Пояснительная записка
Элективный курс «Прикладная физика» предназначен для учащихся старшей
школы, выбравших естественно-научный, физико-математический или
инженерный профиль обучения, а также для тех, кто проявил повышенный
интерес к изучению физики и математики. Курс рассчитан на 35/70 ч (1 или 2
ч в неделю).
Общая характеристика курса. Данный курс связан содержательно с
курсами физики и математики основной школы, т.е. содержание курса
носит интегрированный характер. Изучение предлагаемого элективного
курса направлено на углубление и обобщение знаний школьников о
механических процессах и устройствах, в частности о механике узлов
машин и механизмов, применяемых в современной технике.
Несмотря на то, что многие вопросы теории механического движения, а
также примеры применения механических законов достаточно подробно
рассматриваются в стандартных учебниках физики, принципы работы
важнейших механизмов, основанных на этих законах и применяемых в
современной технике, не изучаются в стандартном курсе физики практически
совсем. Изучение стандартного курса физики не позволяет понять не
только принципы работы основных узлов и механизмов, применяемых в
технике, но даже и принципы работы многих простейших механизмов.
В предлагаемом элективном курсе в той или иной степени затрагиваются
такие специфические темы прикладной механики, как:
— механизмы, преобразующие движение;
— механизмы, дающие выигрыш в силе;
— механизмы, преобразующие энергию;
— механизмы, использующие быстрое вращательное движение;
— гидротехнические механизмы и приспособления;
— тепловые машины и электротехнические механизмы;
— сопротивление материалов и строительная механика;
— механизмы, использующие колебательные процессы.
В предлагаемом элективном курсе значительное внимание уделено как
теоретическим принципам действия механизмов, основанным на известных
законах физики, так и практическим заданиям по темам элективного курса.
Заметная часть элективного курса отведена практическим работам, большая
часть которых имеет творческий характер.
Отдельное внимание уделено вопросам истории изобретения, развития и
применения различных механизмов, помогающим раскрыть творческий
характер исследовательской и изобретательской деятельности человечества
в технической сфере.
Цель курса: расширение, углубление и обобщение знаний о принципах
работы и устройстве важнейших узлов и механизмов, применяемых в
современной технике, и о принципах и подходах к изобретательской
деятельности в этой сфере.
Задачи курса:
— развитие естественно-научного мировоззрения учащихся;
— развитие приёмов умственной деятельности, познавательных интересов,
склонностей и способностей учащихся;
— развитие внутренней мотивации учения, формирование потребности в
получении новых знаний и применение их на практике;
— расширение, углубление и обобщение знаний по физике;
— использование межпредметных связей физики с химией, математикой,
биологией, историей, экологией, рассмотрение значения этого курса
для успешного освоения смежных дисциплин;
— совершенствование экспериментальных умений и навыков в
соответствии с требованиями правил техники безопасности;
— рассмотрение связи физики с жизнью, с важнейшими сферами
деятельности человека;
— развитие у учащихся умения самостоятельно работать с дополнительной
литературой и другими средствами информации;
— формирование у учащихся умений анализировать, сопоставлять,
применять теоретические знания на практике;
— формирование умений по решению экспериментальных и теоретических
задач.
Планируемые результаты освоения курса
В результате изучения элективного курса на уровне среднего общего
образования у учащихся будут сформированы следующие предметные
результаты.
Учащийся научится:
—
на конкретных примерах описывать физические принципы, определяющие устройство и формы проявления материального мира, и понимать
эти принципы;
—
раскрывать на примерах роль физики и механики в формировании
современной научной картины мира и в практической деятельности
человека, взаимосвязь между физикой и другими естественными науками;
—
критически оценивать и интерпретировать физическую и техническую
информацию, содержащуюся в сообщениях средств массовой информации,
ресурсах Интернета, научно-популярных статьях с точки зрения
естественно-научной корректности в целях выявления ошибочных суждений
и формирования собственной позиции;
—
устанавливать взаимосвязи между фактами и теорией, причиной и
следствием при анализе проблемных ситуаций и обосновании принимаемых
решений на основе физических знаний.
Учащийся получит возможность научиться:
—
формулировать цель исследования, выдвигать и проверять
экспериментально собственные гипотезы о механических особенностях
работы устройств той или иной конфигурации и конструкции;
—
самостоятельно планировать и проводить эксперименты с
соблюдением правил безопасной работы с лабораторным оборудованием;
—
интерпретировать данные, полученные в результате проведения
технического эксперимента;
—
прогнозировать возможность создания и функционирования тех или
иных технических механизмов или устройств.
Учебно-методическое обеспечение курса включает в себя учебное пособие
для учащихся, программу элективного курса.
Учебное пособие для учащихся обеспечивает содержательную часть курса.
Содержание пособия разбито на параграфы, содержит дидактический
материал (вопросы, упражнения, задачи, домашний эксперимент),
практические работы.
На занятиях данного курса учащиеся углубляют свои знания в области
физики вообще и механики в частности, узнают много нового о принципах
работы механических и физических инженерных конструкций и
устройств. В результате изучения данного курса расширяется мировоззрение
учащихся, развивается их познавательный интерес, интеллектуальные и
творческие способности, формируются предметные, общеучебные и
специфические умения и навыки школьников.
Курс насыщен экспериментальным материалом: демонстрационным
экспериментом, практическими работами. По желанию учителя и в
зависимости от оснащённости кабинета некоторые практические работы
можно перевести в работы исследовательского характера.
Использование в учебном процессе практических работ способствует
мотивации для обобщения учебного материала, расширяет возможность
индивидуального и дифференцированного подхода к обучению, повышает
творческую активность учащихся, расширяет их кругозор. Включение
таких работ в элективный курс прививает школьникам исследовательский
подход к выполнению практических работ, помогает овладевать доступными
для учащихся научными методами исследования, формирует и развивает
творческое мышление, повышает интерес к познанию химических явлений и
их закономерностей. Данные практические работы связаны с
определением не только качественных, но и количественных характеристик.
Систематическое выполнение количественных экспериментальных задач
развивает у учащихся аккуратность, помогает выработке навыков точной
количественной оценки результатов эксперимента.
Каждая практическая работа включает краткие теоретические сведения и
экспериментальную часть. Работы выполняются в группах по 3–4 человека.
Выполнение исследования требует предварительной подготовки. Учитель
отдельно работает с группами учащихся перед проведением эксперимента.
Элективный курс допускает использование любых современных
образовательных технологий по усмотрению учителя, различные
организационные формы обучения: лекции, семинары, беседы, практические
и лабораторные работы, исследовательские работы, конференции.
В качестве основной организационной формы проведения занятий
предлагается проведение лекционно-семинарских занятий, на которых даётся
объяснение теоретического материала и решаются задачи по данной теме.
Для повышения интереса к теоретическим вопросам и закрепления
изученного материала предусмотрены демонстрационные опыты и
лабораторный практикум.
Формами контроля за усвоением материала могут служить отчёты по
практическим работам, самостоятельные творческие работы, тесты, итоговые
учебно-исследовательские проекты. Итоговое занятие проходит в виде
научно-практической конференции или круглого стола, где заслушиваются
доклады учащихся по выбранной теме исследования, которое может быть
представлено в форме реферата или отчёта по исследовательской работе.
Основные идеи курса:
— внутри- и межпредметная интеграция;
— взаимосвязь науки и практики;
— взаимосвязь человека и окружающей среды.
Содержание курcа
Тема 1. Физические принципы прикладной механики (2/2 ч)
Условия равновесия тел, статика, принцип возможных перемещений,
кинематические связи.
Примеры и задачи.
Тема 2. Механизмы, дающие выигрыш в силе (3/6 ч)
Простые механизмы — наклонная плоскость, клин, рычаг, блок, ворот.
Физические законы и технические принципы, приводящие к выигрышу в
силе.
История развития простых механизмов и примеры реализации принципов
простых механизмов в современных устройствах и инструментах.
Задачи и задания.
Практическая работа «Проектирование, изготовление и испытание
сложного простого механизма (например, сложного блока с выигрышем в
силе в 5, 8 или 16 раз)».
Теоретическое задание «Разработка простого механизма, дающего
выигрыш в силе в нестандартное число раз (например, в 7 раз или в p
раз), или теоретическое обоснование невозможности создания та- кого
механизма на базе изученных законов механики».
Тема 3. Простые механизмы, преобразующие движение (винт, шестерни,
механизмы передачи вращательного и поступательного движения) (3/6
ч)
Простые механизмы, преобразующие движение (винт, шестерни,
цилиндрическая передача, коническая передача, червячная передача,
простейшие шарниры (как пример), коленчатый вал и др.).
Технические принципы, обеспечивающие преобразование поступательного и
вращательного движения с заданными входными и выходными параметрами.
Значение кинематической связи.
Задачи и задания.
Практическая работа «Проектирование, изготовление и испытание
механизма преобразования движения с заданными параметрами».
Тема 4. Сложные механизмы, преобразующие движение (шарниры —
простые и великие) (6/12 ч)
Карданный шарнир, дифференциал, шарнир Липкина–Посселье, шарниры
Чебышева. Шарнир равных угловых скоростей.
Теоретические основы и технические принципы, обеспечивающие
преобразование поступательного и вращательного движения с заданными
входными и выходными параметрами. Роль кинематических связей при
преобразовании движения в трёхмерном пространстве.
История развития механизмов преобразования движения и примеры их
применения в современных устройствах и инструментах.
Задачи и задания.
Практическая работа «Проектирование и компьютерное моделирование,
изготовление достаточно сложного механизма преобразования движения с
заданными параметрами».
Тема 5. Механизмы, использующие быстрое вращательное движение
(гироскопы) (3/6 ч)
Механизмы, использующие быстрое вращательное движение. Их роль в
технике. Велосипед и мотоцикл. Гироскопы. Гироаккумуляторы энергии.
Теоретические основы и технические принципы использования быстрого
вращательного движения в технических устройствах.
История развития гиромеханизмов и примеры их применения в современных
устройствах.
Задачи и задания.
Практическая работа «Изучение гироскопа».
Тема 6. Гидротехнические механизмы и устройства (3/6 ч)
Гидромеханика. Водяное колесо, сифон и гидравлический пресс.
Теоретические основы и технические принципы, работа гидромеханических
устройств.
История развития гидромеханики. Сифон Герона. Законы Архимеда,
водопровод, акведуки. История водопровода и канализации.
Применение гидромеханики в современных устройствах и инструментах.
Задачи и задания.
Практическая работа «Проектирование, изготовление и испытание
простого гидромеханического устройства, например сифонного механизма
подачи воды».
Тема 7. Механизмы, преобразующие энергию. Часть 1 (3/6 ч)
Механизмы, преобразующие тепловую энергию в механическую. Тепловые
машины.
Теоретические основы и технические принципы, обеспечивающие
преобразование тепловой энергии в механическую. Принципы работы
тепловых машин. Двигатели Карно.
История развития тепловых машин. Первые тепловые машины и их
применение. Паровые машины. Двигатели внутреннего сгорания.
Современные тепловые машины и двигатели.
Задачи и задания.
Практическая работа «Изучение двигателя Стирлинга (или простейшего
двигателя внутреннего сгорания)».
Тема 8. Механизмы, преобразующие энергию. Часть 2 (3/6 ч)
Электромагнитные генераторы и электродвигатели.
Теоретические основы и технические принципы, обеспечивающие
преобразование тепловой и механической энергии в электромагнитную и
наоборот. Принцип обратимости.
История развития электрогенераторов, электродвигателей и систем передачи
электрической энергии на большие расстояния. «Война токов».
Задачи и задания.
Практическая работа «Конструирование, изготовление и испытание
простого униполярного электродвигателя».
Тема 9. Сопротивление материалов и строительная механика (3/6 ч)
Прикладная механика в строительстве. Строительные материалы и
конструкции. Их параметры и свойства.
Теоретические основы физики прочности. Принципы расчёта параметров
сопротивления материалов. Принцип арки.
История развития строительной механики. Кирпич. Мосты и акведуки.
Дороги.
Задачи и задания.
Практическая работа «Проектирование, расчёт прочностных
характеристик, построение и испытание арки с заданными строительными
параметрами».
Тема 10. Механические колебания и их использование (3/6 ч)
Механические колебания как эталон времени. Теоретические основы физики
колебаний.
История развития механизмов измерения времени. Анкерный механизм.
Часы механические и электромеханические. Современные устройства
точного измерения времени.
Задачи и задания.
Практическая работа «Изучение и математическое моделирование
колебаний маятника на сложном подвесе».
Тема 11. Научно-практическая конференция (2/4 ч)
Обсуждение практических работ исследовательского характера и рефератов
на тему о перспективах развития прикладной механики в будущем. Какие
механизмы люди будут использовать через 100, 200 или 300 лет. Подведение
итогов (круглый стол).
ПОУРОЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ 10 – 11 класс
№
1
Название темы, урока
Физические принципы прикладной механики
Кол -во
часов
1
Задачи и задания
Механизмы, дающие выигрыш в силе. Простые механизмы
3-4 — наклонная плоскость, клин, рычаг, блок, ворот
1
5-6 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование, изготовление и
испытание сложного простого механизма (например,
7-8 сложного блока с выигрышем в силе в 5, 8 или 16 раз)»
Простые механизмы, преобразующие движение (винт,
9- шестерни, механизмы передачи вращательного и
10 поступательного движения)
1112 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование, изготовление и
13- испытание механизма преобразования движения с
14 заданными параметрами»
1516 Сложные механизмы, преобразующие движение. Часть 1
1718 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование и компьютерное
моделирование, изготовление достаточно сложного
19- механизма преобразования движения с заданными
20 параметрами»
2122 Сложные механизмы, преобразующие движение. Часть 2
2324 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование и компьютерное
моделирование, изготовление достаточно сложного
25- механизма преобразования движения с заданными
26 параметрами»
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2728
2930
3132
3334
Механизмы, использующие быстрое вращательное
движение
2
Задачи и задание
2
Практическая работа «Изучение гироскопа»
2
Гидротехнические механизмы и устройства
2
11 класс
3536 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование, изготовление и
37- испытание простого гидромеханического устройства,
38 например, сифонного механизма подачи воды»
3940 Механизмы, преобразующие энергию. Часть 1
4142 Задачи и задания
43- Практическая работа «Изучение двигателя Стирлинга (или
44 простейшего двигателя внутреннего сгорания)»
4546 Механизмы, преобразующие энергию. Часть 2
4748 Задачи и задания
49- Практическая работа «Конструирование, изготовление и
50 испытание простого униполярного электродвигателя»
5152 Сопротивление материалов и строительная механика
5354 Задачи и задания
Практическая работа «Проектирование, расчёт
55- прочностных характеристик, построение и испытание арки
56 с заданными строительными параметрами»
5758 Механические колебания и их использование
5960 Задачи и задания
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6162
6368
Практическая работа «Изучение и математическое
моделирование колебаний маятника на сложном подвесе»
Обсуждение практических работ исследовательского
характера и рефератов
2
6
Список литературы
1.
История изобретений и открытий (Вторая история человечества). Курс
С.Е. Муравьева и А. Ольчака (НИЯУ МИФИ) на портале Coursera.ru
2.
Калашников Н. П. Начала физики: учеб. пособие для подготовки к
ЕГЭ / Н. П. Калашников, С. Е. Муравьев. — М.: Ойкумена, 2013.
