Физикалық есептерді шығару әдістемесінің негіздері пәнінің

1-2 лекция.Есеп туралы жалпыланған ұғым, оның құрылымдық сипаттамасы

 

  Физика есептерінің түрлері, әр түрлі негіздері бойынша классификациялау. Пәндердің өзара байланыстылығы және оларды әртүрлі физикалық есептерді шығару кезінде жүзеге асыру жолдары.

Есеп шығару физиканы оқыту процесінің ұдайы бөлінбес құрамды бөлігі болып саналады, өйткені ол физика сабақтарының түгелдей  барлық түрлері мен кезеңдерінде және кластан тыс жұмыстарында кездеседі. Есеп шығару, физиканы оқытудың әдістері тәсілдері, амалдары ретінде әр жақты мағынада қолданылады. Әр сабақтың өзінде де физикалық есептерді шығарудың мынадай маңызы бар: 1) оқушылырдың логикалық және физикалық ойлауын дамытады, математикалық амалдар мен түрлендірулерді орындауға жаттықтырады, физикалық заттар мен эксперименттің сандық және сапалық мағыналарын ашады; 2) физикалық құбылыстар мен зандылықтардың практикалық маңызына және өмірмен байланыстылығына көз жеткізеді; 3) мектеп оқушыларын тапқырлыққа, өз бетінше жұмыс істеуге, еңбек сүйгіштікке, қиындықты жеңу төзімділігіне үйретеді, олардың ерік-жігерін қайрайды; 4) физикалық ұғымдарды, жастардың практикалық ебдейліктері мен дағдыларын, шығармашылық қабілеттерін қалыптастырады; 5) оқушылардың алған білімдерінің тереңдігі мен беріктігін тексереді; 6) сабақта проблемалық ситуация қойып, оны шешуге жәрдемдеседі; 7) физикалық құбылыстар мен заңдарды және теорияларды талдауға, қорытындылауға, олардың арасындағы өзара байланыстарды анықтауға жәрдемдеседі; 8) окушылардың білімдерін, ебдейліктерін, дағдыларын жүйеге келтіріп, оларды дамытады және тереңдетеді; 9) пән аралық байланысты (математика, химия, астрономия, сызу, биология, география) күшейтуге ықпал жасайды; 10) оқушылардың физикаға деген қызығушылығын арттырады. Сондықтан да физикадан есеп шығару бағдарлама және емтихан талаптары бойынша міндетті түрде қолданылатын оқыту әдістерінің негізгілерінің біріне саналады.

Физикалық есептерді  шығару арқылы мұғалім сабақта оқушылардың  білімі мен дағдыларын тексеріп бағалайды, жаңа материалды түсіндіреді және оны  бекітеді, проблема қойып оны зерттейді, сын жұмысын өткізеді, эксперимент орындатады, үйде өз бетінше жұмыс істетеді, олимпиада мен конкурстарды ұйымдастырады, т.т.

Физикалық есептер негізінен  мазмұны, дидактикалық мақсаты және шығару тәсілдері бойынша классификацияланады.

Физика есептері мазмұнына  қатысты физиканың жеке тарауларына (механика, оптика, т.т.) қарай және де тарихи, политехникалық мазмұнды, қызықгы, шығармашылықты, экспериментті, кешенді болып бөлінеді.

Эксперименттік есептер мына типтес болып та келеді:

1)  "Пружинаны   белгілі  масштабпен теңдей  өлшем  бірліктеріне бөліп (градуировка), оның ұзаруы мен оған түсірілген күштің байланыстылығын көрсететін формуланы өрнектеңіз".

2) "Берілген   сұйықтың   тығыздығын   ареометрдің   жәрдемімен анықтаңыз".

Бір мысал:

"Шахтаға массасы  280 кг лифт бірқалыпты үдемелі  қозғалыспен түсірілді. Ол 10с ішінде 35 м тереңдікке түседі. Лифт қанатының керілуін табыңыз."

Бұл есептердің 2-3 түрі бір  есепте бірігіп келсе, оны аралас (біріктірілген) кешенді есеп деп атайды, олар көп кездеседі.

Есепті  классификациялаудың түрлері.

Барлық физикалық есептер берілу шарты бойынша текстік, экспериментгік, графиктік, сурет-есеп сияқгы салаларға бөлінеді. Дидактикалық мақсатта олар қарапайым, жаттығу, күрделі (біріктірілген) есептер болып саналады. Қарапайым (оңай) есептер 1-2 формула мен заңдылықтарды, жеңіл экспериментті пайдалану арқылы шығарылады. Жаттығу есептері көбінесе жаңа материалды бекітуде сұрақ ретінде шешуде 10Н күш әсер еткенде дене 0,2 м/с² үдеу алады. Дененің массасын анықтаңыз"). Ал "қиын" (күрделі) есептерді шығаруда бірнеше бөлімдердің заңдары мен формулалары, қорытындылары мен эксперименттік дағдылары пайдаланылады.

Молекулалық физкада  ең маңызды ұғымның бірі -температура. Күнделікті байқаулар, тәжірибелер  жылудың ыстық  суық денеге  берілетіндігін көрсетеді. Температураның ең  басты қасиеті, оның жылу  алмасуының бағытын анықтайтындығын. Максвеллдің  анықтамасы бойынша:дененің температурасы, оның басқа  денелерге жылу  беру қабілетімен  сипатталатын термиялық күйі.  Изобаралық және изохоралық процестерде қысым, қысым мен көлем  температурасымен функционалды байланысты, яғни:

T=T(P)  және    T=T(V)

Сондықтан, бұл процестерде, көлем мен қысымның өзгерістері  арқылы, температураны  анықтауға  болады.  Температураны өлшейтін құралдар  термометрлер деп аталады.  Кез келген  термометр, басты қасиетінің  бірі температурадағы байланысты тез өзгертетін және оңай белгілеп  алуға  болатын, термометрлік  денеден тұрады. Осы дененің  температураға байланысты өзгертетін қасиеті  термометрлік  параметр Х деп  аталады және оның  өзгерісі арқылы  температуралық шкала жасады.  Температуралық шкалалар  жасауда заттардың көлемінің, қысымының, ұзындығының, электрлік  кедергісінің және т.б. параметрлерінің температураға әсері яғни тәуелділігі . Температураны  өлшеу ыңғайлы  болу үшін, термометрлік дене мен оның параметрі, мына түрдегі сызықтық функциямен өзгертетіндей  тұрғыда таңдап алынады:

X=a+bt

Теңдеудегі  a  және b тұрақтары, Х мәнін екі температураға  сәйкес анықтау  арқылы табылады. Практикалық  температураға сәйкес анықтау арқылы табылады.  Практилық температуралық  шкала былай жасалады: бастапқы қалпына қайта оралатын  екі күйдің қалыпты атмосфералық  қысымдағы мұздың  еру және судың қайнау нүктелерінің термометрлік  параметрінің  мәндері  анықталады. Халықаралық практикалық  температуралық  шкала белгіленген нүктелерден басқа да реперлік нүктелер пайдаланады. ( 1 кесте)

Кестеде әртүрлі заттардың  қайнау  және кристалдану нүктелері  бір атмосфералық қысым  үшін берілген. Көп ретте,  температураларды өлшеуге,  температуралық  параметр үшін көлем  алынатын, сұйық термометрлер  қолданылады.  Олар шыныдан жасады және 200-ден 600 С-ға дейін  өлшей алады.  Бұл термометрлер  сұйық, кварцтан жасалған, копиллер түтіктермен жалғанған, көлемге құйылады. Тұрмыстық параметрлердің дене үшін сипаты пайдаланылады.  Сынап – 39,8⁰ С-да қатады,  ал қалыпты қысымда 357,25 С-да  қайнайды. Бұданда жоғары температураларды өлшеуге пирттіктермометрлер қолданылады, ал пентан  құйылғандары – 200⁰С-ға дейінгі  температураларды өлшейді.  Сұйық термометрлерде шкаланың  ең кіші бөлігінің  құны 0,01⁰С.

Практикада  термометрлік  дене   ретінде, қасиеттері идеал  газға  жақын, H_{2 ,}N_2, не газдарын  пайдаланылатын  термометрлер жиі қолданылады.  Бұларда температура  өзгерісін, тұрақты көлемдегі қысым өзгерістері арқылы бағалайды.  Газдың термометрмен 2-ден 1300 к температураларды  өлшей алады.

Мысалы, платина және т.б. таза  металдардың  температуралары 0-ден 1000⁰С аралығында сызықты өседі, сондықтан  оларды электрлік термометрлерде  көп пайдаланылады. Бұларда термометрлік дене ретінде металл жіп алынады,  ал  температуралық параметр  кедергі.  Платиналық электрлік термометр -25,34-тен +630,74⁰С температуралар  аралығында эталондық термометр болып табылады.

 Электрлік кедергі термометрлік  денелерге жартылай өткізгіштер  (T;O₂ MgO-ның, қоспалары, Mn, Cu,Co, Ni  тотықтары) пайдаланады.  Жартылай өткізгіштердің  кедергілері температураға байланысты  өседі.  Термометрдің сезгіштігі 10^-30С-дан жоғары болмайды.

Тепе-теңдік күй    0⁰-С

Сутектің үштік нүктесі   -259,340 

Оттектің үштік нүктесі   -259,789

Сутектің үштік нүктесі  252,870

Судың үштік нүктесі   -182,962

Мұздың балқу нүктесі   0,010

Судың қайнау нүктесі   0,800

Мырыштың қайнау нүктесі         100,000

Күмістің кристалдану нүктесі   419,505

Алтынның кристалдану нүктесі  961,930.10,64,430

Температураларды өлшеу үшін, дәнекерленген  екі,  әртекті металдарды  да пайдаланады.  Оны термопара деп атайды.

Дәнекерленген және жалғанған А  және в  өткізгіштерінің бір  үшін  қыздырып не  суытатын болса, t₁ және t₂ дәнекерлерінің  арсында 1⁰С-ға, шамамен, 1 /105 В-қа термоэлектрлік қозғаушы  күш пайда болады.

Егер t₁, дәнекердің  температурасын тұрақты ұстаса термометрлік қозғаушы күш. Тек екінші дәнекердің температурасына тәуелді болады. Көбінесе  t₁ , дәнекер еріген мұзға батырылып қайтады, ал  t₂ қызған денеден жалғанады.  Термопаралық ЭҚҚ-і мен термисторлар  арқылы 1000⁰-С-тан жоғары температураларды  өлшеуге,  олардың қасиеттеріннің кенет   өзгеретініне байланысты,қолдану қиынға түседі.Сондықтан бұдан жоғары температураларды, зерттелінетін дененің сәуле шығару   интенсивтілігін  пайдаланылатын, пирометрлермен өлшейді. Ал өте төменгі температураларда, жылу өткізгіштік құбылыстық әсерінен зерттелетін дененің әсерінен  температурасын өзгертуіне байланысты,  айтылған термометрлерді қолдануға болмайды. Мұндай заттардың  температуралары зерттелетін дененің қасиетіне байланысты қасиетінің өзгерістері (магниттік термометрге) арқылы анықталады.

1. Массасы 0,8 кг сутек Корно циклін  жасайды. Ең жоғарғы қысым P₁=10⁶ Па,  ең төменгі қысым P₃=10⁵ Па. Ең кіші көлем V₁=12 м³,  ең үлкен көлем V₃=12 м³. Изотермиялар  мен адиабаталардың қиылысу нүктелеріндегі күй параметрлерін анықтаңдар. Сутек екі атомды  газ болғандықтан і=5

 Берілгені: 

m=8кг

P₁=10⁶Па

V₁=2 м³

P₃=10⁵Па

I=5

Шешуі: Карно циклі  екі изотермиядан  және екі адиабаталардан құрылады. 

12 қисығы газдың изотермиялық  ұлғаюын  сипаттайды. Ондай болса  1-қиылысу нүктесі үшін К.Менделеев  теңдеуі 

P₁V₁=m/M*RT₁    (1)

Бұл теңдеуден газдың бастапқы  T₁ температурасы табылады.

T₁=P₁*V₁=M/mR=10⁶*2*0.002/0.8*8.31=601K

 Мұнда M=0,002 кг/моль=сутектің  молярлық массасы 12 қисығы изотерма  болғандықтан T₁=T₂=601К.

Осы тұжырым 34 қисығы изотермия  сығылу үшін де орындалады. 3 нүктесі  үшін P₃V₃=m/M*RT₃,  мұнан T₃=P₃V₃*M/m*R   (2)

Теңдеуден T₃=10⁵*12*0,002/0,8*8,31=361К қисығы изотерма болғандықтан T₃=T₄=361К 2 қиысу нүктесі үшін мына  теңдеулерді жазуға болады.

P₁V₁=P₂V₂ (3)        (Бойль-Мариотт заңы)

P₂V₂=P₃V₃ (4)   (Пуассон теңдеуі)

(4) теңдеуі (3) теңдеуге  бөлу арқылы 2-ші қиысу нүктесіндегі  көлем табылады.

(P₃V₃/ P₁ V₁)= V₂/V₂    немесе V₂=(P₃V₃/P₁V₁)^1/V=3,262м³

Мұндағы U=CP/CV  - адиабаталық көрсеткіш

Сутек үшін   С_u=(i+2/2)* R₁, fk  C_v=(I/2)*R

Олай болса,  U=2/((i/2)*R)=(i+2)/R=1.4

Енді (3) теңдеуден 2-ші қиылысу  нүктесіндегі газдың қысымы P₂ табылады.

Себебі U₂ белгілі

P₂= P₁ U_1/ U₂₌10⁶*2/3.262=6.1310⁵Па

Соңғы 4 нүкте үшін де (3) және (4) теңдеулерге ұқсас екі  теңдеу жазылады. Себебі U₂ белгілі

P₂= P₁*U₁/U₂=10⁶*2/3,262=6,1310⁵ Па

Соңғы 4 нүкте үшін де (3) және (4)  теңдеулерге ұқсас екі теңдеу жазылады.  Себебі, 34 қысығы изотерма, ал 41 қисығы адиабата.

P₄V₄₌P₃V₃  (5) P₄V₄₌P₁V₁   (6)

(6) теңдеуді (5) теңдеуге  бөлу арқылы 4-ші қиысу нүктесіндегі  көлем табылады.

P₁ U₁/ P₃ U₃= U₄=1

Бұл нәтиже (5)  теңдеуден 4-ші нүктедегі P₄  қилысуды анықтауға мүмкіндік береді.

P₄=P₂V₃/V₄=10^5*12/7.17=1.68*10⁵Па.

 

Физика  есептерін шығарудың тәсілдері  мен әдістемесі.

Физикалық есептерді  шығару тәсілдерінің мынадай түрлері  кездеседі:

1)Арифметикалык, тәсілде есептер математикалық тендеулер кұрылмай, арифметикалық амалдардың жәрдемімен, сұрақтар қою 
арқылы    шығарылады.     Бұл    тәсіл, мысалы,    жылу    мөлшерін 
анықтауда көп қолданылады.

       2)Алгебралык, тәсіл   физикалық  формулалардың   негізінде математикалық   теңдеулер  құру   арқылы   есептер шығарғанда 
қолданылады. Мұндай есептер физиканың әр тарауында көп-ақ. Күрделі, қиын есептердің көбісі осы тәсілмен шығарылады.

       3)Геометриялық,   тәсіл    физикалық    есептерді    шығаруда 
фигуралардың геометриялық және тригонометриялық қасиеттерін қолдану қажет болған жағдайда пайдаланылады. Мұндай тәсіл кинематика,   статика,   электростатика,   фотометрия,   геометриялық оптика тарауларына есептер шығаруда көп қолданылады.

         4)Графиктік тәсіл арқылы есептер шығарылғанда, олардың 
жауаптары, түрлі графиктерді талдау негізінде алынады.

        5))Эксперименттік   тәсіл   бойынша   есептер   эксперимент 
жүргізудің негізінде шешіледі.