a) When is the body moving and when is at rest relative to another body? b) Divide the motions due to trajectorytrajectorytrajectory, velocity and acceleration. c) Give the characteristics of rectilinear motion. d) What should be done to set the body in motion? e) When are the forces acting on the body balanced?
Answer:
a) If the body changes its position relative to the motionless reference frame (another body), then it is in motion.
b) Due to trajectory, motion can be divided into rectilinear and curvilinear motion. Motion with constant velocity in a straight line is called uniform rectilinear motion. Motion in which the speed increases is called accelerated. Motion having a constant acceleration, moving in a straight line is called uniformly accelerated rectilinear motion. Motion in which uniform rectilinear and uniformly accelerated rectilinear motion phases occur is called a complex motion.
c) The trajectory of rectilinear motion is a straight line.
d) In order to set the body in motion, it is necessary to throw it off equilibrium state by applying an unbalanced force.
e) Forces acting on the body are balanced when the resultant force is zero.
View the drawings below and follow the instructions given below.
[Illustration 1]
a) Draw forces acting on the objects shown in Fig. 1, 2, 3. b) Give the magnitude of the resultant force acting on these bodies shown in Fig. 1, 2. c) When will the body be at rest?
Answer:
[Illustration 2]
a) Forces acting on the body are the gravitational force , the reaction force of the surface (against the normal force ). In the case of a wardrobe, the boy applies the force on the wardrobe, and the floor applies the friction force on the wardrobe. b) Since the wardrobe and the jug are at rest, the resulting force must be equal to zero.
In the case of a standing cabinet, .
In the case of a standing jug, .
c) The body is at rest when the forces acting on this body are balanced.
Conclusions:
1. If the body is at rest, the resultant of all forces acting on this body is zero. 2. To set the body in motion, apply a force that overcomes the friction.
Task 3
Provide conclusions resulting from the presented pictures regarding the inertia of bodies.
[Slideshow]
Conclusions:
1. If the forces acting on the body are balanced and the body has no initial speed, it remains at rest. 2. If the forces acting on the body are balanced, but the body has an initial speed then the body will move at the same velocity. 3. If the body had an initial speed, but the forces stopped acting on it, the body would continue to move at the same velocity. 4. If the forces acting on the body moving in a circle stopped acting, the body will continue the motion at the same speed, but in uniform rectilinear motion.
If there is no force acting on a body or the forces acting on the body are balanced, the body remains at rest or moves in uniform rectilinear motion. The reference frame, in which the first Newton’s law is met is called the inertial reference frame.
[Illustration 3]
Inertia of bodies:
We encounter the inertia of bodies every day in different circumstances. Most often in starting from a stop or braking tram or other vehicle. When the tram starts then it „throws” us back, as if some force, opposite to the direction of motion, acted. Our body behaves as if it wanted to be at rest, at the bus stop. When the tram brakes, passengers feel pushed forward as if they wanted to continue to move at their current speed.
In conclusion, the physical body has a characteristic that causes the body to maintain its state of motion - rest or uniform motionuniform motionuniform motion in a straight line. This characteristic is called inertia. The body mass is the measure of inertia.
Inertia of the body occurs in non‑inertial reference frames, i.e. those that move with acceleration.
[Interactive illustration]
Definition:
Inertial reference frameinertial reference frameInertial reference frame - a reference frame in which the first Newton's law is met.
Definition:
Non‑inertial reference framenon‑inertial reference frameNon‑inertial reference frame - a reference frame that moves non‑uniformly relative to any inertial reference frame.
Experiment:
Research problem: Is the body at rest inertial?
Research hypothesis: The body at rest in the inertial reference frame retains its inertia.
Instruction: 1. We cover the glass with a sheet of paper on which we place the coin. 2. We move the sheet slowly. 3. We pull the sheet quickly. 4. We place the glass on a sheet of paper lying on the table. We move the sheet slowly. 5. We pull out the sheet from under the glass. 6. We repeat points 4 and 5 for a glass filled with water.
[Illustration 4]
Observations: 1. When we pull the sheet slowly, the coin moves with it. 2. When we pull the sheet quickly, the coin falls into the glass. 3. When we pull the sheet out from under the glass slowly, the glass moves with the sheet. 4. When we pull the sheet out from under the glass with quickly, the glass stays at the same place as it was. 5. It is easier to pull a sheet of paper from under a glass filled with water.
Conclusion:
The physical body, in this case the coin and the glass, wants to keep its state of motion, in this case state of rest. This characteristic is called inertia. The measure of inertia of the body is its mass.
Task 4
Assign true or false to the sentences below:
a) There are no forces acting on the book lying on the table. b) Only gravitational force acts on the book lying on the table. c) Balanced forces act on the book lying on the table. d) The resultant of all forces acting on the book lying on the table is 0 N.
- The cause of changes in a speed of the body relative to the motionless reference frame is the existence/acting of unbalanced force on this body.
- Bodies at rest tend to be at rest, bodies moving - to maintain its motion without changing the speed. This resistance of bodies to changes of the state of motion is called inertia. Inertia is evident in reference frame that accelerate, decelerate or change the direction of motion.
- Mass is a measure of the amount of matter in a given object. It is a measure of inertia - resistance which this object puts when we want to move it, stop it or change its motion in some way.
- The first Newton's law is that if no force or balanced forces act on the body, the body remains at rest or moves in uniform rectilinear motion.
Selected words and expressions used in the lesson plan
- Przyczyną zmian prędkości ciała względem nieruchomego układu odniesienia jest działanie na to ciało niezrównoważonej siły. - Ciała spoczywające dążą do przebywania w stanie spoczynku, ciała poruszające się – do utrzymania tego ruchu bez zmiany prędkości. Ten opór ciał wobec zmian stanu ruchu nazywa się bezwładnością (inercją). Bezwładność uwidacznia się w układach odniesienia, które przyspieszają, zwalniają lub zmieniają kierunek ruchu względem nieruchomego układu odniesienia. - Masa jest miarą ilości materii w danym przedmiocie. Jest miarą bezwładności – oporu, jaki stawia ten przedmiot, gdy chcemy go poruszyć, zatrzymać lub zmienić w jakiś sposób jego ruch. - Pierwsza zasada dynamiki Newtona głosi, że jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem nieruchomego układu odniesienia.
a) Jeżeli ciało zmienia położenie względem nieruchomego układu odniesienia to wówczas znajduje się w ruchu. b) Ze względu na tor ruchu można podzielić ruchy na ruchy prostoliniowe i ruchy krzywoliniowe. Ruchy o stałej prędkości po linii prostej nazywamy ruchem jednostajnym prostoliniowym. Ruchy o zmiennej prędkości nazywamy przyspieszonymi. Ruch mający stałą wartość przyspieszenia po linii prostej nazywamy jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym. Ruch w którym występują fazy ruchu jednostajnego prostoliniowego i jednostajnie przyspieszonego prostoliniowego nazywamy złożonym. c) Torem ruchu prostoliniowego jest linia prosta. d) Aby ciało zaczęło się poruszać należy wytrącić je ze stanu równowagi przykładając niezrównoważoną siłę. e) Siły działające na ciało równoważą się gdy suma ich wektorów jest wektorem zerowym.
mcb4990fe42ceddd8_1528449000663_0
Pierwsza zasada dynamiki Newtona. Bezwładność ciał
mcb4990fe42ceddd8_1528449084556_0
Drugi
mcb4990fe42ceddd8_1528449076687_0
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Ruch i siły. Uczeń:
14) analizuje zachowanie się ciał na podstawie pierwszej zasady dynamiki;
15) posługuje się pojęciem masy jako miary bezwładności ciał.
mcb4990fe42ceddd8_1528449068082_0
45 minut
mcb4990fe42ceddd8_1528449523725_0
Zapoznanie z I zasadą dynamiki Newtona.
mcb4990fe42ceddd8_1528449552113_0
1. Rozpoznawanie siły jako przyczyny ruchu.
2. Podawanie warunków jakie muszą być spełnione aby ciało było w spoczynku lub ruchu jednostajnym prostoliniowym.
3. Podawanie przykładów zjawiska bezwładności.
mcb4990fe42ceddd8_1528450430307_0
Uczeń:
- rozpoznaje przyczyny spoczynku ciała i ruchu jednostajnego prostoliniowego,
- podaje treść I zasady dynamiki.
mcb4990fe42ceddd8_1528449534267_0
1. Pogadanka, dyskusja.
2. Ćwiczenia uczniowskie.
mcb4990fe42ceddd8_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca z całą klasą.
mcb4990fe42ceddd8_1528450127855_0
Polecenie 1
a) Kiedy ciało jest w ruchu, a kiedy w spoczynku względem innego ciała? b) Dokonaj podziału ruchów ze względu na: tor, prędkość i przyspieszenie. c) Podaj podstawową cechę ruchu prostoliniowego. d) Co należy zrobić, aby ciało zaczęło się poruszać? e) Kiedy siły działające na ciało równoważą się?
Odpowiedź:
a) Jeżeli ciało zmienia położenie względem nieruchomego układu odniesienia (innego ciała), to wówczas znajduje się w ruchu.
b) Ze względu na tor ruchu ruchy można podzielić na ruchy prostoliniowe i ruchy krzywoliniowe.
Ruch, w którym wartość prędkości jest stała i odbywa się po linii prostej nazywamy ruchem jednostajnym prostoliniowym. Ruch, w którym wartość prędkości wzrasta, nazywamy ruchem przyspieszonym. Ruch prostoliniowy, w którym wartość przyspieszenia jest stała nazywamy ruchem jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym.. Ruch, w którym można wyróżnić zarówno fazy ruchu jednostajnego prostoliniowego jak i jednostajnie przyspieszonego prostoliniowego, nazywamy złożonym.
c) Torem ruchu prostoliniowego jest linia prosta.
d) Aby ciało zaczęło się poruszać, należy wytrącić je ze stanu równowagi przykładając niezrównoważoną siłę.
e) Siły działające na ciało równoważą się, gdy suma ich wektorów jest wektorem zerowym.
mcb4990fe42ceddd8_1528446435040_0
Polecenie 2
Obejrzyj poniższe rysunki i wykonaj podane poniżej polecenia.
[Ilustracja 1]
a) Narysuj siły działające na obiekty przedstawione na rys. 1, 2, 3. b) Podaj wartość siły wypadkowej działającej na te ciała przedstawione na rys. 1, 2. c) Kiedy ciało będzie znajdowało się w spoczynku?
Odpowiedź:
[Ilustracja 2]
a) Siły działające na ciało to siła ciężkości, , siła reakcji podłoża (na siłę nacisku na podłoże, ). W przypdku szafy chłopiec działa siłą na szafę, a podłoga działa na szafę siłą tarcia . b) Ponieważ szafa i dzbanek znajdują się w spoczynku to działająca na nie siła wypadkowa musi być równa zero.
W przypadku stojącej szafy, .
W przypadku stojącego dzbanka, .
c) Ciało znajduje się w spoczynku gdy siły działające na to ciało równoważą się.
Podsumowanie:
1. Jeżeli ciało jest w spoczynku to wypadkowa wszystkich sił działających na to ciało ma wartość zero. 2. Aby ciało wprowadzić w ruch należy przyłożyć taką siłę, która pokona siłę tarcia.
[Slideshow]
Polecenie 3
Podaj wnioski wynikające z przedstawionych rysunków dotyczące bezwładności ciał.
Wnioski:
1. Jeżeli na ciało działają siły równoważące i ciało nie miało prędkości początkowej , to pozostaje w spoczynku. 2. Jeżeli na ciało działają siły równoważące się, ale ciało posiada prędkość początkową to, ciało będzie poruszać się z tą samą prędkością. 3. Jeżeli ciało posiadało prędkość początkową, ale przestały działać na nie siły , to ciało dalej będzie poruszało się z tą samą prędkością po linii prostej. 4. Jeżeli siły działające na ciało poruszające się po okręgu przestaną działać , to ciało dalej będzie poruszało się z tą samą prędkością, ale ruchem jednostajnym prostoliniowym.
I zasada dynamiki:
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Układ odniesienia, w którym spełniona jest I zasada dynamiki Newtona nazywa się układem inercjalnym.
[Ilustracja 3]
Bezwładność ciał:
Z bezwładnością ciał spotykamy się codziennie w różnych okolicznościach. Najczęściej w ruszającym z przystanku lub hamującym tramwaju albo innym pojeździe. Gdy tramwaj rusza to „rzuca” nas do tyłu, jakby zadziałała jakaś siła skierowana przeciwnie do kierunku jazdy. Nasze ciało zachowuje się tak, jakby chciało zostać w spoczynku, na przystanku. Gdy tramwaj hamuje, pasażerowie czują się popychani do przodu, jakby chcieli kontynuować jazdę z dotychczasową prędkością.
Podsumowując, ciało fizyczne ma taką cechę, która powoduje, że ciało chce zachować swój stan ruchu – spoczynek lub ruch jednostajny po linii prostej. Cecha ta nosi nazwę bezwładności. Miarą bezwładności jest masa ciała.
Bezwładność ciała występuje w układach nieinercjalnych, czyli takich które poruszają się z przyśpieszeniem.
[Ilustracja interaktywna]
Definicja:
Układ inercjalny (inaczej inercyjny) – układ odniesienia, w którym spełniona jest I zasada dynamiki Newtona.
Definicja:
Układ nieinercjalny – układ odniesienia poruszający się ruchem niejednostajnym względem jakiegokolwiek inercjalnego układu odniesienia.
Doświadczenie:
Problem badawczy: Czy ciało nieruchome jest bezwładne?
Hipoteza badawcza: Ciało spoczywające w układzie inercjalnym zachowuje swoja bezwładność.
Instrukcja: 1. Przykrywamy szklankę kartką, na którą kładziemy monetę. 2. Przesuwamy kartkę powoli. 3. Pociągamy kartkę gwałtownie. 4. Szklankę stawiamy na kartce papieru, leżącej na stole. Kartkę przesuwamy powoli. 5. Kartkę wyszarpujemy spod szklanki. 6. Powtarzamy punkt 4 i 5 dla szklanki napełnionej wodą.
[Ilustracja 4]
Obserwacje: 1. Gdy ciągniemy kartkę powoli moneta przesuwa się razem z nią. 2. Gdy szarpniemy kartkę moneta wpada do środka szklanki. 3. Gdy wyciągamy kartkę spod szklanki powoli, szklanka przesuwa się razem z kartką. 4. Gdy wyciągamy kartkę spod szklanki szybkim ruchem szklanka pozostaje w tym samym miejscu co była. 5. Łatwiej jest wyciągnąć kartkę spod szklanki napełnianej wodą.
Wniosek:
Ciało fizyczne w tym przypadku moneta i szklanka chcą zachować swój stan ruchu w tym wypadku spoczynku. Cecha ta nosi nazwę bezwładności. Miarą bezwładności ciała jest jego masa.
Polecenie 4
Określ prawdziwość poniższych zdań: a) Na książkę leżącą na stole nie działają żadne siły. b) Na książkę leżącą na stole działa tylko siła ciężkości. c) Na książkę leżącą na stole działają siły równoważące się. d) Wypadkowa wszystkich sił działających na książkę leżącą na stole ma wartość 0 N.
Odpowiedź:
a) Fałsz. b) Fałsz. c) Prawda. d) Prawda.
mcb4990fe42ceddd8_1528450119332_0
- Przyczyną zmian prędkości ciała względem nieruchomego układu odniesienia jest istnienie/działanie niezrównoważonej siły. - Ciała spoczywające dążą do przebywania w stanie spoczynku, ciała poruszające się – do utrzymania tego ruchu bez zmiany prędkości. Ten opór ciał wobec zmian stanu ruchu nazywa się bezwładnością (inercją). Bezwładność uwidacznia się w układach odniesienia, które przyspieszają, zwalniają lub zmieniają kierunek ruchu względem nieruchomego układu odniesienia. - Masa jest miarą ilości materii w danym przedmiocie. Jest miarą bezwładności – oporu, jaki stawia ten przedmiot, gdy chcemy go poruszyć, zatrzymać lub zmienić w jakiś sposób jego ruch. - I zasada dynamiki Newtona głosi, że jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem nieruchomego układu odniesienia.