Негізгі ұғымдар мен динамика заңдары

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 15 бет
Таңдаулыға:

ЖОСПАР

I Кіріспе

II Негізгі бөлім

Негізгі ұғымдар мен динамика заңдарын оқыту жүйелігі

2. 1. Динамиканың бірінші заңы

2. 2. Классикалық механикадағы масса ұғымының

қолданылу шекарасы

2. 3 Күш. Ньютонның екінші және үшінші заңы

III Қорытынды

КІРІСПЕ

Ньютонның қозғалыс заңдары- қазіргі классикалық механиканың ең маңызды бөлігі. Динамика заңдарын орта мектепте оқытуға байланысты бірқатар әдістемелік проблемалар туындайды. Олар: динамиканың негізгі ұғымдарын осы заман физикасы қалай түсіндіреді және оларды мектеп курсына ендірудің тәсілдері қандай? Негізгі ұғымдар мен динамика заңдарын оқытудың жүйелілігі қандай болуы тиіс және қандай әдістеме қолдану керек? Ньютон заңдарын оқуға байланысты, оқушылар кинематика бөлімінде танысқан, қозғалыстың салыстармылығы жөніндегі идеяны дамыту мәселесін қарастыруға тура келеді. Негізгі ұғымдар мен Ньютон механикасы заңдылықтардың қолданылу шекарасын қаншалықты ашу қажеттілігін де талқылауды керек етеді.

II Негізгі ұғымдар мен динамика заңдарын оқыту жүйелігі

Сонымен қозғалыс заңдарын оқытуды неден бастау керек? И. Ньютон өзінің « Натурал философиясының математикалық бастамалары» (1687ж. ) деген кітабында бірінші орынға инерция заңын қояды, оны біз кейіннен Ньютонның бірінші заңы деп атап кеттік. Инерция заңын оқытуға байланысты инерциялық санақ жүйесі ұғымын ендіру қажеттілігі туындайды. Кез келген қозғалыс салыстырмалы, оқушылар оны кенематика бөлімінде оқыған. Дененің қозғалысы бір санақ жүйесінде бір қалыпты және түзу сызықты болуы мүмкін де, ал сол мезетте басқа санақ жүйесінде айнымалы және қисық сызықты болуы мүмкін. Сонда қозғалысты және оның заңдарын қанлай санақ жүйесінде қарастырған дұрыс? Ең қарапайым- ондай санақ жүйесі ретінде денеге басқа денелердің әсері болмаған жағдайда ол өзінің тыныштық күйін немесе бір қалыпты түзу сызықты қозғалыс күйін сақтай алатындай санақ жүйесін алу. Міне, осы санақ жүйесін инерциялық санақ жүйесі деп атайды. Бірақ дүниеде басқа денелер әсер етпейтін абсолют еркіндене жоқ, сондықтан абсолют инерциялық санақ жүйесін таңдап алу қиын.

Бізге белгілі санақ жүйелерінің қайсысын инерциялық деп есептеуге болатындығын тәжірбиелер шешеді. Тәжірбиелердің көрсетуіне қарағанда қозғалмайтын жұлдыздармен байланысқан санақ жүйесін жеткілікті дәлдікпен инерциялық санақ жүйесі ретінде алуға болады. Ол үшін қозғалмайтын жұлдыздардың бірі координаталардың бас нүктесі болып саналады да және қозғалмайтын үш жұлдыз таңдап алынады. Координаталардың бас нүктесінен олардың бағыттары өзара перпендикуляр болуы тиіс. Механиканың көпшілік маңызды мәселелерін Жерді инерциялық санақ жүйесі ретінде қарастыру арқылы шешуге болады, өйткені, Жерге байланысты санақ жүйесінің айырмашылығы өте аз, көп есептерді шешкенде оны елемеуге болады.

Қалыптасқан жағдайда мынандай жолмен де шығып кетуге болады: біз қарастырып отырған днеге (материалдық нүктеге) басқа денелердің әсері өзара теңгерілген (компенсацияланған) болуы мүмкін. Ондай жағдайда денеге басқа денелердің әсері жоқ деп есептеуге болады, онда ол тыныштық күйде немесе бір қалыпты және түзу сызықты қозғалыс күйінде болады. Міне, кейінгі кезде мекткп оқулықтарында беріліп жүрген инерциялық санақ жүйесінің анықтамасы және Ньютонның бірінші (инерция) заңының айтылуы осы қағидаға негізделген.

Кейде «инерция заңының дербес заң ретінде мәні жоқ, оны Ньютонның екінші заңынан шығатын салдар ретінде алуға болады» дейтін тұжырымдар ұшырасып қалады. Ол мынаған негізделген: егер денеге сыртқы әсер болмаса (F=0), онда динамиканың екінші заңы бойынша үдеу нөлге тең, басқаша айтқанда мұндай жағдайда дене тыныштықта болады немесе бір қалыпты және түзу сызықты қозғалыс күйінде болады. Қозғалыстардың бірінші заңының мағынасы тек бұл түсінікпен ғана шектеліп қоймайды. Ньютонның классикалық механикасының негізінде кеңістік пен уақыттың қасиеттері жөнінде белгілі түсініктер жатыр, оның бірі- кеңістіктің біртектілігі мен изотроптылығы. Кеңістіктің біртектілігі ондағы нүктелердің барлығының қасиеттерінің бірдей екендігін білдіредіде, ал изотроптағы- кеңістіктің кез келген бағыттағы қасиетінің бірдей болатындығын білдіреді. Ньютонның бірінші заңы инерциялық санақ жүйесіне қарағанда кеңістіктің біртекті және изотропты болады деген тұжырыммен бара-бар (эквивалентті) . Сондықтан инерция заңын қозғалыстың екінші заңының жеке жағдайы ретінде қарастыруға болмайды. Оқушыларға кеңістіктің біртектілігі мен изотроптылығы жөнінде айтылмағанымен инерция заңының кез келген санақ жүйесінде орындала бермейтіндігі айтылуы тиіс. Осыған байланысты инерциялық емес санақ жүйесі туралы ұғым ендірілуі қажет, оның қандай жәрежеде айтылуы мұғалімнің ұсталығына байланысты. Ең дұрысы- инерциялық емес санақ жүйесі мен инерциялық күштер жөніндегі мәселені факультативтік сабақта қарастыру.

Динамиканың негізгі заңы- Ньютонның екінші заңы. Ғылыми және әдістемелік әдебиеттердегі көпшілік шиеленіскен айтыстар нақ осы заңның түсіндірілуі мен орта мектепте оқытылуы жайында болып жүр. Ньютонның өзі алдымен күш және қозғалыс мөлшері ұғымдарын енгізіп, сонан соң қозғалыс мөлшері өзгерісінің әсер етуші күшке пропорционалдығын және онымен бағыттас болатындығын тұрақтандырды, оны

F=d(mv) ∕ dt

формуласы түрінде жазады. Ньютоннан кейін, механикалық процестерде процестерде масса тұрақты болады деп есептеп, оны дифференциал белгісінің алдына шығарып жібереді. Сөйтіп Ньютонның екінші заңы мына түрде жазылатын болды:

F=m dv/dt=ma

Олай болса, динамиканың екінші заңын оқыту жөніндегі мәселе механиканың фундаментальді (іргелі) ұғымдары болып табылатын масса және күш ұғымдарын ендіру ретімен тікелей байланысты.

Егер алдымен күш ұғымы ендірілетін болса, онда одан кейін үдеудің күшке тәуелділігі (a~F) тұрақтандырылып, онан соң қарастырылып отырған дене үшін F/a қатынасының тұрақты болатындығы пайдаланылып, масса ұғымы ендіріледі. Бұл жағдайда Ньютонның екінші заңы былай жазылады;

a=F/m

Айтылуы:Кез келген дененің алатын үдеуі бағыты жағынан әсер етуші күшпен бағыттас болады да, ал оның модулі күшке тура пропорционал, дененің массасына кері пропорционал болады.

Бұл әдістеме бойынша динамиканың екінші заңының негізгі мазмұны- үдеудің әсер етуші күшке тәуелділігі-масса ұғымы недірілгенге дейін тұрақтандырылады. Ал, масса ұғымының мағынасы тәжірбиелерден алынған қатынас негізінде түсіндіріледі. Күш және масса ұғымдарын ендірудің бұл айтылған жүйелігін XVIIIғ. екінші жартсында Эйлер, кейіннен Максвел және басқа да ғалымдар өз еңбектерінде пайдаланған болатын. Бұл әдіс орта мектептер үшін соңғы кезге дейін дәстүрлі әдіс болып саналып келеді.

Әңгіме болып отырған әдістемелік тәсілде күш ұғымы оның статистикалық сипаты арқылы ендіріледі де, динамикалық сипаты тыс қалып қояды. Күшті өлшеу үшін эталоны алынып, басқа күштерді осы күш эталонымен салыстырудың әдісі анықталады. Күш эталоны ретінде белгілі ұзындыққа дейін созылған белгілі серіппенің (пуржина) белгілі денеге әсер күші алынады. Күш ұғымын ендірудің бұл тәсілі қарапайым болғанымен, оның кейбір логикалық қайшылықтары бар. Шындығында, бұл тәсіл күштердің аддитивтік қасиеттері бар деп болжайды, сондықтан оған байланысты қосымша постулат енгізуге тура келеді. Оқушылар үшін ол постулат жеткілікті түрде айқын еиес. Мысалы, бірдей екі серіппені паралель орналастырмай тізбектеп жалғайтын болсақ, онда бір серіппенің әсерінен екі есе артық әсер ала алмаймыз. Сол сияқты, шамасы эталоннан аз болатын күштерді өлшеу де қиындық туғызады. Сонымен қатар, күшті статикалық әдіспен өлшеу арқылы біз тек күштің модулін анықтай аламыз, ал күш- векторлық шама. Оның үстіне мұндай жағдайда негізгі бірлігі еүш бірлігі болатын бірліктер жүйесін қолдануға тура келеді, ал ол бірліктердің халықаралық жүйесіне қайшы келеді.

Динамиканың негізгі заңдарын оқытудың екінші жүйесі бар, ол-алдымен масса ұғымын, сонан соң күш ұғымын ендіру. Бұл жүйелікті алғаш зерттеген француз ғалымы Сен-Венан (1851ж. ) болатын, ол өзінің « Механиканың кинематикаға негізделген принциптері» атты еңбегінде денелердің соқтығысу құбылысын талдай келіп, олардың массаларын салыстыру үшін мынандай формула алды:

m ₂ /m ₁₌ ∆v ₂ ∕∆v ₂ немесе m ₂ /m ₁ ∕ a ₁ /a ₂

Инерттік массаны өзара әсерлеуші денелер үдеулерінің қатынасы арқылы арқылы ендірудің бұл әдісінің бір қатар артықщылықтары бар. Денелердің инерттілігі, олай болса инерттіліктің сандық сипаты болып табылатын денелер массасы, әр түрлі денелерді өзара салыстыру нәтижесінде мағлұмат алуға болатын олардың ортақ қасиеті. Ұзындықты ұзындық эталонымен салыстыру арқылы өлшейтініміз тәрізді массаны да арнайы таңдап алынған масса эталонымен салыстыру арқылы анықтауға болады. Айтылған әдістің тағы бір артықшылығы- оның әмбебаптылығында, оның көмегімен элементар бөлшектер массасын да, орасан үлкен аспан денелерінің массасын да өлшей беруге болады. Бұл әдістің тағы бір әмбебаптылығы- оны кез келген жағдайда, мысалы, салмақсыздық жағдайында, қолдана беруге болады.

2. 1. Динамиканың бірінші заңы.

Ньютонның бірінші заңының мазмұны сырт қарағанда қарапайым болып көрінгенімен, өмірден алынған тәжірбиеге қайшы келуі заңның физикалық идеясын жете түсінуді қиындатып жібереді. Инерция заңын оқытудың әдістемелік қиындығы- бұл заң дәл орындалатын идеал жағдай жасаудың мүмкін юолмайтындығында. Ондай жағдайларды тек жуықтап жасауға болады немесе ойша жасалатын эксперименттерге жүгінуге тура келеді. Ньютонның бірінші заңын түсіндіруді жеңілдететін дәстүрлі тәжірбие- науамен шарикті домалату тәжірбиесі. Демонстрациялық стол үстіне көлбеу қойылған науа бойымен шарикті домалатамыз.

алдымен стол бетіне құм төсейміз;
кедір-бұдырлы мата (мысалы, шұға) төселеді;
өте тегіс бет(мысалы шыны) алынады.

Шариктің қозғалысына басқадененің кедергісі қаншалықты аз болса, соншалықты оның қозғалысының ұзаққа созылатындығына оқушылардың назарын аударамыз. Осы тәжирбелердің негізінде мынадай қортындыны жасауға болады: денеге басқа денелердің әсері қаншалықты аз болса, соншалықты оның жылдамдығы баяу өзгереді. Ары қарай тәжірбиені ойша жалғастырып, денеге басқа денелер тіпті әсер етпеген жағдайда оның жылдамдық векторының өзгермейтіндігі жөніндегі қортындыға келеміз.

Кейінгі кезде бұл мақсат үшін дененің құрғақ мұз бетінде немесе ауа жастығы үстінде қозғалуын көрсететін демонстрация қолданыла бастады. Сәл ғана түрткінің әсерінен ауа жастығының үстінде қозғалыстың бір қалыпты болатындығын анық байқауға болады және тәжірбие үлкен әсер қалдырады. Осы тәжірбиелерден кейін Ньютонның бірінші заңының тұжырымы айтылады.

Физика курсының осы тұсында оқушылар өздерінің өмірден байқаған тәжірбиелерін қайтадан ойлануы үшін тарихи мәліметтер орынды болған болар еді. Механиканы оқығанда олардың ойлау келтірген жүйесі көпшілігінде «күш әсер етпесе қозғалыс жоқ» дейтін аристотельдік идеяға жақын.

Классикалық механикадағы масса ұғымының

қолданылу шекарасы

Классикалық механикада біз дененің массасын өзгермейтін шама ретінде түсіндік. Шындығында олай емес, масса дененің жылдамдығына байланысты шама. Тәжірбиелердің көрсетуі бойынша қозғалыстағы дененің массасы мынадай формуламен өрнектеледі:

m = m ₀ ⁄√v ² c ²

мұндағы m ₀ сол дененің тыныштықтағы массасы, v - дене жылдамдығы, c- жарықтың вакумдегі жылдамдығы, ол 3*10 ⁸ м/с-ке тең. Дене массасының жылдамдыққа байланысты өзгеруі 17-суретте график түрінде берілген. Формуланы талдау мынаны көрсетеді:денелердің қозғалыс жылдамдығы жарық жылдамдығына қарағанда өте аз болса (v<<c) , онда жеткілікті дәлдәкпен дене массасын оның тыныштықтағы массасына тең (m≈m ₀ ) деп қарастыруға болады; дененің жылдамдығы жарық жылдамдығына жақындаған

17- сурет

сайын (v ² ∕c ² →1) оның массасы шексіздікке ұмтылады; ол-жарық жылдамдығы табиғаттағы ең үлкен жылдамдық, жылдамдық одан артық болмайды деген сөз; ешқандай дене ондай және одан артық жылдамдықпен қозғала алмайды деген қортынды шығады.

Бұл келтірілген тұжырымдардың дәлелі ретінде қазіргі кезде экспериментальдік қондырғыларда элементар бөлшектердің жылдамдықтарын өте үлкен мәнге дейін өсіретіндегін келтіруге болады. Мысалы, синхротонда үдетілген электронның жылдамдығы жарық жылдамдығына жақындайтығын, сол кездегі оның массасы протонның тыныштықтағы массасынан артық болып кететіндігін айтуға болады.

Осы мәселені талқылау арқылы кейбір ғылыми ұғымдардың, мысалы, массаның классикалық ұғымының, салыстырмалы болатындығын айтып түсіндіруге болады. Дене жылдамдығы аз болғанда оның массасының тыныштықтағы массаменбірдей болуы, Ньютон механикасының баяу жылдамдықтар үшін дұрыс болатын физикалық теория екендігін дәлелдейді. Олай болса классикалық механиканың қолдану шекарасы бар.

Күш. Ньютонның екінші және үшінші заңы

Күшті қалайанықтауға болады? Ондай сандық өлшемді табу үшін алғашқы көрсетілетін тәжірбиелер белгілі бір күштің массасы әр түрлі денелерге жасайтын әерінзерттеуге арналған болуы керек.

Бұл мақсат үшін тек серпімділік күші ғана жарамды, өйткені ауырлық күші де өзара әсерлесетін денелердің қасиеттеріне байланысты, сондықтан олардың әр түрлі денелерге әсерін бірдей етіп алу мүмкін емес. Кез келген денеге серіппенің әсері тек оның деформациясына ғана тәуелді. Олай болса, белгілі дәрежеде деформацияланған серіппені әр түрлі массалы денелерге бірдей күшпен әсер жасау үшін пайдалануға болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.