Інерціальні системи відліку. Принцип відносності Галілея. Перший закон Ньютона

Інерціальні системи відліку. Принцип відносності Галілея.

Перший закон Ньютона

Мета: сформулювати знання учнів про інерціальні системи відліку, розкрити зміст першого закону Ньютона , вчити учнів абстрактно-науково мислити, порівнювати й аналізувати навчальний матеріал, виділяти головне, робити висновки; розвивати спостережливість, уважність; продовжувати формувати позитивне ставлення до навчання

План

1.Організаційний момент

2.Актуалізація опорних знань

3.Вивчення нового матеріалу

4.Засвоєння вивченого матеріалу

5.Завдання додому

Хід уроку:

1.Організаційний момент

Перевірка присутності учнів. Обговорення помилок допущених у лабораторній роботі

2.Актуалізація опорних знань

Ознайомившись з розділом механіки - кінематикою, Ви помітили, що кінематика – це такий розділ механіки, який розв’язує завдання по знаходженню положення тіла у буд-який момент час, а також знаходження кінематичних характеристик його руху (миттєвої швидкості, прискорення, переміщення, шляху). Однак, кінематика не розглядає причин руху.З курсу 9–го класу Вам вже відомий той факт, що тіло зберігатиме свою швидкість (величину і напрям) незмінною, коли на нього не діятимуть інші тіла. Явище збереження швидкості тіла, коли на нього не діють інші тіла називають інерцією. Також з курсу фізики 9-го класу Вам відомо, що тіла зберігають свою швидкість коли рівнодійна сил, які діють на тіло, дорівнює нулю, тобто сили, які діють на тіло скомпенсовані. В цьому випадку тіло зберігатиме стан спокою або рівномірного прямолінійного руху. Якщо ж тіло взаємодіє з іншими тілами, то швидкість тіла змінюється. Однак, швидкість тіла може змінюватись не лише при взаємодії з тілами, а й з системою, в якій знаходиться тіло.

Вивчення динаміки почнемо зі з’ясування умов, за яких швидкість руху тіла залишається незмінною.

 • За яких умов тіло (м’яч, тягар) перебуває в стані спокою відносно Землі? М’яч, який лежить на столі, тягар, підвішений на пружині, перебувають у стані спокою. Всі тіла, які перебувають поблизу поверхні Землі, взаємодіють із нею. Якщо прибрати стіл, відчепити пружину, м’яч і тягар відразу ж почнуть рухатися під дією гравітаційного притягання Землі. А перебувають вони в стані спокою тому, що дія Землі скомпенсована (зрівноважена) дією інших тіл: на м’яч, крім Землі, діє стіл, і дія Землі скомпенсована дією столу; на тягар, крім Землі, діє пружина, і дія Землі скомпенсована дією пружини. Тіло перебуває у стані спокою, якщо дії на нього інших тіл скомпенсовані.

Як рухатиметься тіло, якщо на нього не діють інші тіла? Будемо скачувати кульку по похилій площині та спостерігати за її подальшим рухом по горизонтальній поверхні. Якщо горизонтальна поверхня посипана піском, кулька зупиниться дуже швидко. Якщо горизонтальна поверхня покрита тканиною, кулька котиться значно довше. А ось по склу куля котиться дуже довго. Тіло рухається рівномірно прямолінійно, якщо на нього не діють інші тіла. Закон інерції Ґалілея (наприкінці XVI ст. експериментально встановив італійський учений Ґалілео Ґалілей (1564–1642)): Тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває в стані спокою, якщо на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані. Тіло, на яке не діють інші тіла та поля, називають вільним (ізольованим), а рух вільного тіла називають рухом за інерцією.

Отож: Механіка містить такі розділи:

Кінематика (від. грец. κινειν – рух) – це розділ механіки, що вивчає рух тіл і при цьому не розглядає причин, якими цей рух викликаний. (Як рухається тіло?)

Динаміка (грец. δύναμις – сила) – розділ механіки, в якому вивчаються причини виникнення механічного руху. (Чому рухається тіло?)

Основна задача динаміки – вивчити можливі взаємодії тіл, з’ясувати закони, яким підпорядковуються рух і взаємодія тіл, і на основі цих законів уміти визначати положення тіл у будь-який момент часу.

3.Вивчення нового матеріалу

• Інерціальні системи відліку

Як показують досліди, закон інерції з достатньою точністю виконується в системі відліку, пов’язаній із Землею. А от, наприклад, у системі відліку, пов’язаній із тролейбусом, що їде міською вулицею, закон інерції не виконується: коли тролейбус рушає з місця, пасажирів «кидає» назад, а коли тролейбус гальмує, пасажирів «кидає» вперед. Можна уявити таку систему відліку, у якій закон інерції виконується досить суворо.

 - Системи відліку, у яких виконується закон інерції, називають інерціальними.

Той факт, що закон інерції з достатньою точністю виконується в системі відліку, пов’язаній із Землею, означає, що пов’язану із Землею систему відліку з достатньою точністю можна вважати інерціальною системою відліку. Повсякденний досвід говорить про те, що вільні тіла покояться – як згаданий олівець на столі. Тому довгий час вважалося, що для підтримки якого б то не було руху необхідно здійснювати не компенсуються зовнішній вплив з боку інших тіл.

Але це виявилося невірним. Як встановив Галілей, вільне тіло може не тільки знаходитися в спокої, а й рухатися рівномірно і прямолінійно! Саме стан рівномірного прямолінійного руху є «природним» для вільного тіла; спокій же – окремий випадок такого руху зі швидкістю, що дорівнює нулю. Слід врахувати, проте, що рух щодо: воно розглядається не сама по собі, а в певній системі відліку. У різних же системах відліку рух даного тіла буде виглядати по-різному.

Так, будинок з точки зору нерухомо стоїть спостерігача буде перебувати в спокої: сила тяжіння будинку до Землі компенсується силою пружності грунту. Якщо спостерігач рухається щодо землі рівномірно і прямолінійно, то і будинок щодо спостерігача буде здійснювати рівномірний прямолінійний рух в повній відповідності з висновками Галілея – адже будинок є вільним тілом! Але якщо у спостерігача заплітається ноги і він бреде, хитаючись, то йому буде здаватися, що будинок розгойдується в різні боки. У цій системі відліку будинок, будучи вільним тілом, робить аж ніяк не рівномірний і прямолінійний рух. 

Рухом за інерцією можна вважати рух шайби після удару ключкою, рух кулі по доріжці під час гри в боулінг. За інерцією через голову коня летить вершник, якщо кінь спіткнувся; за інерцією перелітає через кермо велосипеда спортсмен, який через необережність наїхав на перешкоду.

Інерціальними системами відліку (ІСВ) називається СВ, в яких тіла при відсутності або при компенсації зовнішніх дій зберігають стан спокою або рухаються поступально без прискорення. Отже ІСВ – це системи відліку в яких виконується закони інерції Галілея.

Поняття інерціальної системи відліку (ІСВ) – абстракція реальних систем відліку. Оскільки абсолютно вільних тіл в природі не існує, то будь-яку систему відліку можна розглядати як інерціальну тільки наближено. При розв’язанні ряду практичних задач вважають за інерціальну СВ зв’язану з Землею (геоцентричну СВ) – нехтують обертовим рухом Землі. З великою ступінню наближення за ІСВ можна вважати геліоцентричну СВ із початком координат в центрі Сонця. Інерціальні СВ мають важливу фізичну властивість, що була сформульована Г.Галілеєм в одному з важливих принципів класичної механіки – принципі відносності Галілея.

Механічні явища одного і того ж типу у всіх інерціальних системах відліку протікають зовсім однаково, а закони механічних рухів у всіх ІСВ приймають однакову і найпростішу математичну форму.

Всі однакові механічні досліди, проведені у різних ІСВ, повинні дати однакові результати. Тому, механічні досліди, проведені всередині ІСВ, не дають можливості встановити, чи система перебуває в стані спокою, чи в рівномірному прямолінійному русі.

• Принцип відносності Галілея

Галілей помітив, що, перебуваючи в трюмі корабля, ніякими механічними дослідами неможливо встановити, покоїться корабель або рухається рівномірно і прямолінійно. Це означає, що інерціальні системи відліку зовсім не відрізняються один від одного з точки зору законів механіки. Іншими словами, вірний принцип відносності Галілея.

Принцип відносності Галілея. Будь-яке механічне явище при одних і тих же початкових умовах протікає однаково в будь-якій інерціальній системі відліку. Згодом Ейнштейн поширив цей принцип з механічних явищ на взагалі все фізичні явища. Загальний принцип відносності Ейнштейна ліг в основу теорії відносності. Принцип відносності Галілея і Ейнштейна ми обговоримо докладніше при вивченні основ спеціальної теорії відносності.

Ґалілей писав так: «Якщо ми, перебуваючи в каюті вітрильника, будемо виконувати будь-які експерименти, то ані самі експерименти, ані їхні результати не будуть відрізнятися від тих, що проводилися б на березі. І тільки піднявшись на палубу, ми побачимо: виявляється, наш корабель рухається рівномірно прямолінійно...». У вагоні потяга, який рухається рівномірно прямолінійно: - чашка, що стоїть на столі, перебуватиме у стані спокою; - якщо впустити ложку, то вона відносно вагона падатиме вертикально вниз.

• Перший закон Ньютона

Як має поводитися тіло, на яке не впливають інші тіла?

Як стверджував Аристотель, таке тіло має перебувати в стані спокою, швидкість його має дорівнювати нулю. За Ньютоном, прискорення такого тіла має дорівнювати нулю. За вченням Ньютона, сила — причина зміни руху тіл.

Це означає, що в певній системі відліку тіло, на яке не впливають інші тіла, може або перебувати в стані спокою, або рухатися прямолінійно та рівномірно. У цьому й полягає перший закон Ньютона:

будь-яке тіло продовжує перебувати в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, доки й оскільки його не змусять змінити цей стан прикладені до нього сили.

Однак згодом з’ясувалося, що перший закон Ньютона реалізується не в усіх системах відліку. Так, він з надзвичайною точністю спрацював в системі відліку, пов’язаній із Землею, а от у системі відліку, пов’язаній з автомобілем, що їде по мосту, перший закон Ньютона не спрацьовує, якщо автомобіль починає прискорюватися або гальмувати.

Ті системи відліку, у яких закон інерції реалізується, називаються інерціальними, а ті, у яких не реалізується, — неінерціальними.

Відповідно до сучасних уявлень, перший закон Ньютона формулюється так:існують такі системи відліку, відносно яких тіла зберігають свою швидкість незмінною, якщо на них не діють інші тіла, або дії інших тіл скомпенсовані.

Отже, існують системи відліку, у яких закон інерції спрацьовує. З будь-яким вільним тілом можна пов’язати систему відліку, що називається інерціальною. Таким чином, інерціальних систем відліку нескінченно багато. У багатьох задачах інерціальною системою відліку з великим ступенем точності можна вважати систему відліку, пов’язану із Землею.

4.Засвоєння вивченого матеріалу

1. Чи можуть тіла рухатися «самі по собі»?

2.. Що називають інерціальними системами відліку?

3. У чому полягає властивість тіл, яку називають інертністю?

4. Як формулюється перший закон Ньютона?

5. Які системи відліку є інерціальними? Неінерціальними?

6. Чи можна вважати інерціальними системи відліку, які нерухомо пов'язані із Землею?

7. Сформулюйте принцип відносності Галілея.

8.Якщо закон інерції виконується в деякій системі відліку, чи буде він виконуватися в іншій системі відліку, що рухається відносно першої поступально, прямолінійно і рівномірно?

9.Чи ризикує відстати від космічної станції космонавт, який вийшов у відкритий космос зі швидкістю 8 км/с? Поясніть свою відповідь. (Відповідь: ні. Космонавт продовжує рухатися з тією самою швидкістю, що й станція.)

10. Поясніть, дії яких тіл компенсуються в таких випадках: а) підводний човен перебуває в спокої у товщі води; (дії Землі (сила тяжіння) і води (сила Архімеда))б) підводний човен лежить на твердому дні.( дія Землі (сила тяжіння) компенсується пружністю дна (сила реакції опори) та виштовхувальною дією води (сила Архімеда))

11. Снаряд, випущений з гармати, летить до цілі. Чи спостерігається в цьому випадку явище інерції? Ні, тому що дії сил тяжіння Землі і опору повітря є нескомпенсованими.

12. Чи можна вважати інерціальною систему відліку пов’язану з велосипедистом, який рівномірно рухається по кільцевому треку? Ні. Швидкість велосипедиста змінюється за напрямком, оскільки велосипедист має доцентрове прискорення.

5.Завдання додому

Опрацювати § 9, Вправа № 9 (2, 5)ст.59

Додатково: