Урок 4. Законы Ньютона

1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчёта

Первый закон Ньютона (закон инерции):
«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие других тел не заставит его изменить это состояние.»

Это означает, что если на тело не действуют силы (или их действие скомпенсировано), оно будет:

• оставаться в покое (если его скорость была равна нулю);

• двигаться прямолинейно и равномерно (без ускорения).

Инерция – это свойство тел сохранять свою скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий.

Инерциальные системы отсчёта (ИСО) – это такие системы, в которых выполняется первый закон Ньютона. В них тело движется без ускорения, если равнодействующая всех сил равна нулю.

Примеры ИСО:

• Земля (приближенно, если не учитывать её вращение);

• Космический корабль, движущийся с постоянной скоростью.

Неинерциальные системы отсчёта – системы, движущиеся с ускорением (например, разгоняющийся автобус, вращающаяся карусель). В них первый закон Ньютона не выполняется.

Пример проявления инерции:

• При резком торможении автобуса пассажиры "падают" вперёд, так как их тела стремятся сохранить прежнюю скорость.

2. Второй закон Ньютона. Сила и ускорение

Второй закон Ньютона:
«Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе.»

Математически это выражается формулой:

$$\vec{a}=\frac{\vec{F}}{m}\text{или}\vec{F}=m\cdot \vec{a}$$

где:

• $\vec{a}$ – ускорение тела (м/с²),

• $\vec{F}$– равнодействующая всех сил (Н),

• $m$ – масса тела (кг).

Основные следствия:

1. Чем больше сила, тем больше ускорение (при постоянной массе).

2. Чем больше масса, тем меньше ускорение (при постоянной силе).

Пример:

• Если толкать пустую тележку и тележку с грузом с одинаковой силой, пустая разгонится быстрее, так как её масса меньше.

3. Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона:
«Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.»

Математически:

$${\vec{F}}_1=-{\vec{F}}_2$$

Особенности третьего закона:

1. Силы возникают парами и всегда действуют на разные тела.

2. Эти силы не уравновешивают друг друга, так как приложены к разным объектам.

Примеры:

• Человек, идущий по земле, отталкивает её ногами назад, а Земля толкает его вперёд.

• Ракета выбрасывает газы вниз, а газы толкают ракету вверх (реактивное движение).

Важно!

• Третий закон Ньютона объясняет, почему возможно движение, несмотря на то, что силы "уравновешены".

Выводы

1. Первый закон Ньютона описывает движение тел при отсутствии сил (или их компенсации).

2. Второй закон Ньютона связывает силу, массу и ускорение.

3. Третий закон Ньютона показывает, что силы всегда возникают парами.

Эти законы лежат в основе классической механики и помогают объяснить движение тел в повседневной жизни и во Вселенной.

Вопросы для самоконтроля:

1. Сформулируйте первый закон Ньютона. Приведите пример.

2. Как связаны сила, масса и ускорение согласно второму закону Ньютона?

3. Почему силы в третьем законе Ньютона не уравновешивают друг друга?

4. Может ли тело двигаться без действия силы? Ответ обоснуйте.

Задачи:

1. Тело массой 4 кг движется с ускорением 2 м/с². Чему равна действующая на него сила?

2. Приведите по два примера на каждый закон Ньютона.

(Ответы: 1. $F=8\text{Н}$.)