением силы упругости или удлинения и две на силу трения скольжения на горизонтальной поверхности. В каждой задаче записать данные, перевод единиц, формулу и ответ. | Закрепляет базовый алгоритм расчёта; при проверке обратить внимание на перевод сантиметров в метры, единицы силы и правильный выбор формулы. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи: определить жёсткость пружины по экспериментальной таблице, сравнить силу трения покоя и скольжения, объяснить изменение силы трения при добавлении груза. | Развивает анализ данных и применение закона в изменённой ситуации; при проверке смотреть на обоснование вывода и использование величины $N$. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить мини-отчёт по домашнему наблюдению: выбрать два примера трения и один пример упругой деформации, указать вид взаимодействия, направление силы и пользу или вред явления; предложить способ уменьшить или увеличить трение в одном случае. | Формирует функциональную грамотность и умение переносить физические понятия в бытовой и технический контекст; при проверке оценивать точность терминов и аргументацию. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Как записывается закон Гука? Что показывает коэффициент $k$? Чем сила трения покоя отличается от силы трения скольжения? Как найти коэффициент трения на горизонтальной поверхности? Какие единицы должны быть у удлинения при вычислении по закону Гука?»
