Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Тема: Движение по инерции. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Цель урока: обеспечить осознанное усвоение понятий «инерция», «инерциальная система отсчета», «свободное тело», формирование представлений о первом законе Ньютона (законе инерции).

Демонстрации: движение шарика по наклонному желобу, движение шарика по тележке.

Актуализация опорных знаний

• Основная задача динамики

• Сила

• Равнодействующая сила

• Результирующая сила

• Правила сложения сил

Новый материал

Вы уже знаете, что тело сохраняет состояние покоя, если на него не действуют силы или приложенные к нему силы уравновешивают (компенсируют) друг друга. А при каких условиях тело сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения?

Ответ на этот вопрос кажется очевидным. Повседневный опыт говорит: чтобы тело двигалось равномерно, его надо тянуть или толкать с постоянной силой.

Прекратится действие силы ‒ движущееся тело рано или поздно остановится. Так считали и известные ученые древности, например Аристотель. Однако «очевидное» утверждение: «для движения с постоянной скоростью нужна постоянная сила» оказалось неверным. Опровергнуть его удалось в первой половине XVII в. итальянскому ученому Галилео Галилею. Он применил метод, ставший в физике основным методом исследования: изучая явления природы, следует проверять каждую догадку, предположение, идею на опыте

Демонстрация ‒ движение шарика по наклонному желобу

Опыт показывает, что в последнем случае шарик прокатится дальше всего. Почему? Потому что трение было наименьшим. А если бы трения не было совсем? На шарик действовали бы только две силы сила тяжести и сила упругости, компенсирующие друг друга. Шарик двигался бы неограниченно долго с постоянной скоростью.

Галилей сделал вывод: скорость движения тела остается постоянной, если на тело не действуют силы или силы действуют, но они компенсируют друг друга.

Такое движение называют движением по инерции.

В земных условиях на тело всегда действуют силы. Астрономические наблюдения над космическими аппаратами, запущенными для исследования отдаленных планет и покинувшими Солнечную систему, подтверждают: для движения по инерции никакие силы не нужны.

Идеи Галилея получили развитие в работах Ньютона. В 1687 г. он сформулировал важнейшее утверждение:

«всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не вынуждается приложенными к нему силами изменить это состояние».

Это утверждение является первоначальной формулировкой первого закона Ньютона, или закона инерции.

В нем заключена главная идея механики. Действовать на тело силой необходимо не для того, чтобы сохранить его скорость неизменной, а чтобы изменить ее. Сила нужна не только для изменения модуля скорости, но и для изменения ее направления.

Опыт показывает, что изменение скорости под действием сил не происходит мгновенно. Свойство любого тела изменять скорость своего движения только под действием сил, причем не мгновенно, а постепенно, называют инертностью тела. Не претендуя на строгость, можно сказать ‒ тела как бы «стремятся» сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Именно поэтому автомобиль «заносит» на повороте, пассажиров «бросает» вперед, когда автобус резко тормозит, поезд нельзя остановить мгновенно и т. д.

Мы знаем, что характеристики движения относительны ‒ они зависят от системы отсчета. В любой ли системе отсчета движение тела, на которое не действуют силы (или силы компенсируют друг друга), будет равномерным?

Демонстрация ‒ шарик на тележке (равномерное движение, разгон и торможение тележки)

Таким образом:

• относительно системы отсчета, связанной с Землей, шарик все время двигался с постоянной скоростью;

• относительно системы отсчета, связанной с тележкой:

  • шарик покоился, пока тележка двигалась равномерно;

  • во время разгона и торможения тележки, несмотря на то, что силы, приложенные к шарику, компенсировали друг друга, его скорость относительно тележки изменялась.

Тело, на которое не действуют силы (или действующие силы компенсируют друг друга), называют свободным.

Системы отсчета, в которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно, называются инерциальными, а те, относительно которых свободные тела движутся с ускорением, — неинерциальными.

А что говорят более точные опыты? Они показывают, что систему отсчета, связанную с Землей, — геоцентрическую систему ‒ можно считать инерциальной только приближенно. С гораздо большей точностью инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему отсчета. Ее начало координат связано с Солнцем, а оси координат направлены на далекие звезды.

Любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы поступательно, равномерно и прямолинейно, также будет инерциальной. Если система отсчета движется ускоренно относительно инерциальных систем или вращается относительно них, то она будет неинерциальной. Очевидно, что неинерциальными являются системы отсчета, связанные с ракетой на участке разгона, резко тормозящим поездом, быстро вращающейся каруселью и т. п.

Мы не замечаем неинерциальности геоцентрической системы из-за того, что Земля вращается вокруг своей оси медленно (один оборот за 24 ч).

Пользоваться неинерциальными системами «не запрещено». При решении задач динамики с использованием таких систем и уравнения вводят поправки на неинерциальность.

Существование реальных систем отсчета, свойства которых практически совпадают со свойствами инерциальных, является одним из важнейших фактов, установленных физикой. Поэтому в настоящее время первому закону Ньютона дают следующую формулировку:

существуют системы отсчета, в которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно.

Первый закон Ньютона подтвержден всем развитием физики и применением ее законов на практике на протяжении почти четырех столетий. Теперь для образованных людей очевидны представления о движении Галилея и Ньютона, а не Аристотеля.

Закрепление изученного

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

2. Назовите тела, действие которых компенсируется в следующих случа­ях:

   1. айсберг плывет в океане;

   2. камень лежит на дне ручья;

   3. подвод­ная лодка равномерно и прямолинейно дрейфует в толще воды;

   4. аэро­стат удерживается у земли канатами.

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

4. Система отсчета жестко связана с лифтом. В каких из приведенных ниже случаев систему отсчета можно считать инерциальной? Лифт

   1. свободно падает;

   2. движется равномерно вверх;

   3. движется ускоренно вверх;

   4. движется замедленно вверх;

   5. движется равномерно вниз.

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

6. Строго говоря, связанная с Землей система отсчета не является инерциальной. Обусловлено ли это:

   1. тяготением Земли;

   2. вращением Земли вокруг своей оси;

   3. движением Земли вокруг Солнца?

Домашнее задание

1. § 18

2. https://www.youtube.com/watch?v=JZCZ6BFI1Yg

Дополнительный материал

Античная механика

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась все более насущной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности ‒ Аристотелем (384-322 гг. до н э.)

Аристотель - «самая универсальная голова» среди древнегреческих философов», сказал Ф. Энгельс про этого великого ученого Древней Греции.

Аристотель родился в Греции, в г. Стагире, расположенном рядом с Македонией. В 366 г. до н.э. он приехал и Афины в академию Платона и пробыл там вместе с Платоном около 20-ти лет. В 339 г. до н.э. Аристотель организовал в Афинах свой Лицей и успешно руководил им 13 лет. Умер Аристотель в 322 году до н.э. на острове Эвбея.

В аристотеяевской натурфилософии фундаментальное место занимает учение о движении. Движение он понимает в широком смысле, как изменение вообще, различая изменения качественные, количественные н изменения в пространстве. Кроме того, в понятие движения он включает психологические и социальные изменения ‒ там, где речь одет об усвоении человеком знаний или об обработке материалов. Понятие движение включаете себя также переход из одного состояния в другое, например, из бытия в небытие.

Все механические движения Аристотель делит на три вида: круговые, естественные и насильственные. Круговое движение ‒ это самое совершенное движение, присущее только небесному миру. Это движение вечно и неизменно, и причиной его является перводвигатель ‒ бог, живущий за сферой неподвижных звезд, где кончается Материальная Вселенная.

Земные же движения, где все несовершенно и имеет началом конец, бывают естественные и насильственные. Естественное движение ‒ это движение тяжелого тела вниз к центру Мира, к центру Земли, и легкого вверх. Это движение тел происходит само собой, в результате стремления тела занять свое естественное место. Оно не нуждается в силах. Все остальные движения на Земле насильственные и могут происходить только под действием внешних сил (в том числе равномерное и прямолинейное движение). Свой основной принцип динамики Аристотель формулирует так: «Все, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».

У Аристотеля мы находим также и соображения, дающие основание для количественного определения силы. Рассуждения Аристотеля сводятся к следующему: сила пропорциональна произведению скорости тела, к которому она приложена, на его вес.

Но вместе с тем Аристотель верил в бога, противопоставлял земное и небесное, в центре ограниченной Вселенной он поместил неподвижную Землю, как тело обладающее наибольшей тяжестью. За эти и подобные им моменты в учении Аристотеля ухватилась церковь, превратив их в догмы.

Аристотеля называют крестным отцом физики: ведь название его книги «Физию» стало названием всей физической науки.

Механика эпохи Возрождения

В середине XV века в Европе начинается быстрый рост городов, отделение ремесленного (промышленного) производства от натурального хозяйства. Этот период является началом широкого протестантского движения против духовной диктатуры католической церкви.

В этой обстановке рождалось новое естествознание. Ф. Энгельс так охарактеризовал начавшийся со второй половины XV века период в истории науки: «Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того времени человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах и породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учености...». И среди этих титанов эпохи Возрождения Ф. Энгельс одним из первых называет Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), «которому обязаны важнейшими открытиями самые разнообразные области физики»

«Опыт ‒ отец всякой достоверности. Мудрость ‒ дочь опыта» утверждал этот великий ученый..

Леонардо да Винчи родился 15 апреля 1452 года в небольшом городке Винчи, недалеко от Флоренции. В 151 б году Леонардо да Винчи уезжает во Флоренцию по приглашению французского короля н там проводит свои последние годы.

«Механика ‒ рай математических наук», - говорил Леонардо, много времени и энергии отдавая ее изучению. Работы Леонардо в области механики могут быть сгруппированы по следующим разделам: законы падения тел; законы движения тела, брошенного под углом к горизонту; законы движения тела по наклонной плоскости; влияние трения на движение тел; теория простейших машин (рычаг, наклонная плоскость, блок); вопросы сложения сил; определение центра тяжести тел; вопросы, связанные с сопротивлением материалов. Перечень этих вопросов делается еще более значительным, если учесть, что многие из них разбирались вообще впервые. Остальные же, если и рассматривались до него, то базировались в основном на умозаключениях Аристотеля, весьма далеких в большинстве случаев от истинного положения вещей. По Аристотелю, например, тело, брошенное под углом к горизонту, должно лететь по прямой, а в конце подъема, описав дугу окружности, падать вертикально вниз. Леонардо да Винчи рассеял это заблуждение и нашел, что траекторией движения в этом случае будет парабола.

Он высказывал много ценных мыслей, касающихся сохранения движения, подходя вплотную к закону инерции. «Импульс» (impeto) есть отпечаток движения, который движущее переносит недвижимое. Импульс ‒ сила, запечатленная движущим, в движимом. Каждый отпечаток тяготеет к постоянству или желает постоянства.

Леонардо знал и использовал в своих работах метод разложения сил. Для движения тел по наклонной плоскости он ввел понятие о силе трения, связав ее в силой давления тела на плоскость, правильно указав направление этих сил.

Еще до Леонардо да Винчи ученые занимались теорией рычага и блока. Однако выигрыш в силе происходит за счет потери во времени. Леонардо критиковал, тех, кто стремился создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создаем в подобных поисках! Прочь идите с алхимиками ‒ искатели золота». «Невозможно, чтобы груз, который опускается, мог поднять в течение какого ни было времени другой, ему равный, на ту же высоту, с которой ушел».

Очень характерно для механики Леонардо да Винчи стремление вникнуть в сущность колебательного движения. Он приблизился к современной трактовке понятия резонанса, говоря о росте колебаний при совпадении собственной частоты системы с частотой извне. «Удар в колокол получает отклик и приводит в движение другой подобный колокол, и тронутая струна лютни находит ответ и приводит в слабое движение другую подобную струну той же высоты на другой лютне»..

Леонардо да Винчи впервые и много занимался вопросами полета. Первые исследования, рисунки и чертежи, посвященные летательным аппаратам, относятся примерно к 1487 году (первый Миланский период). В первом летательном аппарате применялись металлические части; человек располагался горизонтально, приводя механизм в движение руками и ногами.

В дальнейшем Леонарда заменил металл деревом и тростником, веревки ‒ жесткими передачами, а человека расположил вертикально. Он стремился освободить руки человека: «Человек в своем летательном аппарате должен сохранять полную свободу движений от пояса и выше... У человека запас силы в ногах больше, чем нужно по его весу». Однако отсутствие уверенности в том, что этой силы достаточно для успешного полета в любых условиях, привело его к мысли об использовании пружины как двигателя и о планере, с которым можно осуществить если не полный полет, то хотя бы парение в воздухе. Он построил модель планера и готовил его испытание. Стремление обезопасить человека в процессе этих испытаний побудило его к изобретению парашюта.

Трудно перечислить все инженерные проблемы, над которыми работал пытливый ум Леонардо. Любуясь сегодня великолепными картинами Леонардо да Винчи, рассматривая его остроумные проекты различных сооружений, перечитывая глубокие мысли ученого, благодарное человечество воздает и будет воздавать дань этому гиганту из гигантов эпохи Возрождения.