Математика и физика в средней школе (111428)

Посмотреть архив целиком

32



Содержание:

Введение

Глава 1. Математика и физика в средней школе.

§1.1. Принцип связи физик с другими учебными предметами.

§1.2. Содержание межпредметных связей физики и математики.

§1.3. Взаимосвязь обучения физике и математике.

Глава 2. Вектор в физике и математике.

§2.1. Введение понятия вектора и действий с векторами при изучении механики и математики в 9 классе средней школы.

§2.2. векторная величина в средней школе.

Глава 3. развитие понятия функции в школьном курсе физике.

§3.1. Функция как важнейшее звено межпредметных связей.

§3.2.Формирование физико-математических понятий: производная, первообразная и интеграл в школе.

Заключение

Литература



Введение:


Математика и физика обычно считаются наиболее трудными предметами школьного курса. Во все переходы формирования человеческого сознания эти направления научной мысли развивались взаимосвязано, стимулируя обоюдный прогресс. Широко распространено мнение о том, что в школьном преподавании интеграция физики с математикой возможна только в классах с углубленным изучением этих предметов. Я же считаю, что многие элементы такой интеграции могут сделать изложение физики более ясным и доступным на всех уровнях её изучения. Непонимание школьниками и абитуриентами какого-либо вопроса из курса физики или неумение решить физическую задачу часто связаны с отсутствием навыков анализа функциональных зависимостей, составлением и решением математических уравнений, неумением проводить алгебраические и геометрические построения.

Современное преподавание требует органического сочетания экспериментального и теоретического методов изучения физики, выявление сути физических законов на основе доступных школьнику понятий элементарной математике. Такой подход одновременно обеспечивает повышение уровня математических знаний, формирует логическое мышление, осознание единства материального мира.

Поэтому целью курсовой работы является:

  1. Определить сущность, функции межпредметных связей и их классификацию;

  2. Показать какие понятия математики и каким образом используются в физике.

Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 15 наименований.

Глава 1. Математика и физика в средней школе.


§1.1. Принцип связи физик с другими учебными предметами.


Принцип межпредметной связи лежит в основе изучения физики, поскольку это наука включает знания из других областей и в свою очередь необходима для их понимания. При рассмотрении многих явлений и процессов на уроках физики нужны знания математики, географии, химии, биологии и другие. Вместе с тем и для изучения этих учебных дисциплин необходимы глубокие и прочные знания физики и методов физической науки (например, применение понятий энергии и закона сохранения и превращения энергии в биологических процессах; физические явления, законы и методы в астрономии и т.д.). это значит, что в принципе межпредметных связей находит своё воплощение дифференциация и интеграция наук, которые в настоящее время развиты так хорошо [1]. Эти процессы влияют и на развитие общего среднего образования.

Школьные программы по физике построены так, что большое внимание уделяется в них осуществлению межпредметных связей. При этом преследуются следующие цели [1]:

  • формирование систематичности общего представления о природе на основе диалектического единства всех естественнонаучных знаний;

  • обеспечение систематичности знаний (внутрипредметные и межпредметные связи), ведущеё к сознательному и прочному их усвоению, способствующей развитию научного мышления и памяти;

  • выработка у учащихся умения устанавливать всесторонние связи между понятиями и теориями, отражающие объективно существующие отношения в природе;

  • развитие естественнонаучного и научно-технического мышления;

Межпредметные связи могут быть осуществлены различными путями в органическом единстве, целенаправленно и систематически. Рассмотрим важнейшие из них:

  • Синхронные многопредметные связи. При изучении естественных наук раскрывается механизм явлений (физических, химических, биологических, астрономических) на разных уровнях строения вещества (молекулярном, атомном, ядерном и элементарных частиц), устанавливается связь между свойствами материальных объектов и их внутренним строением. Перенос знаний из одной области науки в различные ситуации других областей убеждает учащихся в том, что сила научного знания не только в логическом построении какой-либо его области, но и в универсальности, всеобщности фундаментальных положений науки. Усвоение фундаментальных положений науки, её принципов, умение получать из них частные случаи и применять их в смежных учебных дисциплинах представляют собой высокую степень осознанности, прочности и применимости знаний. Все это помогает повышать научный уровень каждого учебного предмета в школе.

  • Асинхронные (взаимные) связи. Временные связи между учебными предметами необходимо осуществлять так, чтобы не нарушать логической структуры какого-либо из них, поэтому межпредметные связи должны быть взаимными. Из этого следует, что в ряде случаев полезно провести изучение некоторых понятий смежной учебной дисциплине, например, ознакомить школьников с понятиями силы, скорости и ускорения на уроках физике, а за тем сформулировать понятия о векторах, первой и второй производной в математике.

  • Понятийные связи учитываются при разработке учебных программ, планов, учебников и практике преподавания.

  • Идейные связи – это согласование и взаимодополняющие трактовки одних и тех же фундаментальных фактов, понятий законов и теорий в различных учебных предметах на основе общих руководящих идей, концепций и принципов.

  • Связи по методам науки обеспечивают глубоко содержательное взаимное проникновение учебных предметов при условии, что в каждом из них, кроме специфических методов своей науки, будут использованы методы смежных дисциплин. Такая связь многих предметов с курсом физики обусловлена в первую очередь распространенностью физических методов в естествознании.

  • Системно-синтетические связи учебных предметов, каждый из которых своим содержанием и методами своей науки раскрывает свойства объектов и законы материального мира, позволяют дать школьникам общее представление о веществе и поле как о двух видах материи, о формах движения материи, изучаемых на занятиях естественно-математического цикла дисциплин. В эпоху большой дифференциации знаний синтез учебного материала на определенном уровне образования крайне необходим [2].

Системно-синтетические связи реализуются тогда, когда понятийные и идейные связи, а также связи по методам науки выступают одновременно в органическом единстве.

Нужно помнить что реализация в процессе обучения межпредметных связей облегчает школьникам понимание нового материала, повышает эффективность учебного процесса.


§1.2. Содержание межпредметных связей физики и математики.


Связи между науками математики и физики многообразны и постоянны [2]. Объектом чистой математики является весьма реальный материал: пространственные формы и количественные отношения материального мира. Тот факт, что этот материал принимает чрезвычайно абстрактную форму, может лишь слабо затушевать его происхождение из внешнего мира. Но чтобы быть в состоянии исследовать эти формы и отношения в чистом виде, необходимо совершено отделить их от их содержания, оставить это последнее в стороне, как нечто безразличное. Из этих соображений вытекает, что основным методом математики является метод абстракции. По способу отражения действительности она является аспектной наукой. Её предметной областью является вся действительность, другими словами, нет ни одной материальной области, в которой не проявились бы закономерности, изучаемые математикой. Таким образом, математика изучает количественные отношения и пространственные формы как существующих областей объектов, так и тех, которые можно «сконструировать» [4].

Физика, как наука, имеет своей предметной области фундаментальные свойства материи в двух её формах – в форме вещества и поля. Они представляют собой комплекс самостоятельных областей знания, объединённых исходными принципами, фундаментальными теориями и методами исследования. В начале физика главным образом исследовала свойства окружающих нас тел.

Однако уже на этом этапе изучались и некоторые общие проблемы – движение, взаимодействие тел, строение вещества, природа и механизм ряда явлений, например тепловых, звуковых, оптических. Следовательно первоначально физика была в основном объектной наукой. Но в ХХ веке главным объектом физики становятся фундаментальные явления природы и описывающие их законы.

Математика как наука сформировалась первой, но по мере развития физических знаний математические методы находили всё большее применение в физических исследованиях.

Взаимосвязи математики и физики определяются прежде всего наличием общей предметной области, изучаемой ими, хотя и с различных точек зрения. Взаимосвязь математики и физики выражается во взаимодействии их идей и методов. Эти связи можно условно разделить на три вида, а именно [3]:

  1. Физика ставит задачи и создает необходимые для их решения математические идеи и методы, которые в дальнейшем служат базой для развития математической теории.

  2. Развитая математическая теория с её идеями и математическим аппаратом используется для анализа физических явлений, что часто приводит к новой физической теории, которая в свою очередь приводит к развитию физической картины мира и возникновению новых физических проблем.

  3. Развитие физической теории опирается на имеющийся определенный математический аппарат, но последний совершенствуется и развивается по мере его использования в физике.


§1.3. Взаимосвязь обучения физике и математике.


Современный курс математики построен на идеях множества, функции геометрических преобразований, охватывающих различные виды симметрии. Школьники изучают производные элементарных функций, интегралы и дифференциальные уравнения. Математика не только дает физики вычислительный аппарат, но и обогащает её в идейном плане.

На уроках математики школьники учатся работать с математическими выражениями, а задача преподавания физики состоит в том, чтобы ознакомить учащихся с переходом от физических явлений и связей между ними к их математическому выражению и наоборот [5].

Одно из центральных математических понятий в школьном курсе физики – понятие функции. Это понятие содержит идеи изменения и соответствия, что важно для раскрытия динамики физических явлений и установления причинно-следственных отношений.

В школьном курсе математики рассматривают координатный метод, изучают прямую и обратную пропорциональные зависимости, квадратичную, кубическую, показательную, логарифмическую и тригонометрические функции, строят их графики, исследуют и применяют их основные свойства.

Все это позволяет школьникам осмысливать математические выражения физических законов, с помощью графиков анализировать физические явления и процессы, например всевозможные случаи механического движения, изопроцессы в газах, фазовые превращения, колебательные и волновые процессы, спектральные кривые электромагнитных излучений и др. [13].

Усвоение координатного метода помогает также сознательно пользоваться понятием системы отсчета и принципом относительности движения при изучении всего курса физики и особенно основ теории относительности и релятивистских эффектов.

Знание понятия производной позволяет количественно оценить скорость изменения физических явлений и процессов во времени и пространстве, например скорость испарения жидкости, радиоактивного распада, изменения силы тока и др.

Умение дифференцировать и интегрировать открывает большие возможности для изучения колебаний и волн различной физической природы и вместе с тем для повторения основных понятий механики (скорости, ускорения) более глубоко, чем они трактовались при введении, а также для вывода формулы мощности переменного тока и др. Пользуясь идеями симметрии, с которыми учащиеся знакомятся на уроках математики, можно физически содержательно рассмотреть строение молекул и кристаллов, изучить построение изображений в плоских зеркалах и линзах, выяснить картину электрических и магнитных полей [1].

Тесная связь между школьными курсами физики и математики является традиционной. В результате коренной перестройки преподавания этих дисциплин связь между ними усилилась, однако имеют место и некоторые нарушения [6], и хотя они не столь уж значительны знание их позволит учителю физики более эффективно построить преподавание предмета.

  1. В ряде случаев новые математические понятия вводятся на уроках физики раньше, чем математики:

    • Понятия аргумента ∆х и приращения функции ∆f вводятся в математике в10 классе, а в курсе физики в 9 классе при изучении мгновенной скорости. В этом месте курса физики понятия приращения аргумента и приращения функции ещё выражены нечётко, к тому же время является скалярной величиной, а перемещение – векторной, в то время как в математике 10 класса вводится понятие приращения лишь для скалярных величин.

    • С радианным измерением углов учащиеся также знакомятся раньше на уроках физики, а не математики: в математике о радианном измерении углов впервые говорится в 10 классе, а в физике оно рассматривается уже в 9 классе в связи с изучением угловой скорости.

    • Понятие предела физики рассматривается в 10 классе на уроках математики и физики, но в физике несколько раньше. Когда проводится анализ уравнения Менделеева – Клапейрона

,

сказано следующее: « Это давление исчезает лишь при m0 или V∞, а также при Т0 [5].

Разъясняя ученикам этот материал, учитель физики должен здесь пользоваться интуитивным понятием предела, предварительно выяснив, как изменяется дробь, когда числитель неограниченно уменьшается, знаменатель неограниченно возрастает, а числитель не меняется.

  1. Имеют место случаи, когда чисто математические понятия в математике не рассматриваются, а в физике вводятся и используются. В геометрии подробно рассматриваются операции сложения вычитания векторов, умножение вектора на число, и совершенно отсутствует понятие проекции вектора на ось.

  2. Не всегда на уроках физики используются некоторые математические понятия, которые прочно утвердились в математике. В физике не пользуются понятием противоположных векторов и нулевого вектора, хотя они известны учащимся из курса геометрии 8 класса.

  3. В учебниках физики и математики иногда используется различная терминология.

  • В учебниках математики вместо старого термина «абсолютная величина числа» применяется термин «модуль числа». В учебниках по физике продолжают пользоваться термином «абсолютная величина».

  • В школьном курсе математики применяется термин «длина вектора», поскольку рассматриваются исключительно геометрические векторы. В школьном же курсе физики пользуются терминами «модуль вектора» и «абсолютное значение вектора».

  1. Иногда в школьных курсах математики и физики имеет место несоответствие между символикой.

Хотя эти нарушения не столь уж значительны, знание их позволит учителю физики более эффективно построить преподавание предмета.

Делая вывод по всему выше сказанному, можно сказать, что успешное решение задач обучение во многом зависит от реализации внутри- и межпредметных связей.

Глава 2. Вектор в физике и математике.



§2.1. Введение понятия вектора и действий с векторами при изучении механики и математики в 9 классе средней школы.


С понятием «вектор» учащиеся знакомятся на уроках геометрии на примере параллельного переноса [9].

Параллельный перенос – это отражение плоскости на себя, при котором все её точки отображаются в одном и то же направлении на одно и тоже расстояние. Параллельный перенос, который иначе называют вектором, отображает точку А в точку В (рис. 2.1.),точку А1 в точку В1 и т. д. Это записывается так: В=Т(А)=(А), и т. д. Один и тот же перенос Т (вектор) можно задать при помощи эквивалентных пар точек (А,В)~(А11)~…~(Аn,Bn). Следовательно, для задания параллельного переноса достаточно взять любую пару точек из класса эквивалентных пар. Если вектор задается точками А и В, то его обозначают . Направленные отрезки и (см. рис.2.1) изображают один и тот же перенос

Определение вектора, которое дается в школьном курсе геометрии, позволяет логически последовательно изучить все операции над векторами: сложение, вычитание, умножение на число и др. Например под суммой двух векторов и понимают отображение плоскости на себя, являющееся результатом последовательного выполнения отображений и (см. рис.2.2).

Рис 2.1

Рис 2.2

Вектор отображает точку А в точку В, а вектор - точку В в точку С. Вектор , являющийся суммой векторов и , отображает точку А в точку С.

направленные отрезки АВ, ВС и АС удовлетворяют правилу треугольника.

Представление о направленном отрезке позволяет перейти к введению физических векторных величин, которые так же, как и параллельный перенос, изображаются направленными отрезками.

В 9 классе учащиеся на уроках математике приобретают необходимые навыки выполнения операций над векторами, которые облегчают изучение механики на векторной основе. Однако порой школьники затрудняются выполнять действия по преобразованию векторных уравнений: переносить слагаемые из одной части уравнения в другую, умножать левую и правую части уравнения на число. Для того чтобы они на уроках физики могли вполне сознательно производить действия с векторными уравнениями, целесообразно договориться с учителем геометрии, чтобы он уделил больше внимания выполнению действий по преобразованию векторных соотношений, например: [8] «По двум коллинеарным векторам , входящим в выражение:

найти и построить вектор », и др.

Наиболее подходящей величиной для введения векторов и операций над ними является перемещение с его «естественным» правилом сложения.

Преступая к объяснению материала о перемещении, учитель физики должен иметь в виду, что в понятие «перемещение» математики вкладывают другой смысл: перемещение в геометрии – это математическое преобразование. С эти понятием учащиеся знакомятся на уроках геометрии на примере параллельного переноса, поворота, осевой симметрии.

Перемещение в физике представляет собой более узкое понятие. Вектор перемещения вводится при рассмотрении движения материальной точки или поступательного движения твёрдого тела. При таком движении все точки тела движутся одинаково. Перемещению при поступательном движении тела в механике соответствует параллельный перенос в геометрии. Следовательно, перемещение есть не что иное, как геометрический вектор .

Следует иметь в виду, что вектор можно определить, не прибегая к геометрической интерпретации, не строя направленных отрезков. Вектор в пространстве при выбранной системе координат определяется тремя числами (проекциями вектора), вектор на плоскости – двумя числами. При сложении векторов () их проекции складываются (s1x+s2x), при вычитании векторов () их проекции вычитаются, при умножении вектора на число , проекция вектора так же умножается на число ksx и т. д.

На уроках физики следует обратить внимание на понятие проекции вектора, теорему о проекциях, формулу .

В начале 9 класса в курсе геометрии после изучения тригонометрических функций (sin(х), cos(x)) вводится понятие координат вектора. Последние определяются так: выбирается координатная плоскость и от начала координат откладывается вектор , точка О является началом вектора, а точка - его концом; координатами вектора называется координаты его конца.

В курсе геометрии вводится формулы, связывающие координаты вектора с его модулем и углом, который вектор составляет с положительным направлением оси абсцисс:

На уроках изучают скалярное произведение векторов (на примере работы). После того как введена формула , следует обратить внимание учащихся на то, что в неё входят модули двух величин.

Для физиков важен распределительный закон , поскольку знание его позволяет сделать важный вывод о том, что работа результирующей силы равна сумме работ составляющих сил.

При решении векторных уравнений наряду с графическим методом используется метод проекций (координатный). Рассмотрим использование данного метода при решении задачи [8]:

Задача 1: Конический маятник массой m вращается в горизонтальной плоскости. Найти угловую скорость вращения и силу натяжения нити, если её длина l, а угол, который она составляет с вертикалью, равен α.

Решение: на маятник действует две силы – сила тяжести и сила упругости нити (см. рис. 2.3)

По II закону Ньютона:

Рис 2.3

От векторной формы записи перейдем к уравнениям в проекциях на оси координат:

.

Выразив проекции векторов через модули и принимая во внимание, что имеем:

из уравнения (2) получим:

учитывая, что , и подставляя в уравнение (1) найденное значение , вычислим угловую скорость:

.


§2.2. Векторная величина в средней школе.


Большое место в школьном курсе физике занимают векторные величины. Понятие векторной величины тесно связано с понятием вектора, но не тождественно ему. Векторная величина характеризует какое-либо свойство тела, явления, процесса, существующие реально; её можно измерить. Понятия «измерение вектора» не существует.

Физика оперирует векторными величинами, которые задаются указанием размера и направления в пространстве. Поэтому направленный отрезок является удобным наглядным изображением векторной величины. Операцию построения направленного отрезка MN, для которого равен , можно назвать откладыванием какой-либо векторной величины от точки М [7].

При определении многих физических величин (а также при записях некоторых законов) подчеркивается и векторный характер, в то время как расчет численных значений этих величин выполняется в скалярной форме. В связи с этим возникает необходимость разъяснения учащимся основных приемов и правил перехода от уравнений, записанных в векторной форме, к уравнениям в скалярной форме.

Первые затруднения возникают при записи уравнения кинематики прямолинейного равнопеременного движения. В этом случае [9] для решения основной задачи механики достаточно оперировать двумя уравнениями: уравнением для мгновенной скорости

и уравнением для координаты

,

где х0 – координата начальной точки, V0x и ax – проекции векторов на ось Х, которая параллельна траектории движения.

Для решения многих задач достаточно знать только численное значение мгновенной скорости, определяемое из соответствующего уравнения в скалярной форме. Для этого нужно уравнения мгновенной скорости записать для её проекции на ось х, т.е.

.

Таким образом, основная задача механики решается с помощью двух независимых уравнений:

.

Если начало координат совпадает с начальной точкой движения уравнения упрощаются и принимают вид: