Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Изучение нового материала. Тема. Законы динамики. Первый закон Ньютона






Урок 12 (10 класс)

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

Цель: обучающая – ознакомить учащихся с понятиями инерция, инертность, инерциальная система отсчета, усвоение содержания первого и второго законов Ньютона;

развивающая - формировать интерес к физическому эксперименту способствовать активизации творческого мышления, пробуждать у них познавательный интерес, стимулировать развитие инициативы; продолжить формирование навыков самоанализа ситуации и самоконтроля;

воспитательная - формировать интерес к изучению предмета, расширять кругозор, формировать практические навыки пользования приборами.

 

Приборы и материалы: динамометр, весы.

 

Тип урока: комбинированный

 

План урока

 

1. Организационный этап. Сообщение темы и целей урока. (2 мин.)

2. Актуализация опорных знаний. (5 мин.)

3. Мотивация учебной деятельности. (6 мин.)

4. Изучение нового материала. (20 мин.)

5. Закрепление. Рефлексия. (14 мин.)

6. Подведение итогов. (2 мин.)

7. Домашнее задание. (1 мин.)

 

Ход урока.

 

Организационный этап. Сообщение темы, цели урока

Приветствие. Организация рабочих мест. Учитель сообщает тему и цели урока.

Актуализация опорных знаний

Ответы на вопросы:

1. Действуют ли лебедь рак и щука на воз, и почему он и ныне там?

2. На тело действуют на две силы 3 и 4 Н направленные под прямым углом друг к другу. Какое значение имеет равнодействующая сила?

 

Мотивация учебной деятельности. Проведение эксперимента.

Следует вспомнить слова выдающегося академика Л.И. Седова: «Все достижения в современной технике, авиации, ракетной технике, в морском деле и вообще в промышленности базируются на использовании и применении методов и результатов законов Ньютоновской механики».

Древнегреческий ученый Аристотель утверждал: «Чтобы тело двигалось, его не обходимо все время «двигать», при этом, чем больше скорость, тем больше усилий необходимо приложить.»

Изучение нового материала

Инерция и инертность

Инерция – это явление, при котором тело стремится сохранить свое первоначальное состояние. Если оно двигалось, то оно должно стремиться к тому, чтобы сохранять скорость этого движения. А если оно покоилось, то будет стремиться сохранить свое состояние покоя.

Инертность – это свойство тела сохранять состояние движения. Свойство инертности характеризуется такой величиной, как масса. Чем тело тяжелее, тем его труднее сдвинуть с места или, наоборот, остановить.

Инерциальные системы отсчёта

Обратите внимание на то, что эти понятия имеют непосредственное отношение к понятию «инерциальная система отсчета» (ИСО), о которой будет идти речь ниже.

Рассмотрим движение тела (или состояние покоя) в случае, если на тело не действуют другие тела. Заключение о том, как будет вести себя тело в отсутствии действия других тел, впервые было предложено Рене Декартом: если тело движется и на него не действуют другие тела, то движение будет сохраняться, оно будет оставаться прямолинейным и равномерным. Если же на тело не действуют другие тела, а тело покоится, то будет сохраняться состояния покоя. Но известно, что состояние покоя связано с системой отсчета (СО). В одной СО тело покоится, а в другой вполне успешно и ускоренно движется. Результаты опытов и рассуждений приводят к выводу о том, что не во всех системах отсчета тело будет двигаться прямолинейно и равномерно или находиться в состоянии покоя при отсутствии действия на него других тел. Следовательно, для решения главной задачи механики важно выбрать такую систему отчета, где все-таки выполняется закон инерции, где ясна причина, вызвавшая изменение движения тела. Если тело будет двигаться прямолинейно и равномерно в отсутствии действия других тел, такая система отсчета будет для нас предпочтительной, а называться она будет инерциальной системой отсчета (ИСО).

Можно провести следующие рассуждения относительно инерциальной системы отсчета. Представьте ситуацию, когда движется автомобиль, затем водитель выключает двигатель, и дальше автомобиль движется по инерции. Но это некорректное утверждение. По той простой причине, что с течением времени автомобиль остановится в результате действия силы трения. Поэтому в данном случае не будет равномерного движения – одно из условий отсутствует.

Рис.1. Скорость автомобиля меняется

в результате действия силы трения

 

 

Рассмотрим другой случай: с постоянной скоростью движется большой, крупный трактор при этом впереди тащит большой груз ковшом. Такое движение можно рассматривать как прямолинейное и равномерное. Потому что в этом случае все силы, которые действуют на тело, скомпенсированы, уравновешивают друг друга. Значит, систему отсчета, связанную с этим телом, мы можем считать инерциальной.

Рис. 2. Экскаватор движется

равномерно и прямолинейно.

Действие всех тел скомпенсировано

 

Инерциальных систем отсчета может быть очень много. Реально же такая система отсчета все-таки идеализирована. Поскольку при ближайшем рассмотрении таких систем отсчета в полном смысле нет. ИСО – это некая идеализация, которая позволяет эффективно моделировать реальные физические процессы. Для инерциальных систем отсчета справедлива формула сложения скоростей Галилея. Также заметим, что все системы отсчета, о которых мы говорили до этого, можно считать инерциальными в некотором приближении.

Первый закон Ньютона Впервые сформулировал закон, посвященный ИСО, Исаак Ньютон. Заслуга Ньютона заключается в том, что он первый научно показал, что скорость движущегося тела меняется не мгновенно, а в результате какого-то действия в течение времени. Вот этот факт и лег в основу создания закона, который называем первым законом Ньютона.

Первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, в которых тело движется прямолинейно и равномерно или находится в состоянии покоя в том случае, если на тело не действуют силы или все силы, действующие на тело, скомпенсированы. Такие системы отсчета называются инерциальными.

По-другому иногда говорят следующее: инерциальной системой отсчета называется такая система, в которой выполняются законы Ньютона.

Неинерциальные системы отсчёта

Большая часть систем, реальных систем отсчета – неинерциальные. Рассмотрим простой пример: сидя в поезде, вы положили на стол какое-либо тело (например, яблоко). Когда поезд трогается с места, мы будем наблюдать такую любопытную картину: яблоко будет двигаться, покатится в противоположную движению поезда сторону. В данном случае мы не сможем определить, какие же тела действуют, заставляют яблоко двигаться. В этом случае говорят, что система неинерциальная. Но можно выйти из положения, введя силу инерции.

Еще один пример: когда тело движется по закруглению дороги, то возникает сила, которая заставляет отклоняться тело от прямолинейного направления движения.

 

Рис. 3. Пример неинерциальной СО

 

 

В этом случае мы тоже должны рассмотреть неинерциальную систему отсчета, но, как и в предыдущем случае, тоже можем выйти из положения, вводя т.н. силы инерции.

Вывод Систем отсчета существует бесконечное множество, но среди них большинство – это те, которые мы инерциальными системами отсчета считать не можем. Инерциальная система отсчета – это идеализированная модель. Кстати, такой системой отсчета мы можем принять систему отсчета, связанную с Землей или какими-либо далекими объектами (например, со звездами).

Сила

Выясним, к чему же приводит действие на одно тело других тел. То есть взаимодействие. Взаимодействие – это действие тел друг на друга. Оно не может быть односторонним, не может быть направленным только на одно тело, оно обязательно должно рассматриваться как действие тел друг на друга, т.е. для этого обязательно нужны как минимум два тела. Мерой такого взаимодействия является понятие силы. Впервые это понятие было употреблено во II веке до н.э. Аристотелем. В переводе с греческого сила – это динамо, отсюда и происходит динамика – раздел механики, в котором рассматривается движение тел и взаимодействие тел.

Сила обозначается F. Действие всегда куда-либо направлено, а если есть направление, то у величины есть характеристика, связанная с направлением, эта величина будет векторная. Измеряется сила в ньютонах (Н).

= [H]

Необходимо отметить, что у физической величины силы есть ещё и модульное значение, то есть числовое значение этой величины.

Динамометр

Для измерения силы требуется прибор – динамометр. Обычно говорят, что взаимодействие приводит к тому, что в течение некоторого времени изменяется либо скорость тела, либо деформируется тело, то есть изменяется его форма и объём. А может происходить и то и другое. Поэтому мы рассмотрим динамометр, в котором используется деформация пружины как явление для измерения действия силы.

Наиболее распространённый вид динамометра, называется «школьный», представляет собой прибор, где непосредственно на шкале, на самом корпусе, находится пружина, к которой прикрепляется крючок для груза. Обращаю ваше внимание, что в данном случае шкала нанесена на сам корпус, и, деформируя пружину, мы можем получить значение приложенной силы.

Рис. 1. Виды динамометров

 

 

Рис. 2. Школьный динамометр

 

Еще один вид такого прибора – т.н. демонстрационный динамометр.

 

Рис. 3. Демонстрационный динамометр

 

Он может измерять приложенную силу как в одну сторону, так и в другую, т.е. удобен тем, что можно измерять действие сил, направленных в разные стороны.

Связь ускорения с силой

Важно отметить, что второй закон Ньютона базируется на результатах очень многих физических экспериментов. В частности, рассмотрим следующий эксперимент, который покажет, как ускорение связано с действующей силой. Если на тело действует некоторая сила, то можно заметить прямую пропорциональность: чем больше сила, приложенная к телу, тем большим будет ускорение этого тела.

 

Рис. 4. Ускорение прямо пропорционально приложенной силе

 

У нас есть брусок, динамометр, который будет регистрировать действие силы, давайте посмотрим, как же будет двигаться этот брусок. Обратите внимание: прилагаем определенную силу, и в результате – одно определенное ускорение. Брусок проходит расстояние за определённое время. Если же мы силу увеличим, то и ускорение будет тоже больше.

Итак, можно сказать, что ускорение прямо пропорционально приложенной силе.

Связь ускорения с массой Во втором эксперименте проследим, как соотносится ускорение с массой тела.

 

 

Рис. 5. Ускорение обратно пропорционально массе

Чтобы проверить зависимость ускорения от массы тела, воспользуемся грузами. Возьмём первый груз и установим на бруске. Динамометр покажет ту же силу, которую мы использовали в предыдущем эксперименте. Итак, если теперь мы прикладываем силу, посмотрите, что же будет с ускорением. Ускорение становится меньше. Если мы ещё раз массу увеличим, ещё больше она станет, обратите внимание, опять потребуется сила большая, но ускорение будет ещё меньше при значении приблизительно той же самой силы. Это говорит о том, что чем больше масса, то при той же самой приложенной силе ускорение будет меньше.

Ускорение будет прямо пропорционально обратному значению массы. Чем больше масса, тем ускорение будет меньше.

Второй закон Ньютона В результате проведённых экспериментов и был сформулирован второй закон Ньютона. Второй закон Ньютона говорит о том, что тело будет двигаться с ускорением, если на него действует сила. Это ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе этого тела.

Определение: ускорение, приобретаемое телом под действием силы, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела.

Единицы измерения силы

К этому необходимо добавить ещё то, что под силой в данном случае понимается равнодействующая всех сил. То есть векторная сумма всех сил, действующих на тело.В Международной системе единиц (СИ) за единицу силы принимается сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Эта единица называется ньютоном (Н). Ее принимают в СИ за эталон силы.

Если на тело одновременно действуют несколько сил (например, и то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил:

 

Рисунок 2. Сила – равнодействующая силы тяжести и силы нормального давления действующих на лыжницу на гладкой горе. Сила вызывает ускорение лыжника

Если равнодействующая сила то тело будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Таким образом, формально второй закон Ньютона включает как частный случай первый закон Ньютона, однако первый закон Ньютона имеет более глубокое физическое содержание – он постулирует существование инерциальных систем отсчета.

V. Закрепление.

1. Вопросы.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.