9кл_Конспект урока "Основная задача динамики. Движение по инерции. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета"

Тема урока:

Основная задача динамики. Движение по инерции. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Цели урока:

1. Образовательные – дать понятие о компенсирующем действии тел, явлении инерции, инерциальных системах отсчета, сформулировать первый закон Ньютона;

2. Развивающие –  развитие таких мыслительных операций как анализ, сопоставление, сравнение, умение выделять главное, существенное в изучаемом материале. Развивать логически излагать свои мысли; развивать эмоции учащихся, создавая на уроке ситуации занимательности; формировать потребность в дополнительном, послеучебном познавательном труде; способствовать обогащению словарного запаса, прививать культуру умственного труда;

3. Воспитательные – приучать детей к аккуратному ведению записей в тетради, к доброжелательному общению, взаимопомощи, к самоконтролю; воспитывать чувство сопереживания за товарищей, формировать познавательный интерес к физике.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Общие методы обучения: эвристический.

Оборудование: портрет Ньютона, штатив, шар, пружина.

План урока

1. Организационный момент

2. Актуализация опорных знаний.

3. Освоение нового материала.

4. Закрепление и первичная проверка материала

5. Подведение итогов урока и домашнее задание.

Ход урока

1. Этап начальной организации урока

Задача: подготовить учащихся к работе на уроке.

Содержание: взаимное приветствие учителя и учащихся, определить отсутствующих, проверить готовность учащихся к уроку, организовать внимание учащихся, проверить готовность оборудования.

2. Актуализация опорных знаний

Задача: вспомнить изученный ранее материал.

Сегодня на уроке мы вспомним, что такое:

• механическое движение и почему оно относительно;

• система отсчета;

• движение по инерции.

Также сегодня на уроке вы узнаете:

• Что такое инерциальные и неинерциальные системы отсчета;

• В чем заключается первый закон Ньютона.

Ребята, сегодня мы приступаем к изучению большого раздела «Динамика». До сих пор мы изучали движение тел (материальных точек) только кинематически. Мы научились определять такие основные характеристики движения как скорость, ускорение, перемещение, путь и координату тела, а также научились устанавливать между ними взаимосвязи.

Повторение:

Скажите, каким будет движение, если:

• ускорение равно нулю? – РПД (скорость постоянна и по величине и по направлению) и тогда мы можем найти координату в любой момент времени в такой ситуации;

• ускорение постоянная векторная величина? - РУД;

• ускорение постоянно по модулю и всегда перпендикулярно скорости? -Равномерное движение по окружности.

Уравнения кинематики позволяют решать сложные задачи движения различных частей машин и механизмов, рассчитывать траектории самолетов, ракет, артиллерийских снарядов и мн. др. Однако кинематика может только описать движение, пользуясь такими характеристиками как скорость и ускорение, но не отвечает на вопрос о причинах возникновения движения, или почему меняется скорость.

Если мы ответим на вопрос, что является причиной изменения скорости тела, значит, мы найдем ответ на вопрос, почему возникает ускорение, ведь ускорение – это отношение изменения скорости за небольшой промежуток времени к длительности этого промежутка времени.

Т.о., основная задача динамики – ответить на вопрос, ПОЧЕМУ скорость тела меняется и КАК найти ускорение, если известно, в каких условиях находится тело.

Динамика – раздел механики, который изучает, при каких условиях тело

• покоится

• движется равномерно

• изменяет свою скорость.

Основная задача динамики – найти ускорение тела, если известны условия его движения.

Т. о., в разделе «Динамика» мы будем искать причину изменения скорости. И первая тема, с которой мы начнем, звучит так «Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета».

3. Этап изучения нового материала

Задача: дать понятие о компенсирующем действии тел, явлении инерции, инерциальных системах отсчета, сформулировать первый закон Ньютона;

Содержание:

Прежде, чем мы начнем выяснять, что является причиной изменения скорости тела, давайте посмотрим на задачу с противоположной стороны. Иногда это бывает полезно.

Давайте подумаем, какие условия должны выполняться для того, чтобы было наоборот, чтобы тело НЕ меняло своей скорости.

Демонстрация 1. Шар, подвешенный на пружине.

Рассмотрим тело, находящееся в покое – шар, подвешенный на пружине.

• Что можно сказать о скорости шара?- Она равна нулю, и она постоянна.

Влияет ли на шар то обстоятельство, что я стою рядом? Нет, я могу уйти, а состояние покоя этого шара не изменится. Где-то у школы сейчас стоит чей-то автомобиль, который тоже не влияет на состояние этого шара. То есть существуют тела, присутствие которых никак не изменяет состояние движения этого шара. В таком случае говорят, что данное тело, шар, с теми телами не взаимодействуют. Я не взаимодействую с шаром, точнее говоря, конечно между мной и шаром есть сила взаимодействия, но она очень маленькая, поэтому ею можно пренебречь. Итак, если на тело не влияет никак присутствие другого тела, то говорят, что с этим телом данное тело не взаимодействует. Но есть тела, присутствие которых влияет на данное тело.

• Как вы думаете, что это за тела? – Земля

Верно, сейчас на это шар действует Земля.

• Почему же этот шар не меняет своего состояния движения? - Потому что на него действует пружина.

Верно, на шар действуют Земля снизу и пружина сверху, и действие этих тел таково, как если бы не было ни пружины, ни Земли. Если бы не было ни Земли, ни пружины, шар, наверное, сохранял бы состояние покоя. Это достаточно легко проверить.

Проведем мысленный эксперимент

• Что будет, если убрать пружину? – Шар двигался бы вниз.

• А если бы мы убрали Землю? – Шар двигался бы вверх.

Между прочим, действие пружины на этот шар я могу изменять. Оказывается, взаимодействие пружины с шаром зависит от того, насколько сильно натянута пружина. Если я уменьшу натяжение пружины, то она будет действовать на шар слабее, чем действует Земля, и если я отпущу шар, то шар начнет двигаться вниз, к Земле. И наоборот, я могу искусственно увеличить натяжение пружины, тогда ее действие на шар будет сильнее действия Земли, и, несмотря на присутствие Земли, шар под действием пружины начнет двигаться вверх. Но есть какая-то золотая середина, при достижении которой шар ведет себя так, как будто бы нет ни пружины, ни Земли. В таком случае говорят, что действие пружины и Земли скомпенсированы.

Сделаем рисунок в конспектах.

Еще примеры компенсации действий:

Итак, бывают такие ситуации, когда на тело действует несколько тел, но их действие скомпенсировано.

Вернемся к шару. Шар висит, находится в покое. Но ведь мы знаем, что покой и движение относительны. Представьте себе, что мы наблюдаем за этим шаром на равномерно движущемся велосипеде. Вот я проезжаю на велосипеде мимо этого шара с постоянной скоростью и по прямой. Я вижу, что этот шар тоже движется. Я еду вперед относительно земли, а шар движется назад. Т.е. получается, что если рассматривать с этой точки зрения, то шар движется. Но ведь все равно на него по-прежнему действуют пружина и Земля, и их действие на шар скомпенсировано. Т.е. мы приходим к выводу, что шар может двигаться либо равномерно прямолинейно, либо может находиться в состоянии покоя, если на него не действуют другие тела либо их действие скомпенсировано. Ведь мы можем наблюдать за этим шаром из любых систем отсчета. Итак, если я нахожусь в равномерно движущейся системе отсчета, этот шар будет двигаться равномерно прямолинейно.

• А можно ли придумать такую систему отсчета, относительно которой этот шар будет двигаться неравномерно, но при этом на него по-прежнему будут действовать пружина и Земля и их действие будет скомпенсировано? – мотоцикл, который движется ускоренно.

Итак, получается следующая ситуация – Земля и пружина действуют на шар, их действие скомпенсировано, а шар уже не сохраняет свое состояние покоя или равномерного движения. Значит, есть такие системы отсчета, будем называть их «плохими».

Еще один пример - вы сидите на равномерно вращающейся карусели и наблюдаете за шаром.

• Как будет двигаться шар относительно вас? – Он будет кружить, вращаться вокруг вас. Вращение – это движение с ускорением.

Итак, бывают такие системы, в которых если на тело не действуют другие тела или их действие скомпенсировано, тело сохраняет состояние покоя, а бывают такие, что при тех же условиях не сохраняют состояние покоя.

Т.е. существует два вида систем.

А теперь вспомним, к какому выводу пришел Галилей, проводивший опыты с шариокм и наклонной плоскостью.

Но теперь мы понимаем, что не в любой системе отсчета это будет правильно, что существуют определенные системы остчета, в которых если на тело не действуют другие тела или их действие скомпенсировано, они не сохраняют состояние покоя или РПД. Это дальнейшее развитие идеи Галилея. Этот вопрос был рассмотрен Исааком Ньютоном. И называется он I закон Ньютона. Сформулируем закон:

Существуют такие системы остчета, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

1 закон Ньютона еще называют законом инерции, а те системы отсчета, о существовании которых провозглашается в законе, называются инерциальными. Есть и другие СО, например, находясь на карусели, или в седле мотоцикла, который разгоняется, мы уже находимся в НЕинерциальной СО.

Итак, 1 закон Ньютона, во-первых, содержит определение ИСО:

Инерциальная система отсчета (ИСО) – система отсчета, относительно которой тело, при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации, покоится или движется прямолинейно и равномерно.

А, во-вторых, 1 закон Ньютона провозглашает тот факт, что такие системы могут быть найдены, что они существуют в природе. Доказать первый закон Ньютона невозможно, он является результатом обобщения экспериментальных фактов, ни один прямой опыт не может его подтвердить с абсолютной точностью, т.к. нельзя пренебречь влиянием окружающих тел, поэтому его следует рассматривать как аксиому.

Т.о., СО бывают инерциальными и неинерциальными.

• Как вы думаете, сколько может существовать ИСО? – сколь угодно много.

Если мы находимся в СО, движущейся равномерно и прямолинейно относительно ИСО, то в этой новой СО тело тоже будет находиться либо в состоянии покоя либо в состоянии РПД, а значит, она тоже будет ИСО. А вот если система НСО, то все гораздо сложнее, поэтому мы с вами будем заниматься механикой только в ИСО. Это очень удобная система, потому что если мы видим, что тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, то мы можем сказать, что на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано. Если вдруг мы, наблюдая из ИСО, увидели, что у тела начала меняться скорость, это значит, что появилось какое-то тело, действие которого не скомпенсировано. Если сейчас перерезать эту пружину, то компенсация нарушится, и тело начнет падать, есть ускорение, значит, есть виновник ускорения, и мы можем его найти.

ИСО – Земля и любые СО, связанные с телами, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно Земли.

НСО – это СО, движущиеся относительно инерциальных с ускорением.

Как определить, является СО инерциальной или неинерциальной?

Пример 1

Пример 2

Пример 3

Рассмотрим шарики, расположенные на тележке, один из которых лежит на горизонтальной поверхности, а другой подвешен на нити.

Т.о., тело сохраняет состояние покоя или РПД только в определенных СО.

Является ли СО, связанная с Землей, инерциальной?

Это очень важный вопрос, потому что все эксперименты мы проводим на Земле, а Земля движется вокруг Солнца почти по круговой орбите, и вращается вокруг своей оси. Поэтому, строго говоря, СО, связанная с Землей, не является инерциальной. Однако мы можем считать ее инерциальной в приближении, т.к. за те небольшие интервалы времени, за которые проводим эксперименты, дугу орбиты, по которой движется Земля, можно с большой точностью считать отрезком прямой линии. Ускорение же, возникающее из-за вращения Земли, тоже очень мало.

Т.о., реальной жизни невозможно найти строго ИСО, а значит, это понятие является идеализированным.

4. Закрепление и первичная проверка материала

Задача: установить, поняли ли учащиеся новый материал. Устранить проблемы в понимании материала. Научить применять полученные знания при решении качественных и количественных задач.

Содержание:

Решение качественных задач:

5. Этап подведения итогов урока и домашнее задание

13