Дополнительная подготовка по физике учащихся подготовительных отделений и общеобразовательных школ в системе непрерывного образования "школа - технический вуз"

№ 284

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра физики

Дополнительная подготовка по физике 
учащихся подготовительных отделений 
и общеобразовательных школ 
в системе непрерывного образования
´школа ñ технический вузª

Механика

Учебное пособие для преподавателей
общеобразовательных школ и технических вузов

Допущено учебнометодическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для абитуриентов вузов, 
поступающих на направление Металлургия

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2007

УДК 531 
 
Д68 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. С.Д. Прокошкин 

 
 
 
Дополнительная подготовка по физике учащихся подго- 
Д68 товительных отделений и общеобразовательных школ в системе непрерывного образования «школа – технический вуз». Механика: Учеб. пособие для преподавателей общеобразовательных 
школ 
и 
техн. 
вузов. 
/ 
Ю.А. Андреенко, 
Д.Е. Капуткин, 
Е.В. Конарева, Н.С. Пурышева. – М.: МИСиС, 2007. – 92 с. 

В пособии анализируется проблема адаптации школьников и слушателей 
подготовительных отделений к обучению в техническом вузе с учетом специфики металлургических вузов, излагаются цели дополнительной подготовки по физике учащихся подготовительных отделений и общеобразовательнх 
школ в системе непрерывного образования «школа – технический вуз», выделяются в соответствии с целями базовые компоненты содержания, форм и 
методов дополнительной подготовки; прослеживается связь дидактики и частной методики при формировании у обучаемых инженерного подхода к решению задач; среди различных форм организации учебного процесса выделяется основная форма – самостоятельная работа обучаемых; а также предлагаются учебные материалы для реализации дополнительной подготовки. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2007 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Содержание, формы и методы дополнительной подготовки...........5 
2. Содержание Учебного материала программы...................................8 
3. Календарный план дополнительных занятий по физике  
в 9-х классах (60 ч).............................................................................10 
4. Организация обучения .......................................................................12 
4.1. Семинарские занятия...................................................................12 
4.1.1. Вопросы для самоконтроля по блоку «Базовые знания 
для изучения механики» ................................................................13 
4.1.2. Вопросы для самоконтроля по блоку «Основы 
кинематики»....................................................................................15 
4.1.3. Вопросы для самоконтроля по блоку «Основы 
динамики» .......................................................................................17 
4.1.4. Вопросы для самоконтроля по блоку «Элементы 
статики»...........................................................................................23 
4.1.5. Вопросы для самоконтроля по блоку  «Законы 
сохранения в механике».................................................................24 
4.1.6. Вопросы и задачи для подготовки  к семинару по 
кинематике прямолинейного движения .......................................28 
4.1.6.1. Равномерное движение .................................................28 
4.1.6.2. Равнопеременное движение..........................................32 
4.2. Упражнения..................................................................................40 
4.2.1. Примеры заданий базового уровня  из контрольнотренировочных работ  и вариантов рейтингового 
тестирования  в МИСиС ................................................................50 
4.2.2. Методика и примеры решения графических задач 
по кинематике .................................................................................61 
4.2.2.1. Методика решения графических задач........................61 
4.2.2.2. Примеры графических тестовых заданий ...................65 
4.3. Лабораторные занятия.................................................................67 
4.3.1. Определение ускорения силы тяжести  с помощью 
прибора Атвуда...............................................................................68 
4.3.2. Изучение законов сохранения импульса  и энергии 
при соударениях .............................................................................72 
4.3.3. Определение модуля Юнга  на приборе Лермантова........80 
4.3.4. Метод измерения твердости по Виккерсу..........................84 
Библиографический список...............................................................91 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В общеобразовательной школе в настоящее время существуют и создаются новые профильные и лицейские классы при высших учебных заведениях. Для вузов создание таких классов вызвано необходимостью поиска 
своего контингента обучаемых и возможностью работы с этим контингентом на более ранней стадии подготовки, для школы – возникающими в связи с этим обстоятельством дополнительными возможностями подготовки 
школьников к поступлению и обучению в вузе, что, в свою очередь, приводит к увеличению у них мотивации к обучению вообще и в данной школе в 
частности. 
При этом факультативные, элективные, интегрированные и прочие курсы приобретают, во-первых, специфику, соответствующую профилю вуза (в 
общем смысле технического, гуманитарного, в частном – исследовательского, технологического, филологического, юридического и т.д.), во-вторых, 
позволяют учащимся заблаговременно познакомиться с требованиями, 
предъявляемыми вузом к уровню подготовки, с вузовскими формами обучения, убедиться в правильности выбора будущей профессии и т.д. 
Очевидно, что важность подобного взаимодействия велика. Поэтому совместная подготовка обучаемых в системе непрерывного образования 
«школа – вуз» нуждается в тщательной технической проработке и научной 
обоснованности.  
В то же время, как будет показано далее, дополнительная подготовка по 
физике для учащихся общеобразовательных школ по содержанию, формам, 
методам и целям обучения соответствует подготовке учащихся подготовительных отделений технических вузов.  
Что касается специфики дополнительной подготовки по физике, соответствующей профилю вуза, то данное пособие учитывает специфику подготовки к обучению в технических вузах в целом и в металлургических вузах в частности. В пособии рекомендуется проведение семинаров по силам 
упругости и видам деформации, а также приводятся учебные материалы и 
вопросы для самоконтроля по этим темам. Известно, что экспериментальные методы механики нашли широкое применение в решении технологических задач обработки металлов давлением [1, с. 89]. Поэтому для пропедевтического освоения методик измерения среди лабораторных работ рекомендуются адаптированные для школьников и слушателей подготовительных 
отделений работы по определению модуля Юнга на приборе Лермантова и 
измерению твердости по методу Виккерса.  
Выполнение этих работ школьниками успешно апробировано на различных этапах сотрудничества МИСиС с лицеем г. Рошаля Московской области, инженерной школой № 906 г. Москвы и др. 
На разных этапах работы, связанной с появлением этого пособия, большое значение для ее успешного завершения имела поддержка со стороны 
проректора МИСиС профессора В.П. Соловьёва, директора института технологии материалов  МИСиС профессора В.А. Трусова, почетного профессора МПГУ С.Е. Каменецкого, профессора Л.М. Капуткиной, доцента 
С.М. Ионова и др. 

1. СОДЕРЖАНИЕ, ФОРМЫ И МЕТОДЫ 
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ 

Содержание, формы и методы дополнительной естественнонаучной подготовки определяются, с одной стороны, содержанием, формой и методами естественнонаучной общеобразовательной подготовки, с другой стороны, содержанием, формой и методами профессиональной подготовки по естественнонаучным и специальным техническим дисциплинам (в наиболее общем контексте они определяются перспективными целями непрерывного образования), т.е. содержание, формы и методы подготовки должны соответствовать целям обучения [2, 3]. 
Цели у школьников, обучаемых в системе непрерывного образования «школа – технический вуз», и слушателей подготовительных 
отделений одни и те же – подготовиться к обучению в техническом 
вузе и в итоге стать высококвалифицированными специалистами. 
Проблема адаптации слушателей к обучению в вузе, как показал 
опыт работы, является, по существу, центральной при разработке 
методики преподавания любой дисциплины на подготовительном 
отделении. Эта проблема для любого вуза должна решаться по следующим основным направлениям: 
– адаптация слушателей к формам и методам обучения в вузе; 
– адаптация слушателей к формам и методам проверки знаний в 
вузе. 
Кроме того, процесс адаптации к обучению необходимо организовать на основе учебного материала, содержание которого учитывало бы специфику вузов, а само обучение на подготовительном отделении должно быть направлено на формирование знаний, умений, 
навыков, необходимых для обучения в данном вузе [4]. 
Если сравнить направления, по которым решается проблема адаптации слушателей подготовительных отделений к обучению в вузе, с 
направлениями решения той же проблемы в отношении учащихся 
общеобразовательных школ (эта проблема уже анализировалась во 
введении), то они окажутся аналогичными.  
Выпускник технического вуза должен владеть инженерным подходом к решению задач, т.е. иметь высокий уровень: 
– логического мышления; 
– пространственных представлений; 
– естественнонаучных знаний; 
– специальных знаний; 

– навыков самостоятельного применения знаний в новой, незнакомой ситуации;  
– творческих способностей. 
Перечисленные компоненты инженерного подхода определенным 
образом оказывают влияние и накладываются на дидактику предмета, изучаемого по программе дополнительной подготовки как учащимися школ, так и слушателями подготовительных отделений. 
В дополнительной подготовке по физике особое значение имеют задания, развивающие у обучаемых модельные представления, а также 
задания, связанные с измерением физических величин и представлением зависимостей физических величин в виде таблиц, диаграмм, графиков. Как правило, если обучаемый понимает графическое представление 
изучаемого явления, то он понимает и суть самого явления. 
Включение в дополнительную подготовку специально перечисленных видов заданий обусловлено не столько их представленностью в экзаменационных билетах, сколько их значением для формирования у обучаемых инженерного подхода к решению задач. 
Очень важно выделить базовые знания по математике [4] для изучения физики и предметные физические знания, которые впоследствии 
послужат базой для усвоения специальных технических дисциплин. 
Например, операции с векторами и элементарными функциями, 
графические построения, операции по усреднению величин относятся к базовым знаниям для изучения физики. 
В свою очередь, элементы статики являются базой для изучения 
курса сопротивления материалов; умение рассчитывать электрические цепи – пропедевтическая основа для изучения электротехники, а 
законы сохранения в механике являются основными интегралами 
движения, изучаемыми в курсе теоретической механики. 
Безусловно, к базовым знаниям относятся аксиомы, постулаты и 
принципы, положенные в основу физической теории. Через сравнение базовых знаний этой группы, формирующих различные теории, 
можно прийти к пониманию различий изучаемых теорий и ряда существенных аналогий, возникающих в процессе сравнения. Это 
очень важно в методическом плане, поскольку новое знание возникает на пути поиска различий и аналогий. 
Так, принцип относительности Галилея и принцип относительности Эйнштейна – следствия различных представлений о пространстве и времени, но в обоих случаях физические законы инвариантны 
относительно любой инерциальной системы отсчета. Одно и то же 
условие экстремума лежит в основе используемого в оптике принци

па Ферма и используемого в теоретической механике принципа наименьшего действия (принципа Гамильтона). В частном случае это 
условие является определяющим для состояния устойчивого равновесия тела или системы тел. 
Если под методом понимать совокупность способов достижения 
поставленной цели, то рассмотрение содержательной стороны программы с точки зрения формирования у обучаемых инженерного 
подхода приводит нас к пониманию системы отбора учебного материала как одной из составляющих методики дополнительной подготовки в целом. 
В общем смысле под методами обучения понимаются способы 
управления учебно-познавательной деятельностью обучаемых. 
В контексте конечной цели дополнительной подготовки (формирование инженерного подхода) основным методом обучения становится самостоятельная работа обучаемых: 
– самостоятельная работа с источниками информации по заданному образцу; 
– самостоятельная работа над текстом с выделением причинноследственных связей (опережающее домашнее задание); 
– самостоятельное решение задач. 
Особая роль при организации самостоятельной работы принадлежит задачам, решение которых может быть осуществлено различными методами. Решение подобных задач связано с проблемой выбора 
наиболее оптимального пути и всегда содержит элемент творчества. 
С другой стороны, творческое владение методами решения задач 
сродни творческому использованию различных технологий в инженерной деятельности. 
В целом самостоятельная работа как метод относится к группе практических методов обучения, среди которых несомненную ценность 
(опять же в контексте поставленной цели) имеет лабораторный эксперимент, поскольку выполнение лабораторной работы направлено на 
формирование практических умений, в том числе исследовательских. 
Управление познавательной деятельностью обучаемых по программе дополнительной подготовки в основном осуществляется на 
практических занятиях. Особую роль в процессе обучения играют 
семинары.  
Целесообразно также отдельные занятия проводить в форме лекций, в частности вводных и обобщающих. Это способствует преемственности школьного и вузовского образования и более успешной 
адаптации учащихся к системе учебных занятий в вузе. 

2. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 
ПРОГРАММЫ 

Прямоугольная система координат. Вектор, модуль вектора, проекция вектора на координатную ось. Вычисление модуля вектора по 
его проекциям. Сложение векторов. 
Физическая величина. Единицы физических величин. Кратные и 
дольные приставки к единицам физических величин. Стандартный 
вид записи числа. Единицы длины и времени в СИ. Физические модели. Материальная точка как физическая модель. Вычитание векторов. Изменение физической величины (приращение и убыль физической величины). Радиус-вектор. Система отсчета. Координаты материальной точки как проекции радиуса-вектора на координатные оси. 
Траектория как линия, по которой движется конец радиуса-вектора 
материальной точки. Перемещение как приращение радиуса-вектора. 
Функциональная зависимость. Прямая пропорциональная, линейная, 
обратная и квадратичная зависимости функции от аргумента. Путь 
как неубывающая функция времени. Средняя путевая скорость. Производные единицы величин и их размерности. Пропедевтика понятия 
мгновенной путевой скорости. Вычисление пройденного пути по графику зависимости путевой скорости от времени. Равномерное прямолинейное движение. Зависимость пути и координаты материальной точки от времени при равномерном прямолинейном движении. 
Графическое описание равномерного движения. Умножение и деление вектора на скаляр. Скорость как вектор. Среднее ускорение. 
Равноускоренное прямолинейное движение. Зависимость проекции скорости на ось, пути и координаты от времени при равноускоренном прямолинейном движении материальной точки. Графическое 
описание равноускоренного прямолинейного движения. Равномерное 
движение материальной точки по окружности. Линейная и угловая 
скорости при равномерном движении по окружности. Формула связи 
линейной и угловой скоростей. Нормальное (центростремительное 
ускорение) при равномерном движении материальной точки по окружности. 
Первый закон Ньютона. Понятие об инерциальных и неинерциальных системах отсчета. Принцип относительности Галилея. Соотношение принципов и законов. Сила как характеристика и мера 
взаимодействия тел. Условия, при которых реализуются состояния 

покоя и равномерного прямолинейного движения. Второй и третий 
законы Ньютона. Масса как мера инертности тела.  
Прямолинейное движение под действием силы тяжести на примере движения тела, брошенного вертикально вверх. Динамика равномерного движения материальной точки по окружности. Закон всемирного тяготения. Вес тела. Движение спутников. Невесомость. 
Суперпозиция движений на примере криволинейного движения 
тел, брошенных горизонтально и под углом к горизонту. Направление линейной скорости при криволинейном движении. 
Модель абсолютно твердого тела. Вращательное движение твердого тела. Момент силы. Условия, при которых реализуются состояния покоя и равномерного вращательного движения твердого тела. 
Импульс тела. Второй закон Ньютона в импульсном виде. Закон 
сохранения импульса. Центр масс материальных точек. Внутренние 
и внешние силы. Условия, при которых реализуются состояния покоя и равномерного прямолинейного движения центра масс системы 
материальных точек. Условия сохранения проекции импульса на координатную ось. 
Работа сил. Мощность. Консервативные и сторонние силы. Потенциальная энергия. Теорема о кинетической энергии. Закон сохранения механической энергии. Энергетический метод решения задач. 
Если дополнительная подготовка школьников к обучению в вузе 
начинается с 9-го класса, то учебный материал программы, приведенный выше, целесообразно частично реализовать в 9-м и полностью в 10-м классах. Поэтому календарный план дополнительных 
занятий для 9-го класса приводится отдельно, причем предлагаемая 
поурочная разбивка учебного материала в определенной степени условна, так как является тематической; форма урока, за редкими исключениями, тоже не конкретизируется, поскольку форма занятия 
определяется целями и методами обучения, а эти вопросы касаются 
организации обучения и будут рассмотрены далее.  

3. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ 
ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ В 9-х КЛАССАХ (60 ч) 

Базовые знания для изучения физики, кинематика 
прямолинейного движения и движения по окружности 
материальной точки, метод размерностей  
и графический метод решения задач 

1. Прямоугольная система координат. Вектор, модуль вектора, 
проекция вектора на координатную ось. Вычисление модуля вектора 
по его проекциям. Сложение векторов. 
2. Физическая величина. Единицы физических величин. Кратные 
и дольные приставки к единицам физических величин. Стандартный 
вид записи числа. Единицы длины и времени в СИ. 
3. Физические модели. Материальная точка как физическая модель. Вычитание векторов. Изменение физической величины (приращение и убыль физической величины). Радиус-вектор. Координаты 
материальной точки как проекции радиуса-вектора на координатные 
оси. Система отсчета. Траектория как линия, по которой движется 
конец радиуса-вектора материальной точки. Перемещение как приращение радиуса-вектора. 
4. Функциональная зависимость. Прямая пропорциональная, линейная, обратная и квадратичная зависимости функции от аргумента. 
Путь как неубывающая функция времени. Средняя путевая скорость. 
Производные единицы величин и их размерности. 
5. Пропедевтика понятия мгновенной путевой скорости. Вычисление пройденного пути по графику зависимости путевой скорости 
от времени. 
6. Равномерное прямолинейное движение. Зависимость пути и координаты материальной точки от времени при равномерном прямолинейном движении. Графическое описание равномерного движения. 
7. Умножение и деление вектора на скаляр. Скорость как вектор. 
Среднее ускорение. Равноускоренное прямолинейное движение. Зависимость проекции скорости на ось, пути и координаты от времени при 
равноускоренном прямолинейном движении материальной точки. Графическое описание равноускоренного прямолинейного движения. 
8. Равномерное движение материальной точки по окружности. 
Линейная и угловая скорости при равномерном движении по окружности. Формула связи линейной и угловой скорости. Нормальное 
(центростремительное ускорение) при равномерном движении материальной точки по окружности.