Тема: Перший закон Ньютона. Інерціальні системи відліку.

Мета: Формування знань про явище інерції, перший закон Ньютона, інерціальні системи   відліку, переконань у тому, що рівномірний прямолінійний рух є природним станом   тіла; вироблення вмінь застосовувати перший закон Ньютона до пояснення явищ природи.

Тип уроку: Урок вивчення нового навчального матеріалу.

Хід уроку.

I. Актуалізація опорних знань.
1. Який рух називають рівномірним?
2. Який рух називають рівноприскореним?
3. Що називають прискоренням?
 

II. Вивчення нового матеріалу.
 

Вивчаючи кінематику, ми не розглядали, чому тіла змінюють свою швидкість, тобто набувають прискорення, які причини обумовлюють характер їх руху. Це дається в розділі механіки, що називається динамікою.
        Динаміка:   
            - за яких умов   -   тіло рухається?
                                       -    рухається рівномірно?

                                       -    змінюється швидкість тіла?

        Динаміка (від грец. сильний, сила) – розділ механіки, у якому вивчається рух    матеріальних тіл під дією прикладених до них сил.

Повсякденний досвід, спостереження й досліди, показують, що тіла  самі по собі не змінюють швидкості. А змінюють її лише тоді, коли на них діють інші тіла.
Наприклад:
- Потяг перебуває в спокої доти, поки електровоз не почне його тягнути.
-  Якщо на шляху кульки, яка рухається прямолінійно, поставити брусок, то кулька під час удару об нього змінює напрям руху.
- Стальна кулька, рухаючись рівномірно й прямолінійно, взаємодіючи з магнітом, починає рухатися криволінійною траєкторією.
Отже, модуль і напрям швидкості тіла змінюється лише внаслідок впливу на нього інших тіл.

Тіло, на яке не діють інші тіла , називають ізольованим. У такому випадку можна сказати, що ізольоване тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Справедливість такого припущення підтверджуємо рядом простих дослідів.

1. Демонструємо рух по поверхні столу іграшкового автомобіля і показуємо, що причиною його зупинки є тертя коліс об поверхню стола.

 2. Якщо тертя штучно збільшити (посипати стіл піском або покрити тканиною),  то автомобіль пройде значно меншу відстань, а якщо тертя зменшити (накрити стіл склом), то буде пройдена значно більша відстань.
Логічно припустити, що при відсутності тертя автомобіль би рухався нескінченно довго. Якщо дію тертя компенсувати, наприклад, увімкнути двигун, то автомобіль рухатиметься з постійною швидкістю v відносно системи відліку, пов’язаної з столом. Якщо автомобіль на своєму шляху зустріне якусь перешкоду, то може змінитися не лише числове значення швидкості, але й її напрям.

 

Аналізуємо ще ряд прикладів:

1. Парашутист, вистрибнувши з літака, рухається під дією тяжіння Землі з прискоренням. Після розкривання парашута сила опору повітря компенсує дію тяжіння Землі, і парашутист рухається прямолінійно з постійною швидкістю відносно поверхні Землі.

2. Підвішена на нитці кулька перебуває в спокої відносно Землі під дією двох тіл: Землі і нитки. Дії цих тіл взаємно компенсуються, і швидкість кульки в системі відліку, пов’язаній із Землею, постійна й дорівнює нулю. Якщо нитку перерізати, то на кульку діятиме лише одне тіло – Земля, і під дією Землі кулька падатиме з прискоренням вільного падіння. Упавши на стіл. Кулька знову перебуватиме в стані спокою, бо тепер дію Землі компенсує дія стола.

1. Земля – опора

2. Земля – нитка – дії скомпенсовані, тіла знаходяться в стані спокою, v = 0.
3. Земля – повітря – дії скомпенсовані, тіло рівномірно прямолінійно рухається, v = const.

Висновок: коли вплив на дане тіло інших тіл взаємно компенсується, то відносно Землі тіло перебуває в спокої або рухається прямолінійно й рівномірно.

Далі розглядаємо, чи в усіх системах відліку справджується цей висновок.
Проведемо ще один дослід.

Спостерігаємо за рухом кульки по поверхні візка під час його гальмування або розгону. Звертаємо увагу, що дія на кульку Землі компенсується дією поверхні візка, а тим часом кулька рухається відносно візка нерівномірно.

Це свідчить про те, що у системах відліку, які рухаються прискорено попереднє твердження не справджується.

Отже, приходимо до висновку, що існують такі системи відліку, відносно яких ізольовані тіла чи тіла, дія на які інших тіл компенсується, рухаються прямолінійно і рівномірно або перебувають у стані спокою. Такі системи відліку прийнято називати інерціальними (в них ізольоване тіло рухається за інерцією).
Це твердження є першим законом Ньютона.

Проаналізуємо фізичний зміст першого закону Ньютона. Згідно з цим законом тіло в інерціальній системі відліку не може самовільно змінити свій стан спокою або прямолінійного рівномірного руху. Цей стан воно змінює лише під дією інших тіл. Отже, перший закон відображає причинно-наслідковий зв’язок явищ. Досвід показує, що жодне явище природи не може виникнути само по собі: воно виникає лише як наслідок іншого явища.

У першому законі Ньютона рівноправними є спокій і рівномірний прямолінійний рух. Цим підтверджується, з одного боку, відносний характер спокою і руху і, з другого боку, побічно твердиться, що всі системи відліку, відносно яких тіло перебуває в спокої або рухається рівномірно і прямолінійно, є інерціальними.

  Системи відліку, в яких зміна швидкості тіла може бути спричинена не лише взаємодією, а й прискореним рухом самої системи ( в них не виконується закон інерції), називають неїнерціальними. Прикладом є система, пов’язана з вагоном: під час прискорення чи сповільнення ходу потяга, а також на поворотах незакріплені, легко рухомі предмети приходять у рух відносно вагона, хоч дія на них інших тіл при цьому не змінюється.

III. Закріплення.

1. Пояснити дії яких тіл компенсуються в таких випадках: а). підводний човен перебуває в спокої в товщі води; б) підводний човен лежить на твердому ґрунті.
2. Парашутист спускається, рухаючись рівномірно і прямолінійно. Пояснити, дії яких тіл компенсуються.
3. Хлопчик тримає на нитці кульку, наповнену воднем. Які дії взаємно компенсуються, якщо кулька перебуває в стані спокою? Хлопчик випустив кульку, чому вона почала рухатися прискорено?
4. Чи може автомобіль з вимкненим двигуном рівномірно рухатися по горизонтальному шосе?
5. Причиною чого є дія на дане тіло інших тіл: руху даного тіла чи зміни стану руху?
6. М’яч, що лежав на столі у вагоні, який рухався рівномірно, покотився по столу. Вказати систему відліку, відносно якої в цьому випадку справджується перший закон Ньютона, і систему відліку, відносно якої закон не виконується.

IV. Домашнє завдання.

     П. 30, Впр. 30(2)