Перший закон механіки Ньютона. Інерціальні системи відліку.

Мета.

Освітня. Пригадати визначення сили та маси, поняття інерції, правила додавання сил, спрямованих вздовж однієї прямої. Ознайомитись з І законом Ньютона, ввести поняття інерціальної та неінерціальної системи. Навчитись знаходити рівнодійну сил, спрямованих під кутом. Навчитися розраховувати та визначати масу різними способами.

Розвиваюча. Розвивати фізичну компетентність, логічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру ведення записів, розв’язків задач.

Тип уроку. Вивчення нового матеріалу.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я., <<Читати онлайн>>
• Відео. Перший закон механіки Ньютона. Інерціальні системи відліку. (Час показу 10:55 хв)
• Демонстрація. Рівнодійна сил (2 динамометри на магнітах, тіло, магнітна дошка)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Перший закон механіки Ньютона. Інерціальні системи відліку. Сила. Маса.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Для допитливих.
7. Перевір себе.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Самостійна робота. Рівноприскорений рух

2. Перший закон механіки Ньютона. Інерціальні системи відліку.

Динаміка. Перший закон механіки Ньютона. Динаміка - розділ механіки, у якому вивчається рух матеріальних тіл під дією прикладених до них сил.

Завдання динаміки - за діючою силою визначити рух тіла, або за характером руху тіла встановити, яка сила на нього діє.

При вивченні динаміки руху тіл враховуються сили, що спричиняють цей рух. Повсякденний досвід, спостереження й досліди показують, що тіла самі по собі не змінюють своєї швидкості, а змінюють її лише тоді, коли на них діють інші тіла.

Тіло, на яке не діють інші тіла, називають ізольованим.

Рух тіла можна описати лише відносно якогось іншого об'єкту — інших тіл, спостерігача, або за допомогою набору просторово-часових координат. Вони називаються системами відліку.

Системи, відносно яких ізольовані тіла чи тіла, дія на які інших тіл компенсується, рухаються прямолінійно і рівномірно або перебувають у стані спокою називають інерціальними системами відліку (ІСВ). 

В ІСВ ізольоване тіло рухається за інерцією, і причиною прискорення тіла є взаємодія тіл.

Таким чином, щоб тіло рухалося прямолінійно з постійною швидкістю, воно згідно з першим законом Ньютона не повинно зазнавати жодних впливів з боку інших тіл, або дія цих тіл має взаємно компенсуватися. Якщо ж тіло змінює свою  швидкість, то завжди можна вказати інше тіло чи кілька тіл, дія яких привела до цієї зміни, тобто до прискорення.

Причиною зміни швидкості руху є дія на дане тіло інших тіл. Зміна швидкості тіла триває доти, поки триває дія.

Як тільки припиняється зовнішній вплив, припиняється і зміна швидкості. Проте рух не припиняється; він продовжується рівномірно і прямолінійно з тією швидкістю, з якою тіло рухалося в момент припинення впливу інших тіл.

Явище збереження швидкості руху тіла за відсутності зовнішніх впливів на нього з боку інших тіл називають інерцією. 

Про тіло, яке продовжує рухатися після припинення зовнішнього впливу, кажуть, що воно рухається за інерцією. Інерціальність будь-якої реальної системи відліку приблизна. Будь-яка точка, що її можна було б вибрати за початок системи координат, здійснює якийсь нерівномірний рух. Так, наприклад, для більшості задач у земних умовах можна зв'язати ІСВ з поверхнею Землі, нехтуючи обертанням планети навколо своєї осі чи навколо Сонця.

Система відліку, яка рухається із сталою швидкістю відносно інерціальної системи, також є інерціальною. При переході з однієї ІСВ в іншу швидкість, переміщення та координата змінюються, а от сила , маса, прискорення, час руху та відстань між тілами залишаються незмінними.

Принцип відносності Галілея: в усіх інерціальних системах відліку перебіг механічних явищ і процесів відбувається однаково за однакових початкових умов.

Системи відліку, в яких зміна швидкості тіла може бути спричинена не лише взаємодією, а й прискореним рухом самої системи, називають неінерціальними. 

Прикладом неінерціальної системи є система пов’язана з вагоном: під час прискорення, чи уповільнення  ходу потяга, а також на поворотах незакріплені, легкорухомі предмети починають рухатися відносно вагона, хоч дія на них інших тіл при цьому не змінюється.

Перший закон механіки Ньютона (закон інерції): 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.

• Відео. Перший закон механіки Ньютона. Інерціальні системи відліку. (Час показу 10:55 хв)

Сила. Поняття про силу є одним з основних у механіці.

Сила - міра взаємодії тіл. Вона зумовлює зміну стану руху або деформацію тіл. Сила - векторна величина.

Дію на тіло кількох сил можна замінити їх рівнодійною. Рівнодійна прикладених до тіла сил дорівнює векторній (геометричній) сумі сил, що діють на тіло:

  .

Демонстрація. Рівнодійна сил (2 динамометри на магнітах, тіло, магнітна дошка)

Рівнодійну для сил можна шукати лише в тих випадках, коли сили прикладені до одного тіла.

Ситуації, коли сили спрямовані вздовж однієї прямої були розглянуті у курсі фізики 7 класу.

Якщо сили спрямовані під кутом одна до одної:

 Маса тіла. Маса - міра інертності тіла.

Способи визначення маси тіла:

1. Для вимірювання маси тіла використовують спосіб порівняння мас тіл за допомогою терезів. При цьому використовують здатність тіл взаємодіяти з Землею. Тіла, які мають однакову масу, однаково притягуються до Землі у даному місці.

2. Масу тіла можна обчислити з формули (2). Для цього вибирають тіло, масу якого умовно беруть за одиницю, - еталон маси. Між еталоном маси і тілом, масу якого треба знайти, можна встановити стиснену за допомогою нитки пружину. Нитку перепалити і визначити прискорення еталона і досліджуваного тіла:

Ретельні дослідження взаємодії двох тіл, наприклад, зіткнення двох абсолютно пружних кульок, показали, що відношення модулів прискорень взаємодіючих тіл дорівнює оберненому відношенню їхніх мас:

  (2)

Еталон маси. Основна одиниця маси в Міжнародній системі одиниць (СІ) - кілограм. Кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги (м. Севр, поблизу Парижа). Це гиря з платино-іридієвого сплаву - 90% Pt, 10% Ir - у формі циліндра діаметром і заввишки 39 мм.

З достатньою точністю можна вважати, що масу 1 кг має 1 дм3 чистої води при 150С.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 66.1. Нерухомий алюмінієвий візок зіткнувся зі стальним візком такого самого розміру, що рухався зі швидкістю 4 м/с. З якою швидкістю почав рухатися алюмінієвий візок? Сталевий візок після зіткнення мав швидкість 2 м/с.

4. Запитання до уроку.

Запитання 66.1. Що таке динаміка? Які завдання динаміки?

Запитання 66.2. Що таке система відліку? Чи впливає вибір системи відліку на значення швидкості рухомого тіла?

Запитання 66.3. Яке тіло називають ізольованим? Сформулюйте І закон Ньютона.

Запитання 66.4. Що таке інерція? Наведіть приклади рухів за інерцією.

Запитання 66.5. Які системи відліку вважаються інерціальними? Що є причиною зміни швидкості руху тіла та як довго вона триває в інерціальній системі?  Наведіть приклади інерціальних систем.

Запитання 66.6. Систему відліку, пов’язану з Землею, можна  лише наближено вважати інерціальною. Чим це зумовлено?

Запитання 66.7. Які системи відліку вважаються неінерціальними? Що є причиною зміни швидкості руху тіла в неінерціальній системі? Наведіть приклади неінерціальних систем.

Запитання 66.8. Чим відрізняються інерціальні системи від неінерціальних? Яка з характеристик руху обов’язково залишається незмінною під час переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої?

Запитання 66.9. Що таке сила? Як позначають силу? Яким приладом та в яких одиницях її вимірюють?

Запитання 66.10. Яку силу називають рівнодійною?  У якому випадку та за якими правилами можна розраховувати рівнодійну силу?

Запитання 66.11. Що таке інертність тіла? Що таке маса тіла? Як її позначають? Назвіть основні та похідні одиниці вимірювання маси тіла.

Запитання 66.12. Які способи визначення маси тіла вам відомі? Що таке еталон маси?

5. Домашнє завдання.

Підручник: §30.

Задача 66.2. Візок рухається горизонтальною поверхнею зі швидкістю 30 м/с і зіштовхується з нерухомим візком, який має таку саму масу, що й перший. Унаслідок зіткнення рухомий візок зупиняється. З якою швидкістю рухатиметься другий візок після зіткнення?

Задача 66.3. Дві гумові кульки різних діаметрів розташували одна за одною в жолобі, що знаходиться під малим кутом нахилу. На початку експерименту кулька меншого розміру знаходиться нижче кульки більшого розміру. Вони доторкаються. Що станеться з кульками, коли їх одночасно відпустять?

А. кульки не рухатимуться;

Б. менша кулька буде скочуватися швидше, ніж більша;

В. кульки будуть скочуватися з однаковою швидкістю разом.

Чи зміниться відповідь, якщо взяти таких же розмірів металеві кульки? Відповідь обгрунтуйте. Відео до задачі.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Матеріал для повторення:

• Ф7 Урок 29 Явище інерції. Маса тіла.
• Ф7 Урок 34 Сила. Графічне зображення сил.

6. Перевір себе.

Тестові завдання.

Запитання 66.1Т. Якщо векторна сума всіх сил, що діють на тіло, дорівнює нулю, то в інерціальній системі відліку…

        А напрям руху тіла змінюється;

        Б швидкість руху тіла не змінюється;

        В швидкість руху тіла зростає;

        Г швидкість руху тіла зменшується.

Запитання 66.2Т. Яка фізична величина характеризує інертність тіла?

        А об’єм;

        Б густина;

        В маса;

        Г сила.

Запитання 66.3Т. При якому русі літака пов’язану з ним систему відліку можна вважати інерціальною?

        А літак розганяється на зльотній змузі;

        Б літак рівномірно летить у горизонтальному напрямку;

        В літак  виконує “мертву петлю”;

        Г літак гальмує після приземлення.

Запитання 66.4Т. Тіло в інерціальній системі відліку рухається прямолінійно і рівномірно, якщо на нього…

        А не діють інші тіла;

        Б діє сила, напрям якої не змінюється, а модуль зростає;

        В діє сила, напрям якої не змінюється, а модуль зменшується;

        Г діє стала за величиною і напрямком сила.

Запитання 66.5.Т.А. На малюнку зображено три зчеплених динамометри. Визначте покази лівого динамометра.

Середній рівень

Задача 66.1.С. Маса легкового автомобіля 2 т, а вантажного - 8 т. Порівняйте прискорення автомобілів, якщо сила тяги вантажного автомобіля удвічі більша за силу тяги легкового? В. 2 рази.

Достатній рівень

Задача 66.1.Д. Знайдіть рівнодійну сил, зображених на рисунку, та її проекції на координатні осі, якщо , , .

Задача 66.2.Д.  Знайдіть рівнодійну сил, зображених на рисунку, та її проекції на координатні осі, якщо , , , , , .

7. Для допитливих.