Инерциальные системы отсчёта. Первый закон Ньютона.

Цели урока: изучить I закон Ньютона, показать особую значимость закона; ознакомить с инерциальными системами отсчёта; формировать умение применять его для решения задач.

Ход урока

I. Повторение

- В чем состоит основная задача механики?

- Зачем введено понятие материальной точки?

- Когда тело можно считать материальной точкой? Приведите примеры.

- Что такое система отсчета? Для чего она вводится?

- Какие виды систем координат вы знаете?

II. Новый материал

В главном разделе механики - динамике - 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 на земле тело начинает двигаться, то всегда можно обнаружить предмет, который толкает это тело, тянет или действует на него на расстоянии (например, если к железному шарику поднесем магнит).

Эксперимент 1

Возьмем кусок мела в руки и разожмем пальцы: мел упадет 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 тела никогда не меняется, т.е. тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью.

Этот факт совсем не является само собой разумеющимся. Понадобился гений Галилея и Ньютона, чтобы его осознать.

Начиная с великого древнегреческого философа Аристотеля, на протяже­нии почти двадцати веков, все были убеждены: для поддержания постоянной скорости тела необходимо, чтобы что-то (или кто-то) действовало на него. Аристотель считал покой относительно Земли естественным состоянием тела, не требующим особой причины.

В действительности же свободное тело, т.е. тело, которое не взаимодей­ствует с другими телами, может сохранять свою скорость постоянной сколь угодно долго или находиться в покое. Только действие со стороны других тел способно изменить его скорость. Если бы не было трения, то автомобиль при выключенном двигателе сохранял бы свою скорость постоянной.

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

Первый закон Ньютона формулируется так: Существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела.

Такие системы отсчета называют инерциальными. Систему отсчета, связанную с Землей можно приближенно считать инерциальной, но гораздо точнее брать за инерциальную систему отсчета, связан­ную с Солнцем. Строго говоря, Солнце и Земля не являются инерциальными системами отсчета. Но эффекты, вызванные этой неинерциальностью, не­значительны. В ряде случаев ими пренебрегают (но далеко не всегда).

Кроме того, нельзя поставить ни одного опыта, который бы в чистом виде показал, как движется тело, если на него не действуют другие тела. Но имеет­ся один выход: надо поставить тело в условия, при которых влияние внешних воздействий можно делать все меньше и меньше, и наблюдать, к чему это ведет. Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него дру­гих тел называется инерцией.

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 чем говорит этот пример?

III. Закрепление изученного

Вопросы для закрепления:

- В чем состоит явление инерции?

- В чем состоит I закон Ньютона?

- При каких условиях тело может двигаться прямолинейно и равномерно?

- Какие системы отсчета используются в механике?

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

- Яблоко, лежащее на столике равномерно движущегося поезда, скатыва­ется при резком торможении поезда. Укажите системы отсчета, в кото­рых первый закон Ньютона: а) выполняется; б) нарушается. (В системе отсчета, связанной с Землей, первый закон Ньютона выполняется. В системе отсчета, связанной с вагоном, первый закон Ньютона не вы­полняется.)

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

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 плывет 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 отсчета:

1. Система отсчета жестко связана с лифтом. В каких из приведенных ниже случаях систему отсчета 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 отсчета сохранять свою скорость, а в другой - изменять? Приведите примеры, подтверж­дающие ваш ответ.

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

Домашнее задание:

1. § 10 (с. 39-42);

2. Упражнение 10 (с. 42);

3. Ответить на вопрос микротеста: Действие всех сил на тело скомпенсировано. Какова траектория движения этого тела? а) порабола; б) окружность; в) прямая; г) эллипс.

Приложение к уроку (материал для учителя)

Античная механика

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась нее 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 в Афины в академию Платона и пробыл там имеете 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 аристотелевской натурфилософии фундаментальное место занимает учение о движении. Движение он понимает в широком смысле, как измене­ние вообще, различая изменения качественные, количественные и изменения в пространстве. Кроме того, в понятие движения он включает психологичес­кие и социальные изменения - там, где речь идет об усвоении человеком зна­ний или об обработке материалов. Понятие движение включает в 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 начало и 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. Для того, чтобы лучше разобраться в сути дела введем некоторые современные термины и обозначения: f - сила, действующая на тело, р - вес тела. Рассуждения Аристотеля сводятся к сле­дующему: сила пропорциональна произведению скорости тела, к которому она приложена, на его вес, т.е. f = pυ =ps/t, где s - пройденный путь, t - соот­ветствующее время, a υ - скорость.

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 «Физика» 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 1516 году Леонардо да Винчи уезжает во Флоренцию по приглашению французского короля и 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» (impetо) есть отпечаток дви­жения, который движущее переносит на движимое. 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 и 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 создали вы 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 Леонардо 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.