ОГЭ 2018 по физике ›
1. В основе классической механики лежат три закона Ньютона, которые были сформулированы им при обобщении результатов наблюдений и опытов в конце XVII в.
Первый закон, включённый Ньютоном в систему законов, был открыт Галилеем и назван им законом инерции. Закон инерции формулируется следующим образом: если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется равномерно прямолинейно.
2. В природе не существует отдельных изолированных тел. Любое тело взаимодействует с окружающими телами. Несмотря на это, взаимодействующие тела могут находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно.
Например, лежащая на столе книга взаимодействует с Землёй, и на неё действует сила тяжести \( (\vec{F}_т) \), направленная вниз (рис. 33).
Книга также взаимодействует со столом, и со стороны стола на неё действует сила, направленная вертикально вверх \( (\vec{F}) \).
При этом книга находится в покое, следовательно, \( |\vec{F}_т|=|\vec{F}| \), т.е. действия Земли и стола на книгу компенсируют друг друга.
3. При компенсации действия на тело других тел оно может двигаться равномерно прямолинейно.
Например, если по прямой горизонтальной дороге движется автомобиль, то при компенсации действия на него силы тяги двигателя и силы трения со стороны поверхности дороги движение автомобиля будет равномерным.
Можно утверждать, что тело сохраняет состояние покоя, если действие на него других тел скомпенсировано.
Явление сохранения скорости тела постоянной (в том числе и равной нулю) называют явлением инерции.
4. Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано не во всех системах отсчёта, а только в инерциальных системах отсчёта.
Инерциальными системами отсчёта называются такие системы отсчёта, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела или действия других тел компенсируются. Инерциальной можно считать систему отсчёта, связанную с Землёй. Системы отсчёта, движущиеся относительно Земли равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными.
Системы отсчёта, движущиеся с ускорением относительно инерциальной системы отсчёта, например относительно Земли, называют неинерциальными.
5.Значение первого закона Ньютона состоит в том, что он устанавливает существование инерциальных систем отсчёта (таких систем отсчёта, относительно которых тела движутся с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий). Именно для таких систем отсчёта справедливы все другие законы Ньютона.
6.Второй закон Ньютона устанавливает зависимость ускорения одного из взаимодействующих тел от его массы и действующей на него силы.
Наблюдения и опыты свидетельствуют о том, что чем больше сила, действующая на тело, тем больше ускорение, которое оно приобретает. Так, чем сильнее водитель нажимает на педаль тормоза, тем
больше сила и тем быстрее автомобиль остановится.
Значит, чем больше действующая на автомобиль сила сопротивления, тем больше его ускорение.
Ускорение, которое приобретают тела под действием одинаковой силы, зависит от массы тел. Например, грузовому автомобилю требуется большее время, чем легковому, для того, чтобы, имея некоторую одинаковую скорость, остановиться, выключив двигатель. Из этого примера следует, что чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получает под действием некоторой постоянной силы.
7.Второй закон Ньютона формулируется следующим образом: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально массе тела.
\[ \vec{a}=\frac{\vec{F}}{m} \]
Записанное равенство представляет собой второй закон Ньютона.
В механике Ньютона ускорение тел обусловлено только их взаимодействием. Следовательно, второй закон Ньютона справедлив в инерциальных системах отсчёта.
8. Действие тел друг на друга носит взаимный характер, т.е. в результате взаимодействия
каждое тело приобретает ускорение, и, следовательно, на каждое из взаимодействующих тел действует сила.
Например, груз, висящий на нити, действует на нить с силой, направленной вертикально вниз \( (\vec{F}_1) \), и растягивает её (рис. 34).
В свою очередь, нить действует на груз с силой, направленной вертикально вверх \( (\vec{F}_2) \).
9. Измерения показывают, что:
- при взаимодействии тел сила действует как на одно тело, так и на другое;
- модуль силы, действующей на одно тело, равен модулю силы, действующей на другое тело;
- силы, действующие на тела, направлены в противоположные стороны.
10. Из соотношения следует: \( m_1a_1=m_2a_2 \).
Поскольку ускорение — величина векторная и ускорения, которые получают тела, направлены в противоположные стороны, то \( m_1\vec{a}_1=-m_2\vec{a}_2 \).
Так как \( m_1\vec{a}_1=\vec{F}_1 \), а \( m_2\vec{a}_2=\vec{F}_2 \), то можно записать: \( \vec{F}_1=-\vec{F}_2 \).
Это равенство и выражает третий закон Ньютона.
Третий закон Ньютона формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными в противоположные стороны. Эти силы направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки).
Третий закон Ньютона говорит о том, что силы всегда проявляются парами.
Эти силы часто называют силами действия и противодействия. При этом безразлично, какую из двух сил назвать силой действия, а какую — силой противодействия.
Эти силы приложены к разным телам, и их нельзя складывать, т.е. нельзя сказать, что силы действия и противодействия уравновешивают друг друга.
Силы, с которыми взаимодействуют тела, всегда одной природы.
Третий закон Ньютона, так же как первый и второй законы, справедлив в инерциальных системах отсчёта.
10. При переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не изменяются ни ускорение, ни масса тала, ни действующая на него сила.
Следовательно, можно утверждать, что законы механики одинаковы для всех инерциальных систем отсчёта, или, что то же самое, все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых начальных условиях. Это утверждение называется принципом относительности Галилея.
Содержание
Часть 1
1. Утверждение, что материальная точка покоится или движется равномерно прямолинейно, если на неё не действуют другие тела или действие на неё других тел взаимно уравновешено,
1) неверно ни для каких систем отсчёта 2) верно для инерциальных систем отсчёта 3) верно для неинерциальных систем отсчёта
4) верно при любых условиях
2. Система отсчёта, связанная с Землёй, может считаться инерциальной. Система отсчёта, связанная с автобусом, тоже будет инерциальной, если он
1) движется равномерно по извилистой дороге 2) тормозит у остановки 3) отъезжает от светофора
4) движется равномерно по прямолинейному участку пути
3. В каком из приведённых примеров тело движется по инерции:
1) равномерно движущийся по горизонтальной дороге автомобиль 2) автомобиль, движущийся по горизонтальной дороге с выключенным двигателем 3) автомобиль, поворачивающий направо
4) автомобиль, выезжающий со стоянки
4. Яблоко, лежащее неподвижно на столе вагона движущегося поезда покатился вправо, если смотреть по ходу поезда. Как изменилось движение поезда?
1) скорость поезда увеличилась 2) скорость поезда уменьшилась 3) поезд повернул влево
4) поезд повернул вправо
5. Можно ли считать инерциальной системой отсчёта движущийся автомобиль?
1) можно всегда 2) можно, только если он движется равномерно и прямолинейно 3) можно только во время разгона и торможения
4) нельзя ни при каких условиях
6. Массивный груз подвешен на тонкой нити 1. К грузу прикреплена такая же нить 2. Если
медленно тянуть за нить 2, то оборвётся
1) только нить 1 2) только нить 2 3) нить 1 и нить 2 одновременно
4) либо нить 1, либо нить 2, в зависимости от массы груза
7. Нить, привязанная одним концом к вбитому в стену гвоздю, разорвётся, если другой её конец тянуть с силой не менее 50 Н. Чему равно наименьшее значение сил, с которыми растягивают эту же нить за оба конца, при котором она рвётся?
1) 25 Н 2) 50 Н 3) 75 Н
4) 100 Н
8. Два ученика тянут динамометр в противоположные стороны с силой 60 Н каждый. Каково показание динамометра?
1) 0 Н 2) 30 Н 3) 60 Н
4) 120 Н
9. Земля притягивает яблоко с силой \( \vec{F}_1 \). Яблоко притягивает Землю с силой \( \vec{F}_2 \). При этом
1) \( F_2 = 0 \) 2) \( F_1=F_2 \) 3) \( F_1>F_2 \)
4) \( F_1
Источник: https://fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/zakony-njutona.html
I. Механика
Галилей исследовал законы движения самых обычных предметов, которые были у него под рукой. Изучая эти законы, производя различные опыты, чтобы выяснить, как скатываются шарики по наклонной плоскости, как качаются маятники и т. д.
Галилей открыл великий принцип, который называется принципом инерции и состоит вот в чем: если на предмет ничто не действует и он движется с определенной скоростью по прямой линии, то он будет двигаться с той же самой скоростью и по той же самой прямой линии вечно. Вот такое удивительное свойство нашего мира. Как ни странно это звучит для тех, кто пытался заставить шарик вечно катиться по полу, но если бы эта идеализация была верна и на шарик ничто не действовало (например, трение о пол), то шарик все время катился бы с постоянной скоростью.
Строго говоря, суть первого закона Ньютона состоит в существовании особых систем отсчета, называемых инерциальными, в которых только и верны другие законы Ньютона.
Признаком инерциальной системы отсчета является то, что скорости тел относительно нее меняются только под влиянием сил, действующих со стороны других тел.
В неинерциальных системах отсчета (например, на вращающейся карусели или в ускоряющемся вагоне) скорости тел могут меняться и без физического воздействия.
Нет уникального стандарта покоя. Например, в вагоне с завешенными шторами и изолированном от звуков вы не определите движетесь вы равномерно или покоитесь. Понятие движения имеет смысл, только если оно задано относительно других объектов. Так устроен мир. Подробнее читайте блок Стандарт покоя из сочинений С.Хокинга, Л.Млодинова *
Второй закон Ньютона
Наступила очередь Ньютона, который раздумывал над таким вопросом: а если шарик не катится по прямой линии, что тогда? И он ответил так: для того чтобы хоть как-нибудь изменить скорость, нужна сила. Например, если вы подталкиваете шарик в том направлении, в каком он катится, то он покатится быстрее. Если вы заметили, что он свернул в сторону, значит, сила действовала сбоку.
Закон можно проверить экспериментально. Например, если мы привяжем к веревке камень и станем крутить его над головой, то почувствуем, что за веревку надо тянуть. Правда, когда камень летает по кругу, величина скорости не изменяется – зато изменяется ее направление.
Значит, нужна сила, которая все время тянула бы камень к центру, и сила эта пропорциональна массе.
Если мы возьмем два разных предмета и станем раскручивать сначала один, а потом другой с той же самой скоростью, то во втором случае потребуется сила, во столько раз большая, во сколько масса второго предмета больше массы первого.
Массу называют мерой сопротивления тела силовому воздействию. Масса является мерой инерции, ее иногда называют инертной массой.
Формула
Проанализировав огромную совокупность опытных данных, Ньютон нашел простую связь между силой и ускорением:
Третий закон Ньютона
Силы возникают попарно. Вспомним закон тяготения: два тела притягивают друг друга с одной и той же силой. Но не только силы притяжения действуют обоюдно.
Нам кажется, что ударив ногой по мячу, только мы подействовали на мяч с некоторой силой. Мало кто задумывается, что в момент удара мяч ударил нас с точно такой же силой! В этом есть суть третьего закона Ньютона.
Силы всегда возникают попарно, при этом одной природы и равны по значению.
Гравитационные, магнитные и электрические силы
Демонстрация равенства сил
Силы, которые возникают попарно приложены к разным телам. Если мальчик, стоя, давит на пол, пол давит на мальчика. Одна сила приложена к полу – это вес (мальчика). Сила, с которой пол “отвечает” приложена к мальчику – реакция опоры. Возникающие силы всегда направлены в противоположные стороны.
Главное запомнить
1) Суть законов; 2) Формулу второго закона Ньютона;
3) Точки приложения и направления попарно возникающих сил
Стандарт покоя из сочинений С.Хокинга, Л.Млодинова *
Важнейшее различие между учением Аристотеля и идеями Галилея и Ньютона состоит в том, что Аристотель считал покой естественным состоянием любого тела, к которому оно стремится, если не испытывает действия некоей силы или импульса. В частности, Аристотель полагал, что Земля пребывает в состоянии покоя. Но из законов Ньютона следует, что нет никакого уникального стандарта покоя.
Можно сказать, что тело А находится в состоянии покоя, а тело В перемещается относительно него с постоянной скоростью, или что тело В пребывает в покое, а тело А перемещается, и оба утверждения будут одинаково верны.
Например, если забыть на мгновение, что Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, то в равной мере можно говорить, что Земля находится в состоянии покоя, а поезд движется по ней на север со скоростью девяносто миль в час или что поезд находится в со-стоянии покоя, а Земля движется на юг со скоростью девяносто миль в час.
Если провести в поезде эксперименты с движущимися телами, все законы Ньютона подтвердятся. Например, играя в пинг-понг в вагоне поезда, убеждаешься, что шарик повинуется законам Ньютона точно так же, как и шарик на столе у дороги. Так что невозможно узнать, что именно движется – поезд или Земля.
Как проверить, кто прав – Ньютон или Аристотель? Вот один из возможных экспериментов. Вообразите, что вы находитесь внутри закрытого контейнера и не знаете, стоит ли он на полу вагона в движущемся поезде или на твердой поверхности Земли, стандарте покоя согласно Аристотелю.
Можно ли определить, где вы? Если можно, Аристотель, вероятно, был прав: состояние покоя на Земле является особым. Однако это невозможно.
Эксперименты, выполненные внутри контейнера в движущемся поезде, будут протекать точно так же, как и те, что проделаны внутри контейнера на «неподвижном» перроне (мы считаем, что поезд не испытывает толчков, не поворачивает и не тормозит). Играя в пинг-понг в вагоне поезда, можно обнаружить, что шарик ведет себя точно так же, как и шарик на столе у дороги.
И если, находясь внутри контейнера, вы играете в пинг-понг, при разных скоростях поезда относительно Земли – 0,50 или 90 миль в час – шарик всегда будет вести себя одинаково. Так устроен мир, что и отражено в уравнениях законов Ньютона: не существует способа узнать, что движется – поезд или Земля.
Действительно ли существенно, кто прав – Аристотель или Ньютон? Идет ли речь о различии взглядов, философских систем, или это проблема, важная для науки? Отсутствие абсолютного стандарта покоя имеет в физике далеко идущие последствия: из него вытекает, что нельзя определить, случились ли два события, которые имели место в разное время, в одном и том же месте.
Чтобы уяснить это, давайте предположим, что некто в поезде вертикально бросает теннисный шарик на стол. Шарик отскакивает вверх и через секунду снова ударяет в то же место на поверхности стола. Для человека, бросившего шарик, расстояние между точками первого и второго касания будет равно нулю.
Но для того, кто стоит снаружи вагона, два касания будут разделены приблизительно сорока метрами, потому что именно столько пройдет поезд между двумя отскоками шарика (см. рисунок).
Согласно Ньютону оба человека имеют равное право считать, что находятся в состоянии покоя, так что обе точки зрения одинаково приемлемы. Ни один из них не имеет преимущества перед другим, в противоположность тому, что считал Аристотель.
Места, где наблюдаются события, и расстояния между ними различны для человека в поезде и человека на платформе, и нет никаких причин предпочесть одно наблюдение другому.
Расстояние, которое преодолевает тело, – и его путь – могут по-разному оцениваться разными наблюдателями.
Ньютона очень беспокоило отсутствие абсолютных положений, или абсолютного пространства, как принято было говорить, поскольку это не согласовывалось с его идеей абсолютного Бога.
Фактически он отказался принять отсутствие абсолютного пространства, несмотря на то, что его законы подразумевали это. За эту иррациональную веру его критиковали многие, особенно епископ Беркли, философ, полагавший, что все материальные тела, пространство и время – иллюзия.
Когда знаменитого доктора Джонсона ознакомили с мнением Беркли, он вскричал: «Я опровергаю это так!» – и ударил ногой по большому камню.
И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время.
То есть полагали, что можно однозначно измерить интервал времени между двумя событиями и полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовать точные часы.
В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большинство людей считает, что это соответствует здравому смыслу.
Тем не менее, в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в дальнейшем, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является совершенно независимым от пространства.
Ключом к прозрению стало новое понимание свойств света. Свойства эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, но наш здравый смысл, исправно служащий нам, когда мы имеем дело с яблоками или планетами, которые движутся сравнительно медленно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.
Скачать книгу Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова “Кратчайшая история времени”
демонстрация. Величие и простота законов Ньютона*
Материал взят с сайта Элементы большой науки
Сергей Борисович Рыжиков — кандидат физико-математических наук,
доцент физического факультета МГУ им. Ломоносова.
Источник: http://fizmat.by/kursy/dinamika/Njuton
