ДИНАМИКА

Урок № 1

Тема. Законы динамики. Первый закон Ньютона. Инерция и инертность

Цель: выяснить, что изучает динамика; раскрыть содержание первого закона Ньютона; ввести понятия инерционной и неінерційної системы отсчета; углубить знания учащихся о инерцию и инертность; развивать умение применять знания для объяснения конкретных явлений; сообщить о использование инерции в быту и технике; убедить в необходимости учитывать это явление на практике.

Оборудование: желоб, металлический шарик, песок, гладкая доска.

ХОД УРОКА

I. Актуализация опорных знаний учащихся

Интерактивное упражнение. Вставьте пропущенные гласные буквы в словах и дать определения этих понятий:

др..ция, г. х, рівн..ой, прям..ой, крыл..ый, рівнопр..й, с..ма..ку.

II. Мотивация учебной деятельности учащихся

Учитель. Отгадайте загадку:

Чье имя назвать пора,

Если динамики законам

Кроме имени данные номера? (И. Ньютон)

Итак, рассматривая различные задачи, мы считали заданным тот или иной вид движения, не выясняя, почему он именно такой. Почему выпущенное из рук тело падает на землю прямолинейно и рівноприскорено? Почему, отходя от станции, автобус движется рівноприскорено, а тормозя - рівносповільнено? Почему искусственный спутник движется по круговой орбите практически равномерно?

Повседневный опыт показывает, что изменение скорости тела сама по себе не происходит. Ускорение автомобиля во время торможения, видимо, как-то зависит от его взаимодействия с дорогой, ускорение падающего тела - от его взаимодействия с Землей, а характер движения спутника вокруг Земли - от взаимодействия спутника с Землей.

Нетрудно понять, насколько важно выяснить, что же является причиной изменения скорости тела, то есть что является причиной возникновения ускорения и чем определяется его модуль и направление. Это предоставит возможность установить закономерные связи между кинематическими характеристиками движения и причинами, обусловливающими именно этот вид движения. Эти задачи и решаются в динамике.

III. Изучение нового материала

1. Что изучает динамика

Раздел механики, в котором рассматривается влияние взаимодействия тел на их движение, называется динамикой.

В динамике за известными силами и массами определяют характер движения тел, их ускорения и скорости, а по характеру наблюдаемых движений устанавливают законы взаимодействия тел, в основу механики положены три закона Ньютона. Когда известны причины, по которым изменяется движение тел, то есть силы, то можно отыскать и их последствия - ускорение. Если известны массы взаимодействующих тел, то можно найти и соотношение между их скоростями.

2. Как был открыт первый закон динамики

Опираясь на наблюдения явлений движения, греческие ученые 2400 лет назад пришли к выводу, что естественным положением тела является покой, поскольку все тела от природы «ленивые», или инертные (от лат. iners - бездеятельный, неподвижный). Возникновение движений тел возможно только в результате действия активной силы, а прекращения действия этой силы приводит к остановке тела. Математически рассуждения греков можно записать так: = const, пока = const. Тогда, когда наблюдали движение, но не понимали его причины (движение Солнца, Луны, звезд и других небесных тел), давали такое объяснение: предметы двигают боги. Такая механика на то время была по нраву церкви.

Древнегреческий ученый Аристотель утверждал: чтобы тело двигалось, его необходимо все время «двигать», причем чем больше скорость тела, тем больше усилий нужно для этого прилагать.

Это влияние одного тела на другое он называл силой. По Аристотелю, сила - это причина движения.

Ошибки в понимании механических движений древнегреческих ученых исправил итальянский ученый Г. Галилей, что опирался на эксперименты с несложными механическими системами. В опытах со скатыванием свинцовой шарика с наклонной плоскости он заметил, что расстояние s1 движения шарика по песку (по горизонтальной поверхности) (рис. 1) меньше расстояний s2 и s3, которые прошла шарик по гладкой доске и мраморе. Это отличие Галилей объяснил тем, что сила трения 1 во время движения по песку гораздо больше силы 2 во время движения шарика по доске или отшлифованному мрамора.

Рис. 1

3. Явление инерции и закон инерции

Результаты экспериментов Галилея свидетельствовали о том, что чем меньше сопротивление движению, тем меньше изменение скорости и тем дольше движется шарик. Размышляя над такими результатами, Галилей пришел к гениальному выводу: при полном отсутствии силы трения или сопротивления скорость тела является постоянной, и для поддержания движения не нужно прикладывать никакой силы. Математически это можно записать так: = const, если = const. Явление сохранения телом скорости при отсутствии внешних воздействий на него со стороны других тел называют инерцией, а это свойство тела - инертностью. А закон, открытый Галилеем, называют законом инерции и формулируют так: если на тело не действуют другие тела, то оно движется прямолинейно и равномерно или находится в состоянии покоя.

Отметим, что физический смысл закона инерции заключается в том, что свободные друг относительно друга материальные точки (материальные точки, на которые не действуют другие тела) движутся прямолинейно и равномерно.

О том, что телу свойственно сохранять не любое движение, а именно прямолинейный, свидетельствует следующий опыт (рис. 2). Шарик, движущийся прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с преградой, которая имеет криволинейную форму, под действием этого препятствия вынуждена двигаться по дуге. Однако когда шарик доходит до конца препятствия, она перестает двигаться криволинейно и снова начинает двигаться по прямой.

Рис. 2

Рассматривая механические движения в доме на берегу моря и в каюте корабля, Г. Галилей обнаружил, что они осуществляются одинаково, когда корабль плывет по гладкой поверхности без ускорения. Очень важным для всего последующего развития физики оказалось утверждение Галилея о том, что никакими механическими опытами, которые проводятся внутри инерциальной системы отсчета (для пассажира ней есть каюта корабля), невозможно установить, находится ли эта система в покое или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение называют принципом относительности Галилея. Человек в каюте корабля может установить факт движения только тогда, когда она будет наблюдать внешние тела: остров, берег моря и т.д.

Инерционными Ньютон назвал такие системы, для которых единственным источником ускорения является сила, то есть взаимодействие с другими телами. Системы отсчета, которые движутся относительно инерциальных систем с ускорением (поступательно или вращательно), он назвал неінерційними. Ньютон, рассматривая инерциальную систему отсчета (ИСВ), так и не смог указать тело, которое было бы для нее телом отсчета. Окружающие тела движутся ускоренно: дом вращается вокруг оси Земли, а вместе с ее поверхностью - вокруг Солнца. Системы отсчета, которые связаны с окружающими телами, неінерційні, но их ускорения в основном очень маленькие. Ускорение автобуса составляет около 1 м/с2, большого корабля - несколько cм/с2, Земли - 6 мм/с2, Солнца - около 10-4 см/с2. Соответственно, чем больше масса тела отсчета, тем меньше его ускорение. Поэтому ИСВ - это абстрактное понятие, если бы она существовала, то должна была бы бесконечно большую массу. Очевидно, что наибольшую массу из тел, окружающих нас, Солнце, поэтому связанная с ним система отсчета является почти инерционной. В этой ИСВ начало отсчета координат совмещают с центром Солнца, а координаты осей проводят в направлении реальных звезд, которые можно считать неподвижными.

Однако для описания многих механических явлений земных условий ИСВ связывают с Землей, пренебрегая при этом вращательными движениями Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Например, изучая свободное падение, нужно было бы учитывать ускорение лаборатории (2-3 см/с2), поскольку Земля вращается вокруг своей оси. Но ускорение лаборатории в несколько сотен раз меньше ускорения свободного падения , поэтому им обычно пренебрегают. В большинстве задач Землю считают идеальным телом отсчета, а связанные с ней системы - инерционными.

Сейчас понятно, что абсолютно неподвижных тел или тел, которые движутся строго равномерно и прямолинейно, в природе не существует, поэтому инерционная система отсчета - такая же абстракция, как и материальная точка или абсолютно твердое тело. Инерционными системами отсчета называют системы, относительно которых тело движется равномерно прямолинейно или находится в покое. Время во всех ИСВ измеряют одинаково. Масса тела m = const, его ускорения и силы взаимодействия не зависят от скорости ИСВ. В любых ИСВ все механические явления происходят одинаково при одних и тех же начальных условий (другая формулировка принципа относительности Галилея).

4. Первый закон Ньютона

Определив роль системы отсчета, сформулируем первый закон Ньютона так: в инерционной системе отсчета материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на нее не действуют другие тела или действие внешних тел скомпенсирован. Физический смысл первого закона Ньютона: тело в инерционной системе отсчета не может самовольно изменить свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Это состояние изменяется только под действием других тел. Итак, первый закон отражает причинно-следственную связь явлений. Опыт показывает, что ни одно явление природы не может возникнуть само по себе: оно возникает только как следствие другого явления.

Существенным является то, что в ИСВ (например, автобус на остановке) для сохранения спокойствия не нужно прилагать никаких усилий, а в неінерційній системе отсчета (например, автобус в момент резкого торможения) пассажирам для этого приходится напрягать мышцы, держась за перила. Анализировать механическое движение и взаимодействие тел легче всего в ИСВ, поэтому в дальнейшем будем использовать именно такие системы отсчета. Как следует из первого закона Ньютона, по условиям равновесия всех приложенных к телу сил, оно движется прямолинейно с постоянной скоростью, как говорят, «по инерции». Поэтому этот закон иногда называют также законом инерции, считая за «инертность» не вялость тел, а их свойство сохранять состояние своего движения, пока действие внешних сил не изменит его.

Поступательное движение по инерции происходит нечасто. Примерами здесь может быть падение парашютиста при условии уравновешивания силы тяжести силой сопротивления воздуха, равномерное движение транспорта по горизонтальной поверхности и т.д.

Первый закон является обобщением многовекового опыта людей и подтверждается во всех своих последствиях. Хорошо известная всем чрезвычайная точность вычислений движения космических кораблей, станций, искусственных спутников Земли и других планет. Эти вычисления выполняются с учетом закона инерции, и их точность является хорошим подтверждением первого закона Ньютона. Движение транспортных средств исчисляется с учетом инертности тел и подтверждается практикой. Такое совпадение теории и опыта и для других технических вычислений свидетельствует о практическую действенность первого закона Ньютона.

IV. Закрепление материала. Решение задач

• Поезд резко затормозил. Куда укатилось яблоко, что лежало на столике в купе? Можете ли вы определить, действие которого тела обусловила его движение относительно поезда?

• Строго говоря, связанная с Землей система отсчета не является инерционной. Обусловлено ли это: а) притяжением Земли; б) вращением Земли вокруг своей оси; в) движением Земли вокруг Солнца?

• Каскадер, выпрыгнув на ходу из поезда, при скорости 20 м/с не сможет догнать поезд. Не рискует отстать от космической станции космонавт, вышедший в открытый космос при скорости около 8 км/с? Объясните свой ответ.

• Действия каких тел на мяч компенсируются, когда мяч лежит на полу? плавает в озере?

• В вагоне во время движения поезда проведено стробоскопічну съемку падения шарика. Опыт повторили несколько раз (рис. 3). Охарактеризуйте движение поезда для каждого из опытов? Стрелка вверху показывает направление движения поезда.

Рис. 3

V. Итоги урока

Составление опорного конспекта.

• Основная задача динамики - выяснить, как влияет взаимодействие тел на характер движения.

• Свободная материальная точка (тело) - тело, на которое не действуют другие тела.

• Инерционная система отсчета (ИСВ) - система отсчета, относительно которой свободная материальная точка, которая не подвергается воздействию других тел, движется равномерно и прямолинейно.

• Неінерційна система отсчета (НеІСВ) - система отсчета, движущаяся с ускорением относительно ИСВ.

• Инертность - свойство тел с разной массой приобретать различных ускорений под действием одинаковых сил.

• Инерция - явление сохранения скорости тела, если на него не действуют другие тела или воздействие на него со стороны других тел скомпенсовано.

• Первый закон Ньютона (закон инерции) - в ИСВ тела, движущихся поступательно, сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел скомпенсовано.

VI. Домашнее задание

• Проработать соответствующий параграф учебника

• Решить задачи.

1. За которого движения самолета связанную с ним систему отсчета можно считать инерционной (хотя бы примерно)?

2. Тело находится в покое относительно инерциальной системы отсчета. Как движется это тело относительно любой другой системы отсчета?

3. Автомобиль равномерно движется по кольцевой трассе. Есть связанная с ним система отсчета инерционной?

________________________________________________________________________

* Белоус Валентина Васильевна - учитель физики Сорокотязької общеобразовательной школы Жашковской районного совета, высшая категория