Закон збереження енергії

 

Не дивлячись на те, що поняття «енергія» не нове, єдиної думки про визначення його не існує. Професор А.Б. Млодзеевський, талановитий викладач і відомий фізик, не одноразово зазначав, що з усіх понять фізики найнезрозумілішим є поняття «енергії». Воно одночасно і одне з найпоширеніших, і одне з найскладніших. До нього необхідно призвичаїтись і навчитись правильно використовувати в розрахунках[1].

Проаналізуємо найбільш поширені означення поняття енергія.

Існують різноманітні види руху матерії. Всі види матерії перетворюються одна в одну строго в визначеній кількості. Звідси і виникає можливість виміряти різні види руху матерії деякою спільною мірою. Це і основою наступного визначення:енергія-це спільна, єдина кількісна міра різних форм руху матерії[1].З іншого боку, кожному зі станів механічної системи відповідає певне значення енергії. Перехід від одного стану до іншого супроводжується зміною енергії системи. У випадку механічних процесів цей перехід відбувається в процесі виконання механічної роботи. Звідси, і інше формулювання поняття «енергія», енергія - функція стану системи.

І нарешті, найпоширенішим в навчальній літературі є визначення того, що енергія - властивість тіл виконувати роботу.

Кожне із зазначених формулювань в науковому і методичному плані є довершеними. Але питання про класифікацію видів та форм руху матерії, в даний час не має чіткого та однозначного роз’яснення. До того ж перше формулювання представляє собою дуже глибоке значення, до якого учнів необхідно підводити поступово, в напрямку накопичення знань, умінь та навичок, а також розвитку мислення.

Інше формулювання має певні недоліки. Перш за все, яким чином виокремити енергію як функцію із множини інших функцій стану системи. Складним і для учнів буде поняття «стан системи».Це поняття потребує завчасної підготовки як в галузі накопичення знань,так і в галузі розвитку мислення учнів при вивченні енергетичних явищ. В цьому значенні починати з такого трактування не варто, проте необхідно підвести учнів, які закінчують середню школу до розуміння цього поняття.

З третього формулювання поняття енергії зрозуміло, що перед тим як вводити(визначати)поняття, необхідно дати означення поняттю «робота».У той же час суть поняття «робота» може бути розкрите тільки через поняття «енергія». В цьому випадку порушуються елементарні вимоги, щодо логіки про недопущення тавтології: енергія - властивість тіла виконувати роботу, робота - міра переходу енергії.

Мають місце також різні методи, щодо формування поняття «енергія» і «робота» при вивченні механіки в середній школі[14].

) Вводиться поняття «енергія» незалежно від «роботи», з послідовним розкриттям зв’язку між ними. Суть цього підходу заключається у пошуках величини, що зберігається:

 

,

 

де  - кінетична і - потенціальна енергії.

Пізніше вводять роботу як зміну енергії в механічних процесах[15]:

 

Недоліком такого підходу в середній школі є те, що учні мають стежити за збереженням величини, значення якої дізнаються після її виводу[14].

)Одночасно ввести поняття енергії та роботи із рівняння, що пов’язує роботу зі зміною кінетичної енергії. При такому підході до вивчення енергетичних понять починають з розгляду розгону та гальмування тіл. Ніяка сила не може миттєво змінити напрям руху. Знаючи переміщення, отримують рівняння:

 

 

Перша частина рівняння кінетична енергія, друга частина - механічна робота. Потенційну енергію вводять як «запас» із якої виникає кінетична енергія. Через виявлення далі сталої суми кінетичної і потенціальної енергії вводять поняття механічна енергія, як величина, яка не тільки не змінюється в механічних процесах, але й таку, що може перетворюватись.

Цей підхід доступний для школярів і міг би бути прийнятим в школі. Але в ньому в достатній мірі не враховується те, що в середній школі учні мало знайомі з поняттям механічна робота і механічна енергія[14].

) Розвивати уявлення про роботу і енергію, отримані у 8 класі, і відповідно будувати методику вивчення енергетичних понять у 10 класі.

Даючи короткий науково-методичний аналіз понять енергія і робота, ми зазначали, що до поняття енергії необхідно підводити учнів через поняття робота[15].

Урок необхідно починати з короткого повторення пройденого матеріалу про роботу, запропонувавши учням відповісти на такі питання:що називають механічною роботою? Назвіть одиниці вимірювання роботи. Яким чином вони визначаються?

Після цього необхідно переходити до введення поняття «енергія». Починати формувати це поняття краще з досліду[14]. Підняти гирю над столом. Звернути увагу учнів на те, що гиря не рухається, а отже роботи не виконує, але якщо гиря почне падати, то виконається робота. В наступному досліді показати стиснуту пружину, яка вирівнюючись, рухає кульку, теліжку, або рухає тягар, виконуючи при цьому роботу. Зробити висновок, що якщо тіло або декілька тіл взаємодіють між собою, то вони мають енергією. Тому можна сказати, що піднята гиря, стиснута пружина мають енергією. Енергія це фізична величина, що характеризує можливість тіла(або декількох тіл)виконувати роботу. Тіло тільки тоді може виконувати роботу, коли воно має енергію. Чим більшу роботу виконує тіло, тим більшу енергію воно має. Тому енергію можна розглядати як, свого роду «запас» можливої енергії. Дуже важливо, щоб учні усвідомили, що тіло, яке має енергію знаходиться у особливому стані. В результаті виконаної роботи тіло переходить із одного стану в інший: гиря опускається, пружинка розпрямляється. Виконана робота є мірою зміни енергії при переході тіла з одного стану в інший.

Далі формуються поняття двох основних видів механічної енергії - кінетичної та потенціальної[14]. При введені поняття кінетична енергія, необхідно з учнями повторити матеріал про механічну роботу, і зупинитись на тому, що для виконання роботи необхідна сила і шлях вздовж якого ця сила буде діяти. Після цього необхідно привести декілька прикладів і дослідів. Для того, щоб пояснити учням від чого залежить кінетична енергія, пропонуємо показати дослід по переміщенню рухомим візком бруска поставленого на його шляху.

 

 

Потім дослід необхідно змінити, пускати візок з різної висоти(з різною швидкістю), роблять висновок, що чим більша швидкість тіла, тим більшу роботу воно може виконати, тобто більшою енергією володіє. Використовуючи візки різної маси, демонструємо, що енергія залежить від маси тіла, що рухається. Підводячи підсумки зазначаємо, що чим більша маса тіла, що рухається, і чим більша його швидкість, тим більша його кінетична енергія. Одночасно з висновками записуємо на дошці формулу для кінетичної енергії:

 

 

Для учнів 8 класу вивід формули не є обов’язковим, тим паче, що він ґрунтується на використанні поняття «прискорення», з яким вони ще не знайомі. Фізична суть цієї формули стане зрозумілою учням у старших класах[15].

Повторюючи раніше вивчене неодноразово звертаємо увагу на те, що коли тіло має енергію воно може виконувати роботу. Але такою змогою володіють не всі тіла, що рухаються. Цю думку доречно пояснити, наприклад наступним дослідом: розтягуємо пружину, до кінця якої причеплений вантаж. Стискаючись, пружина підіймає вантаж, а отже виконує роботу. Таким чином вводимо поняття потенціальної енергії, як енергії, котра залежить від взаємного розташування тіл, або частин тіла. Після пояснення записується рівняння для енергії системи:

 

Приводячи учням приклади різних систем і тіл, говоримо про те, що дуже часто зустрічаються системи(тіла), які володіють і кінетичною, і потенціальною енергіями. В той час же в житті ми можемо спостерігати перетворення одного типу механічної енергії в іншу: механічну в теплову, механічну в електричну.

Основною задачею на цьому етапі є пояснення учням взаємоперетворень кінетичної та потенціальної енергії. При вивченні цієї теми необхідно спиратися на наступний дослід: коливання кульки підвішеної на нитці. Під час аналізу необхідно звернути увагу учнів на перетворення кінетичної енергії в потенціальну, а також на те, що в будь-якій точці, між крайнім нижнім і верхнім положенням, кулька має як і кінетичну енергію, так і потенціальну. Основуючись на тому, що кінетична енергія збільшилась, а потенціальна зменшилась (або навпаки) разом з учнями формулюємо закон збереження механічної енергії: в замкненій системі, при відсутності сил тертя сума кінетичної і потенціальної енергії зберігається. Особливу увагу приділяємо, тому що закон збереження механічної енергії стосується тільки замкнених систем, де відсутнє тертя, якщо ж силами тертя не нехтують закон не справджується. Робота сил тертя йде на зменшення кінетичної енергії. Але при цьому під дією сили тертя потенціальна енергія не збільшується, як це було у випадку дії сили тяжіння і сили пружності. Це є наслідком того, що сили тертя не залежать від відстані між тілами, що взаємодіють, а залежать від відносних швидкостей. Робота цих сил залежить від форми траєкторії, а не від початкового та кінцевого положення тіл у просторі[14].

Важливим і невід’ємним елементом шкільної фізичної освіти є експеримент, як засіб отримання учнями пізнавальної інформації, забезпечення наочності під час вивчення фізики, а також формування практичних вмінь та навичок учнів. За словами Л. Мальдештама, «…ні підручник, ні вчитель недостатні для того, щоб навчити фізики. Учень повинен хоч трохи працювати дослідно сам. Він повинен хоч поверхово, але сам бачити. Сам чути, сам відчувати ті явища, про які йому говорять»[16]

Найпоширенішою формою самостійної експериментальної роботи є фронтальні лабораторні роботи. Особливо слід відзначити ті з них, дидактична мета яких виявлення чи перевірка кількісних закономірностей. На відміну від інших груп лабораторних робіт вони відіграють головну роль в усвідомленні експериментального характеру фізики та її методів дослідження[6].

Важливими вимогами до фронтальних лабораторних робіт зазначеного типу є простота виконання, доступність обладнання, і, головне, - забезпечення належної наочності вимірювань[6]. Наприклад: дослідження механічного руху з урахуванням закону збереження енергії.