Классы
Предметы

Вводный урок по теме: «Законы механики Ньютона»

На данном уроке, тема которого «Законы механики Ньютона», мы на примере пушечного выстрела разберем закономерности взаимодействия тел, введем характеристики взаимодействия тел, с помощью которых можно описать эти взаимодействия, а также обсудим виды взаимодействий, которые будем изучать в данном разделе.

Введение

При изучении любого явления прежде всего нужно определить, что нас интересует. Тут физика не отличается от обычной жизни. Например, вам звонит друг и спрашивает: «Ты где?» Вы, скорее всего, ответите: «Дома». Хотя могли бы ответить: «Я дома, у себя в комнате, сижу на стуле перед компьютером…» Но вы так не отвечаете, потому что знаете, что задача друга – знать, дома вы или гуляете. И для данной задачи точности вашего ответа достаточно.

То же самое и в физике – необходимо знать (сформулировать) задачу. Например, столкнулись два шара и разлетелись в разные стороны. Что произошло? Шары поменяли направление движения, они поменяли скорость (Рис. 1), немного нагрелись, в них возникли упругие волны (Рис. 2), возник звук, распространяющейся в среде вокруг. Процессы могут показаться сложными.

Рис. 1. Изменение скорости шаров после столкновения

Рис. 2. Иллюстрация изменения температуры, возникновения упругих вол, звука при столкновении шаров

Но если необходимо определить, как шары будут двигаться после удара, зная, как они двигались до удара, то это достаточно легко. Для этой задачи необходимо знать законы физики, о которых мы будем говорить в дальнейшем.

Классическая задача на примере пушки со снарядом

Рассмотрим выстрел пушки. Снаряд лежит в стволе. Зажигается порох, выделяются пороховые газы, они расширяются, нагревают тела вокруг, толкают снаряд вперед, он вылетает из пушки и много всего происходит (Рис. 3). Но если нас интересует, куда улетит снаряд, то многое из происходящего можно не рассматривать. Достаточно простой модели.

Рис. 3. Выстрел снаряда с пушки

В основе решения будет лежать допущение, что пушка и снаряд представляют из себя взаимодействующие тела (Рис. 4). То есть нас не интересует, что происходит внутри них: как они нагреваются, как они сжимаются под воздействием друг друга... Нас это интересовало, если бы, например, мы рассчитывали, сколько выстрелов может сделать пушка на износ. Так что цель определяет используемую модель.

Рис. 4. Взаимодействие пушки со снарядом

В нашей модели взаимодействия тело – это материальный объект, имеющий постоянную массу, объем, форму, при рассмотрении которого не учитывается его внутреннее состояние.

Вернемся к нашей пушке. В ее стволе лежит снаряд. Он тяжелый, его к себе притягивает земля, он давит на стенку ствола и стенка давит на него снизу. Действия земли и стенки ствола на снаряд уравновешиваются (Рис. 5), и он остается неподвижным.

Рис. 5. Силы, действующие на снаряд в стволе пушки

Если вместо снаряда в стволе пушки будет кирпич на полу (Рис. 6), кастрюля на плите (Рис. 7), футболка в шкафу (Рис. 8), то понятно, что ничего существенно не изменится. Решая эти задачи, мы применим одну и ту же модель взаимодействия тел.

Рис. 6. Силы, действующие на кирпич на полу

Рис. 7. Силы, действующие на кастрюлю на плите

Рис. 8. Силы, действующие на футболку в шкафу

Следим за пушкой дальше. Снаряд притягивает вниз земля, отталкивает вверх нижняя стенка ствола, и эти действия компенсируются (Рис. 9). А затем порох сгорел, и снаряд полетел. Почему? При сгорании пороха выделился газ, причем газ раскаленный и под большим давлением (Рис. 10). Нас сейчас интересует, что газ действует на снаряд и заставляет его двигаться с ускорением. Снаряд трется, как бы «цепляется» за стенки ствола, и это тоже влияет на его движение (Рис. 11), пушка таким образом воздействует на снаряд (Рис. 12). Что мы видим в итоге? Снаряд движется с ускорением вдоль пушки (Рис. 13).

Рис. 9. Компенсирующие силы, действующие на снаряд в стволе пушки

Рис. 10. Пороховой газ

Рис. 11. Воздействие пушки на снаряд

 


 

Горение пороха

Можно ли порох заменить на другое горючее вещество, например, бензин? Оказывается, нельзя. Дело в том, что в порохе уже содержится кислород, причем он выделяется при высокой температуре.

Когда порох поджигают в замкнутом пространстве, он начинает выделять кислород, благодаря ему порох горит и выделяет еще больше кислорода, из-за чего горит интенсивнее и т.д. Получается цепная реакция, поэтому порох сгорает очень быстро, что больше похоже на взрыв (Рис. 3).

Чем больше пороховой заряд в пушке, тем больше модуль начальной скорости снаряда. В автоматической гаубице, устанавливая для каждого выстрела размер заряда и угол наклона ствола, можно имитировать залп. То есть сделать подряд несколько выстрелов так, чтобы снаряды попали в цель одновременно (Рис. 12).

Рис. 12. Имитация залпа автоматической гаубицей


 

Если вместо пороховых газов мы будем толкать снаряд руками, или тащить за веревку, или вообще притягивать магнитом? Да, конечно, рукой мы так сильно не толкнем (Рис. 13), но процесс принципиально останется тем же: на тело оказывается воздействие, и оно разгоняется – к этой закономерности мы еще вернемся.

Рис. 13. Воздействие на снаряд другими силами

Снаряд вылетел из дула пушки. Что с ним произойдет теперь? Теперь на него не действуют ни пороховые газы, ни пушка. Действие воздуха можно не рассматривать, оно мало. Остается только притяжение земли. Снаряд летит вперед и вверх, а земля притягивает его вниз, под углом к направлению движения. В этом случае тело не только разгоняется или замедляется, но и изменяет направление движения (Рис. 14).

Рис. 14. Движение под действием земного притяжения

Это одна из задач, которую можно назвать классической. То, что происходит со снарядом, происходит и с брошенным под углом к горизонту мячом (Рис. 15), и с брызгами воды из-под колёс автомобиля (Рис. 16).

Рис. 15. Движения мяча, брошенного под углом к горизонту

Рис. 16. Брызги воды из-под колес автомобиля

Количественные характеристики взаимодействия тел

Хорошо, кое-что о взаимодействии тел становится понятно. Но чтобы это изучать, находить закономерности, нужны точные количественные характеристики.

Одно тело воздействует на другое, но воздействовать можно по-разному. Мы говорим «сильнее», «слабее», «с разной силой». Но как это измерить?

Можно измерить пружиной: чем больше сила действия, тем больше растянется пружина. Можно взять какое-то растяжение за эталон, единицу измерения, и выражать силу в этих единицах (Рис. 17). Но пружины все разные, а нам нужна универсальность.

Рис. 17. Измерение силы действия пружиной

Мы определяем важную величину, с помощью которой можно описать любое взаимодействие. Поэтому неправильно было бы полагаться на изменчивые свойства пружины. К тому же, если воздействие будет в два раза больше, нет никакой гарантии, что и растяжение пружины будет ровно в два раза больше (Рис. 18). К тому же пружина может не вернуться в исходное состояние (Рис. 19), растянуться, ослабеть – сразу или через какое-то время, как резинка в одежде. Так что это далеко не самый лучший эталон.

Рис. 18. Непропорциональное растяжение пружины

Рис. 19. Растянутая со временем пружина

Подойдем с другой стороны: воздействовать на тело – значит его разогнать. Давайте свяжем силу не со свойством пружины деформироваться, а со свойством тел разгоняться.

Но не все тела разгоняются одинаково: попробуйте разогнать велосипед (Рис. 20) – его заставить двигаться легко, и разгоните автомобиль (Рис. 21) – его сдвинуть труднее. В чем разница? В массе. Масса – это мера того, насколько сложно заставить тело двигаться. Это свойство назвали инертностью. Как бы сильно мы ни толкали тело, оно не разгонится мгновенно.

Рис. 20. Разогнать велосипед легко

Рис. 21. Разогнать автомобиль труднее

Договорились взять дистиллированную воду объемом  при температуре  и взяли за основу ее инертные свойства. Так,  воды приняли за эталон массы и назвали его 1 грамм. Соответственно, масса одного литра воды – 1 килограмм (Рис. 22). Мы привязались к свойствам воды – она вся одинаковая (об одинаковой температуре и отсутствии примесей договорились), так что универсальность обеспечена. Теперь можно измерять массу, сравнивая её с эталоном. Как это сделать? Сравнивать массы на весах (Рис. 23), то есть взвешивать, люди давно умеют.

Рис. 22. Вода как эталон массы

Рис. 23 Измерение массы

 


 

В чем разница между взвешиванием и нахождением массы

Возьмем 1 л воды. Мы точно знаем, что его масса 1 кг, потому что мы договорились, что килограммом будем считать массу одного литра воды. Есть тело, например, кусок железа, массу которого нужно измерить. Как узнать, скольким килограммам воды будет соответствовать этот кусок (Рис. 24)? На глаз не определишь, как длину, линейкой не измеришь.

Рис. 24. Как сравнить массу железа с массой воды

Есть два способа. Люди давно заметили, что более инертные тела, т.е. обладающие большей массой, сильнее притягиваются землей. То есть если кусок железа в два раза сильнее притягивается к Земле, чем килограмм воды, то, значит, его и разогнать в два раза труднее, чем килограмм воды, значит, его масса 2 кг (Рис. 25). Позже оказалось, что гравитационная и инертная массы действительно равны. По крайней мере измерения с точностью до тринадцатого знака после запятой не показали отличий.

Рис. 25. Измерение массы куска железа

Второй способ менее удобный: нужно привести их во взаимодействие – столкнуть, например, на льду. Придется сделать немного забегающее наперед предположение, что тела воздействуют друг на друга с одинаковыми силами. Неважно с какими, самое главное – с одинаковыми. Тогда при одинаковом воздействии то тело, которое меньше изменит свою скорость, и будет тяжелее (Рис. 26). Получается что отношение масс равно обратному отношению изменению скоростей  (Рис. 27).

 

Рис. 26. Изменение скорости тел после столкновения

Рис. 27. Отношение масс равно обратному отношению изменению скоростей тел при столкновении


 

Определение единичной силы

Теперь определим единичную силу. Возьмем воздействие, которое нужно, чтобы тело массой 1 кг за 1 с изменило свою скорость на 1 м/с, и будем считать его эталоном, единицей измерения силы. Получается, что сила измеряется в , для удобства эту единицу измерения назвали ньютоном. А за направление силы мы возьмем направление ускорения, которое она создает (Рис. 28).

Рис. 28. Единица измерения силы

Теперь, когда есть эталон, можно проградуировать пружины: отметим на разных пружинах эталонные ньютоны, с которыми мы определились (Рис. 29).

Рис. 29. Проградуированная пружина

 


 

Основные единицы измерения

Мы сделали важный шаг: выразили меру взаимодействия, силу, через килограммы, метры и секунды – три основные единицы измерения. Еще одна величина, характеризующая взаимодействия тел, – энергия, так же будет выражаться через кг, м и с (Рис. 30).

Рис. 30. Основные единицы измерения

Мы всё изучаем по проявлениям, по взаимодействию: электричество изучаем по притяжению и отталкиванию зарядов, количественно описывать свет мы будем по энергии, которую он переносит. Так что все остальные единицы измерения принципиально можно выразить через три основные


 

Закономерности взаимодействия тел

Теперь, когда мы ввели силу, научились ее измерять, можно говорить о закономерностях, которым подчиняется взаимодействие тел. Их всего три – три закона Ньютона.

Если воздействия на тело компенсируются или уравновешиваются, то тело не изменяет своей скорости (Рис. 6, 7, 8). Как снаряд, который покоится в жерле пушки, когда его притягивает земля и отталкивает стенка жерла (Рис. 9). Первый закон Ньютона описывает, при каких условиях это выполняется.

Воздействие на тело создает изменение скорости этого тела – его ускорение, и об этом говорится во втором законе Ньютона: ускорение пропорционально силе. Так, при выстреле из пушки под действием пороховых газов снаряд ускоряется (Рис. 31).

Рис. 31. Ускорение снаряда под действием пороховых газов при выстреле из пушки

На самом деле ничего удивительного во втором законе Ньютона нет. Мы же сами приняли, что сила – это мера того, как действие на массивное тело разгоняет его. В таком случае, естественно, сила пропорциональна массе и ускорению.

 


 

Действует ли на тело сила?

Физики часто говорят: «На тело действует сила». Давайте разберемся, правильно ли это утверждение. Сила – это векторная физическая величина, мера воздействия. То есть на тело действует не сила, а другое тело. Сила – это число, оно не действует, а показывает меру того, как действует тело.

Приведем аналогию: если мы на катке на коньках столкнулись с другим конькобежцем (Рис. 32), мы не можем сказать, что столкнулись с его массой и скоростью. Хотя с помощью массы и скорости можно измерить последствия столкновения. Но все равно мы столкнулись именно с конькобежцем.

Рис. 32. Столкновение конькобежцев

Однако в языке устоялось выражение «действует сила». Не всегда удобно говорить, что на тело «в результате гравитационного взаимодействия действует Земля», чаще говорят «действует сила тяжести», и мы должны понимать, что это значит


 

Чаще всего на тело действует несколько сил. Например, как тянуть дерево за веревки вдвоем? За одну веревку тащат влево, под действием этой силы дерево должно двигаться влево. А другая веревка тащит дерево вправо. Но оно же не может двигаться одновременно в две стороны. Понятно, что действия сложатся и какая-то одна веревка перетянет (Рис. 33). Как складывать силы, в том числе если они направлены под углом, мы изучим на уроках данного раздела. И по второму закону Ньютона создавать ускорение будет уже суммарное действие, полученное в результате сложения (Рис. 34).

Рис. 33. Силы, действующие на дерево

Рис. 34. Суммарное действие сил

Вывод

Мы рассмотрели, что происходит с конкретным телом, когда на него действуют силы – одна или несколько. Но силы всегда возникают попарно. Если одно тело действует на другое, то и второе тело так же действует на первое. Так, в нашем примере с пушкой снаряд давит на стенку ствола, а она давит на снаряд снизу вверх (Рис. 35). Тела взаимодействуют друг с другом, и это описывает третий закон Ньютона.

Рис. 35. Взаимодействие снаряда с жерлом пушки

Подробнее мы изучим законы Ньютона на уроках данного раздела, а на этом все, спасибо за внимание, урок закончен!

 

Домашнее задание

  1. Какие силы действуют на покоящийся снаряд в стволе пушки?
  2. Что такое эталон измерения? Приведите пример эталона.
  3. Почему в замкнутом пространстве при сгорании пороха происходит взрыв?
  4. Какими способами можно сравнить массы двух тел?

 

Список рекомендованной литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика. 10 класс. Базовый и профильный уровни. М.: Мнемозина, 2012.
  2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика 10. М.: Просвещение, 2008.

 

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет портал «myshared.ru» (Источник)
  2. Интернет портал «phscs.ru» (Источник)
  3. Интернет портал «e-reading.mobi» (Источник)