Классы
Предметы

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонементот 75 руб. в месяц
У вас уже есть абонемент? Войти
Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

В кинематике мы рассматривали, как движется то или иное тело, могли рассчитать ускорение автомобиля, время перемещения грузика, но мы никогда не задумывались – а почему движется тело тем или иным образом? Раздел физики, который изучает причину движения тела, называется динамика. Тема урока: «Первый закон Ньютона»

Первый закон Ньютона

Динамика изучает причины, по которым тело начинает двигаться, начинает изменять свою скорость. А при каких же состояниях тело находится в состоянии покоя, когда его скорость равна нулю? Какие условия необходимы для равномерного прямолинейного движения, когда скорость постоянна?

Нарисуем схематически тело, находящееся в состоянии покоя (рис. 1).

 Тело находится в состоянии покоя

Рис. 1. Тело находится в состоянии покоя (Источник)

Тело подвешено на нити к штативу, тело находится в состоянии покоя, то есть его скорость равна нулю. Какие тела действуют на этот шарик? Это Земля – притяжение Земли и натяжение нити. Получается, что притяжение Земли и натяжение нити взаимно компенсируют друг друга, то есть тело находится в состоянии покоя, если действие на него других тел скомпенсировано.

Если бы шарик находился в состоянии покоя в безвоздушном пространстве, в вакууме, где на него вообще ничего не действует, то он бы тоже находился в состоянии покоя.

Тело находится в состоянии покоя, если действия на него других сил скомпенсированы или на него ничего не действует.

Перейдем к состоянию равномерного прямолинейного движения. При каких же условиях скорость тела остается константой?

Рассмотрим случай, в котором катится шарик по абсолютно гладкой поверхности и полностью отсутствует сопротивление воздуха (рис. 2).

 Равномерное прямолинейное движение

Рис. 2. Равномерное прямолинейное движение (Источник)

При отсутствии сопротивления воздуха и сил трения шарик никогда не остановится, его скорость будет оставаться постоянной. Это значит, что тело находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, на тело действует только Земля и сила реакции опоры, но на движение шарика в горизонтальном направлении они никакого влияния не оказывают.

Аристотель считал, что для того, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью, необходимо на него оказать действие другими телами. Действие других тел на исследуемое тело – это причина наличия у него скорости, считал Аристотель. Галилей впервые указал, что действие на тело других тел – это не причина наличия у тела скорости, а причина изменения скорости, то есть появление у тела ускорения.

Для того чтобы тело находилось в состоянии покоя или двигалось равномерно и прямолинейно, необходимо выполнение одинаковых условий: либо на тело ничего не действует, либо действие на него других тел компенсировано.

Движение – это понятие относительное и зависящее от системы отсчета, которые бывают инерциальные и неинерциальные. Инерциальная система отсчета – когда тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Сформулируем первый закон Ньютона.

Существуют такие системы отсчета, в которых тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, если на это тело не действуют другие тела или их действие взаимно скомпенсировано.

Точка зрения Аристотеля на причину движения

Инерциальная система отсчета – это очень удобная модель для описания движения тела и причин, которые вызывают такое движение. Физика не всегда пользовалась понятием «инерциальная система отсчета», впервые это понятие появилось благодаря Исааку Ньютону. Древние греки представляли себе движение совсем по-иному.

Согласно Аристотелю, существует единственная инерциальная система отсчета, эта система отсчета связана с Землей. Все остальные системы отсчета второстепенны. Соответственно, все движения, которые получает тело, относительно Земли называются естественными, в противном случае – вынужденными. Самый простой пример естественного движения – это свободное падение тела на Землю. Действительно, Земля в этом случае сообщает телу скорость. В качестве примера принудительного движения Аристотель приводил движение телеги с лошадью (рис. 3).

 Принудительное движение по Аристотелю

Рис. 3. Принудительное движение по Аристотелю (Источник)

Пока лошадь прилагает силу, телега движется, как только лошадь остановилась, то останавливается и телега – нет силы, нет и скорости. Согласно Аристотелю, именно сила объясняет у тела наличие скорости. Казалось бы, все настолько очевидно, что никаких вопросов быть не должно.

Галилео Галилей сформулировал принцип инерции: причина изменения скорости – это действие на тело других тел. Если на тело не действуют другие тела или это действие скомпенсировано, то скорость тела меняться не будет. Предпочтительным состоянием тела является не только покой, но и равномерное прямолинейное движение.

К вопросу о формулировке первого закона Ньютона

Иногда можно столкнуться с формулировкой первого закона Ньютона:

Если на тело не действуют никакие тела либо их действие взаимно уравновешено (скомпенсировано), то это тело будет находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно и прямолинейно, то есть сохранять свою скорость.

Всегда ли это выражение корректно? Рассмотрим такую ситуацию (рис. 4):

 Инерциальная и неинерциальная системы отсчета

Рис. 4. Инерциальная и неинерциальная системы отсчета (Источник)

Вагон поезда, у которого занавешены все окна, то есть пассажир поезда не видит, движется поезд относительно тел, находящихся на улице или нет. У нас две системы отсчета – система отсчета пассажира «мальчик» и система отсчета наблюдателя на земле «девочка». Поезд начинает ускоряться, то есть скорость его увеличивается. Что произойдет с яблоком, которое лежит на столике поезда? Яблоко по инерции покатится в противоположную сторону. Мальчик не видит, что поезд начал разгоняться, и вдруг яблоко, которое находилось в состоянии покоя, начинает на него катиться. Он в недоумении, ведь на яблоко не действовали никакие силы. У мальчика возникает вопрос: может, механика Ньютона не справедлива, ведь яблоко находилось в состоянии покоя? У девочки такого вопроса не возникает, ведь тело движется по инерции. Поэтому мы можем сформулировать первый закон Ньютона более корректно:

Существуют такие системы отсчета, в которых тело сохраняет состояние покоя либо будет двигаться равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано.

Эта формулировка позволяет избежать коллизии между мальчиком и девочкой; не обязательно быть в системе, в которой такая ситуация наблюдается: мальчик находится в системе, в которой эта ситуация не сохраняется, значит, он находится в неинерциальной системе отсчета. Девочка находится в инерциальной системе отсчета – коллизия разрешена.

Почему Земля – неинерциальная система отсчета. Маятник Фуко

Во многих задачах мы рассматриваем движение тела относительно Земли, негласно мы считаем, что Земля – инерциальная система отсчета. Так ли это на самом деле? Оказывается, не всегда. Если рассматривать движение Земли относительно своей оси или движение Земли относительно звезд, то это движение совершается с некоторым ускорением. Система отсчета, которая движется с некоторым ускорением, не может считаться инерциальной в полном смысле. Что же это за ускорение, которое появляется у Земли при вращении вокруг своей оси, так ли оно велико, и можно ли считать Землю инерциальной системой отсчета?

Земля вращается вокруг своей оси, значит, все точки, лежащие на ее поверхности, непрерывно меняют направление своей скорости. Скорость – это вектор, и, если его направление меняется, значит, у нас появляется некое ускорение. Значит, Земля условно должна быть выведена из состава правильных, инерциальных систем отсчета. Если подсчитать это ускорение для точек, находящихся на экваторе, а это точки, обладающие максимальным ускорением по сравнению с точками, находящимися ближе к полюсу, то его значение получится:

 

Индекс «с» говорит о том, что это ускорение центростремительное. Сравним с ускорением свободного падения:

 

Разница в несколько сотен раз, конечно же, этим ускорением в принципе можно пренебрегать и считать Землю инерциальной системой отсчета. Однако при длительных наблюдениях забывать о вращении Земли, конечно же, нельзя. Убедительно это доказал французский ученый Жан Бернар Леон Фуко.

Маятник Фуко представляет собой массивный груз, подвешенный на очень длинной нити. Выведем такой груз из положения равновесия и посмотрим, как он будет колебаться в течение долгого времени, какую траекторию будет описывать (рис. 5).

 Траектория колебаний маятника Фуко, вид сверху

Рис. 5. Траектория колебаний маятника Фуко, вид сверху (Источник)

Траектория колебания маятника не будет прямой, она будет смещаться, это смещение маятника обусловлено вращением Земли, смещение траектории колебаний груза, подвешенного на длинной нити.

Заключение

Вращением Земли обусловлен еще ряд интересных факторов: в реках северного полушария правый берег более крутой, а левый более пологий. В реках южного полушария наоборот.

В большинстве случаев мы будем считать Землю инерциальной системой отсчета, применять в ней законы Ньютона и выяснять, почему же движется тело.

 

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
  3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.

 

Домашнее задание

  1. Дать определение первому закону Ньютона.
  2. Какие системы отсчета существуют?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Fizika.in (Источник).
  2. Интернет-портал Shpargalka.kz (Источник).
  3. Интернет-портал Reftrend.ru (Источник).