Конспект урока "Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона"
Тема: Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона
Цель: сформулировать понятие об инерциальной системе отсчёта, раскрыть её преимущества
при описании механического движении.
Планируемые результаты:
Уметь объяснять результаты наблюдений и экспериментов: смену дня и ночи в системе
отсчёта, связанной с Землёй, в системе отсчёта, связанной с Солнцем; оценивать значение
перемещения и скорости тела, описывать траекторию движения одного и того же тела
относительно разных систем отсчёта, объяснять применение явления инерции.
Ход урока:
1. Организационный этап
2.Актуализация субъектного опыта обучающихся
Самостоятельная работа по проверке знаний теоретического материала темы
«Относительность механического движения» по тесту 07 «Относительность механического
движения»
Фронтальная беседа
Ответьте, пожалуйста, на следующие вопросы:
1. Что называют механическим движением?
2. Какие виды движений (по траектории, скорости, ускорению) мы изучали?
3. Какие из них наиболее распространены в природе и технике?
4. Что такое материальная точка? Зачем это понятие вводится?
5. Что называют системой отсчёта? Для чего она необходима?
6. Объясните, почему, споткнувшись, человек падает вперёд (ноги резко останавливаются, а
тело продолжает двигаться по инерции в прежнем направлении), а поскользнувшись, человек
падает назад (ноги начинают двигаться с большей скоростью, чем тело).
7. Придёт ли в движение парусная лодка под действием потока воздуха от вентилятора,
установленного на ней?
8. Барон Мюнхгаузен рассказывал, как он однажды разбежался и прыгнул через болото. Во
время прыжка он заметил, что не допрыгнет до берега. Тогда он в воздухе повернул обратно и
вернулся на тот берег, с которого прыгал. Возможно ли это?
Вывод: Мгновенно тело изменить свою скорость не может. Для изменения скорости тела
необходимо другое тело. Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него
других тел называют инерцией.
3. Изучение новых знаний и способов деятельности
Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только
мальчиком, играющим на берегу, развлекающимся тем, что от поры
до времени отыскиваю камушек более цветистый, чем обыкновенно,
или красивую раковину, в то время как великий океан истины
расстилается передо мною неисследованным.
Исаак Ньютон.
До сих пор мы с вами изучали законы кинематики, которые помогают нам рассчитать, где
находиться изучаемое тело, с какой скоростью и по какой траектории оно движется.
Как известно, кинематика отвечает на вопросы «Что? Где? Когда? и Как?». Например,
рассмотрим, с точки зрения кинематики, строки из поэмы А. С. Пушкина «Руслан и Людмила» и
попытаемся ответить на ее главные вопросы:
У лукоморья дуб зеленый,
Златая цепь на дубе том:
И днем и ночью кот ученый
Всё ходит по цепи кругом…
И так, что или какое тело движется?
— Кот-ученый.
Где тело находится?
— На цепи.
Знать формулировку закона инерции, первого закона Ньютона, понятие «Инерциальные системы
отсчёта»; вклад зарубежных учёных, оказавших наибольшее влияние на развитие физики.
Когда движется?
— И днем и ночью.
Как движется?
— По цепи кругом.
Но кинематика не отвечает еще на один главный вопрос — «Почему?» (почему тело движется
именно так, а не иначе).
Для полного описания механического движения тел необходимо изучить взаимодействие тел,
являющееся причиной изменения их механического состояния.
Раздел механики, в котором изучается движение тел с учетом их взаимодействия, называют
динамикой.
Основная задача динамики состоит в определении положения тела в произвольный момент
времени по известному начальному положению, начальной скорости и силам, действующим на
тело.
Вопрос о причинах движения возник в сознании человека более двух десятков столетий назад.
Исследуя природные явления, Аристотель пришел к выводу, что для создания постоянной
скорости движения необходимо воздействие других тел. Отсюда следует, что при отсутствии
взаимодействия тела должны оставаться неподвижными (т.е. движется движимое). Эта идея
помогает понять огромное количество наблюдаемых явлений, но она не объясняет все движения,
которые происходят в природе. Аристотелю казалось, что существует несколько причин,
вызывающих то или иное движение, и, следовательно, несколько разных видов движения:
движение тел, находящихся под непосредственным воздействием других тел (например, лошадь
тянет телегу), движение тел, падающих на земную поверхность и движение небесных тел.
На протяжении двух тысяч лет со времен Аристотеля кажущееся различие между движением тел
по земной поверхности и в мировом пространстве являлось тормозом на пути развития
механики. Только в XVII веке Галилео Галилей сделал первый шаг для единого объяснения
этих двух типов движений. Он сформулировал закон инерции.
Закон этот Галилей выражал так: «Движение тела, на которое не действуют внешние силы, либо
равнодействующая их равна нулю, является равномерным движением по окружности». Так, по
мнению Галилея, двигались небесные тела, «предоставленные самим себе». Рассматривая взгляд
Галилея на инерцию, убеждаемся в его неправомерности: ошибка в рассуждениях возникла из-за
того, что Галилей не знал о законе всемирного тяготения, открытого позже Ньютоном.
На самом же деле движение по инерции может быть только равномерным и прямолинейным.
Поэтому формулировка закона инерции требовала дополнений. Первым, кто попытался внести
ясность в закон инерции, сформулированный Галилеем, был И. Ньютон. В представлении И.
Ньютона этот закон звучит следующим образом: всякая материальная точка сохраняет состояние
покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку воздействие со стороны
других тел побуждает его изменить это состояние.
Однако со временем выяснилось, что и закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета.
В этом можно убедиться с помощью опыта.
Сначала тележка движется прямолинейно и равномерно относительно земли. На ней находится
шарик.
Шарик будет находиться в покое относительно тележки при любой скорости ее движения
относительно земли — главное, чтобы эта скорость была постоянна.
Но когда тележка попадает в песочную насыпь, ее скорость быстро уменьшается, в результате
чего тележка останавливается. Во время торможения тележки шарик приходит в движение, т.е.
изменяет свою скорость относительно тележки, хотя нет никаких сил, которые толкали бы его.
Значит, в системе отсчета, связанной с тележкой, тормозящей относительно земли, закон
инерции не выполняется.
Таким образом, к формулировке закона инерции, данной Ньютоном, следует добавить, что закон
справедлив не для всех систем отсчета.
Поэтому с точки зрения современных представлений закон Ньютона формулируется так:
Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся
тело сохраняет скорость неизменной, если на него не действуют другие тела или действие
этих тел скомпенсировано.
Это утверждение в физике называют первым законом Ньютона, в соответствии с которым
состояние покоя или равномерного прямолинейного движения тел не требует для своего
поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое
свойство физических тел, называемое их инертностью и характеризующее «отзывчивость» тел на
воздействие других тел.
Из опыта следует, что груженый автомобиль (более инертный) труднее разогнать или
остановить при движении, чем такой же не гружёный автомобиль (менее инертный).
Явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения тел
при отсутствии воздействия со стороны других тел называют инерцией.
Теперь, зная эти два понятия — инерция и инертность— вы легко сможете сами ответить на
вопрос, почему человек споткнувшись падает лицом вперед, а поскользнувшись — назад.
Первый закон Ньютона называют законом инерции. Он не подлежит экспериментальной
проверке (это – постулат), т.к. изолированных тел нет. Но если создать такие условия, что
взаимодействие (главным образом трение) по возможности устранить, то движение все больше
будет удовлетворять этому закону.
Следует отметить, что всякое движение имеет смысл, если указана система отсчета.
Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона называют инерциальными.
Инерциальная система отсчета — это система отсчета, относительно которой тело при
компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.
Системы же отсчета, которые движутся с ускорением относительно инерциальных называют
неинерциальными.
Если найдена одна инерциальная система отсчета, то любая система отсчета, движущаяся
относительно этой системы равномерно и прямолинейно, является инерциальной.
В условиях, при которых можно не учитывать вращение Земли и ее движение вокруг Солнца,
любая система отсчета с неподвижным относительно Земли телом отсчета является
инерциальной.
Если же необходимо учитывать движение Земли, то инерциальной считают систему, связанную с
Солнцем.
4. Закрепление материала
Повторим основные понятия, которые связаны с нашим сегодняшним уроком.
Первый закон Ньютона гласит, что существуют такие системы отсчета, относительно которых
поступательно движущееся тело сохраняет скорость неизменной, если на него не действуют
другие тела или действие этих тел скомпенсировано.
Инертность — это свойство тел приобретать определенное ускорение при данном воздействии.
Инерция — это явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного
движения тела при отсутствии воздействия со стороны других тел.
Инерциальная система отсчета — это система отсчета, относительно которой тело при
компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.
Ответим на вопросы:
1. С железнодорожным составом связана система отсчета. В каких случаях она будет
инерциальной: а) поезд стоит на станции; б) поезд отходит от станции; в) поезд подходит к
станции; г) движется равномерно на прямолинейном участке пути дороги?
2. По горизонтальной прямолинейной дороге равномерно движется автомобиль с
работающим двигателем. Не противоречит ли это первому закону Ньютона
3. Инерциальная ли система отсчета, движущаяся с ускорением, относительно какой-либо
инерциальной системы?
5.Обобщение и систематизация
1. Что нового вы узнали на уроке?
2. Сформулируйте I закон Ньютона?
3. Каким путем мы пришли к этому выводу?
Аристотель: при отсутствии внешнего воздействия тело может только покоиться. Чтобы тело
двигалось с постоянной скоростью, на него постоянно должна действовать сила.
Галилей: при отсутствии внешних воздействий тело может не только покоиться, но и двигаться
прямолинейно и равномерно, а сила, которая к нему прикладывается необходима только для
компенсации других сил (трения, тяжести и т.д.).
Ньютон: обобщил вывода Галилея, сформулировал закон инерции (I закон Ньютона).
1. Домашнее задание §10, упражнение 10
Задание #1
Вопрос:
Моторная лодка движется по течению реки со скоростью 18 м/с относительно берега, а в стоячей
воде - со скоростью 12 м/с. Чему равна скорость течения реки?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 6 м/с
2) 9 м/с
3) 8 м/с
4) 7 м/с
Задание #2
Вопрос:
Лодка плывет по течению реки. Определите скорость лодки относительно берега, если скорость
лодки относительно берега, если скорость лодки относительно воды 4 м/с, а скорость течения
реки 1 м/с.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 2 м/с
2) 3 м/с
3) 7 м/с
4) 5 м/с
Задание #3
Вопрос:
Плотспускается равномерно и прямолинейно по реке. Скорость плота относительно берега
составляет 0,3 км/ч. Человек идет по плоту со скоростью 0,4 км/ч в направлении,
перпендикулярном направлению движения плота. Какова скорость человека относительно берега
реки?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) км/ч
2) 0,5 км/ч
3) 0,1 км/ч
4) 0,7 км/ч
Задание #4
Вопрос:
Эскалатор метро движется со скоростью 0,6 м/с. Пассажир, идущий в направлении движения со
скоростью 0,5 м/с относительно него, затратил на весь путь 40 секунд. Какова длина эскалатора?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 40 м
2) 24 м
3) 20 м
4) 44 м
Задание #5
Вопрос:
Пловец переплывает реку по кратчайшему пути. Скорость пловца относительно воды 5 км/ч,
скорость течения 3 км/ч. Чему равна скорость пловца относительно берега?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 8 км/ч
2) 2 км/ч
3) 4 км/ч
4) 6,3 км/ч
Задание #6
Вопрос:
Две лодки движутся навстречу друг другу. Скорость первой лодки относительно воды равна 5
м/с, а второй 3 м/с. Скорость течения реки 1 м/с. Через какое время после встречи расстояние
между лодками станет равным 56 м?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 28 с
2) 5,6 с
3) 9,3 с
4) 7 с
Задание #7
Вопрос:
По двум параллельным железнодорожным путям равномерно движутся два поезда в одном
направлении: грузовой - со скоростью 46 км/ч и пассажирский - со скоростью 104 км/ч.
Определите величину относительной скорости поездов.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 10 м/с
2) 5 м/с
3) 15 м/с
4) 20 м/с
Задание #8
Вопрос:
Подвумпараллельнымжелезнодорожнымпутямравномернодвижутсядвапоезданавстречу друг
другу: грузовой - соскоростью52км/чипассажирский – соскоростью 128км/ч.
Определитевеличинуотносительнойскоростипоездов.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 21,1 м/с
2) 76 км/ч
3) 42,2 м/с
4) 50 м/с
Задание #9
Вопрос:
По дорогам, пересекающимся под прямым углом, едут велосипедист и мотоциклист. Скорости
велосипедиста и мотоциклиста относительно придорожных столбов соответственно равны 8 м/с
и 54 км/ч. Определите модуль скорости мотоциклиста относительно велосипедиста.
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 17 м/с
2) 10 м/с
3) 7 м/с
4) 2 м/с
Задание #10
Вопрос:
Два автомобиля движутся по прямой дороге в одном направлении: один со скоростью 70 км/ч, а
другой со скоростью 98 км/ч. Сближаются они или удаляются?
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) Сближаются
2) Находятся на одинаковом расстоянии
3) Могут сближаться, могут удаляться
4) Удаляются
Ответы:
1) (1 б.) Верные ответы: 1;
2) (1 б.) Верные ответы: 4;
3) (1 б.) Верные ответы: 2;
4) (1 б.) Верные ответы: 4;
5) (1 б.) Верные ответы: 3;
6) (1 б.) Верные ответы: 4;
7) (1 б.) Верные ответы: 3;
8) (1 б.) Верные ответы: 4;
9) (1 б.) Верные ответы: 1;
10) (1 б.) Верные ответы: 3;
