9кл. Тема: Первый закон Ньютона

ИСО. Первый закон ньютона

Цель урока:

Сформулировать понятие об инерциальной системе отсчёта. Изучить первый закон Ньютона. Показать важность такого раздела физики как «Динамика».

Ход урока:

1. Повторение.

- В чём состоит основная задача механики?

- Зачем введено понятие материальной точки?

- Когда тело можно считать материальной точкой? Приведите примеры.

- Что такое система отсчёта? Для чего она вводится?

- Какие виды систем координат вы знаете?

2. Новый материал.

- В главном разделе механики – «Динамика» – рассматривается взаимное действие тел

друг на друга, которое является причиной изменения движения тел, т. е. их скоростей.

Если кинематика отвечает на вопрос: «Как движется тело?», то динамика выясняет,

почему именно так.

В основе динамики лежат три закона Ньютона.

Если неподвижно лежащее тело на земле начинает двигаться, то всегда можно

обнаружить предмет, который толкает это тело, тянет или действует на него

на расстоянии (например, если к железному шарику поднесём магнит).

Эксперимент 1

Возьмём кусок мела в руки и разожмём пальцы: мел упадёт на пол.

- Какое тело подействовало на мел? (Земля)

Эти примеры говорят о том, что изменение скорости тела всегда вызывается воздействием на данное тело каких – либо других тел. Если на тело не действуют другие тела, то скорость его никогда не меняется, т. е. тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью.

Этот факт помогли осознать великие гении Галилей и Ньютон.

Первый закон механики, или закон инерции, был установлен ещё Галилеем. Но строгую формулировку этого закона дал и включил его в число основных законов физики Ньютон. Закон инерции относится к самому простому виду движения – движению тела, на которое не оказывают воздействия другие тела. Такие тела называют свободными телами.

Введение в динамику: Ди­на­ми­ка изу­ча­ет при­чи­ны, по ко­то­рым тело на­чи­на­ет дви­гать­ся, на­чи­на­ет из­ме­нять свою ско­рость. А при каких же со­сто­я­ни­ях тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, когда его ско­рость равна нулю? Какие усло­вия необ­хо­ди­мы для рав­но­мер­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния, когда ско­рость по­сто­ян­на?

Тело под­ве­ше­но на нити к шта­ти­ву, тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, то есть его ско­рость равна нулю. Какие тела дей­ству­ют на этот шарик? Это Земля – при­тя­же­ние Земли и на­тя­же­ние нити. По­лу­ча­ет­ся, что при­тя­же­ние Земли и на­тя­же­ние нити вза­им­но ком­пен­си­ру­ют друг друга, то есть тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, если дей­ствие на него дру­гих тел ском­пен­си­ро­ва­но.

Если бы шарик на­хо­дил­ся в со­сто­я­нии покоя в без­воз­душ­ном про­стран­стве, в ва­ку­у­ме, где на него во­об­ще ни­че­го не дей­ству­ет, то он бы тоже на­хо­дил­ся в со­сто­я­нии покоя.

При от­сут­ствии со­про­тив­ле­ния воз­ду­ха и сил тре­ния шарик ни­ко­гда не оста­но­вит­ся, его ско­рость будет оста­вать­ся по­сто­ян­ной. Это зна­чит, что тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии рав­но­мер­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния, на тело дей­ству­ет толь­ко Земля и сила ре­ак­ции опоры, но на дви­же­ние ша­ри­ка в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии они ни­ка­ко­го вли­я­ния не ока­зы­ва­ют.

Ари­сто­тель счи­тал, что для того, чтобы тело дви­га­лось с по­сто­ян­ной ско­ро­стью, необ­хо­ди­мо на него ока­зать дей­ствие дру­ги­ми те­ла­ми. Дей­ствие дру­гих тел на ис­сле­ду­е­мое тело – это при­чи­на на­ли­чия у него ско­ро­сти, счи­тал Ари­сто­тель. Га­ли­лей впер­вые ука­зал, что дей­ствие на тело дру­гих тел – это не при­чи­на на­ли­чия у тела ско­ро­сти, а при­чи­на из­ме­не­ния ско­ро­сти, то есть по­яв­ле­ние у тела уско­ре­ния.

Для того чтобы тело на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя или дви­га­лось рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но, необ­хо­ди­мо вы­пол­не­ние оди­на­ко­вых усло­вий: либо на тело ни­че­го не дей­ству­ет, либо дей­ствие на него дру­гих тел ком­пен­си­ро­ва­но.

Дви­же­ние – это по­ня­тие от­но­си­тель­ное и за­ви­ся­щее от си­сте­мы от­сче­та, ко­то­рые бы­ва­ют инер­ци­аль­ные и неинер­ци­аль­ные. Инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та – когда тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя или дви­жет­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но. Сфор­му­ли­ру­ем пер­вый закон Нью­то­на.

Первый закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчёта, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела.

Такие системы отсчёта называют – инерциальными (ИСО).

Чтобы пронаблюдать как движется тело, если на него не действуют другие тела, надо поставить условия, при которых влияние внешних воздействий было бы всё меньше и меньше, и наблюдать к чему это приведёт.

Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называется инерцией.

Инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та – это очень удоб­ная мо­дель для опи­са­ния дви­же­ния тела и при­чин, ко­то­рые вы­зы­ва­ют такое дви­же­ние. Фи­зи­ка не все­гда поль­зо­ва­лась по­ня­ти­ем «инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та», впер­вые это по­ня­тие по­яви­лось бла­го­да­ря Иса­а­ку Нью­то­ну. Древ­ние греки пред­став­ля­ли себе дви­же­ние со­всем по-ино­му.

Со­глас­но Ари­сто­те­лю, су­ще­ству­ет един­ствен­ная инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та, эта си­сте­ма от­сче­та свя­за­на с Зем­лей. Все осталь­ные си­сте­мы от­сче­та вто­ро­сте­пен­ны. Со­от­вет­ствен­но, все дви­же­ния, ко­то­рые по­лу­ча­ет тело, от­но­си­тель­но Земли на­зы­ва­ют­ся есте­ствен­ны­ми, в про­тив­ном слу­чае – вы­нуж­ден­ны­ми. Самый про­стой при­мер есте­ствен­но­го дви­же­ния – это сво­бод­ное па­де­ние тела на Землю. Дей­стви­тель­но, Земля в этом слу­чае со­об­ща­ет телу ско­рость. В ка­че­стве при­ме­ра при­ну­ди­тель­но­го дви­же­ния Ари­сто­тель при­во­дил дви­же­ние те­ле­ги с ло­ша­дью.

Вагон по­ез­да, у ко­то­ро­го за­на­ве­ше­ны все окна, то есть пас­са­жир по­ез­да не видит, дви­жет­ся поезд от­но­си­тель­но тел, на­хо­дя­щих­ся на улице или нет. У нас две си­сте­мы от­сче­та – си­сте­ма от­сче­та пас­са­жи­ра «маль­чик» и си­сте­ма от­сче­та на­блю­да­те­ля на земле «де­воч­ка». Поезд на­чи­на­ет уско­рять­ся, то есть ско­рость его уве­ли­чи­ва­ет­ся. Что про­изой­дет с яб­ло­ком, ко­то­рое лежит на сто­ли­ке по­ез­да? Яб­ло­ко по инер­ции по­ка­тит­ся в про­ти­во­по­лож­ную сто­ро­ну. Маль­чик не видит, что поезд начал раз­го­нять­ся, и вдруг яб­ло­ко, ко­то­рое на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя, на­чи­на­ет на него ка­тить­ся. Он в недо­уме­нии, ведь на яб­ло­ко не дей­ство­ва­ли ни­ка­кие силы. У маль­чи­ка воз­ни­ка­ет во­прос: может, ме­ха­ни­ка Нью­то­на не спра­вед­ли­ва, ведь яб­ло­ко на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя? У де­воч­ки та­ко­го во­про­са не воз­ни­ка­ет, ведь тело дви­жет­ся по инер­ции. По­это­му мы можем сфор­му­ли­ро­вать пер­вый закон Нью­то­на более кор­рект­но:

Эксперимент 2

Подвесим шарик на шнуре. Пока шнур не перерезан, шарик находится в покое. Если бы можно было убрать Землю, но при этом сохранить действие натянутого шнура, то он бы стал двигаться с ускорением в противоположную сторону.

- О чём говорит этот пример?

3. Закрепление изученного.

Вопросы для закрепления:

- В чём состоит явление инерции?

- В чём состоит 1 закон Ньютона?

- При каких условиях тело может двигаться прямолинейно и равномерно?

- Какие системы отсчёта используются в механике?

- Гребцы, пытающиеся заставить лодку двигаться против течения, не могут с этим справиться, и лодка остаётся в покое относительно берега. Действие каких тел при этом компенсируется?

- Яблоко, лежащее на столике равномерно движущегося поезда, скатывается при резком торможении поезда. Укажите системы отсчёта, в которых первый закон Ньютона:

а) выполняется; б) нарушается.

- Каким опытом внутри закрытой каюты корабля можно установить, движется ли корабль, равномерно и прямолинейно или стоит неподвижно?

Задачи и упражнения на закрепление:

С целью закрепления материала можно предложить ряд качественных задач по изученной теме, например:

1. Может ли шайба, брошенная хоккеистом, двигаться равномерно по льду?

2. Назовите тела, действие которых компенсируется в следующих случаях: а) айсберг плывёт в океане; б) камень лежит на дне ручья; в) подводная лодка равномерно и прямолинейно дрейфует в толще воды; г) аэростат удерживается у земли канатами.

3. При каком условии пароход, плывущий против течения, будет иметь постоянную скорость?

Можно предложить и ряд чуть более сложных задач на понятие инерциальной системы отсчёта:

1. Система отсчёта связана с лифтом. В каких из приведённых ниже случаях систему отсчёта можно считать инерциальной? Лифт: а) свободно падает; б) движется равномерно вверх; в) движется ускоренно вверх; г) движется замедленно вверх; д) движется равномерно вниз.

2. Может ли тело в одно и то же время в одной системе отсчёта сохранять свою скорость, а в другой – изменять? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

3. Строго говоря. Связанная с Землёй система отсчёта не является инерциальной, обусловлено ли это: а) тяготением Земли; б) вращением Земли вокруг своей оси; в) движением Земли вокруг Солнца?

4. Домашнее задание.

1. Параграф 10, ответить на вопросы.

2. Выполнить упражнение 10.

3. Ответить на вопросы микротеста:

- Действие всех сил скомпенсировано. Какова траектория движения этого тела?

А) парабола;

Б) окружность;

В) прямая;

Г) эллипс.

5. Подведение итогов урока.

4