Тема: Законы динамики Ньютона и границы их применимости. Явления, наблюдаемые в неинерциальных системах отсчета.
Цели: повторить Законы динамики Ньютона и рассмотреть границы их применимости и явления, наблюдаемые в неинерциальных системах отсчета.
ПЛАН
1. Первый закон Ньютона
2. Второй закон Ньютона
3. Третий закон Ньютона
4.Явления, наблюдаемые в неинерциальных системах отсчета
Первый закон Ньютона
В динамике рассматривается влияние взаимодействия между телами на их механическое движение.
Основная задача динамики состоит в определении положения тела в произвольный момент времени по известному начальному положению, начальной скорости и силам, действующим на тело.
При решении обратной задачи нужно уметь по закону движения тела определять действующие на него неизвестные силы.
Опыт показывает, что изменение состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения любого тела происходит только при взаимодействии тел.
Если же взаимодействие отсутствует или скомпенсировано, то тело будет сохранять состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения. Первым к этому выводу пришел Галилео Галилей.
Но движение относительно. В отношении ли любых систем отсчета выполняется это утверждение?
Опыт показывает, что нет. Относительно ускоренно движущихся систем оно не выполняется (в качестве примера рассмотрите поведение мяча, лежащего на полу вагона, движущегося с ускорением). Обобщив подобные опыты, Исаак Ньютон и сформулировал первый закон динамики.
|
|
|
Первый закон Ньютона:Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или их действие компенсируется):
Первый закон Ньютона выполняется в инерциальных системах отсчета.
Инерциальная система отсчета
Системы отсчета, относительно которых тело при компенсации внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами.
При рассмотрении явлений, на которые не влияет вращение Земли вокруг своей оси и ее движение вокруг Солнца, систему, связанную с Землей (геоцентрическая система), можно считать инерциальной.
Если же необходимо учитывать движение Земли, то инерциальной считают систему, связанную с Солнцем (гелиоцентрическая система).
Если же известна хотя бы одна инерциальная система, то инерциальными будут все другие системы отсчета, движущиеся относительно ее прямолинейно и равномерно.
Принцип относительности Галилея
Проведем опыт, например, будем бросать мяч вертикально вверх в вагоне, движущемся равномерно и прямолинейно, и на платформе. В обоих случаях будем видеть одно и то же: сначала мяч движется замедленно вверх, затем ускоренно вниз
|
|
|
Это показывает, что никакими механическими опытами, проводимыми в данной системе отсчета, нельзя установить, движется ли она равномерно и прямолинейно или находится в покое (рис. 3.1, а, б).
Рис. 3.1. Движение мяча а) относительно платформы, б) относительно вагона поезда.
Это объясняется тем, что во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях (принцип относительности Галилея).
Масса
При воздействии одних тел на другие тела изменяют свою скорость — приобретают ускорение. При этом разные тела при данном воздействии приобретают разное ускорение (т. е. оказывают разное сопротивление изменению их скоростей).
Свойство тел приобретать определенное ускорение при данном воздействии называется инертностью. Инертность состоит в том, что для изменения скорости тела на заданную величину нужно, чтобы на него действовало другое тело и это действие длилось некоторое время.
Инертность — это свойство, присущее всем телам. Масса тела — количественная мера его инертности.
О теле, которое в результате взаимодействия меньше изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно, масса его больше:
|
|
|
В СИ единицей массы тела является килограмм (кг).
Так как масса входит в закон всемирного тяготения, то она определяет также гравитационное взаимодействие тел.
Установленная теорией относительности взаимосвязь между массой и энергией
W = mс2
показывает, что масса является мерой полной энергии тел.
Масса тела обладает свойством аддитивности (сложения): при соединении двух тел в одно массы этих тел складываются. Свойство аддитивности массы очень точно выполняется для макроскопических тел и нарушается лишь тогда, когда энергия взаимодействия составных частей тела велика, например, при соединении протонов и нейтронов в атомное ядро.
Существуют два основных способа определения массы тела:
1)путем сравнения ускорений тела неизвестной массы и эталона массы при их взаимодействии;
2) путем взвешивания на рычажных весах.
В классической механике Ньютона считают, что:
1. масса тела не зависит от скорости его движения;
2. масса тела равна сумме масс всех частиц (или материальных точек), из которых оно состоит;
3. для данной системы тел выполняется закон сохранения массы: при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной.
|
|
|
Сила
При действии на тело других тел может изменяться либо форма и размеры тела (тело деформируется), либо скорость тела (тело приобретает ускорение), либо возможно одновременно и то, и другое.
Физическая величина, описывающая и измеряющая воздействие одного тела на другое, в результате которого тела приобретают ускорения или деформируются, называется силой.
Сила F — величина векторная. Она характеризуется модулем, точкой приложения и направлением в пространстве.
Точку приложения силы в твердом теле можно переносить только вдоль линии ее действия ОО', не изменяя результата ее действия на тело (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Линия, вдоль которой можно переносить точку приложения силы.
В механике изучают силу упругости, силу трения, силу тяжести, силу тяготения.
Единицей измерения силы в СИ является ньютон (Н). Обычно для измерения силы пользуются динамометром.
Второй закон Ньютона
Закон установлен на основании обобщения многочисленных опытов и наблюдений. Проиллюстрировать его можно с помощью опыта, схема которого изображена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1. Схема опыта, иллюстрирующего второй закон Ньютона.
Второй закон Ньютона. Ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на тело, обратно пропорционально массе этого тела и направлено в сторону действия силы:
Если на тело действуют несколько сил, то, как показывает опыт, выполняется принцип независимости действия сил. Каждая сила сообщаетсвое ускорение. Результирующее ускорение
Где
— равнодействующая сила.
— второй закон Ньютона.
Более полная формулировка второго закона Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально массе тела и направлено в сторону равнодействующей силы.
Второй закон Ньютона выполняется в инерциальных системах отсчета.
Важно понять: из второго закона Ньютона следует, что сила определяет направление ускорения, а не направление скорости:
Так, например, под действием силы тяжести тело может двигаться вертикально вниз (рис. 6.2, а) и по параболе (рис. 6.2, б).
Рисунок 6.2. Движение тела под действием силы тяжести а) вниз, б) по параболе.
Третий закон Ньютона
Опыт показывает, что действие тел друг на друга является двусторонним. Нельзя обнаружить такого случая, чтобы какое-то тело действовало на другое тело и не испытывало бы при этом ответного действия.
Третий закон Ньютона:силы, с которыми взаимодействуют два тела, одной природы, равны по модулю, направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны и приложены к разным телам:
Силы взаимодействия возникают одновременно и попарно. Так как они приложены к разным телам, то не могут уравновешивать друг друга.
Следует иметь в виду, что третий закон справедлив независимо от того, покоятся ли взаимодействующие тела или же они движутся, находятся они в непосредственном контакте друг с другом или разделены пространством.
Рассмотрим следующие примеры:
1.Книга лежит на столе. Со стороны стола действует сила реакции 
со стороны книги — ее вес 
.
Вес книги приложен к столу, сила реакции опоры — к книге (рис. 7.1). 
Рисунок 7.1. Силы, действующие на книгу, лежащую на столе.
2. Две материальные точки массами m1 и m2 притягиваются друг к другу, находясь на расстоянии r (рис. 7.2).
Рисунок 7.2. Силы, действующие на материальные точки при притяжении.
3. Два маленьких одноименно заряженных шарика взаимодействуют друг с другом с силами отталкивания (рис. 7.3).
Рисунок 7.3. Взаимодействие одноименно заряженных тел.
Самостоятельно найти информацию «Явления, наблюдаемые в неинерциальных системах отсчета» или воспользоваться ссылками:
https://tepka.ru/fizika/2.21.html
https://foxford.ru/wiki/fizika/neinertsialnye-sistemy-otschyota
Домашнее задание: проработать конспект, повторить § 20,21,24
Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 189; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!