Урок Принцип относительности Галилея. Относительные и инвариантные величины в механике

Урок№ 6                                10 класс                                             Дата____________

Принцип относительности Галилея.

Относительные и инвариантные величины в механике

Цель урока: учащиеся должны знать принцип инерции, относительность движения и покоя, инерциальные системы отсчета.

 Тип урока: комбинированный. 

План изучения нового материала.

1. Принцип инерции.

2. Инерциальные системы отсчета.

3.Преобразования Галилея.

4.Принцип относительности Галилея.

                                                                        Ход урока.

 l.Проверка домашнего задания. Решение задачи на доске №5 упр№5

II.Изучение нового материала.

1. Принцип инерции. Кинематика описывает механическое движение математически, не объясняя физических причин его существования и изменения, отвечая лишь на вопрос, как движется тело. Динамика объясняет причины, определяющие характер  механического движения, т.е. дает ответ на вопрос , почему движется тело. Определение. Динамика – раздел механики, в основе которого лежит количественное описание взаимодействия тел, определяющего характер их движения.

Согласно современным физическим представлениям, характер движения тела определяет его взаимодействие с другими телами. Инерция – явление сохранения состояния движения или покоя при отсутствии внешних воздействий.  Обобщив результаты изучения движения тел при максимальном уменьшении сил трения, Галилей сформулировал принцип относительности.  Если на тело не действуют внешние силы, то оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

2. Инерциальные системы отсчета. Понятия  «движение» и «покой» относительны и зависят от выбора системы отсчета, связанной с телом отсчета. Эквивалентность и взаимозаменяемость состояния покоя и равномерного прямолинейного движения возможны лишь в инерциальных системах отсчета (ИСО), покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Определение. Инерциальная система отсчета - система отсчета, в которой тело, не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчета, в которых принцип относительности не выполняется, называют неинерциальными.

Рассмотреть примеры возможных инерциальных систем отсчета по рис.63 стр.77 учебника. 3.Преобразования Галилея. Преобразования Галилея:

 Х – неподвижная система отсчета; Х' – движущаяся система отсчета.

Координаты тела в различных инерциальных системах отсчета Х и Х'связывают преобразования Галилея.

                                                  Х = Х'+υt.

Движение инерциальной системы отсчета не оказывает  влияния на прямолинейное равномерное движение тела или его состояние покоя в этой системе.

4.Принцип относительности Галилея

Галилей первым обратил внимание на то, что равномерное прямолинейное движение по отношению к Земле совершенно не сказывается на течении всех механических явлений.

Допустим, вы находитесь в каюте корабля или в вагоне поезда, движущегося плавно, без толчков. Вы можете спокойно играть в бадминтон или пинг-понг, как и на земле. Мяч или волан будет по отношению к стенам и полу перемещаться точно так же, как и по отношению к земле при игре в обычных условиях. Если не посмотреть в окно, то с уверенностью нельзя сказать, что же происходит с поездом: движется он или стоит.

Если в движущемся с постоянной скоростью вагоне изучать падение тел, колебания маятника и другие явления, то результаты будут точно такими же, как и при исследовании этих явлений на Земле.

Лишь при резком торможении поезда нужно прилагать дополнительные усилия, чтобы устоять на ногах. При большой болтанке самолёта или качке парохода на большой волне об игре с мячом не может быть и речи. Все предметы приходится закреплять, чтобы они оставались на своих местах.

Принцип относительности. На основании подобных наблюдений можно сформулировать один из самых фундаментальных законов природы — принцип относительности.

Важно  Все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.

Это утверждение известно как принцип относительности в механике. Его ещё называют принципом относительности Галилея.

Не нужно думать, что выполнение принципа относительности означает полную тождественность движения одного и того же тела относительно различных инерциальных систем отсчёта. Тождественны лишь законы динамики. Законы движения тел определяются не только законами динамики, но и начальными скоростями и начальными координатами тел. А начальные величины для данного тела относительно разных систем отсчёта различны.

-  Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют один и тот же вид. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Принцип относительности Галилея характеризует симметрию законов физики по отношению к переходу от одной ИСО к другой.

Инвариантные и относительные величины. Инвариантность означает неизменность физической величины или закона при определённых преобразованиях или изменениях условий. Например, сила, с которой мяч ударяется о землю, не зависит от того, кто наблюдал этот удар: человек, стоящий рядом, или пассажир равномерно движущегося автобуса. Или, например, масса космонавта одинакова на Земле и на Луне. Отметим, какие из рассмотренных величин остаются инвариантными при движении тела относительно разных систем отсчёта.

Важно  Инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой являются ускорение, масса и сила. Также инвариантными будут законы Ньютона, о чём говорит принцип относительности Галилея.

В то же время уравнения движения тел в разных инерциальных системах отсчёта будут выглядеть по-разному.

Важно  Величины, изменяющиеся при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, являются относительными (неинвариантными). Кинематические величины, такие, как скорость, перемещение, траектория движения — примеры относительных величин.

Например, в равномерно движущемся поезде камень будет падать отвесно относительно стен вагона, если начальная скорость камня по отношению к поезду равна нулю (рис. 2.30). Но, с точки зрения наблюдателя на Земле этот камень будет двигаться по параболе (рис. 2.31). Дело в том, что начальная скорость камня по отношению к системе отсчёта, связанной с Землёй, отлична от нуля и равна скорости поезда.

Открытие принципа относительности — одно из величайших достижений человеческого разума. Оно оказалось возможным лишь после того, как люди поняли, что ни Земля, ни Солнце не является центром Вселенной.

III.Закрепление изученного материала.

 Беседа по вопросам.1).Что изучает динамика? Динамика – раздел механики, в основе которого лежит количественное описание взаимодействия тел, определяющего характер их движения.

2).Какое движение называется движением по инерции? Сформулируйте принцип относительности Галилея. Движение по инерции – это движение без внешних воздействий или со скомпенсированными воздействиями. Принцип относительности Галилея -  Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют один и тот же вид.

3).Какую систему отсчета называют инерциальной? Почему прямолинейное равномерное движение тела и  состояние покоя физически эквивалентны и взаимозаменяемы лишь в инерциальных системах отсчета? Инерциальная система отсчета – это система отсчета, в которой выполняются законы Ньютона. В частности, это та система, в которой материальная точка , не взаимодействующая с другими телами, или действие на которую других тел скомпенсировано, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

4).Сформулируйте принцип относительности Галилея. Разъясните его смысл. Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют один и тот же вид. Это значит, что все инерциальные системы отсчета равноправны.

IV.Итог урока. Сегодня на уроке мы выяснили, что понятия « движение» и «покой» относительны и зависят от выбора системы отсчета, связанной с телом отсчета. Эквивалентность и взаимозаменяемость состояния покоя и равномерного прямолинейного движения возможны лишь в инерциальных системах отсчета.

 V. Домашнее задание.§6, подготовиться к лабораторной работе.