Урок. 10 класс. Уир "Методы физического эксперимента"

Научный метод Галилео Галилея.

Вводный урок. 10 класс. УИР “Методы физического эксперимента” Мироненко Е.Н.
Цель урока:

• 
  Ознакомить учащихся с научным методом Галилео Галилея, как основным методом доказательства правильности физической теории, историей открытия Галилео Галилея ( библиографические сведения), сущностью стробоскопического метода. Провести прямую проверку гипотезы Галилео Галилея.
  
• 
  Сформировать познавательный интерес к изучению курса
  
• 
  Развить логическое мышление, политехнические знания и умения.
  

Ход урока:

• 
  Лекция
  

1. 
   Наука - феномен европейской культуры.
   

2. 
   Цель научного познания, НТР.
   
3. 
   Исследовательская деятельность – основа научного познания.
   
4. 
   Первые физические закономерности – Галилео Галилей, первая физическая теория – Ньютон
   

Основоположником научного метода исследова­ний явлений природы был Г. Галилей. Результаты исследования Г. Галилея были изложены в его зна­менитых «Диалогах».

Будущий великий ученый Галилео Галилей родился в 1564 г. в итальянском городе Пизе, известном своей знаме­нитой наклонной башней. Галилей учился в Пизанском университете, где сначала изучал медицину. Затем, бро­сив заниматься медициной, он уехал во Флоренцию, где изучал математику и меха­нику. В1589 г. Галилей — уже профессор математики этого университета. Здесь он занимался исследованиями по механике и аст­рономии: изучал законы падения тел, движения тел по наклонной плоскости и вел астрономические наблюдения. В 1609 г. он сконструировал первый телескоп, который давал увеличение в 30 раз.

После выхода в свет «Диалогов» Галилей в 1632 г. был вызван в Рим, где предстал перед судом инк­визиции. Начался знаменитый процесс Галилея. Книга Галилея находилась под запретом вплоть до 1822 г., однако уже в середине XVII в. учение Коперника и Галилея быстро распространяется в Европе.

Сочетание эксперимента и теории — сущность на­учного метода, созданного Г. Галилеем. Элементы этого метода представлены на схеме 2.

В качестве примера использования научного ме­тода рассмотрим, как в соответствии с ним Гали­лей решил многовековую проблему свободного па­дения тел — движения тела из состояния покоя под действием только силы тяжести. Ему удалось ус­тановить две закономерности такого движения, выбирая из двух гипотез (рис. 1).

Только применение научного метода позволило Г. Галилею преодолеть огромные трудности. Ме­тодов измерения скорости не существовало, и ма­ятниковых часов не было, а свободное падение тел происходит очень быстро.

5. 
   Научный метод Галилея.
   

Сначала Галилей применил свою идею мысленных экспериментов и нашел способ замены очень быс­трого падения тела медленным скатыванием его по желобу. Вот как это было сделано.

Вначале он проводил реальные эксперименты по изучению движения по наклонной плоскости. Для этого он брал длинный желоб, выстланный перга­ментом, и пускал по нему бронзовый шарик. Ско­рость движения шарика по желобу при маленьком наклоне изменяется значительно медленнее, чем при свободном падении, если наклон желоба не­большой.

Теперь Галилей уже мог подсчитать время движе­ния шарика, за которое он проходит разные пути по желобу. Он брал большое ведро, в дне которого сделано маленькое отверстие (схема 2). При зак­рытом отверстии Галилей наливал в ведро воду. Когда шарик начинал движение по желобу, Гали­лей открывал отверстие, и из ведра начинала мед­ленно вытекать вода. Когда шарик проходил нуж­ное расстояние, отверстие закрывалось, а масса вытекшей воды определялась взвешиванием.



Так как количество вытекшей воды можно считать пропорциональным времени ее вытекания, если от­верстие маленькое,

то по этому количеству можно определять время. Далее Галилею помогают интуиция и сила научного метода исследования. Из двух вариантов возможной зависимости скорости он интуитивно останавливается на первом: ско­рость увеличивается прямо пропорционально вре­мени движения.

Из этого предположения, которое Галилей не мог проверить экспериментально, он математически вывел следствие: путь должен быть пропорциона­лен квадрату времени.

Для доказательства Галилей поступил следующим образом (рис. 3). Путь, пройденный телом за вре­мя t, можно определить как площадь треугольника АВО. Пусть время увеличилось в два раза. Путь, пройденный телом за время 2t₀, равен площади тре­угольника OCD. А эта площадь в 4 = 2² раза боль­ше, чем площадь треугольника АВО. За время 3t₀ будет пройден путь в 9 = З² раза больше, чем за время t₀. Если предположить, что скорость пропор­циональна времени, то путь оказывается пропорци­онален квадрату времени движения.

На результатах реального эксперимента Галилей провел рассуждения — мысленный эксперимент: свободное падение тела под действием силы тяже­сти есть движение по наклонной плоскости с уг­лом наклона 90°. Поэтому при таком падении путь пропорционален квадрату времени, а скорость про­порциональна времени движения.

• 
  Экспериментальное исследование “Свободное падение”.
  

Цель работы: прямая проверка гипотезы Г. Галилея.

Ожидаемый результат: работа выполняется с целью подтверждения гипотезы о пропорциональности скорости и времени свободного падения и пропорциональности пройденного пути и квадрата времени движения. В результате ожидается получить линейную графическую зависимость v=v(t), и квадратичную зависимость S=S(t).

Метод : Современные способы исследования позволяют непосредственно ответить на вопросы, поставлен­ные Галилеем о зависимости скорости от времени и пути и зависимости пути от времени при свобод­ном падении. Например, можно воспользоваться стробоскопическим методом.

Он заключается в следующем. В затемненной ком­нате устанавливается фотоаппарат с открытым на все время процесса затвором, а движущееся тело осве­щается яркими вспышками света от специальной (стробоскопической) лампы. Каждая вспышка длится около 1/1000 секунды.

Вспышки повторяются с заранее заданной частотой.

При получении снимков часто применяют совер­шенный способ уменьшения трения. В пустотелую направляющую с одного конца нагнетается сжатый воздух, который выходит через многочисленные ма­ленькие отверстия, проделанные в поверхности на­правляющей. Под давлением воздуха тело припод­нимается примерно на 0,1 мм над поверхностью направляющей. Таким образом, действие силы тяже­сти на предмет оказывается скомпенсированным. Когда такому предмету сообщается начальная ско­рость, он сохраняет ее.

Ход работы:

На рисунке приведено изображение, созданное на основе стробоскопической фотографии свободно падающего тела. Вспышки лампы следовали с ин­тервалом t₀ = 1/30 с.

по рисунку измеряем расстояние l от точки бросания до точек A, B, C (для более точного построения графиков необходимо взять дополнительные точки O, M, L, K, E, D, ) полученные результаты занесем в таблицу с учетом масштаба. Помните, что при работе со стробоскопической фотографией необходимо оценить ее масштаб. Линейка, помещенная рядом с падающим шари­ком, имеет длину 1м = 1 000 мм.

1. 
   
   

Положения шарика	0	А	В	С	D	Е	O	M	K	L
L, мм.		130
∆t= 1/30n,с	0	6/30 = 0,2
∆l ,мм	0	129
v, м/с	0	1,9

2. 
   Определим интервал времени, за который был пройден путь до избранных точек. Т. к.между вспышками ∆t₀=1/30с. Следовательно ∆t=∆t₀•n, где n – количество вспышек ( количество вспышек отражено на рисунке около точек).
   
3. 
   Определим мгновенную скорость в точках, предполагая, что при малых перемещениях, движение можно считать равномерным и определить мгновенную скорость как среднюю за малый промежуток времени. Для приблизительного определения скорости в лю­бой из точек необходимо измерить расстояние ∆l, проходимое телом за время 2t₀ = 2/30 с = 1/15 с. Это зна­чение состоит из времени, равного ( 1/30 ) секунды, в течении которого тело двигалось до точки, и време­ни, равного ( 1/30 ) секунды, в течении которого тело двигалось — после. Расстояние для точки А равно ∆l = 129 мм. Результат измерения занесем в таблицу. ( Выполнение данного пункта вызывает наибольшие затруднения, поэтому требует особого внимания и контроля. Для первой и последней точек данные измерения произвести невозможно, т.к. невозможно определить∆l ).
   
4. 
   Вычислим мгновенную скорость в точках по формуле _, результат представить в м/с.
   

Например скорость в точке А равна:

5. 
   По данным таблицы, на миллиметровке строим графики зависимости υ=υ(t) и S=S(t).
   
6. 
   Сделаем выводы о правильности выдвинутой гипотезы.
   

Общие замечания по проведению работы:

1. 
   при построении графиков удобно для оси t взять масштаб 10мм=1/30с.;
   
2. 
   в отчет о проведенной работе графики вклеиваются;
   
3. 
   отчет должен содержать не только таблицу, н6о и вычисления;
   
4. 
   работа обязательно сдается на проверку в течении 1-2 дней, т.к. обычно работы содержат большое количество вычислительных ошибок и ошибок измерения, после первичной проверки работа исправляется и сдается повторно, это позволяет в дальнейшем исключить небрежность при выполнении работ.