Третий закон Ньютона. Принцип относительности Галилея

Тема: Третий закон Ньютона. Принцип относительности Галилея

Цели: 

1. Обучающая:

• повторить основные положения первого и второго законов И.Ньютона;

• ввести понятие третьего закона И.Ньютона;

• закрепление теоретического материала при решении задач по теме.

2. Развивающая:

• умение видеть мир в многообразии;

• умение находить решение в проблемных ситуациях;

• применять знания в различных областях.

3. Коммуникативная:

• развитие умения у детей работать в группах;

• вести диалог с учителем.

4. Воспитательная: развитие познавательного интереса к литературе, физике.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Повторение пройденного материала.

3. Проблемная ситуация с переходом к новой теме.

4. Изучение нового материала.

5. Закрепление.

Повторение:

1. Сережа с мамой подошли к реке, по которой плавно плыли огромные белые льдины. Они как белые лебеди, торжественно и величаво уплывали вдаль. Мальчик некоторое время с восторгом смотрел на это чудо и вдруг громко сказал: “ Мама, мамочка, а мы-то поплыли!”

• В чем ошибка мальчика?

• С чем, по его словам, была связана система отсчета.

1. Какую басню проиллюстрировали F физики?

2. Какой закон позволяет ее описать?

3. Сформулируйте этот закон?

II. Мотивация учебной деятельности учащихся

Можно плыть на парусном судне, направляя на парус поток воздуха от мощного вентилятора, находящегося на судне? Что произойдет, если дуть мимо паруса?

 III. Изучение нового материала

Когда какое-либо тело действует на другое, происходит не одностороннее действие, а взаимодействие тел. Силы такого взаимодействия между телами имеют одинаковую природу, появляются и исчезают одновременно. При взаимодействии двух тел (рис. 1) оба тела приобретают ускорения, направленные по одной прямой в противоположные стороны.

Рис. 1

Так  то

                            (1)

Согласно второму закону Ньютона,  Тогда из формулы (1) имеем:

Равенство (2) выражает третий закон Ньютона: тела взаимодействуют друг с другом с силами, равными по модулю и противоположными по направлению и направленными вдоль одной прямой.

Каждая из сил взаимодействия приложена к тому телу, на которое она действует, то есть эти силы приложены к разным телам. Следовательно, силы взаимодействия между телами не могут уравновесить (компенсировать) друг друга, хотя формально  +  = 0.

Приведем примеры, иллюстрирующие третий закон Ньютона. Возьмем в руки два одинаковых динамометра, соединим их крючками и будем тянуть в разные стороны (рис. 2). Оба динамометра покажут одинаковые по модулю силы натяжения, то есть  Поставим на горизонтальную поверхность две одинаковые тележки с помощью двух одинаковых динамометров прикрепим их к вертикальным стойкам. На одну тележку положим кусок металла, а на второй - магнит (рис. 3). Оба тележки двинутся навстречу друг другу и оба динамометры покажут одинаковые силы взаимодействия, т.е.  Это значит, что с какой силой магнит притягивает кусок металла, с такой же силой и металл притягивает к себе магнит.

Рис. 2

Рис. 3

Приведенные примеры показывают, что третий закон Ньютона выполняется как в случае взаимодействия непосредственно контактирующих тел, так и в случае взаимодействия тел благодаря наличию магнитного поля. Самым простым будет такая формулировка третьего закона Ньютона: действие равно противодействию.

Свойства сил, связанных третьим законом Ньютона

Силы, с которыми взаимодействуют два тела:

а) имеют одинаковую физическую природу, поскольку обусловлены той самой взаимодействием;

б) одинаковые по модулю и направлены вдоль одной прямой противоположно друг другу;

в) приложены к разным телам и поэтому не могут компенсировать друг друга.

Примеры выявления третьего закона Ньютона в природе. В соответствии с третьим законом Ньютона, камень притягивает Землю с такой же по модулю силой, с которой Земля притягивает камень. Поэтому, когда камень падает, и он, и Земля движутся с ускорением навстречу друг другу. Однако ускорение Земли во столько же раз меньше ускорения камня, во сколько раз масса Земли больше массы камня. Поэтому мы и замечаем часто только одну силу взаимодействия двух тел - ту, которая действует на камень со стороны Земли. А такая же по модулю сила, действующая на Землю со стороны камня, остается незамеченной.

Реактивное движение. Выбрасывая с огромной скоростью продукты сгорания топлива обратно, ракета действует на них с большой силой. Согласно третьему закону Ньютона, с такой же по модулю, но направленной вперед силой продукты сгорания действуют на ракету.

Явление отдачи. Сила, действующая на снаряд со стороны пушки, равна по модулю силе, действующей на пушку со стороны снаряда в момент выстрела. В автоматической стрелковому оружию явление отдачи используется для перезарядки оружия.

Взаимодействие Земли и Солнца, Земли и Луны, движение планет и других небесных тел.

Движение транспортных средств. Применяя законы Ньютона, учащиеся часто допускают ошибочное рассуждение: если любая сила всегда вызывает одинаковое по значению и противоположную по направлению силу противодействия, значит, их результирующая равна нулю и тела не могут приобретать ускорений. Например, возникают трудности при решении такой задачи:

Человек тянет сани, то есть действует на них с определенной силой, но с такой же силой сани действуют на человека. Почему же человек перемещает сани?

Чтобы не прийти к ошибочному выводу о противоречии между вторым и третьим законами Ньютона, надо помнить, что во втором законе говорится об ускорении, которое приобретает тело под действием приложенных к нему сил. То, что ускорение тела равно нулю, является следствием того, что результирующая сил, приложенных к одному и тому же телу, тоже равна нулю. А третий закон Ньютона говорит о равенстве сил, приложенных к разным телам: первая, «действующая», приложенная к одному из взаимодействующих тел, а вторая, «противодействующая» - ко второму. Следовательно, каждое из тел находится под действием одной силы, которая, если она не уравновешена, придает телу ускорение. Однако вопрос о движении человека саней не исчерпывается сказанным.

Если действующая и противодействующая силы одинаковы и направлены противоположно, то два взаимодействующих тела не могут двигаться в одну сторону, а тем временем человек с санями движется в одну сторону. Когда два взаимодействующих тела (человек и сани) движутся с ускорением, направленным в одну и ту же сторону, значит, есть третье тело (в данном примере поверхность Земли), взаимодействие с которым одного или обоих тел придает им ускорение относительно этого третьего тела.

Рис. 4

Когда человек 1 тянет сани 2 (рис. 4), движение его и саней изменяется в результате его взаимодействия с Землей 3 и с санями, саней с Землей и человеком, поверхности Земли с человеком и санями. Человек действует на Землю, отталкивая его назад с силой 31. По третьему закону Ньютона, Земля действует на человека с такой же по модулю силой 13, напрямленою вперед. Человек, натягивая веревку, действует на сани с силой 21, напрямленою вперед. По третьему закону Ньютона, сани, в свою очередь, действуют на человека с силой, которая численно равна 12 и направлена обратно: Наконец, сани действуют на Землю с силой 32, направленной вперед. Земля, по третьему закону Ньютона, создает опору  направленную назад.

Чтобы найти условие, при которой сани и человек будут иметь ускорение  напрямлене в одну сторону, нужно применить к каждого тела отдельно второй закон Ньютона. Считая веревку невесомой и такой, что не растягивается, можно записать: , где mc - масса саней, mл - масса человека.

Чтобы тела двигались в одну сторону, сила F21, которая действует на сани со стороны человека, должно быть больше силу F23, действует на сани со стороны Земли, и сила F13, которая действует со стороны Земли на человека, должна быть больше силы F12, действующей на человека со стороны саней: F21  F- 23 и F13  F12.

Воспользовавшись третьим законом Ньютона, заменяют первую неравенство: |F12| |F23| и, сравнив ее со вторым неравенством, достают: |F13| |F23|, то есть сила, действующая со стороны Земли на человека, должна быть большей за силу, с которой Земля действует на сани. Если сила действия Земли на человека F13 не будет превышать силы действия Земли на сани F23, то человек не сможет сдвинуть сани с места. Во время движения с постоянной скоростью эти силы становятся одинаковыми.

Поскольку третий закон Ньютона устанавливает обязательность двусторонних равных взаимодействий тел, то ни одна машина не может привести сама себя в движение, потому что представляет собой систему пар взаимодействующих тел. Чтобы машина начала перемещаться, необходимо взаимодействие ее хотя бы с одним внешним относительно нее телом. Это можно продемонстрировать, подвесив над столом игрушечный автомобиль. Сколько бы двигатель не обращал колес автомобиля, он не будет двигаться до тех пор, пока его не опустить на стол, чтобы колеса начали взаимодействовать с поверхностью стола.

Особенности III закона Ньютона

1. Силы всегда появляются по две в результате взаимного действия тел друг на друга.

2. Силы возникают одновременно.

3. Силы не уравновешивают друг друга, т.к. приложены к разным телам.

4. Каждая из этих сил существует до тех пор, пока существует и другая, действие передается мгновенно.

5. Силы всегда одной природы.

6. Третий закон Ньютона выполняется относительно инерциальных СВ.

Выводы из законов Ньютона:

первый закон Ньютона утверждает: если на тело не действуют посторонние тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно ИСО. Из него следует, что причиной изменения скорости тела является сила.

Второй закон Ньютона объясняет, как движется тел под действием силы. Он устанавливает количественное соотношение между  и . В первом и втором законах Ньютона рассматривается лишь одно тело.

В третьем законе рассматривается взаимодействие двух тел с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы называют силами взаимодействия. Они направлены вдоль одной прямой и приложены к разным телам. Между законами Ньютона существует взаимная связь: они выполняются только в инерциальных системах отсчета.

Принцип относительности Галилея - Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют один и тот же вид. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Принцип относительности Галилея характеризует симметрию законов физики по отношению к переходу от одной ИСО к другой.

IV. Осмысление объективных связей.

Решение задач

1. Мяч ударяется в оконное стекло. На какое из тел (мяч или стекло) действует в момент удара большая сила?

2. Тело массой 100 г плавает в воде. С какой силой вода действует на тело? Тело на воду?

3. Весы, на которых стоит неполный стакан с водой, уравновешенные. Сохранится или нарушится равновесие весов, если опустить в воду палец, не касаясь дна?

4. Каким может быть модуль равнодействующей сил 10 Н и 15 Н?

V. Итоги урока

Ученики дают и обосновывают ответ на поставленный вопрос в начале урока.

Теперь я знаю, что плыть на парусном судне..., потому что... . Итак,...

VI. Домашнее задание

• Проработать соответствующий раздел учебника.

• Решить задачи:

1. Популярный когда-то цирковой номер заключался в том, что на грудь атлета, который лежал на полу, клали тяжелую наковальню и били по нему кузнечным молотом. После номера атлет вставал с пола будто ничего не произошло. В чем секрет трюка?

2. Почему барон Мюнхаузен не мог сам вытащить себя за волосы из болота?

3. Если пловец, что находится рядом с лодкой, толкнет его, лодка сдвинется с места. Если то же человек сделает сидя в лодке, лодка не сдвинется с места. Почему?