Конспект урока: «Первый закон Ньютона»

14.10.09 10 «Б» класс

Тема урока: «Первый закон Ньютона».

Тип урока: урок изучения нового учебного материала.

Цели урока.

Стратегические:

- Формирование научной картины мира.

- Развитие критического мышления.

- Формирование научного миропонимания.

Тактические:

- Ликвидировать пробелы в знаниях.

- Сформировать умение пользоваться учебной литературой.

- Развить умение обобщать и систематизировать знания.

- Сформировать умение использовать теоретические знания на практике.

- Сформировать интерес к физике как науке.

- Сформировать умение раскрывать взаимосвязь между изученным теоретическим материалом и явлениями в жизни.

- Развить умение анализировать данные и делать вывод.

- Развить общие учебные (в т.ч. познавательные) умения.

Оперативные:

Когнитивная область.

Уровень знания: ученик должен знать определение динамики, инерциальной системы отсчета, материальной точки, свободного тела, формулировку основного утверждения механики, первого закона Ньютона, перечислить условия, при которых тело движется с постоянной скоростью.

Уровень понимания: ученик должен приводить примеры инерциальных систем отсчета, материальных точек, выполнения основного утверждения динамики, понимать отличие инерциальной системы отсчета от неинерциальной, формулировку основного утверждения динамики, материальной точки, первого закона Ньютона, условия движения свободного тела.

Уровень применения: ученик должен уметь применять основное утверждение динамики, первого закона Ньютона для объяснения движения различных тел, отличать инерциальную систему отсчета от неинерциальной, использовать понятие материальной точки при решении задач.

Аффективная область.

Уровень восприятия: ученик осознает важность учения, внимательно слушает высказывания учителя и учащихся, активно участвует в дискуссии.

Уровень реагирования: ученик выполняет домашнее задание, поручения учителя, проявляет интерес к физике, самостоятельность при обучении.

Уровень усвоения ценностной ориентации: ученик целенаправленно изучает различные точки зрения, выносит собственное суждение, проявляет убежденность в защите своего убеждения.

Этапы урока.

Этапы урока

Формы, методы обучения

Средства обучения

Время

Организационный момент.

Фронтальная, словесный (беседа).

Слово учителя и учащихся, журнал, ручка.

2 мин

Проверка ранее изученного учебного материала, домашнего задания.

Фронтальная, словесный, практический, репродуктивный.

Слово учителя и учащихся, мел, доска, текст контрольной работы.

7 мин

Формирование новых знаний умений, навыков.

Фронтальная, словесный (объяснение),

репродуктивный, объяснительно-иллюстративный, наглядный.

Слово учителя и учащихся, мел, доска, печатное слово (учебник), поясняющие рисунки.

25 мин

Закрепление изученного материала.

Фронтальная, словесный, репродуктивный.

Слово учителя и учащихся, учебник.

4 мин

Инструктаж по выполнению домашнего задания.

Фронтальная, словесный (беседа, комментарии).

Слово учителя,

мел, доска, журнал.

2 мин

Ход урока.

1. Приветствие учащихся учителем, выявление отсутствующих учащихся.

2. В начале урока учитель проводит анализ ошибок контрольной работы по разделу «Кинематика». Он разбирает вместе с классом задачи из контрольной работы, которые вызвали наибольшие затруднения при решении.

3.

Основное утверждение механики.

Мы уже знаем, что любое движение следует рассматривать по отношению к определенной системе отсчета.

В кинематике, т. е. при описании движения без рассмотрения причин его изменения, все системы отсчета равноправны. Выбор определенной системы отсчета для решения той или иной задачи диктуется соображениями целесообразности и удобства. В главном разделе механики - динамике - рассматриваются взаимные действия тел друг на друга, являющиеся причиной изменения движения тел, т. е. их скоростей.

Вопрос о выборе системы отсчета в динамике не является простым. Выберем вначале систему отсчета, связанную с земным шаром. Движение тел вблизи поверхности Земли будем рассматривать относительно самой Земли.

Если тело, лежащее на полу или на столе, начинает двигаться, то всегда по соседству можно обнаружить предмет, который толкает это тело, тянет или действует на него на расстоянии. Поднятый над Землей камень не остается висеть в воздухе, а падает. Надо думать, что именно действие Земли приводит к этому.

Вся совокупность подобных фактов говорит о том, что изменение скорости тела (т. е. ускорения) всегда вызывается воздействием на данное тело каких-либо тел. Эта фраза содержит главное утверждение механики Ньютона и выражает принцип причинности в механике.

Может оказаться, что тело покоится или движется равномерно и прямолинейно, т. е. без ускорения, хотя на него и действуют другие тела. Но скорость тела никогда не меняется, если на него ничто не действует.

На столе лежит книга, ее ускорение равно нулю, хотя действие со стороны других тел налицо. На книгу действуют притяжение Земли и стол, не дающий ей падать вниз. В этом случае говорят, что действия уравновешивают (или компенсируют) друг друга. Но книга никогда не придет в движение, не получит ускорение, если на нее не подействовать рукой, сильной струей воздуха или еще каким-нибудь способом.

Перечислить экспериментальные доказательства того, что изменение скорости одного тела всегда вызывается действием на него других тел, нет никакой возможности. Эти доказательства вы можете наблюдать на каждом шагу.

Любой человек понимает, что заставить какой-либо предмет изменить модуль или направление скорости можно, только оказав на него определенное воздействие. Ученики 5 класса, гоняющие шайбу во дворе, не знают законов механики Ньютона. Но поступают они правильно: они стараются, действуя клюшкой на шайбу, так изменить движение шайбы, чтобы она скользила к воротам противника или к партнеру по команде, находящемуся в выгодном положении.

Движение с постоянной скоростью. Однако не следу­ет думать, что основное утверждение механики совершен­но очевидно и уяснить его ничего не стоит.

Если действий со стороны других тел на данное тело нет, то согласно основному утверждению механики уско­рение тела равно нулю, т. е. тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью.

Начиная с великого древнегреческого философа Аристотеля, на протяжении почти двадцати веков все были убеждены, что движение тела с постоянной скоростью нуждается для своего поддержания в действиях, производимых на тело извне, т. е. в некоторой активной причине; считали, что без такой поддержки тело обязательно остановится.

В действительности свободное тело, которое не взаимодействует с другими телами, движется всегда с постоянной скоростью или находится в покое. Только действие со стороны другого тела способно изменить его скорость. Действовать на тело, чтобы поддержать его скорость постоянной, нужно лишь потому, что в обычных условиях всегда существует сопротивление движению со стороны Земли, воздуха или воды.

До сих пор мы систему отсчета связывали с Землей, т. е. рассматривали движение относительно Земли. В системе отсчета, связанной с Землей, ускорение тела определяется только действием на него других тел. Подобные системы отсчета называют инерциальными.

Однако в других системах отсчета может оказаться, что тело имеет ускорение даже в том случае, когда на него другие тела не действуют.

В качестве примера рассмотрим систему отсчета, связанную с автобусом. При резком торможении автобуса стоящие в проходе пассажиры падают вперед, получая ускорение относительно стенок автобуса. Однако это ускорение не вызвано какими-либо воздействиями со стороны Земли или автобуса непосредственно на пассажиров. Относительно Земли пассажиры сохраняют свою постоянную скорость, но так как автобус замедляет свое движение, то люди и падают по направлению к его передней стенке.

Таким образом, когда на пассажира не действуют другие тела, он не получает ускорение в системе отсчета, связанной с Землей, но относительно системы отсчета, связанной со стенками автобуса, движущегося замедленно, пассажир имеет ускорение, направленное вперед.

Если относительно какой-нибудь системы отсчета тело движется с ускорением, не вызванным действием на него других тел, то такую систему называют неинерциальной. Так, неинерциальными являются системы отсчета, связанные с автобусом, движущимся по отношению к Земле с ускорением, или с вращающейся каруселью.

В неинерциальных системах отсчета основное положение механики о том, что ускорение тела вызывается воздействием на него других тел, не выполняется.

Материальная точка.

Возьмите лист плотной бумаги и подбросьте его. Он начнет медленно опускаться, слегка раскачиваясь из стороны в сторону. Если тот же лист скомкать, то он будет падать без раскачивания и гораздо быстрее. Обыкновенный волчок, состоящий из диска, насаженного на тонкую палочку, способен кружиться, не падая набок, пока скорость вращения велика. Заставить же вести себя подобным образом диск и палочку по отдельности просто невозможно.

С помощью подобных простых наблюдений нетрудно убедиться, что движение тел сильно зависит от их размеров и форм. Чем сложнее форма тела, тем сложнее его движение. Трудно поэтому надеяться найти какие-то общие законы движения, которые были бы непосредственно справедливы для тел произвольной формы.

Основные законы механики Ньютона относятся не к произвольным телам, а к точке, обладающей массой, - материальной точке.

Но точек, обладающих массой, в природе нет. В чем же тогда смысл этого понятия? Во многих случаях размеры и форма тела не оказывают сколько-нибудь существенного влияния на характер механического движения. Вот в этих случаях мы и можем рассматривать тело как материальную точку, т. е. считать, что оно обладает массой, но не имеет геометрических размеров.

Причем одно и то же тело в одних случаях можно считать материальной точкой, а в других нет. Все зависит от условий, при которых происходит движение тела, и от того, что именно вас интересует. Например, при исследовании орбитального движения планет вокруг Солнца как планеты, так и Солнце можно считать материальными точками. Дело в том, что расстояние между ними много больше их собственных размеров, а при этих условиях взаимодействие между телами не зависит от формы тел. Но на движение искусственных спутников Земли форма Земли уже оказывает заметное влияние.

Еще один важный пример. При поступательном движении твердого тела, например кубика, соскальзывающего с доски, все части кубика движутся совершенно одинаково. Кубик вполне можно рассматривать как точку с массой, равной массе кубика. Но если тот же кубик вращается, считать его точкой нельзя: его части будут иметь существенно различные скорости.

Как быть в тех многочисленных случаях, когда тело нельзя считать материальной точкой? Выход есть, и он совсем несложен. Тело можно мысленно разделить на столь малые элементы, что каждый из них допустимо считать материальной точкой.

В механике любое тело можно рассматривать как совокупность большого числа материальных точек. Зная законы движения точки, мы в принципе располагаем методом описания движения произвольного тела.

Первый закон Ньютона.

Первый закон механики, или закон инерции, как его часто называют, был, по существу, установлен еще Галилеем. Но общую формулировку этого закона дал Ньютон и включил этот закон в число основных законов механики.

Закон инерции относится к самому простому случаю движения - движению тела, на которое не оказывают воздействие другие тела. Такие тела мы будем называть свободными телами. Ответить на вопрос, как же движутся свободные тела, не обращаясь к опыту, нельзя. Однако нельзя поставить ни одного опыта, который бы в чистом виде показал, как движется ни с чем не взаимодействующее тело, так как таких тел нет. Как же быть? Имеется лишь один выход. Надо поместить тело в условия, при которых влияние внешних взаимодействий можно делать все меньшим и меньшим и наблюдать, к чему это ведет. Можно, например, наблюдать за движением гладкого камня на горизонтальной поверхности, после того как ему сообщена некоторая скорость. При этом легко обнаружить, что, чем более гладкой является поверхность, тем медленнее будет уменьшаться скорость камня. На гладком льду камень скользит весьма долго, заметно не меняя скорость. На основе подобных наблюдений можно сделать вывод: если бы поверхность была идеально гладкой, то при отсутствии сопротивления воздуха (в вакууме) камень совсем не менял бы своей скорости. Именно к такому выводу пришел впервые Галилей.

Нетрудно заметить, что, когда ускорение тела отлично от нуля, обнаруживается воздействие на него других тел.

Отсюда можно прийти к выводу, что тело, достаточно удаленное от других тел и по этой причине не взаимодействующее с ними, будет двигаться с постоянной скоростью.

Но движение относительно, и имеет смысл говорить лишь о движении тела по отношению к системе отсчета, связанной с другими телами. Поэтому сразу же возникает вопрос: движется ли с постоянной скоростью любое свободное тело по отношению к любому другому телу? Ответ будет, конечно, отрицательным. Так, если по отношению к Земле свободное тело движется равномерно и прямолинейно, то по отношению к вращающейся карусели тело заведомо так двигаться не будет.

Таким образом, наблюдения за движением тел и размышления о характере этого движения приводят нас к заключению о том, что свободные тела движутся с постоянной скоростью по отношению к определенным телам и связанным с ними системам отсчета, например по отношению к Земле. В этом состоит главное содержание закона инерции. Поэтому первый закон динамики может быть сформулирован так:

Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно.

Этот закон, с одной стороны, содержит определение инерциальной системы отсчета: система отсчета, относительно которой свободные тела имеют постоянную скорость, называется инерциальной. С другой стороны, он содержит утверждение (которое с той или иной степенью точности можно проверить на опыте) о том, что инерциальные системы отсчета существуют в действительности. Первый закон механики ставит в особое, привилегированное положение инерциальные системы отсчета.

Но как установить, что данная система отсчета является инерциальной? Это можно сделать только опытом, который подтверждает, что с большой точностью систему отсчета, связанную с Землей (геоцентрическую систему отсчета), можно считать инерциальной. Но строго инерциальной она не является.

С гораздо большей точностью можно считать инерциальную систему отсчета, в которой начало координат совмещено с центром Солнца, а координатные оси направлены к неподвижным звездам. Эту систему отсчета называют гелиоцентрической.

4. Учитель проводит фронтальный опрос с учащимися, содержащий вопросы по изученной теме.

Вопросы.

1) В чем состоит основное положение механики?

Ответ: изменение скорости тела (т. е. ускорения) всегда вызывается воздействием на данное тело каких-либо тел.

2) Сформулируйте первый закон Ньютона.

Ответ: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно.

3) Какая система отсчета называется инерциальной?

Ответ: система отсчета, в которой тело, не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

5. На дом учитель задает учащимся прочитать § 22, 23, 24, ответить на вопросы после §.