Реферат: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования московский государственный технический университет гражданской авиации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

УДК 374.3

№ гос. регистрации Инв. № 24_1


«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по НР и РСФ

профессор, доктор техн. наук

Е.Е. Нечаев

«___» декабря 2010г.


О Т Ч Е Т

по договору № 75 от 02.11.2010 г.

на выполнению цикла мероприятий по социальному обслуживанию населения в части предоставления образовательных услуг

Мероприятие 75.2:

Разработка научно-методического обеспечения для создания

на базе МГТУГА образовательных структур для обучения лиц с ограниченными возможностями.

Раздел 75.2.4 (Этап 1):

Создание на базе МГТУГА системы обучения для реализации лицами с ограниченными возможностями их потребности в дополнительном образовании, в личностном развитии и профессиональном совершенствовании.

.


Научный руководитель цикла мероприятий

проф., д.ю.н. Б.П. Елисеев

Ответственный исполнитель цикла мероприятий

проф., д.ф.-м.н. А.И. Козлов

Научный руководитель мероприятия 75.2.

проф., д.ф.н. О.Д. Гаранина

Заместитель научного руководителя мероприятия 75.2.

проф., д.т.н. А.В. Самохин

Руководитель научно-образовательного

коллектива раздела 75.2.4.

проф., д.т.н. С.К. Камзолов


Москва 2010г.


Коллектив исполнителей работ по разделу 75.2.4

Научно-образовательный коллектив

1. Руководитель коллектива -

   проф., д.т.н.,   Камзолов С.К.

2. проф., д.ф.-м.н.  Козлов А.И.

3.   Коротков В.А.

4. доц., к.ф.-м.н.    Куколева А.А.

4. доц., к.э.н.   Меланин В.А.

5. доц., к.т.н.   Невельская О.В.

6. доц., к.ф.-м.н.   Новиков С.М.

7. проф., д.т.н.   Самохин А.В.


РЕФЕРАТ


В работе проведен сравнительный анализ школьной программы по физике и вузовской рабочей программы по физике МГТУ ГА (раздел «Механика») с учетом требований к входному уровню знаний абитуриента – будущего студента первого курса втуза.

Разработана программа и мультимедиа-сопровождение теоретических занятий по физике (раздел «Механика»).

Мультимедиа-конспект теоретических занятий (всего 356 слайдов общим объёмом 48,6 МБ) ориентирован на самостоятельное изучение основных разделов курса физики учащимися с ограниченными возможностями и адаптирован к системе дистанционного обучения.


Страниц 203, рис. 324, литература __ наименования.


Ключевые слова: физика, механика, кинематика, динамика, гироскоп, гидромеханика, подъемная сила крыла, колебания, волны, звук, пошаговая выдача материала.


75.2.4.1 Этап 1. Разработка НОМ - мультимедиа-сопровождения урока по физике (раздел «Механика») с учетом ограниченных возможностей учащихся.


Оглавление
Оглавление 5

1. Каким должен быть уровень физики в школе 9

2. Математика для физики. 12

12

3. Требования к современной школьной программе по физике (раздел «Механика») 18

4. Содержание мультимедиа-конспекта занятий по физике (раздел «Механика») для лиц с ограниченными возможностями 33

Список литературы 37



ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач в деле содействия образованию лиц с ограниченными возможностями является создание условий для их полноценных самостоятельных занятий, причем не только практических, но и теоретических. Заметим, что последний вид занятий является наиболее сложным для самостоятельного обучения: недаром в обычной школе объяснение нового материала на уроке считается важнейшей составляющей его частью. Всё это в наибольшей степени касается математических и естественнонаучных дисциплин, к которым относится и физика.

Именно теоретическая компонента создаёт наибольшие сложности при дистанционном обучении школьников и студентов. Использование для этих целей напрямую учебника вызывает зачастую большие трудности: объёмные книги с очень подробным, богато иллюстрированным объяснением физических процессов и явлений, как правило, не предполагают четких акцентов, и учащийся теряется в таком обилии материала. Современные учебники страдают чрезмерной лаконичностью, они зачастую похожи на иллюстрированные справочники, каждый абзац которых подлежит чуть ли не дословному запоминанию.

Кроме того, к сожалению, бо’льшая часть современных детей очень мало читает и, как следствие, весьма слабо воспринимает текстовую информацию. Им больше по душе информация в виде комиксов или на экране телевизора.

Но почти поголовно школьники владеют и увлекаются компьютерами, любят и умеют пользоваться интернетом. И это обстоятельство должно быть максимально использовано при дистанционном обучении. Фактически уже сейчас компьютер вкупе с интернетом является основным средством при дистанционном обучении. Но методическая составляющая использования IT-технологий в этом деле имеет громадные резервы для развития.

На данном этапе рассматривается технология создания мультимедиа-конспекта теоретической части урока по физике (на примере раздела «Механика»), адаптированного специально для самостоятельного изучения данного раздела лицами с ограниченными возможностями.

При этом создатели предлагаемого продукта преследовали и вторую цель – вывести учащегося на уровень, достаточный для последующего обучения в вузе.

Последнее связано с тем, что по целому ряду объективных и иных причин в Российском образовании разрыв между средним уровнем абитуриентов вузов – выпускников общеобразовательных школ и требуемым входным уровнем знаний студентов-первокурсников становится угрожающе большим. Следует заметить, что разрыв существовал и ранее, но пока выпуск средней школы существенно превышал набор в высшую школу, конкурс давал возможность отбора в вузы наиболее подготовленных выпускников. Таким образом, сокращался разрыв между уровнем набора и требуемым уровнем знаний на входе, причем для престижных и популярных вузов он фактически сводился к нулю. Кроме того, конкурс стимулировал выпускников средней школы дополнительно повышать уровень знаний по профильным для выбранного вуза предметам путем усиленных самостоятельных занятий, посещения подготовительных курсов и т.д., что естественно повышало средний уровень знаний абитуриентов.

Всё кардинально стало меняться в последние годы. Во-первых, из-за пресловутой демографической ямы и непомерного наращивания приёма в вузы, как на бюджетной, так и на коммерческой основе общее количество выпускников школ в стране сравнялось, а где-то даже оказалось ниже приема в высшую школу. Т.е. конкурс в подавляющем числе вузов перестал существовать. Во-вторых, введение единого государственного экзамена для выпускников средней школы, результаты которого засчитываются как вступительные испытания для поступления в вузы, в этих условиях оказалось некстати. Дополнительно введённое правило подачи заявлений о приёме одновременно в несколько вузов и на несколько специальностей привело к тому, что каждому успешно окончившему среднюю школу фактически гарантировано место в одном из вузов страны.

Таким образом, разрыв между средним уровнем абитуриентов и требуемым входным уровнем знаний стал настолько большим, что значительная часть студентов начальных курсов не в силах одолеть этот разрыв.

Что же делать? Первое, что приходит на ум - это снижение требования к уровню знаний на входе. Но он не может быть ниже некоторого предельного значения, определяемого требуемым уровнем знаний выпускника на выходе из вуза, зафиксированным в виде соответствующих компетенций в государственном образовательном стандарте. Второе – увеличение срока обучения в вузе. Но стандарты не предусматривают увеличения этого срока. Более того, прослеживается тенденция поиска мер по его сокращению!

Следовательно, остаётся идти третьим путём: минимизировать указанный разрыв уровней знаний, в первую очередь, путём повышения уровня знаний выпускников средней школы.

^ 1. Каким должен быть уровень физики в школе
Обратимся к физике. Вузовская физика отличается от школьной более широкой и более глубокой проработкой научного содержания, имеющего в основном сходную структуру вплоть до практического совпадения в названии ряда тем и разделов. При этом глубина проработки, главным образом, отличается уровнем применяемого математического аппарата (как известно, языком физики является математика!), начиная с первой же лекции или практического занятия. Т.е. необходимым условием для сближения уровней знаний выпускников средней школы по физике с требуемым уровнем студентов, поступивших на 1-й курс технических вузов, является максимально плавное сопряжение уровней математического аппарата, используемого в школьной физике, и математического аппарата вузовской физики.

Решение поставленной задачи сближения уровней знаний по физике абитуриента и требований к уровню студента, принятого на 1-й курс, требует повышения (иногда существенного) уровня изложения школьной физики, а, следовательно, и школьной математики, вплоть до введения в неё некоторых новых разделов, понятий и формулировок. Но при этом изначально накладывается ограничение, запрещающее увеличивать учебную нагрузку на школьника.

В этих условиях очевидны три основных направления модернизации школьной программы.

Первое. Повышение уровня изложения школьной физики за счет более полного использования материала, содержащегося в школьной программе по математике. Ниже будет показано, что в школьной физике недостаточно используются получаемые школьниками знания (например, по элементам математического анализа) даже по программе нынешнего курса школьной математики. Далее, в рамках решения данной задачи необходима модернизация школьной программы по математике и перенос в неё большой части содержания обучения по таким разделам вузовской математики, как «Аналитическая геометрия и векторная алгебра» и «Математический анализ».

Второе. Введение в школьную программу некоторых новых разделов, понятий, формулировок должно сопровождаться минимизацией научного содержания тех разделов школьной программы по физике, которые не являются профильными в вузах, на которые ориентирована данная школа или отдельные её классы. Такая минимизация содержания может заключаться, например, в переводе указанных разделов с профильного уровня на базовый.

И третье. Большие резервы в повышении интенсивности обучения без увеличения учебной нагрузки на школьника даёт широкое внедрение в школьную физику современных информационных технологий обучения, которые к тому же существенно повышают эффективность процесса усвоения школьниками сложного теоретического материала.

Итак, необходимым условием для сближения уровней знаний выпускников средней школы по физике с требуемым уровнем студентов, поступивших на 1-й курс технических вузов, является максимально плавное сопряжение уровней математического аппарата, используемого в школьной физике, и математического аппарата вузовской физики. Ниже будет показано, как это можно сделать, используя уже имеющиеся возможности школьной математики, а также какие темы и разделы математики придётся ввести дополнительно.

Образовательный стандарт среднего общего образования содержит три Примерные программы по физике: Примерную программу основного общего образования по физике для 7-9 классов общим объёмом 140 часов из расчета 2 учебных часа в неделю и два варианта программы для 10-11 классов: Примерная программа среднего (полного) общего образования (базовый уровень) общим объёмом 140 часов из расчета 2 учебных часа в неделю [2.1.5] и Примерная программа среднего (полного) общего образования (профильный уровень) общим объёмом 350 часов из расчета 5 учебных часов в неделю [2.1.6].

В зависимости от профиля выпускных классов в школе в образовательных программах реализуется либо базовый уровень программы по физике, либо профильный уровень. В первом случае выпускники школы ориентированы на вузовские специальности гуманитарного профиля или на специальности, например, экономического, логистического и др. направлений. Школьная программа по физике в этом случае должна быть сопряжена, чаще всего, с программой такой вузовской дисциплины, как «Концепции современного естествознания». Но тогда с дисциплиной «Концепции современного естествознания» должны сопрягаться и такие школьные предметы, как химия и биология. Однако решение этой проблемы выходит за рамки данной работы.

При ориентации школьников на технические специальности втузов выпускные классы должны получать углублённую физико-математическую подготовку, т.е. в этих классах должен реализовываться профильный уровень Программы по физике [2.1.2].

^ 2. Математика для физики.
Уровень применяемого в школьной физике математического аппарата нельзя определить из программы. Он определяется уровнем изложения материала в учебниках.

При анализе проблемы и выработке рекомендаций по содержанию и уровню изложения школьной физики и математики (последнее – с точки зрения физики) будем, в основном, использовать наиболее популярные из рекомендованных Минобрнауки РФ [2.3; 2.5-2.16] учебники физики для 10-го и 11-го классов: авторы Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский (10-й класс) [2.4], Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев (11-й класс) [2.5], а также В.А.Касьянов (10-й и 11-й классы) [2.6; 2.7].

Элементы векторной алгебры сразу и в большом объёме используются в первом разделе физики – механике, начиная с первой же её темы –кинематики. Как показывает анализ, в современных школьных учебниках по физике сразу вводятся такие векторные величины, как радиус-вектор точки, скорость, ускорение… Однако даже в таком испытанном временем учебнике (который издатели относят к разряду «классических»), как учебник Мякишева и Буховцева [2.4], авторы, вводя векторные величины, сразу же стараются перейти к их выражениям в проекциях и в дальнейших выкладках и рассуждениях работают уже в основном с ними. При этом параграфы «Векторные величины. Действия над векторами» и «Проекция вектора на ось» авторы предпосылают школьникам лишь «для дополнительного чтения». Причем даже в необязательном к изучению параграфе о проекциях они к тому же постарались обойтись без тригонометрии, чем фактически лишили это очень важное обращение к векторной алгебре практического смысла.

Несколько более последователен в работе с векторными величинами автор учебника [2.6] Касьянов, который, по крайней мере, проекции векторов вводит через тригонометрические функции. Однако он тоже тяготеет к записи уравнений в конкретных задачах кинематики сразу в виде проекций, для чего ему приходится обращаться к дополнительным принципам (например, для описания баллистического движения), без которых можно было бы обойтись, записав изначально закон движения материальной точки в векторной форме.

В указанных примерах отражаются с трудом преодолеваемые традиционные подходы составителей школьных учебников по физике, которые не очень надеются на достаточный уровень содержания и усвоения школьниками соответствующих разделов математики. Даже в таком издании, как Учебник для углублённого изучения физики под ред. Г.Я. Мякишева (Физика. Механика. 10 класс. Профильный уровень) [2.8] элементы векторной алгебры вводятся весьма осторожно. Такой подход нельзя считать оправданным и с той точки зрения, что соответствующие разделы школьной математики как бы подвисают, лишаясь дополнительной мотивации благодаря применению в физике и возможности формирования определённых навыков.

Для решения поставленной задачи необходимо более решительное использование в школьной физике элементов векторной алгебры и тригонометрии, которые изучаются в школе на достаточном уровне.

Кроме того, вузовский уровень изложения кинематики требует представления векторов через проекции с использованием базисной координатной системы (тройки единичных векторов координатных осей). Навыки работы с такой системой школьники должны получить, изучая основы аналитической геометрии в рамках скорректированной программы по математике.

Все указанные выше школьные учебники полностью исключают векторное описание параметров вращательного движения, в то время как вузовская физика широко использует все виды произведения векторов (скалярное, векторное, смешанное и двойное векторное), особенно в части кинематики и динамики вращательного движения, а также электродинамики. Современные школьные учебники по физике ещё допускают использование скалярного произведения двух векторов, но уже векторное произведение практически не применяется. Это вполне понятно, поскольку в школьной программе по математике присутствует лишь скалярное произведение векторов.

Таким образом, понятия векторного, смешанного и двойного векторного произведения должны добавиться в школьной программе по математике и соответствующим образом использоваться в программе по физике (в разделах «Механика» и «Электродинамика»).

Далее. Школьная программа по математике уже много лет имеет в своей программе раздел «Начала математического анализа» не только на профильном [2.1.4], но даже на базовом уровне [2.1.3; 2.1.7].

Школьникам даются понятия о пределе последовательности, о непрерывности функции и её производной, физический и геометрический смысл производной. Программа предусматривает развитие навыков работы с производными, вычисления производных суммы, разности, произведения, частного, знание производных основных элементарных функций, применение производной к исследованию функций и построению графиков.

Элементы интегрального исчисления включают понятие об определенном интеграле как площади криволинейной трапеции, первообразную. Даётся формула Ньютона-Лейбница.

Школьная программа рассматривает примеры использования производной для нахождения наилучшего решения в прикладных, в том числе социально-экономических задачах, нахождения скорости для процесса, заданного формулой или графиком; примеры применения интеграла в физике и геометрии; вторую производную и её физический смысл.

Однако школьные учебники по физике, задающие уровень математического описания физических явлений и процессов через математические формулы и уравнения, традиционно либо не используют вовсе, либо используют очень слабо указанные знания. Как уже говорилось выше, такая «традиция», на наш взгляд, негативно влияет на уровень восприятия и усвоения материала как физики, так и математики. С одной стороны, обедняется, лишаясь определённой строгости, физическая теория, а с другой – слабо закрепляется практическая составляющая такого весьма сложного раздела математики, как начала математического анализа, т.е. снижается уровень мотивации школьников при его изучении.

Рассмотрим конкретные примеры введения физических величин, параметров и характеристик, строгое определение которых требует применения знания начал дифференциального и интегрального исчисления. В учебнике Касьянова для 10-го класса [2.6] величина скорости вводится точно, как предел



но этот предел даже не назван производной радиус-вектора по времени и не обозначен соответствующим оператором:

.

То же самое сделано при введении ускорения, нормального ускорения. Из-за отказа использовать элементы дифференциального исчисления автор ограничил рассмотрение движения материальной точки по окружности лишь равномерным вращением. Точно также проиграло рассмотрение в учебнике [2.6] принципа относительности Галилея. Доказательство инвариантности законов Ньютона относительно инерциальных систем отсчета легко получается путем двойного дифференцирования преобразований Галилея. Автору же пришлось фактически просто декларировать принцип относительности.

Отказом от использования элементов интегрирования, а именно формулы Ньютона-Лейбница, автор только усложнил задачу вывода формул для скорости и координаты при равноускоренном прямолинейном движении, прибегнув фактически к графическому интегрированию, при этом не называя вещи своими именами.

В учебнике Мякишева и Буховцева [2.4] предел отношения приращений также вводится, но даже специально не обозначается, не говоря уж о производной. Очевидно, авторы обоих учебников 10-го класса не рассчитывают, что элементы дифференциального и интегрального исчисления будут пройдены в школе к моменту изучения в физике такого «математикоёмкого» раздела, как кинематика. Отказались авторы этих учебников и от использования формулы Ньютона-Лейбница при введении понятия «работа силы».


Итак, при ориентации школьников на технические специальности втузов выпускные классы должны получать углублённую физико-математическую подготовку, т.е. в этих классах должен реализовываться профильный уровень Программы по физике [1.2]. Это касается и учащихся с ограниченными возможностями, многие из которых работают самостоятельно и (или) по методикам дистанционного обучения.

Поскольку данная работа выполняется специалистами, работающими Московского государственного технического университета гражданской авиации, то в данном разделе представлена разработка рабочей программы по физике (раздел «Механика») и соответствующего ей мультимедиа-конспекта теоретической части занятий по физике, профессионально ориентированных на подготовку специалистов в области эксплуатации авиационной техники. Такая рабочая программа должна предусматривать сопряжение школьной программы по физике и вузовской программы по физике для технических специальностей.

Для создания школьной рабочей программы по физике, профессионально ориентированной на подготовку специалистов в области эксплуатации авиационной техники, следует остановиться на результатах проведённого в указанной предыдущей работе сравнительного анализа школьной и вузовской программ по физике.


^ 3. Требования к современной школьной программе по физике (раздел «Механика»)

Образовательный стандарт среднего общего образования содержит три Примерные программы по физике: Примерную программу основного общего образования по физике для 7-9 классов общим объёмом 140 часов из расчета 2 учебных часа в неделю и два варианта программы для 10-11 классов: Примерная программа среднего (полного) общего образования (базовый уровень) общим объёмом 140 часов из расчета 2 учебных часа в неделю [2.1.5] и Примерная программа среднего (полного) общего образования (профильный уровень) общим объёмом 350 часов из расчета 5 учебных часов в неделю [2.1.6].

Ориентация школьников на такую наукоёмкую область деятельности, как гражданская авиация требует реализации в соответствующих классах профильного уровня программы по физике.

Проведем сравнение школьной и втузовской программ, раздел «Механика». В качестве примера рассмотрим рабочую программу одной из технических специальностей МГТУГА – техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей (специальность160901). Обратим внимание, в первую очередь, на то, что объёмы раздела «Механика» школьной (профильный уровень) и втузовской программ по этому же разделу практически совпадают: объём раздела в школьной программе составляет 66 часов, а втузовской – 68 часов (лекции, практические занятия, лабораторные работы). Заметим при этом, что кажущаяся разница в объёмах содержания на самом деле отражает лишь разную степень детализации программ.



Примерная программа

среднего (полного) общего образования

по физике.

Профильный уровень.

X-XI классы

Рабочая программа дисциплины

ФИЗИКА

шифр ЕН.Ф.03,

специальность160901- техническая

эксплуатация летательных аппаратов

и авиадвигателей

^ Физика как наука. Методы научного познания природы.

Физика – фундаментальная наука о природе. Научные методы познания окружающего мира. Роль эксперимента и теории в процессе познания природы. Моделирование явлений и объектов природы. Научные гипотезы. Роль математики в физике. Физические законы и теории, границы их применимости. Принцип соответствия. Физическая картина мира.


Механика

Механическое движение и его относительность. Способы описания механического движения. Материальная точка как пример физической модели. Перемещение, скорость, ускорение.

Уравнения прямолинейного равномерного и равноускоренного движения. Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью. Центростремительное ускорение.

Принцип суперпозиции сил. Законы динамики Ньютона и границы их применимости. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Пространство и время в классической механике.

Силы тяжести, упругости, трения. Закон всемирного тяготения. Законы Кеплера. Вес и невесомость.

Законы сохранения импульса и механической энергии. Использование законов механики для объяснения движения небесных тел и для развития космических исследований.

Момент силы. Условия равновесия твердого тела.

Механические колебания. Амплитуда, период, частота, фаза колебаний. Уравнение гармонических колебаний. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания.

Механические волны. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Уравнение гармонической волны. Свойства механических волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция. Звуковые волны.

^ Введение. Предмет физики.

Предмет физики. Роль физики в развитии техники. Структура курса физики и цели обучения. Методы физической науки: теория и эксперимент. Физические величины. Система единиц СИ. Физика и математика. Физическое и математическое моделирование. Физика и философия.

Пространство и время - фундаментальные физические понятия. Эталоны длины и времени.


Механика.

Принцип относительности в механике. Система отсчета. Радиус-вектор материальной точки. Закон движения материальной точки. Вектор перемещения. Путь. Скорость МТ. Ускорение. Угловая скорость. Угловое ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения.

Закон инерции Галилея. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности. Преобразования Галилея и следствия из них. Закон сложения скоростей.

Инвариантность скорости света в ИСО. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца и следствия из них. Единое пространственно-временное описание. Интервал и его инвариантность.

2-й закон Ньютона и принцип недостижимости скорости света. Релятивистская масса. Кинетическая энергия, полная энергия, энергия покоя. Закон сохранения энергии. Импульс. Закон сохранения импульса. Энергия и импульс. Кинетическая энергия при малых скоростях.

Изменение импульса со временем. Сила как мера взаимодействия. Изменение энергии со временем. Мощность силы. Работа силы. Уравнение Ньютона-Эйнштейна. Решение основной задачи динамики.

Условия применимости классической нерелятивистской динамики. Понятие состояния в классической механике. Силы в классической динамике. Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия. Классификация фундаментальных взаимодействий. Примеры нефундаментальных сил.

Консервативные силы. Потенциальная энергия. Сила и потенциальная энергия. Сохранение механической энергии частицы в поле потенциальных сил. Система материальных точек. Сохранение механической энергии и импульса системы частиц.

Центр масс системы частиц. Скорость центра масс. Уравнение движения центра масс.

Момент силы.

Момент импульса и его изменение. Условие сохранения момента импульса частицы. Движение МТ по окружности. Момент инерции МТ. Момент импульса системы материальных точек. Орбитальный и собственный моменты. Закон сохранения момента импульса системы частиц.

Абсолютно твердое тело как модель системы материальных точек. Поступательное и вращательное движение абсолютно твердого тела. Момент импульса абсолютно твердого тела относительно неподвижной оси. Момент инерции. Теорема Штейнера. Уравнение динамики вращательного движения абсолютно твердого тела.

Кинетическая энергия при вращательном движении твердого тела. Работа и мощность при вращательном движении. Гироскопы. Гироскопический эффект. Прецессия гироскопа.

Элементы механики сплошной среды. Модель сплошной среды. Уравнение неразрывности. Идеальная жидкость. Уравнение Бернулли. Измерение статического и динамического давления. Движение тел в жидкостях и газах. Формула Стокса. Эффект Магнуса. Подъемная сила крыла. Вязкость жидкости, газа. Переход от ламинарного течения к турбулентному. Число Рейнольдса. Моделирование.

Механические колебания. Гармонические колебания. Амплитуда и фаза колебаний. Свободные незатухающие колебания. Пружинный маятник. Физический и математический маятники. Энергия гармонического осциллятора. Сложение колебаний одного направления. Векторная диаграмма. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс.

Механические волны. Плоская волна. Уравнение волны. Параметры волны. Энергия упругой волны. Волновое сопротивление. Поток энергии.

Интерференция встречных волн. Стоячие волны. Стоячие волны при отражении. Стоячие волны в замкнутом пространстве.

Звуковые волны. Характеристики звука. Уровень громкости звука. Ультразвук. Ультразвуковая диагностика. Эффект Доплера.


Следует обратить внимание на то, что подавляющее число рассматриваемых и в одной, и в другой программах тем и вопросов совпадают по названию. Вместе с тем, многие из них реализуются на разных уровнях изложения, характеризующихся, как уже указывалось, разным уровнем математического аппарата.

В разделе «Механика» в большом объёме используются элементы векторной алгебры, начиная с первой же её темы – кинематики. В современных школьных учебниках по физике сразу вводятся такие векторные величины, как радиус-вектор точки, скорость, ускорение… Однако даже в таком испытанном временем учебнике (который издатели относят к разряду «классических»), как учебник Мякишева и Буховцева [2.4], авторы, вводя векторные величины, сразу же стараются перейти к их выражениям в проекциях и в дальнейших выкладках и рассуждениях работают уже, в основном, с ними. При этом темы «Векторные величины. Действия над векторами» и «Проекция вектора на ось» авторы предпосылают школьникам лишь «для дополнительного чтения». Но даже в необязательном к изучению параграфе о проекциях они, к тому же, постарались обойтись без тригонометрии, чем существенно снизили практическое значение этого очень важного обращения к векторной алгебре.

Более последователен в работе с векторными величинами автор учебника [2.6] Касьянов, который, по крайней мере, проекции векторов вводит через тригонометрические функции. Однако он тоже предпочитает запись уравнений в конкретных задачах кинематики сразу в виде проекций, для чего ему приходится использовать дополнительные обоснования (например, для описания баллистического движения), без которых можно было бы обойтись, записав изначально закон движения материальной точки в векторной форме.

В указанных примерах отражаются с трудом преодолеваемые традиционные подходы составителей школьных учебников по физике, которые не очень надеются на достаточный уровень содержания и усвоения школьниками соответствующих разделов математики. Даже в таком издании, как Учебник для углублённого изучения физики под ред. Г.Я. Мякишева (Физика. Механика. 10 класс. Профильный уровень) [2.8] элементы векторной алгебры вводятся весьма осторожно. Такой подход нельзя считать оправданным и с той точки зрения, что соответствующие разделы школьной математики как бы повисают, лишаясь дополнительной мотивации путём применению в физике.

Для создания школьной рабочей программы по физике (раздел «Механика»), ориентированной на такой втуз, как МГТУ ГА, необходимо более решительное использование в школьной физике элементов векторной алгебры и тригонометрии, которые изучаются в школе на достаточном уровне.

Кроме того, изложение кинематики в такой программе требует представления векторов через проекции с использованием базисной координатной системы (тройки единичных векторов координатных осей). Навыки работы с такой системой, как предполагается, школьники должны получить, изучая основы аналитической геометрии в модернизированной в рамках данного проекта школьной математике.

Далее, вузовская физика широко использует все виды произведения векторов (скалярное, векторное, смешанное и двойное векторное), особенно в части кинематики и динамики вращательного движения. Школьные учебники практически полностью исключают векторное описание параметров вращательного движения. Современные школьные учебники по физике ещё допускают введение скалярного произведения двух векторов, но уже векторное произведение отсутствует. Это вполне понятно, поскольку в школьной программе по математике присутствует лишь скалярное произведение векторов. Т.е. понятия векторного, смешанного и двойного векторного произведения должны быть введены в школьную программу по математике и соответствующим образом использоваться в программе по физике (в частности, в разделе «Механика»).

В соответствии с целями рассматриваемого проекта школьники должны владеть понятиями, отражающими особенности описания кинематики вращательного движения.

Если рассматривать учебники, рекомендуемые Рособразованием РФ [2.3], то для изучения темы «кинематика криволинейного движения» следует рекомендовать учебник для углублённого изучения физики под редакцией Г.Я. Мякишева. Более ориентирован на наукоемкую профессию авиаспециалиста этот учебник и в части описания состояния и движения тел при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Элементы специальной теории относительности, основанной на принципе неизменности скорости электромагнитного излучения, в том числе, света в любой инерциальной системе отсчета целесообразно перевести в раздел «Механика», как это давно реализовано в вузовской программе по физике. В существующей школьной программе по физике (профильный уровень) эта тема присутствует в разделе «Электромагнитные колебания и волны», изучаемом в11-м классе.

Разные учебно-методические комплекты школьной физики рассматривают элементы специальной теории относительности в разных разделах и разных классах. Так учебно-методический комплект Г.Я. Мякишева и др. по традиции рассматривает их в 11-м в разделе ОПТИКА (как это было в вузовских учебниках 50-х – 70-х годов прошлого века).

А вот учебно-методический комплект (УМК) В.А. Касьянова для профильного уровня обучения физике подходит к местоположению темы с более современных позиций: элементы специальной теории относительности здесь помещены в конце раздела «Механика» и изучаются в 10-м классе.

Однако при этом оба УМК при обсуждении следствий из основных положений специальной теории относительности ограничиваются, в основном, словесными формулировками и не опираются на преобразования Лоренца, справедливые для определения координат и времени в относительно неподвижных и движущихся инерциальных системах отсчета во всём диапазоне скоростей.

В школьной программе тема «Динамика» традиционно начинается с законов Ньютона как фундаментальных законов природы. В современной физике в качестве основных фундаментальных законов выступают законы сохранения импульса и энергии. Поэтому целесообразно начинается с принципа существования предельной скорости материальных объектов. Из него следует известное выражение для полной или релятивистской массы, которое вводит специальная теория относительности. При этом на первый план сразу выходит полная энергия материального объекта, связанная с полной массой соотношением Эйнштейна. Тогда кинетическая энергия вводится ка