Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона

На прошлом уроке мы говорили о важности выбора системы отсчета, когда мы рассматриваем то или иное движение. Многие физические величины, описывающие движение, являются относительными. Так, рассматривая перемещение, путь, траекторию и скорость тела в разных системах отсчета, мы можем получить различные значения этих величин.

Есть и другая важная особенность при выборе системы отсчета, связанная с инерцией. Именно о ней и пойдет речь на данном уроке, что позволит нам в итоге сформулировать первый закон Ньютона.

Инерция и инертность

Из курса 7 класса вам уже известны понятия инерции и инертности тела.

Инерция — это явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел.

Так, неподвижное тело будет стремиться остаться и дальше в состоянии покоя, а тело, которое движется прямолинейно и равномерно, будет стремиться двигаться точно так же.

Инертность — это свойство тела сохранять состояние движения.

Само свойство инертности характеризуется такой величиной, как масса. Говорят, что она является мерой инертности тела. В чем смысл? Чем больше масса тела, тем большей инертностью оно обладает. То есть, чем тело тяжелее, тем его труднее сдвинуть с места или, наоборот, остановить.

{"questions":[{"content":"Как движется тело, если на него не действуют другие тела?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["прямолинейно и равномерно или находится в состоянии покоя","прямолинейно и равноускоренно","криволинейно и равномерно","прямолинейно и равноускоренно или находится в состоянии покоя"],"answer":[0]}}}]}

Закон инерции в изложениях Аристотеля, Галилея и Ньютона

Закон инерции формулировался в течение не одного века. Давайте заглянем в глубь истории и посмотрим, как этот закон изменялся.

Начнем с древнегреческого ученого Аристотеля. Согласно его взглядам, при отсутствии внешнего воздействия тело может только покоиться. А для того, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью, нужно, чтобы на него непрерывно действовало другое тело.

Согласно Аристотелю все движения можно разбить на два вида: естественные и вынужденные. Самый простой пример естественного движения — это свободное падение тела на Землю (рисунок 1). В этом случае Земля сообщает телу скорость.

Примером вынужденного движения может быть ситуация, когда лошадь тянет телегу. Пока лошадь прилагает силу, телега движется (рисунок 2). Как только лошадь останавливается, останавливается и телега. Нет силы — нет скорости.

В начале XVII века взгляды Аристотеля были опровергнуты. Галилео Галилей опубликовал работу, в которой была изложена суть закона инерции.

Чем отличаются взгляды Галилея от взглядов Аристотеля в вопросе об условиях равномерного движения тел?
Великий итальянский ученый пришел к выводу о том, что при отсутствии внешних воздействий тело может не только покоиться, но и двигаться прямолинейно и равномерно. Сила же, которую нужно прикладывать к телу для поддержания его движения, нужна лишь для того, чтобы уравновесить другие силы. Например, силу трения.

В конце XVII века английский ученый Исаак Ньютон обобщил все ранние выводы и сформулировал закон инерции. Он включил его в качестве первого из трех законов в основу механики. Именно поэтому этот закон принято называть первым законом Ньютона.

Было сказано, что тело продолжает находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела. 

Но нам уже известно, что движение относительно и его характеристики связаны с выбранной системой отсчета. Ведь в одной системе отсчета тело может покоиться, а в другой — двигаться. Значит, такой закон инерции будет выполняться далеко не во всех системах отсчета.

{"questions":[{"content":"Первый закон Ньютона — это[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["закон инерции","закон всемирного тяготения","закон сохранения энергии","закон Ома"],"answer":[0]}}}]}

Первый закон Ньютона

Убедимся на опыте в том, что вышеприведенный закон инерции Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. Возьмем тележку и поместим на нее два металлических шарика. Один из них просто положим на тележку, а второй подвесим на нити. Затем сделаем так, чтобы тележка двигалась равномерно и прямолинейно относительно земли (рисунок 3, а).

Силы, действующие на шарики по вертикали, уравновешены. По горизонтали же на них не действуют никакие силы (силу сопротивления воздуха мы не учитываем). Поэтому шарики будут оставаться неподвижными относительно тележки все время ее движения при любой ее скорости ($\upsilon_1$, $\upsilon_2$, $\upsilon_3$).

Дальше наша тележка попадает на песочную насыпь (рисунок 3, б). Скорость ее движения резко уменьшается, и тележка останавливается. Когда она начинает тормозить, оба шарика приходят в движение. Их скорость изменяется относительно тележки. При этом никакие новые силы на них не действуют.

Какой вывод следует из этого опыта?
В данном случае закон инерции не работает. Нам необходимо добавить к формулировке этого закона, что он выполняется не во всех системах отсчета.

Так мы получили современную формулировку первого закона Ньютона.

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.

Обратите внимание, что в этом законе речь идет о телах, которые мы можем принять за материальные точки.

{"questions":[{"content":"Как выглядит современная формулировка первого закона Ньютона?[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["Существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.","Тело продолжает находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела.","При отсутствии внешних воздействий тело может не только покоиться, но и двигаться прямолинейно и равномерно.","При отсутствии внешнего воздействия тело может только покоиться. А для того, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью, нужно, чтобы на него непрерывно действовало другое тело."],"explanations":["","Это формулировка закона инерции Ньютона, нуждающаяся в одном важном уточнении.","Это формулировка закона инерции Галилея.","Это формулировка закона инерции Аристотеля."],"answer":[0]}}}]}

Инерциальные и неинерциальные системы отсчета

А теперь мы определим системы отсчета, в которых будет выполняться первый закон Ньютона. Их назвали инерциальными.

Какие системы отсчета называются инерциальными, а какие — неинерциальными?

Инерциальная система отсчета — это такая система отсчета, в которой выполняется закон инерции.

Неинерциальная система отсчета — это такая система отсчета, в которой закон инерции не выполняется.

В курсе 9 класса мы изучим новые законы движения и взаимодействия тел. Все они будут сформулированы для инерциальных систем отсчета. Поэтому, каждый раз применяя тот или иной закон для решения задачи, не забывайте выбрать такую систему отсчета, которую мы можем считать инерциальной!

К слову, не существует такой системы, которую мы бы могли назвать инерциальной для любых процессов, которые мы будем в ней рассматривать. Тем не менее, мы будем считать инерциальной гелиоцентрическую систему — в большинстве задач мы будем рассматривать движение тел относительно поверхности нашей планеты.

Но в некоторых случаях система отсчета, связанная с Землей, будет являться неинерциальной. Например, если мы будем рассматривать движение Земли относительно своей оси или относительно звезд, то это движение совершается с некоторым ускорением. А система, которая движется с ускорением не может считаться инерциальной.

Также инерциальной системой отсчета мы можем называть такую систему, которая связана с покоящимся или движущимся прямолинейно и равномерно телом относительно поверхности земли.

Если же какая-то система отсчета движется с ускорением относительно инерциальной системы (например, поверхности земли), то такая система будет неинерциальной.

{"questions":[{"content":"Система отсчета, в которой не выполняется первый закон Ньютона (закон инерции), называется[[choice-18]]","widgets":{"choice-18":{"type":"choice","options":["неинерциальной","инерциальной","абсолютной","относительной"],"explanations":["","В инерциальных системах отсчета первый закон Ньютона выполняется.","",""],"answer":[0]}}}]}

Посмотреть ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы