Тема: Взаимодействие тел в природе. Явление инерции. I закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Сила.
Дата: 19.10.2010 г.
Студенты должны знать: понятие инерциальной системы отсчёта, взаимодействия тел, формулировку 1-го закона Ньютона.
Студенты должны уметь: использовать свои знания для решения соответствующих задач; объяснять процессы, которые происходят при взаимодействии тел.
План
1. Взаимодействие тел в природе. Явление инерции. Инерциальные системы отсчета.
2. Сила.
3. I закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.
Взаимодействие тел в природе. Явление инерции.
Кинематика (греч. "кинематос" – движение) – это раздел физики, в котором рассматриваются различные виды движения тел без учета влияния сил, действующих на эти тела.
Кинематика отвечает на вопрос: "Как описать движение тела?"
В ещё одном разделе механики - динамике - рассматривается взаимное действие тел друг на друга, которое является причиной изменения движения тел, т.е. их скоростей. Если кинематика отвечает на вопрос: «как движется тело?», то динамика выясняет, почему именно так. Динамика изучает причины изменения скорости.
В основе динамики лежат три закона Ньютона. И сейчас мы приступаем к изучению первого закона Ньютона.
Прежде чем найти причину изменения скорости, т.е. возникновения ускорения, мы выясним, при каких условиях тело движется без ускорения, т.е. его скорость с течением времени не меняется.
Обратимся к опыту, к наблюдениям: на столе лежит книга. Про неё говорят, что она покоится.
В IV веке до н.э. Аристотель писал: "Всякое движение – бывает или насильственным, или происходящим по природе". К последним он относил круговые движения небесных светил, а также считал их присущими самим телам и не нуждающимися в каких-либо внешних причинах.
Если какое-либо движение отличается от естественного, то оно может быть осуществлено лишь насильственным путём. В отношении таких движений Аристотель писал: "Всё движущиеся необходимо приводится в движение чем-нибудь". Иными словами, причина "неестественного" движения – действие со стороны других тел. Нет действия других тел – нет движения.
Чтобы сдвинуть книгу, необходимо приложить усилие, например, толкнуть рукой.
Книга не одинока в этом мире, её окружают другие тела, они в различной мере действуют на неё. Почему же она покоится? Только два тела, из всех её окружающих, оказывают на неё заметное действие – это стол и Земля. Действия их противоположны и равны. Говорят, что Земля и стол компенсируют друг друга (уравновешивают).
Вывод: если действия тел компенсируют друг друга, то тело под влиянием этих тел находится в состоянии покоя.
Этот ошибочный закон Аристотеля продержался около 2000 лет. Почему ошибочный?
Т.к. равномерное и прямолинейное движение – это тоже движение без ускорения. Следовательно, и покой, и прямолинейное равномерное движение могут наблюдаться при одном и том же условии: действие на данное тело всех других тел должно компенсироваться. Так что же, справедливо утверждение Аристотеля: "Всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого"?
Об основном положении динамики размышлял и Галилей: "Степень скорости, обнаруживаемая телом, нерушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними". Другими словами: тело свободное от воздействий, не меняет скорость. Если на данное тело действует другое тело, то первое тело изменяет свою скорость (второе тело тоже)!
Очень трудно понять, что тела сохраняют в этих условиях (при компенсации воздействия) постоянной свою скорость, т.е. продолжают двигаться равномерно и прямолинейно. Если по шайбе, лежащей на гладком льду ударить клюшкой, она будет двигаться, но всё же остановится. Почему? Трение о лёд.
Как это доказать людям справедливость его суждения?
Галилей предложил к опыту подключить разум и логику следующим образом: если невозможно избавиться от взаимодействия тел совсем, то действие можно уменьшать.
Вывод: Мысленный эксперимент Галилея показывает, что при уменьшении угла второй гладкой наклонной плоскости тело можно приближённо считать свободным. Оно должно двигаться бесконечно долго.
Все мы знаем, что движение и покой относительны. В одних системах отсчёта, тело может покоиться, относительно других в это же время двигаться с ускорением.
Камень, брошенный в воду, тонет; корабль, спускаемый на воду, остается на плаву. Постараемся ответить на вопрос, почему это происходит? В этом нам поможет раздел физики, называемый динамикой.
И камень, и корабль взаимодействуют с окружающими телами (землей и водой). Земля притягивает оба тела к себе, вода оба тела выталкивает. При этом и камень, и корабль действуют на воду и, как мы скоро узнаем, на землю. Т. е. между телами происходит взаимодействие.
Взаимодействие – одновременное влияние (действие) тел друг на друга.
Сила.
Чтобы описать эти взаимодействия, в физике вводят специальные физические величины, называемые силами.
Сила – векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел.
Вспомним, как называется сила притяжения тел к земле. Как называется сила, действующая на тела, погруженные в жидкость? Да, это сила тяжести и сила Архимеда. А еще в механике рассматривают силы упругости и силы трения.
Действуют ли какие-либо из этих сил в рассмотренных примерах? Да, и на камень, опускающийся на дно, и на корабль, скользящий по воде, действуют силы трения. В случае с камнем трение о воду называют силой сопротивления воды. А действуют ли силы упругости? Стапели действуют на спускаемое судно силой упругости, дно действует на утонувший камень силой упругости. И корабль, и камень действуют силами упругости на воду и на другие тела, с которыми они соприкасаются. Как видим, мы обнаружили много действующих сил в рассматриваемых примерах.
Рассмотрим только силы, действующие на неподвижный корабль и на тонущий камень.
Сделайте в тетрадях чертежи и начертите эти силы.
Итак, на неподвижный корабль на поверхности воды действуют две силы: вниз направлена сила тяжести, вверх – сила Архимеда.
Такие же две силы действуют на тонущий камень (кроме того, на него действует сила сопротивления воды, тоже направленная вверх, но при небольших скоростях движения камня эта сила мала, и мы будем ею пренебрегать, в физике так поступать приходится часто).
Итак, в обоих случая действуют две противоположные силы, а результат разный: камень тонет, а корабль не движется. Почему?
На этот вопрос ответил Ньютон.
Сила, которая тянет камень вниз, больше, чем сила, толкающая камень вверх.
Силы, действующие на корабль, уравновешены.
Таким образом, силы, действующие на корабль, уравновешены, а на камень действует сила тяжести, большая архимедовой силы.