План урока:

Закон инерции – первый закон Ньютона

Второй закон Ньютона

Третий закон Ньютона

Как тела свободно падают?

Тело бросили вверх. Что происходит?

Невесомость

Закон инерции – первый закон Ньютона

В 1687 году в Нью-Йорке вышла книга гениального ученого-физика Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии». Начиналась книга словами:

В книге Ньютоном даны определения основных понятий механики: силы, массы, скорости и т.д. Но главное, здесь зафиксированы важнейшие открытия ученого в виде аксиом движения.

Сейчас эти аксиомы носят название законов Ньютона.

Еще в седьмом классе изучается закон инерции, впервые изложенный в своих научных трудах в начале семнадцатого века Галилео Галилеем, итальянским ученым.

Ранее считалось, что тело может двигаться только при постоянном действии другого тела. Иначе, тело покоится. Это было авторитетным мнением Аристотеля.

Галилео Галилей выразил другое объяснение движению. Он предположил, что тело может двигаться прямолинейно и равномерно и без действия постороннего тела, по инерции.

Исаак Ньютон обобщил идеи Галилея и поставил этот закон на первое место из трех законов, положенных в основу механики. Поэтому закон инерции – это первый закон Ньютона.

В формулировке Ньютона закон говорит:

С развитием учений о движении ученые доказали, что первый закон Ньютона не может выполняться в любой системе отсчета.

В распространенном примере инерции, когда пассажиры автобуса устремляются вперед при торможении, как раз и можно увидеть объяснение этому утверждению.

Действительно, пассажиры некоторое время продолжают то же движение относительно дороги, которое наблюдалось перед торможением. Если бы в автобусе не находились разные предметы и поручни, люди не смогли бы удержаться и двигались бы еще дальше.

По отношению к автобусу передвижение пассажиров изменилось. Они двигались вместе с автобусом, с его скоростью. После торможения люди стали двигаться не так, как автобус. Автобус остановился, а пассажиры продолжили движение.

Отсюда вывод: в системе отсчета, связанной с автобусом, закон Ньютона не выполняется. Инерция наблюдается в системе отсчета, связанной с землей.

Поэтому формулировка закона инерции, данная Ньютоном, считалась незавершенной. Современное прочтение закона следующее:

Для выполнения первого закона Ньютона тело должно быть изолированным. Это значит, что материальная точка, которая находится бесконечно далеко от других тел Вселенной, движется независимо от них.

Если за тело отсчета взять Солнце, а оси координат направить на звезды, то любое тело можно рассматривать, как материальную точку. И скорость такого тела по отношению к Солнцу будет практически неизменной. Закон инерции в такой системе будет выполняться.

Если за тело отсчета принять Землю, то законы Ньютона в системе, связанной с Землей, выполняются приблизительно. Но для решения многих практических задач этого приближения достаточно.

Второй закон Ньютона

В курсе физики седьмого класса сказано, что для изменения скорости тела (заставить покоящееся тело перемещаться, увеличить скорость или уменьшить ее у движущегося тела) необходимо подействовать на тело другим телом. Но ведь изменить скорость мгновенно невозможно. Она меняется постепенно, то есть тело движется с ускорением. Значит,

При действии нескольких сил (стоит вспомнить известную басню, где лебедь, рак и щука тянут воз в разные стороны), двигаться тело будет, когда равнодействующая (сумма всех сил) не равна нулю. «Воз и ныне там», потому что сумма приложенных к нему сил, то есть равнодействующая сила, равна нулю.

Известно, что в жизни практически не бывает действия только одной силы. Поэтому, ускорение придает телу равнодействующая сила. Например, чем сильнее ударит малыш по мячу, тем больше равнодействующая: силы трения покоя, силы тяжести, силы сопротивления и силы удара ребенка. Значит, и ускорение будет больше и приобретенная скорость больше.

Это означает: во сколько раз больше сила, во столько раз больше ускорение, или во сколько раз меньше сила, во столько раз меньше ускорение.

Наблюдения показывают, что массы тел также влияют на приобретаемое ускорение. Если попытаться привести в движение, например, свинцовый шар или теннисный мяч одинаковой силой, большее ускорение получит, конечно, теннисный мяч. Масса его меньше, сдвинуть с места его легче, и пройдет он большее расстояние.

Это означает: во сколько раз масса меньше, во столько раз больше ускорение, или во сколько раз масса больше, во столько раз меньше ускорение.

Такие заключения применяются для инерциальных систем отсчета. Исаак Ньютон объединил утверждения эти во второй закон, который в современном виде формулируется так:

Математически закон выстраивается следующим образом:

• прямо пропорциональная зависимость ускорения от силы a       ~ F;
• обратно пропорциональная зависимость ускорения от массы a       ~ 1|m.

В векторном виде эти два соотношения образуют формулу:

Для вычислений используется формула в скалярном (когда учитываются только абсолютные значения величин, чтобы можно было выполнять расчеты) виде: 

Часто, используя небольшое преобразование, второй закон применяют для вычисления приложенной силы в виде:

Третий закон Ньютона

Пусть два шара 1 и 2 сталкиваются на бильярдном столе. Который шар действует на другой? Шар 1 ударяет по шару 2, или шар 2 по шару 1? Или, вратарь ловит мяч. Мяч ударяет вратаря или вратарь останавливает движение мяча? Ответом на вопрос является следующее:

Какими силами тела действуют друг на друга?

Пусть на штативе установлен динамометр. Если к нему прикрепить другой такой же динамометр, то стрелки обоих приборов сдвинутся и будут показывать одинаковые по модулю значения. Направления же, по которым они отклонятся, будут противоположными.

Известно, что в результате притяжения к Земле тело слегка сжимается само и сжимает опору, на которой стоит. В результате сжатия в обоих телах возникают силы упругости. Так тело и опора взаимодействуют друг с другом.

Описанные наблюдения говорят о том, что 

Этот закон назван третьим законом Ньютона.

Как тела свободно падают?

Наблюдать в жизни совершенно свободное падение невозможно. Когда падает предмет в воздухе, на него действует сопротивление этого воздуха. Раз вокруг падающего предмета есть частицы воздуха, то за счет трения тела об эти частицы и будет создаваться противодействие падению, то есть падение не будет свободным.

Но для случая, когда сила тяжести значительно превосходит силы сопротивления, можно падение считать свободным. Например, тяжелый металлический шарик малых размеров падает в воздухе.

Шарик падает в воздухе.  

Около поверхности Земли сила тяжести практически одинакова для рассматриваемого тела, значит,  по второму закону Ньютона падающее свободно тело движется с постоянным ускорением. Учеными проведены тысячи опытов, подтверждающих этот вывод. С помощью стробоскопической фотографии^[1], например, с шагом в 0,1 с можно отметить, что за равные промежутки времени пройденное расстояние становится все больше и больше. Это означает, что растет скорость движения. Рост скорости говорит о наличии ускорения.

Пусть с момента начала движения зафиксировано четыре участка. Длина первого – 5 см, второго -15 см, третьего – 25 см и четвертого – 35 см. Видно, что за каждые 0,1 с шарик пролетал разное расстояние. Зная формулу пути равноускоренного движения и выразив из нее ускорение, можно рассчитать ускорение свободного падения.

s = 5 см + 15 см + 25 см + 35 см = 80 см = 0, 83 м.

t = 0,1 с ∙ 4 = 0,4 с. Тогда a = 2 ∙ 0, 83/ (0,4)² ≈ 10 (м/с²). Это приближенное значение ускорения, которое используется при решении учебных задач.

Более точным является число 9,8 м/с². Это ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли.

Из формулы видно, что ускорение рассчитано без зависимости от массы тела, формы его и других характеристик. Подтверждается это на интересном опыте с так называемой трубкой Ньютона

Трубка Ньютона.  

Это стеклянная трубка метровой длины. В нее помещаются три небольших физических тела: стальной шарик, кусочек поролона и лепесток бумаги. Трубка с обеих сторон плотно закрыта (иногда бывает с одной стороны вообще запаяна, а с другой закрыта плотной пробкой)

Для опыта нужно все три тела поместить с одного края. Затем устройство поднять и перевернуть в вертикальное положение, чтобы предметы внутри упали вниз.

Нетрудно представить, что первым упадет шарик, затем поролон, а потом обрывок бумаги.

Во второй части опыта из трубки выкачивается весь воздух, и трубка снова переворачивается. Все три тела упадут на дно одновременно.

В первом случае сопротивление воздуха не давало поролону и бумаге двигаться так же, как и шарику.

Во втором случае тела падают без сопротивления и независимо от своей массы окажутся на дне трубки в один момент времени.

Земля по форме не идеальный шар, сплюснутый с полюсов. Поэтому условия падения тела зависят от места, где проводится исследование. В расчетах берется среднее числовое значение ускорения.

Существует латинское слово gravitas. От него пошло обозначение ускорения свободного падения буквой g.

В повседневных наблюдениях заметно, что тяжелые тела падают на землю быстрее, чем легкие. Для сравнения, если взять камушек и перо. Конечно, перо будет долго парить в воздухе, а камень упадет быстро. В случае с камнем силой сопротивления воздуха можно пренебречь, а сила сопротивления перу сопоставима силе его тяжести, что и влияет на скорость падения. Если бы оба тела падали в вакууме, то падение происходило бы одновременно.

Тело бросили вверх. Что происходит?

Падающее тело набирает скорость, потому что его падение происходит под действием силы тяжести и созданным ею ускорением свободного падения, сонаправленным со скоростью.

Если тело подброшено вверх, оно тоже (в отсутствии сопротивления) движется под влиянием силы тяжести. Но в этом случае скорость и ускорение, созданное силой тяжести, противоположны. Значит, скорость уменьшается. Наступает момент, когда подброшенное тело останавливается и начинает падать.

Когда тело падает или движется вверх, ускорение создается силой тяжести. В случае падения ускорение совпадает по направлению со скоростью движения. В случае движения вверх скорость направлена также вверх, а ускорение вниз. Ускорение при падении увеличивает скорость, а при полете вверх уменьшает ее. Величина ускорения равна 9,8 м/с².

Как и при падении, ускорение движения вверх является ускорением свободного падения, так как создано силой тяжести.

Начальную скорость тело получает при броске. Чем больше скорость в начале полета, тем на большую высоту тело поднимется, там остановится на миг и начнет падение.

Для вычисления величин, характеризующих движение брошенного тела, используются те же формулы, что и при равноускоренном прямолинейном движении.

и

Вместо обозначения ускорения a нужно использовать букву g.

Но при движении вверх ускорение и скорость противоположно направлены. Поэтому в расчетах берется число – 9,8 м/с². При падении + 9, 8 м/с², так как скорость и ускорение одинаково направлены.

Невесомость

С понятием невесомости знакомят учащихся еще в седьмом классе. Первые представления об этом понятии связаны с пребыванием человека в космосе. Но и на земле в течение 1-3 секунд можно зафиксировать состояние невесомости. Во время падения предмет не подвешен и ни на чем не стоит, то есть не имеет под собой опоры, значит, веса тоже нет. Нет веса и в момент прыжка. В этих случаях на тело действует только сила тяжести.

Источник

В салоне самолета невесомость создать реально в течение 20-30 секунд. Это делается искусственно на высотах от 6 до 10 км. Поднявшись на высоту 6 км, летчик направляет самолет под углом 45 градусов к Земле и увеличивает скорость полета. На высоте около 10 км отключаются двигатели, и самолет летит по инерции, затем начинает свободное падение, и 20-30 секунд падает в условиях невесомости.

Привычные явления в моменты невесомости происходят по-другому.

• Простая ходьба превращается в полеты на каждом шагу. Космонавты долго привыкают к передвижению по космической станции, чтобы не стукаться и не путаться между предметами помещения.

Источник

• Тяжелые тела, которые на земле трудно поднимать, в невесомости легко может передвинуть даже ребенок.

Источник

• Жидкости принимают шарообразную форму (следует вспомнить, капельки воды из крана в момент падения представляют из себя шарики). Космонавтам приходится хранить воду обязательно в закрытых емкостях. С умыванием тоже возникают проблемы.

Источник

• В невесомости нет естественной конвекции (передвижения слоев воздуха). В результате этого, например, горящая свеча быстро тухнет, так как кислород не поступает к пламени и не вытесняет продукты сгорания. Спящему космонавту требуется вентилятор для перемешивания воздуха, иначе кислород вокруг него довольно быстро исчезнет.

Горение свечи на земле и в космосе.  

• Происходят биохимические изменения в живых организмах, ведь они, как и все остальное, состоят из твердых и жидких веществ.

Словарь

1. Стробоскопическая фотография – фиксация быстрого движения через четкие промежутки времени.