Факультативное занятие по теме:
«Поступательное ускоренное движение системы отсчета. Сила инерции».
Целеполагание: рассмотреть движение тел в неинерциальных системах отсчета, движущихся поступательно с постоянным ускорением относительно ИСО. Ввести понятие сил инерции. Доказать необходимость их использования.
Содержание занятия.
1.Вступительная беседа:
Слова учителя: Сформулируйте законы ньютоновской
механики.
Ученик: а) Закон. Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело движется равномерно, прямолинейно или сохраняет свою скорость неизменной, если на него не действуют другие тела, или действие всех сил скомпенсировано.
б) 
= m
=> = 
в) 1 = –2
Слова учителя: Для какой системы отсчета будут справедливы законы Ньютона?
Ученик: Законы Ньютона выполняются в инерциальной системе отсчета.
Слова учителя: Будут ли они выполняться в системах отсчета движущихся с ускорением?
Ученик: … Нет.
Слова учителя: Вопрос этот возникает вполне естественно, так как мы живем на вращающейся Земле (явно неинерциальная система). Необходимо выяснить, почему, несмотря на вращение Земли, в рассмотренных выше опытах получалось согласие с законами Ньютона.
Неинерциальными называют те системы отсчета, которые движутся с ускорением относительно какой-либо инерциальной системы. Различают два вида неинерционных систем отсчета (НИСО): системы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета (ИСО) поступательно с постоянным или переменным ускорением, и системы, вращающиеся с постоянной или переменной угловой скоростью относительно некоторого центра или некоторой оси.
Итак, если мы рассматриваем движение тела относительно системы отсчета, движущейся ускоренно, то первый и второй законы динамики в обычной форме неприменимы. Действительно покой в НИСО имеет место только при действии на тело внешних сил, так как тело совершает ускоренное движение относительно ИСО.
2. Демонстрация опыта.
Начнем с более простого случая: пусть система отсчета движется поступательно с некоторым ускорением относительно ИСО.
Пусть на тележке
укреплена рамка и на ней подвешен маятник. Тележка соединена нитью,
переброшенной через блок, с гирей; опускаясь, гиря может сообщить тележке
постоянное ускорение. Если тележка неподвижна (относительно Земли), то маятник
весит вертикально. Если же она получит ускорение , то маятник отклонится назад
(против ускорения тележки) и после нескольких качаний, которые мы не примем во
внимание, установится под некоторым углом к вертикали; при этом его ускорение 
' станет равным ускорению
тележки ('=).
3. Свяжем с Землей неподвижную систему отсчета, а с тележкой – подвижную и попробуем истолковать явление в обеих системах.
а) неподвижная система (ИСО).
На маятник, в положении равновесия, действуют силы:
- сила натяжения нити
= m
– сила тяготения компенсирующие друг
друга.
Когда тележка начала двигаться с ускорением, то она увлекла за собой и точку подвеса маятника (См. рис.8).
Сам же маятник еще оставался в покое. Поэтому нить наклонилась, что привело к появлению силы, ускоряющей маятник. В установившемся состоянии сумма сил тяжести
= m 
(из рис. 8=>
=)
маятника и натяжения нитидает силу
,создающую ускорение :
= m = m + ; tg
= 
Итак, появление
силы связано с ускорением тележки (результат
взаимодействия опускающейся гири с Землей). Таким образом, естественно, здесь законы
Ньютона выполняются.
б) Подвижная
система НИСО. Наблюдатель, находящийся в этой системе, не знает о ее движении.
Маятник отклонен от вертикали на угол 
и не
подвижен относительно тележки.
В механике часто учитывают такое движение введением особых сил, которые
называются силы инерции. Введение этих сил позволяет сохранить для тел,
движущихся относительно НИСО, первый и второй законы Ньютона в той же самой
форме, какую они имели для тел, движущихся относительно ИСО. Следовательно,
кроме силы тяжести и силы натяжения нити, действующих на маятник, существует
еще одна сила – сила инерции ин (См. рис.9). Тогда при состоянии
покоя маятника относительно тележки можно утверждать, что в этом случае, как и
при покое относительно ИСО, сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю
ин + m+ = 0
Из написанных выше соотношений следует, что
ин= - , т.к. = m, то ин= - m
Если бы маятнику, находящемуся на
тележке, сообщить толчок, то он стал бы совершать колебания. Проанализировав
это явление, сделаем вывод: к силе тяготения будет прибавлена постоянная сила
инерции ин, результирующая 2х этих
сил направлена под углом 
к вертикали, и
маятник будет совершать колебания около положения равновесия нити, наклоненной
под углом 
к вертикали с ускорением '.
Второй закон
динамики, при движении тела массы m в НИСО, обладающей ускорением , следует формировать так:
+ ин= m',
где ' – ускорение тела в НИСО
ин=- m – сила инерции
– равнодействующая всех
внешних сил, действующих на тело.
4. Вывод.
Силы инерции определяют движение тела в ускоренной системе отсчета. Они имеют очень важное принципиальное отличие от обычных сил, выражающих взаимодействие тел; которое заключается в том, что силы инерции не имеют противодействующей, т.е. нельзя указать того тела, со стороны которого приложена сила инерции.
Можно ли сказать, что
описание движения в НИСО менее верно, чем в ИСО? Конечно, нет! Для описания
движения можно выбрать любую систему отсчета.
5. Практическая работа.
Уравнение движения в неинерциальных системах отсчета имеют такой же вид, как и в инерциальных, только в сумму, действующих на тело сил, входят наряду с ньютоновскими и силы инерции:
m'=
+ ин,
m=– m,
где - ускорение системы отсчета.
Пример:
К потолку лифта подвешен груз масcой m Определите натяжение нити в момент времени, когда лифт движется вверх (вниз) с ускорением а.
Решение:
Пусть лифт движется вверх. В системе отсчета, связанной с лифтом, тело покоится. Поэтому сумма всех действующих на него сил равна нулю (рис. 16)
+ m + ин=0,
где – сила натяжения нити.
Проецируя векторное равенство на прямую, вдоль которой действуют силы (на ось Х направленную верх), получим:
N– m g –F ин = 0.
Так как F ин = ma то
N = m(g + a), т.е. сила натяжения нити больше веса груза в неподвижном лифте.
Если лифт движется вниз (рис. 17), то:
N + F ин – mg = 0.
Отсюда N = m(g – a)
В этом случае сила натяжения нити меньше веса груза в неподвижном лифте.
В частности если лифт падает свободно (a=g), то натяжение нити равно нулю. Если лифт движется вниз с ускорением a>g, то груз будет прижиматься к «потолку» кабины.
6. Заключение.
Таким образом, любое движение тела можно рассматривать, как в инерциальной, так и в неинерциальной системах. Многие физические задачи решаются значительно проще с использованием сил инерции, т.е. в неинерциальных системах.
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
Факультативное занятие по теме:
«Поступательное ускоренное движение системы отсчета. Сила инерции».
Целеполагание: рассмотреть движение тел в неинерциальных системах отсчета, движущихся поступательно с постоянным ускорением относительно ИСО. Ввести понятие сил инерции. Доказать необходимость их использования.
Содержание занятия.
1.Вступительная беседа:
Слова учителя: Сформулируйте законы ньютоновской
механики.
Ученик: а) Закон. Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело движется равномерно, прямолинейно или сохраняет свою скорость неизменной, если на него не действуют другие тела, или действие всех сил скомпенсировано.
скачать материал свидетельство о публикации
6 655 343 материала в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Шивчкова Анжела Владимировна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Курс повышения квалификации
72 ч.
Курс повышения квалификации
72/108 ч.
Мини-курс
5 ч.
Мини-курс
8 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.