Механиканы оқытудағы модельдер мен аналогиялар

МЕХАНИКАНЫ ОҚЫТУДАҒЫ МОДЕЛЬДЕР МЕН АНАЛОГИЯЛАР

Бүгінгі таңда елімізде мектептегі білім беру өзінің дамуының жауапты кезеңіне аяқ басты. Жалпы білім беретін мектепте бағдарлы сыныптардың ұйымдастырылуы, сондай-ақ ақпараттар ағымының істеуі, білім беру саласына елеулі өзгерістердің енгізілуін талап етеді. Ал, бұл өз кезегінде мүғалімдерді білім берудегі жаңа әдістемелік материалдармен қамтамасыз ету қажеттігіне әкеледі.

Физиканы оқыту барысында оқушылардың таным белсенділігін, шығармашылық ойлау қабілетін, пәнге деген қызығушылығын арттыру үшін, мұғалім әр сабағын жаңа технологиялық үлгідегі сабақ үлгілерін қолдана отырып, үнемі ізденіспен қызғылықты етіп өткізуі қажет. Біздің басты міндетіміз-оқушыны тұлға етіп шығару. Олай болса, оқушыны өз ойын жинақы, тұжырымды, әрі күнделікті өмірмен байланыстыра отырып, жүйелі айтуға баулуымыз қажет.

Адамзат ертеден-ақ объектілерді, процестерді, әр түрлі саладағы құбылыстарды зерттеу барысында модельдеу (қасиеттері ұқсас шағын үлгісін, баламасын салу) тәсілін қолданып келеді. Осы зертеулердің нәтижелері, нақты объектілер мсн процестердің қасиеттерін анықтауда, құбылыстардың болу себептерін ашуда, жаңа объектілерді құрастыру мен талдауда маңызды орын алады. Модельдеу адамның өз іс-әрекетін алдын ала жоспарлап, дұрыс шешім қабылдауына әсер етеді.

Физикалық объектілердің оқу моделъдері бірқатар жағымды дидактикалық қасиеттерге ие, оларды оқыту методикасында пайдаланудың төмендегідей әсері бар:

Оқытылытын пәндегі дербес маңызды элементтерді бөліп алу;

Оқушы алдында көзге көрінбейтін және жасырын түйіндерді ұсыну;

Үрдістердің баяулатылған немесе жеделдетілген қарқындағы кинематикасын бақылау және олардың әсерін қажетті мәрте қайталап көрсету;

Зерттеу объектісі реінде мектеп жағдайында көрсетіле алмайтын құбылыстарды таңдай мүмкіндігі;

Зертханалық жұмыстарда үлестірмелі дидактикалық материал ретінде және дәріс сабақтарында көрсету құрылғысы ретінде модельдерді пайдалану және т.б.

Оқыту методикасын даярлаған кезде модель қасиеттерін ұтымды пайдалану мен оны тірек ретінде қолдану оқу материалын барынша табысты игеруге және оқушылардың машық-дағдыларын тезірек қалыптастыруға септігін тигізеді.

Модельдің анықтамасын береді: зерттелетін құбылыстың моделі - бұл қарастырылып отырған құбылысқа әлдеқандай ұқсастығы бар және оны зерттеп тануға қолданылатын жасанды құбылыс.

Оқушыларға тек құбылыстардың ғана емес, сонымен қатар кез-келген физикалық дененің моделін жасауға болатындығы туралы хабарланады. Содан соң электр дабылының, телеграфтың, электромобильдің модельдері көрсетіледі. Оқушылар кемелердің, ұшақтардың, ғарыш кемелерінң, т.б. модельдерін мысалға келтіреді. Әр кезде модель мен тұпнұсқаның арасындағы айырмашылықты ажыратып отырған өте маңызды.

Мектептегі физика курсында механика бөлімімен танысқан кезде негізінен үш идеализацияны яғни модельдік ұғымды пайдаланады: матералдық нүкте, абсолютті қатты дене және идеалды сұйықтық.

Материалдық нүкте. Материалдық нүкте туралы ұғымды механиканың негізгі мақсаты - денелердің бір-біріне қатысты қозғалысын сипаттау тәсілдерін іздестіруді талқылауға байланысты енгізеді. Бүл үшін дененің түрлі нүктелері қалай қозғалатындығын білу қажет, ал бұл өте қиын тапсырма болып табылады. Ал егер реалды денені массасы сондай өте кішкентай өлшемді денемен алмастырса, тапсырма жеңілдейді. Берілген тапсырмада өлшемін елемеуге болатын осындай дене материалдық нүкте деп аталады.

Бұл жағдайда материалдық нүкте реалды дененің ойдағы моделі болып табылады. Соғысынан бір айырмашылығы материалды нүктенің өлшемі болмайды, алайда массасы болады. Егер реалды денелердің орнына материалды нүктені пайданатын болса, көптеген физикалық есептер мейліңше қарапайымданады. Мысалы, дененің ілгерілемелі қозғалысы кезінде оның барлық нүктелері бірдей қозғалады, сондықтан денені толықтай бір материалдық нүктемен алмастыруға болады. Күнге қатысты ғаламшарлар қозғалысының траекториясын есептеу кезінде бізді ғаламшар центрі орналасауының өзгеруін қарастырамыз, бұл жағдайда да ғаламшарды материалдық нүктемен алмастыру мүмкіндігі бар. Яғни біртұтас дене қозғалысын қарастырған кезде, барлық реалды денелерді материалдық нүктелермен алмастырған жөн.

Бір реалды дене кей жағдайда материалды нүкте деп қарастыруға болса, басқа бір жағдайда олай болмайды; оның барлығы тапсырма ыңғайына байланысты болады. Реалды денені матералды нүктемен алмастыру ол дененің өлшемдері және дененің ішінде болатын процестер маңызды болмаған жағдайда ғана мүмкін екендігін есте сақтау керек.

Абсолютті қатты дене. Абсолютті қатты дене ұғымын қатты дененің айналмалы қозғалысын қарастырған кезде енгізген тиімді болып табылады. Сол кезде ол динамиканы да, статиканы да оқу кезінде ұтымды «жұмыс жасайтын» болады. Барлық денелер күштің әсерінен өз пішіні мен көлемін өзгертетіндігі, яғни деформацияға ұшырайтындығы VІ сыныптың физика курсынан белгілі. Алайда, бірдей күш әсер еткен жағдайдың өзінде де кейбір денелер (мысалы, резеңке) біршама деформацияланатын боса, кейбірі (мысалы, темірбетон), керісінше, өз пішіні мен көлемін мардымсыз ғана өзгертеді. Деформация кезінде сыртқы күштің әсерін теңестіретін серпімділік күштері пайда болады, дегенмен де түрлі денелерде серпімділіктің бірдей күшін туғызу үшін түрлі деформация қажет болады. Барлығы дененің қаттылығына байланысты. Денені оның ішінде қажетті серпімділік күштері өте мардымсыз деформациялар әсерінен пайда болатындай соншалықты қатты деп елестетейік. Міне, осындай серпімділік күштері пайда болса да, мүлдем деформацияланбайтын денені абсолютті қатты дене деп атаймыз.

Абсолютті қатты дене дегеніміз арақашықтықтары өзгермейтін материалық нүктелердің жиынтығы болып табылады. Ол реалды денелердің моделі болып табылатын ойдан шығарылған дене. Осы ұғымды енгізу қатты денеге қатысты бірқатар есептерді шығаруды жеңілдетеді. Бұдан әрі қарай есептер шығарған кезде арқан, бау, жіп, т.с.с. созылмалы емес деп есептеуге болады; дәл осылайша шығыр, тетік, бұранда, танаптар және басқа да механикада қарастырылатын денелерді абсолютті қатты деп санауға болады.

Әрі қарай деформацияның өзге де түрлерін, ГУК заңдарын зерттеген кезде реалды денелерді абсолютті қатты дене ретінде қарастыру мүмкін болмайды, ондай модельден бас тартуға тура келеді.

Идеалды сұйықтық. Бұл ойдан шығарылған объекті ұғымын енгізу Бернулли заңымен таныстырған кезде ұтымды болып табылады. Реалды сұйықтықтың қозғалысын зерттеп оқыту - өте қиын тапсырма. Әдетте оны жеңілдету мақсатында реалды сұйықтықты Ньютонның белгілі заңдарын қолдануға болатын ойдан шығарған сұйықтық моделімен алмастырады. Реалды сұйықтықтың моделін идеалды сұйықтық деп атайды. Оның келесі қасиеттері болады: ол сығылмайды (яғни сұйықтық көлеміндегі қозғалатын элементтердің тығыздығы қозғалыс кезінде бірқалыпы болады), идеалды сұйықтықтың дербес элементы бір-біріне қатысты үйкеліссіз қозғалады.

Осындай мүлдем сығылмайтын және тұтқыр емес ойдан шығаылған сұйықтық үшін ағыс жылдамдығы мен көлденең ағым ауданы арасындағы қатынасты шығару оңай ( ν₁S₁₌ ν₂ S₂).

Бұл модель дыбыс жылдамдығынан аз жылдамдықта қарастырыладын газдар үшін қолданылады. Алайда заманауи реактивті ұшақтардың жылдамдығы кезінде ауаны сығылмалы емес деп есептеуге болмайтынын қатерге алу керек. Бұл жағдайда жоғарыдағы модель жарамайды. Реактивті ұшақтардың көтерілу күші мен қанаттарының кедергісі ауаның сығымдылығы есепке алынатын арнайы тәсілмен есептеледі.