Практическое применение 3 закона ньютона. Исаак Ньютон: мифы и факты из жизни. Как рассматриваемый принцип связан с ускорением всей системы

Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются). Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией. Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение .
- ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон Ньютона. Из опытов по взаимодействию тел следует
, из второго закона Ньютона
и
, поэтому
. Силы взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут уравновешивать друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу. Законы Ньютона выполняются одновременно, они позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды, движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей, кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.

4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике

Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс
. Обычно вычисляют ускорение одного тела (того, движение которого изучается). Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой. В механике рассматриваются силатяжести, силаупругости и силатрения. Сила тяжести -это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности(
). Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз (рис. 1а). Сила упругости возникает при деформации тела (рис. 1б), она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению:
.Знак «-»показывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную удлинению,k - жесткость (пружины) зависит от ее геометрических размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения
, гдеN - сила реакции опоры (рис. 2),m -коэффициент трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела. Сила тяжести и сила упругости -это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел относительно друг друга. Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное -ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения).

В известной игре «перетягивание каната» обе партии действуют друг на друга (через канат) с одинаковыми силами, как это следует из закона действия и противодействия. Значит, выиграет (перетянет канат) не та партия, которая сильнее тянет, а та, которая сильнее упирается в Землю.

Как объяснить, что лошадь везет сани, если, как это следует из закона действия и противодействия, сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой F 2 , с какой лошадь тянет сани вперед (сила F 1)? Почему эти силы не уравновешиваются?

Дело в том, что, во-первых, хотя эти силы равны и прямо противоположны, они приложены к разным телам, а во-вторых, и на сани и на лошадь действуют еще и силы со стороны дороги (рис. 9).

Сила F 1 со стороны лошади приложена к саням, испытывающим, кроме этой силы, лишь небольшую силу трения f 1 полозьев о снег; поэтому сани начинают двигаться вперед. К лошади же, помимо силы со стороны саней F 2 направленной назад, приложены со стороны дороги, в которую она упирается ногами, силы f 2 , направленные вперед и большие, чем сила со стороны саней. Поэтому лошадь тоже начинает двигаться вперед. Если поставить лошадь на лед, то сила со стороны скользкого льда будет недостаточна; и лошадь не сдвинет сани. То же будет и с очень тяжело нагруженным возом, когда лошадь, даже упираясь ногами, не сможет создать достаточную силу, чтобы сдвинуть воз с места. После того как лошадь сдвинула сани и установилось равномерное движение саней, сила f 1 будет уравновешена силами f 2 (первый закон Ньютона).

Подобный же вопрос возникает и при разборе движения поезда под действием электровоза. И здесь, как и в предыдущем случае, движение возможно лишь благодаря тому, что, кроме сил взаимодействия между тянущим телом (лошадь, электровоз) и «прицепом» (сани, поезд), на тянущее тело действуют со стороны дороги или рельсов силы, направленные вперед. На идеально скользкой поверхности, от которой нельзя «оттолкнуться», ни сани с лошадью, ни поезд, ни автомобиль не могли бы сдвинуться с места.

Третий закон Ньютона позволяет объяснить явление отдачи при выстреле. Установим на тележку модель пушки, действующую при помощи пара (рис. 10) или при помощи пружины. Пусть вначале тележка покоится. При выстреле «снаряд» (пробка) вылетает в одну сторону, а «пушка» откатывается в другую.

Откат пушки и есть результат отдачи. Отдача есть не что иное, как противодействие со стороны снаряда, действующее, согласно третьему закону Ньютона, на пушку, выбрасывающую снаряд. Согласно этому закону сила, действующая со стороны пушки на снаряд, все время равна силе, действующей со стороны снаряда на пушку, и направлена противоположно ей.

Один из главных в интернете специалистов по поведенческой науке Джеймс Клир пытается совместить физику и психологию в своей новой книге, а в свежей записи в своем блоге предлагает изменить жизнью с помощью знания и использования трех законов термодинамики Исаака Ньютона.

Большинство людей об этом не знают, но эти три закона можно использовать для улучшения качества своей жизни и повышения продуктивности. Вот эти законы, и как их правильно трактовать в быту.

Первый закон - закон инерции

Если на объект не действует внешняя сила, то он продолжает находиться в состоянии покоя или постоянного движения. Объекты, находящиеся в движении, имеют тенденцию оставаться в движении, а неподвижные объекты, если их ничто не сдвинет с места, будут оставаться в состоянии покоя.

Если задуматься о нашей жизни, то этот закон можно считать одним из фундаментальных для Вселенной. И именно он служит причиной нашей прокрастинации: если мы привыкли ничего не делать без внешнего давления, то ничего без него и не начнем делать. С другой стороны, закон работает и в обратном направлении тоже. Объекты, находящиеся в состоянии движения, при неизменности внешней среды будут оставаться в движении.

Для нас, офисных тружеников, это означает одно: нам нужно найти способ "подтолкнуть" себя, то есть просто начать работу. После того, как вы ее начнете, оставаться в движении будет намного проще.

Если вы чувствуете, что застряли, попробуйте правило двух минут. Оно гласит, что вам нужно выделить в общей задаче подпункт, который можно выполнить всего за две минуты. Например, не написать пост целиком, а лишь один абзац из него. Не убрать квартиру сразу целиком, а хотя бы пройтись пылесосом по спальне. Если вы поработаете две минуты, вам будет проще решиться продолжать.

Вот еще несколько примеров из жизни.

Прямо сейчас вам может жутко не хотеться выходить на пробежку. Но решиться будет проще, если вы с утра поставите кроссовки возле двери и загодя наполните бутылку с водой. После этого вам будет проще выйти за дверь утром.

Прямо сейчас, когда вы смотрите на пустую страничку в редакторе Word, вам трудно решиться начать составлять отчет. Но уделите делу всего две минуты - и вам будет проще продолжать.

Прямо сейчас вам может быть очень трудно заняться рисованием. Но если вы возьмете лист бумаги и будете изо всех сил нарисовать хоть что-нибудь - хоть случайные линии, то мозгу будет проще настроиться на творческую работу.

Второй закон Ньютона - дифференциальный закон движения

F=ma. Векторная сумма сил, действующих на объект, равна массе этого объекта, умноженной на вектор ускорения объекта. Т.е. сила равна массе, умноженной на ускорение.

Сила, F, является вектором. Вектор включает в себя интенсивность (сколько работы вы делаете) и направление (то, чем именно вы занимаетесь). Другими словами, если вы хотите получить ускорение в нужном направлении, то вам нужно или прикладывать больше усилий, или изменит вектор, т.е. род своих занятий. Это в равной степени относится как к большим жизненным решениям, так и к малым.

Но размер вашей физической силы ограничен. Он может расти со временем, но это все равно конечная величина. Поэтому самое важное в вашей жизни - не только стараться и много работать, но и осознавать, что именно вы делаете и в каком направлении двигаетесь.

Третий закон Ньютона - сила действия равна силе противодействия

Когда одно тело давит на другое, то другое тело оказывает силу противодействия. Она равна силе действия (если объекты сопоставимы по весу) и имеет прямо противоположное направление силе действия.

У каждого из нас есть средняя скорость движения по жизни. Ваша жизнь в целом - это баланс продуктивных и непродуктивных дел, позитивных и негативных сил, которые на нее действуют.

Есть силы, которые помогают нам жить: фокус, позитивный настрой, мотивация. Есть силы, которые мешают нам двигаться вперед: стресс, недостаток сна, привычка браться за много задач одновременно и т.д.

Если мы хотим стать более эффективным и продуктивным, то у нас есть два варианта. Первый: мы можем либо стремиться нарастить влияние "позитивной" силы: выпить кофе, собраться, заставить себя поработать. Вот почему люди принимают наркотики, помогающие им сосредоточиться, и смотрят мотивационные ролики на YouTube. Таким образом мы прикладываем усилия, чтобы подавить непродуктивные силы, которые на нас воздействуют. Очевидно, что такая стратегия имеет определенный эффект, но лишь до тех пор, пока она не истощит наши силы.

Куда эффективнее попробовать второй вариант: снизить негативное воздействие "вредных" сил. Хорошо высыпайтесь, правильно питайтесь, отдыхайте, гуляйте с друзьями, проводите время с семьей. И тогда вы автоматически станете продуктивнее и целеустремленнее.

Третий закон Ньютона показывает, что действие одного тела на другое имеет взаимный характер. Однако часто мы видим (или ощущаем) действие, распространяется только на одно из двух тел, взаимодействующих, в то время, как действие на второе тело остается незамеченным.

Согласно третьему закону Ньютона, камень притягивает Землю с такой же силой, с которой Земля притягивает камень. Поэтому, когда камень падает, он и Земля - оба движутся с ускорениями навстречу друг другу. Однако ускорение Земли меньше за ускорение камня во столько раз, во сколько раз масса Земли больше массы камня. Поэтому мы и замечаем часто лишь одну силу взаимодействия с двух - силу, действующую на камень со стороны Земли. А с аналогичным модулем сила, действующая на Землю со стороны камня, остается незамеченной.

В завершение урока можно рассмотреть несколько примеров проявления третьего закона Ньютона.

1. Явление отдачи. Сила, действующая на снаряд со стороны пушки, равна по модулю силе, действующей на пушку со стороны снаряда в момент выстрела. В автоматической стрелковом оружии явление отдачи используется для перезарядки оружия.

2. Реактивное движение. С огромной скоростью выбрасывая продукты сгорания топлива назад, ракета действует на них с необычайной силой. С такой же по модулю, но направленной вперед, силой продукты сгорания действуют на ракету.

3. Взаимодействие Земли и Солнца, Луны и Земли, движение планет и других небесных тел.

4. Движение транспортных средств.

Вопрос учащихся в ходе изложения нового материала

1. Вызывает постоянная сила постоянное ускорение?

2. Как зависит модуль ускорения от модуля силы?

3. Как направлено ускорение тела, если известно направление действующему силы?

4. Каково соотношение между силами, с которыми взаимодействуют два тела?

5. Что общего имеют две силы, с которыми взаимодействуют два тела?

6. Чем отличаются силы, с которыми взаимодействуют два тела?

7. Ли физическая разница между действием и противодействием?

8. Почему третий закон Ньютона называют законом взаимодействия?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. Тело массой 2 кг, движущегося на юг, изменяет скорость своего движения под действием постоянной силы 10 Н, направленной на север. Вычислите модуль и определите направление ускорения тела. Опишите характер движения тела.

2. Под действием силы 15 кН тело движется прямолинейно так, что его координата изменяется по закону х = -200 +9 t-3t2. Вычислите массу тела.

3. Проекция скорости тела, движущегося прямолинейно вдоль оси Ох, изменяется по закону vx-5-2t. Вычислите импульс тела и импульс силы за 1 с и за 4 с после начала движения, если масса тела 3 кг.

4. Небольшую лодку привлекается канатом к теплоходу. Почему теплоход не движется в сторону лодки?

5. Человек массой 60 кг, стоя на коньках, отбрасывает от себя шар массой 3 кг, придавая ей в горизонтальном ускорение 10 м/с2. Какое ускорение получает при этом сам человек?

6. Два человека тянут веревку в противоположные стороны, прикладывая силы 100 H каждый. Или разорвется веревка, если она выдерживает натяжение, не превышающей 190 Н?

Цели:

Сформулировать третий закон Ньютона, следствия из этого закона.
Продолжить формирование навыка решения задач на законы Ньютона.

Оборудование: Штатив, динамометры, шарики разной массы, брусок, грузы, мультимедиа-плеер. На уроке используется презентация. (Приложение 1 ).

Ход урока

1. Постановка проблемного вопроса.

2. Актуализация знаний

Фронтальный опрос:

– Что называется инерцией?
– Приведите примеры движения тел по инерции? (+ задачи подготовленные учениками).
– Продемонстрируйте явление инерции, используя стакан, открытку и монету.
– Как читается 1-й закон Ньютона?
– Какие системы отсчета называются инерциальными?
– Что такое сила?
– Назовите характеристики силы?
– Экспериментально обоснуйте утверждение: ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к нему.
– Докажите экспериментально, что ускорение тела обратно пропорционально массе тела.
– Сформулируйте второй закон Ньютона (пример доказательства справедливости закона: презентация ученика).
– Как математически записывается второй закон Ньютона?
– Какие из величин: сила, скорость, ускорение, перемещение – всегда совпадают по направлению?

Самостоятельная работа:

1. В каких из приведенных ниже случаев речь идет о движении тел по инерции?

А. Человек, поскользнувшись, падает назад;
Б. Всадник летит через голову споткнувшейся лошади;
В. Пузырек воздуха равномерно и прямолинейно движется в трубке с водой.

2. Ниже перечислены движения тел относительно Земли. Какую систему отсчета, связанную с одним из этих тел, нельзя считать инерциальной системой отсчета? Систему отсчета, связанную с Землей, примите за инерциальную.

А. Девочка бежит с постоянной скоростью.
Б. Поезд движется равноускоренно.
В. Хоккейная шайба равномерно скользит по гладкому льду.

3. Как движется шарик массой 500 г под действием постоянной силы 4 Н?

А. С ускорением 2 м/с 2 ;
Б. С постоянной скоростью 0,125 м/с;
В. С постоянным ускорением 8 м/с 2 .

Ответы:

А, Б, В.

Решите задачу:
Автомобиль за 20с развивает скорость 36 км/ч. Найдите силу, сообщающую ускорение, если масса автомобиля 2 т? (Ответ : 1 кН).

3. Изучение нового материала

Учитель: Мы знаем, что не бывать одностороннего действия одного тела на другое, тела всегда взаимодействуют друг с другом.

Ударьте слегка ладошкой по столу. Что вы почувствовали? Ударьте сильнее по столу, что вы теперь ощущаете? Почему больно вам, если вы действовали на стол?

При взаимодействии друг с другом тела оказываются “равноправными”. Поскольку характеристикой взаимодействия является сила, то “равноправие” тел при взаимодействии выражается в равенстве сил, с которыми тела действуют друг на друга.

Демонстрация: Зацепим крючками два динамометра слегка и разведем их в стороны. Заметим показания обеих динамометров. Увеличим действие динамометров друг на друга. Заметим новые показания.

Равенство сил при взаимодействии тел или частиц отражает 3-й закон Ньютона.

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.

Математическая запись закона:

Проиллюстрируем 3-й закон Ньютона:

Пример: Человек при ходьбе действует на почву силой F 1 . Почва с такой же силой F 2 действует на человека вперед. Эта сила уравновешивает мышечное усилие, действующее на ступню назад. Нога остается на месте (не проскальзывает). Человек имеет возможность переступить на другую ногу.

Реактивное движение.

Реактивный двигатель действует на топливо с силой F 1 , направленной против предполагаемого движения ракеты. Топливо же действует на двигатель в противоположную сторону, приводя в движение ракету.

Мини-исследовательская работа: Изучение 3-го закона Ньютона (работа ученика).

Особенности 3-го закона Ньютона.

Силы возникают при взаимодействии;
Появляются парами;
Одной природы;
Не уравновешиваются;
Приложены к разным темам.

Вернемся к фрагменту мультфильма. Скажите, соответствует ли эта ситуация тому, что мы изучили сегодня на уроке. По третьему закону Ньютона, выходящий из волка воздух действует на него с той же силой, с какой волк выдыхает. Но волк и лодка с парусом – единое целое. Силы приложены не к разным телам, а к одному. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению. По первому закону их равнодействующая равна нулю, следовательно, скорость в данном случае равна нулю.

4. Закрепление

Два мальчика взялись за руки. Первый мальчик толкает второго с силой 105 Н. С какой силой толкает второй мальчик первого?
Вопрос-шутка. Возможно ли? Вы получили удар в челюсть при боксерском поединке, и ушли в нокдаун. А когда вышли из него, сказали: “Ох, я ему и дал”.
Оцените достоверность его рассказа.