Temat

Pierwsza zasada dynamiki Newtona. Bezwładność ciał

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

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.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Zapoznanie z I zasadą dynamiki Newtona.

Kształtowane kompetencje kluczowe

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.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozpoznaje przyczyny spoczynku ciała i ruchu jednostajnego prostoliniowego,

- podaje treść I zasady dynamiki.

Metody kształcenia

1. Pogadanka, dyskusja.

2. Ćwiczenia uczniowskie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

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.

Realizacja lekcji

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 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, $\overrightarrow{Q}$, siła reakcji $\overrightarrow{R}$ podłoża (na siłę nacisku na podłoże, $\overrightarrow{N}$). W przypadku szafy chłopiec działa siłą $\overrightarrow{F}$ na szafę, a podłoga działa na szafę siłą tarcia $\overrightarrow{F_T}$.
b) Ponieważ szafa  i dzbanek znajdują się w spoczynku, to działająca na nie siła wypadkowa musi być równa zero.

W przypadku stojącej szafy, $\overrightarrow{Q}-2·\overrightarrow{R_1}=0$.

W przypadku stojącego dzbanka, $\overrightarrow{Q}-\overrightarrow{R}=0$.

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.

Polecenie 3

Podaj wnioski wynikające z przedstawionych rysunków dotyczące bezwładności ciał.

[Slideshow]

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 przyspieszeniem.

[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.

Pomoce:
- szklanka,
- cięższa moneta (np. 5 zł),
- kartka papieru,
- woda.

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 powoli kartkę, 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 napełnionej wodą.

Wniosek:

Ciało fizyczne, w tym przypadku moneta i szklanka, chce 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.

Podsumowanie lekcji

- 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.
- 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.