Первый закон Ньютона | Динамика | Физика
В течение многих столетий люди считали, что для движения какого-либо тела необходимо постоянно воздействовать на это тело с некоторой силой.
Это, вроде бы, полностью подтверждается нашим повседневным опытом. Например, у меня на столе сейчас стоит стакан с чаем, и что-то мне подсказывает, что пока я не дотронусь до него и не начну толкать, он с места не сдвинется.
Еще Аристотель, живший более двух тысяч лет назад, сделал предположение, что тела не будут двигаться, пока кто-то не подействует на них с силой. Он полагал, что у предметов есть естественная склонность останавливаться: если прекратится внешнее воздействие, заставляющее что-либо перемещаться, прекратится и само движение.
Это воззрение господствовало в науке до тех пор, пока человек по имени Галилео Галилей не сформулировал закон инерции. Затем другой человек по имени Исаак Ньютон смог обобщить результаты своих предшественников, в числе которых был и Галилей, в своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии». Отдавая дань уважения Ньютону, мы иногда называем закон инерции – первым законом Ньютона.
Давайте взглянем на историческую формулировку этого закона:
Первый закон Ньютона
Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Мы разберемся с этим законом, разбив его на две части: 1) всякое тело будет удерживаться в состоянии покоя, пока какие-либо внешние воздействия не заставят его начать движение; 2) всякое тело будет удерживаться в состоянии равномерного и прямолинейного движения, пока какие-либо силы не заставят его изменить это состояние.
Итак, представьте, что на льду лежит какое-то тело, скажем хоккейная шайба.
Я думаю, что с первой частью закона инерции все понятно: тело будет покоиться, пока кто-то не подействует на него с силой. Причем это должна быть неуравновешенная сила, потому что, если я буду действовать на шайбу с одной стороны, а вы будете воздействовать на нее с той же силой с другой стороны, шайба будет продолжать покоиться.
Теперь разберемся со второй частью первого закона Ньютона.
Если слегка ударить клюшкой по шайбе, она пройдет небольшое расстояние и остановится. Но она остановится, не потому что у нее есть естественная склонность останавливаться, а потому что есть неуравновешенные силы, препятствующие ее движению: сила трения и сила сопротивления воздуха.
Когда мы смотрим невооруженным глазом, нам кажется, что лед абсолютно гладкий. Но если мы рассмотрим срез льда под микроскопом, то мы увидим мельчайшие зазубрины и углубления. Чем сильнее мы будем приближать изображение, тем сильнее поверхности взаимодействующих тел будут казаться нам шероховатыми и неровными. Между шайбой и льдом есть трение, и это мешает шайбе двигаться.
Кроме того, когда шайба скользит по льду, она постоянно сталкивается с молекулами и атомами газов, из которых состоит воздух. Конечно, сопротивление воздуха будет очень маленьким, в задачах им обычно пренебрегают, но все-таки оно есть.
А теперь представьте, что на движущуюся шайбу перестали действовать какие-либо неуравновешенные силы. Что бы тогда произошло? Она двигалась бы по прямой с постоянной скоростью. То же самое произошло бы, если бы мы все время действовали на шайбу так, чтобы сбалансировать трение и сопротивление воздуха.
Эти простые мысли прямо противоречат тому, что говорил Аристотель. У тел нет естественной склонности останавливаться. У них, наоборот, есть склонность сохранять свою скорость постоянной (покой – это фактически движение с нулевой скоростью). Вот эту способность тел сопротивляться изменению собственной скорости и называют инерцией.
PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook
Содержание
- 1 Учебники
-
2 Механика
- 2.1 Кинематика
- 2.2 Динамика
-
2.
3 Законы сохранения
- 2.4 Статика
- 2.5 Механические колебания и волны
-
3 Термодинамика и МКТ
- 3.1 МКТ
- 3.2 Термодинамика
-
4 Электродинамика
- 4.1 Электростатика
- 4.2 Электрический ток
-
4.
3 Магнетизм - 4.4 Электромагнитные колебания и волны
-
5 Оптика. СТО
- 5.1 Геометрическая оптика
- 5.2 Волновая оптика
- 5.3 Фотометрия
- 5.4 Квантовая оптика
- 5.5 Излучение и спектры
- 5.6 СТО
-
6 Атомная и ядерная
-
6.
1 Атомная физика. Квантовая теория
- 6.2 Ядерная физика
-
6.
- 7 Общие темы
- 8 Новые страницы
Здесь размещена информация по школьной физике:
- материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
- разработки уроков, тем;
- flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
- ссылки на другие сайты
и многое другое.
Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.
Учебники
Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –
Механика
Кинематика
Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве
Динамика
Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил
Законы сохранения
Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии
Статика
Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика
Механические колебания и волны
Механические колебания – Механические волны
Термодинамика и МКТ
МКТ
Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа
Термодинамика
Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение
Электродинамика
Электростатика
Электрическое поле и его параметры – Электроемкость
Электрический ток
Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках
Магнетизм
Магнитное поле – Электромагнитная индукция
Электромагнитные колебания и волны
Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны
Оптика.

Геометрическая оптика
Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы
Волновая оптика
Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света
Фотометрия
Фотометрия
Квантовая оптика
Квантовая оптика
Излучение и спектры
Излучение и спектры
СТО
СТО
Атомная и ядерная
Атомная физика. Квантовая теория
Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома
Ядерная физика
Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы
Общие темы
Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ – Репетитор по физике
Новые страницы
Запрос не дал результатов.
Видеоурок по физике — Первый закон Ньютона
Видеоурок по Первому закону Ньютона описывает два утверждения, связанные с Первым законом Ньютона, и одно условие, при котором эти утверждения верны. Вводится понятие инерции. Видеоурок отвечает на следующие вопросы:
- Какие два утверждения и одно условие изложены в первом законе Ньютона?
- Что означает первый закон Ньютона, когда речь идет о предсказании движения объекта?
Чтобы повысить эффективность обучения, The Physics Classroom предоставил следующие инструменты:
Заметки к уроку
Заметки к уроку предназначены для печати и использования при просмотре видео. Они организованы таким образом, чтобы учащиеся могли следить за видео, записывать некоторые заметки и оставлять видео с документом, на который можно ссылаться по мере продолжения обучения. Заметки к уроку доступны в формате PDF. Разрешается печатать заметки или включать ссылку на них из системы управления обучением.
Просмотр примечаний к уроку
Дополнительные и сопутствующие средства обучения
Обучение требует усилий.
Просмотр дополнительных средств обучения
Ресурсы для учителей
Так ты этому учишь? Возможно, мы сможем помочь… мы занимаемся этим некоторое время, и у нас есть несколько ресурсов, которые могут оказаться полезными. Посетите страницу ресурсов для учителей и узнайте о некоторых инструментах, которые помогут вам преподавать и разрабатывать уроки по этой теме.
Посмотреть ресурсы для учителей
Слайды из видеоурока
Некоторым учащимся полезно просматривать слайды презентации. Мы предоставляем их здесь, на нашем сайте. Анимации, присутствующие в видео, трансформируются в единую статичную картинку экрана в слайдах.
Просмотр слайдов
Вы можете просмотреть это видео на YouTube или здесь на нашем сайте:
Посмотреть видеоинструкцию
Помогите нам помочь вам Это видео является частью нашей серии видеоуроков по законам Ньютона. Другие видеоуроки вы можете найти здесь, на нашем сайте. Чтобы получать последние материалы из нашей серии видеоуроков по физике, мы предлагаем пользователям подписаться на канал The Physics Classroom на YouTube. Каждые Нравится и каждый Подписка помогает продвигать наше видео … так что спасибо за любую помощь, которую вы можете нам оказать. Когда вы помогаете нам, мы можем помочь вам больше.
Следуйте за нами
5.

5 Законы движения Ньютона
Цели обучения
К концу раздела вы сможете:
- Описать первый закон движения Ньютона
- Признать трение внешней силой
- Определить инерцию
- Определить инерциальные системы отсчета
- Расчет равновесия для системы
Опыт показывает, что покоящийся объект остается в покое, если его оставить в покое, и что движущийся объект имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не предпринимать никаких усилий для поддержания его движения. Однако Первый закон Ньютона
Первый закон движения Ньютона
Тело, находящееся в состоянии покоя, остается в покое или, если оно находится в движении, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует результирующая внешняя сила.
Обратите внимание на повторное использование глагола «остается». Мы можем думать об этом законе как о сохранении статус-кво движения. Также обратите внимание на выражение «постоянная скорость». это означает, что объект сохраняет путь по прямой линии, поскольку ни величина, ни направление вектора скорости не меняются. Мы можем использовать рисунок, чтобы рассмотреть две части первого закона Ньютона.
Вместо того, чтобы противоречить нашему опыту, первый закон Ньютона говорит, что должна быть причина для любого изменения скорости (изменение либо величины, либо направления). Эта причина является чистой внешней силой, которую мы определили ранее в этой главе.
Представление о причине и следствии имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях. Например, рассмотрим, что происходит с объектом, скользящим по шероховатой горизонтальной поверхности. Объект быстро останавливается. Если мы посыпаем поверхность тальком, чтобы сделать поверхность более гладкой, объект будет скользить дальше. Если мы сделаем поверхность еще более гладкой, нанеся на нее смазочное масло, объект будет скользить еще дальше. Экстраполируя на поверхность без трения и пренебрегая сопротивлением воздуха, мы можем представить объект, бесконечно скользящий по прямой. Таким образом, трение является причиной замедления (в соответствии с первым законом Ньютона). Объект не замедлился бы, если бы трение было устранено.
Рассмотрим стол для аэрохоккея (рисунок). Когда воздух отключен, шайба скользит только на короткое расстояние, прежде чем трение замедляет ее до остановки. Однако, когда воздух включен, создается поверхность, практически лишенная трения, и шайба скользит на большие расстояния, не замедляясь. Кроме того, если мы достаточно знаем о трении, мы можем точно предсказать, насколько быстро объект замедляется.
Первый закон Ньютона является общим и может быть применен ко всему: от предмета, скользящего по столу, до спутника на орбите и до крови, перекачиваемой из сердца. Эксперименты подтвердили, что любое изменение скорости (скорости или направления) должно быть вызвано внешней силой. Идея общеприменимых или универсальных законов важна — это основная черта всех законов физики. Выявление этих законов похоже на распознавание закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие закономерности. Гениальность Галилея, впервые разработавшего идею первого закона движения, и Ньютона, разъяснившего его, заключалась в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «Что есть причина?» Мышление в терминах причины и следствия в корне отличается от типичного древнегреческого подхода, когда такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы в аристотелевской манере, например: «Такова природа зверя». Способность мыслить в категориях причины и следствия — это способность установить связь между наблюдаемым поведением и окружающим миром.
Гравитация и инерция
Независимо от масштаба объекта, будь то молекула или субатомная частица, остаются действительными два свойства, представляющие интерес для физики: гравитация и инерция. Оба связаны с массой. Грубо говоря, масса — это мера количества материи в чем-либо. Гравитация — это притяжение одной массы к другой, такое как притяжение между вами и Землей, которое удерживает ваши ноги на полу. Величина этого притяжения — ваш вес, и это сила.
Масса также связана с инерцией , способностью объекта сопротивляться изменениям в его движении, другими словами, сопротивляться ускорению. Первый закон Ньютона часто называют законом инерции . Как мы знаем из опыта, одни объекты обладают большей инерцией, чем другие. Изменить движение большого валуна сложнее, чем, например, баскетбольного мяча, потому что валун имеет большую массу, чем баскетбольный мяч. Другими словами, инерция объекта измеряется его массой. Отношения между массой и весом исследуются далее в этой главе.
Инерциальные системы отсчета
Ранее мы сформулировали первый закон Ньютона следующим образом: «Тело в состоянии покоя остается в покое или, если оно находится в движении, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует результирующая внешняя сила». Его также можно сформулировать так: «Каждое тело остается в состоянии равномерного прямолинейного движения, если оно не вынуждено изменить это состояние под действием действующих на него сил». Для Ньютона «равномерное прямолинейное движение» означало постоянную скорость, включая случай нулевой скорости или покоя. Следовательно, первый закон гласит, что скорость объекта остается постоянной, если результирующая сила, действующая на него, равна нулю.
Первый закон Ньютона обычно считается утверждением о системах отсчета. Он предоставляет метод для определения системы отсчета особого типа: инерциальной системы отсчета . В принципе, мы можем сделать результирующую силу, действующую на тело, равной нулю. Если его скорость относительно данной системы отсчета постоянна, то эта система называется инерциальной. Итак, по определению, инерциальная система отсчета — это система отсчета, в которой действует первый закон Ньютона. Первый закон Ньютона применим к объектам с постоянной скоростью. Из этого факта мы можем сделать следующий вывод.
Инерциальная система отсчета
Система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной. {2}[/латекс]). Таким образом, если не указано иное, мы считаем системы отсчета, закрепленные на Земле, инерциальными.
Наконец, ни одна инерциальная система отсчета не является более особенной, чем любая другая. Что касается законов природы, то все инерциальные системы эквивалентны. При анализе проблемы мы предпочитаем одну инерциальную систему отсчета просто из соображений удобства.
Первый закон Ньютона и равновесие
Первый закон Ньютона говорит нам о равновесии системы, то есть о состоянии, в котором силы, действующие на систему, уравновешены. Возвращаясь к силам и фигуристам на рисунке, мы знаем, что силы [латекс]{\mathbf{\overset{\to }{F}}}_{1}[/латекс] и [латекс]{\mathbf{\ overset{\to}{F}}}_{2}[/latex] объединяются, чтобы сформировать результирующую силу или результирующую внешнюю силу: [latex]{\mathbf{\overset{\to}}{F}}}_ {\ text {R}} = {\ mathbf {\ overset {\ to} {F}}} _ {\ text {net}} = {\ mathbf {\ overset {\ to} {F}}} _ {1 }+{\mathbf{\overset{\to }{F}}}_{2}. [/latex] Чтобы создать равновесие, нам нужна уравновешивающая сила, которая будет производить чистую силу, равную нулю. Эта сила должна быть равна по величине, но противоположна по направлению [латекс] {\ mathbf {\ overset {\ to} {F}}} _ {\ текст {R}}, [/ латекс], что означает, что вектор должен быть [ латекс]\текст{−}{\mathbf{\overset{\to }{F}}}_{\text{R}}.[/latex] Имеются в виду фигуристы, для которых мы нашли [латекс]{\ mathbf{\overset{\to}}{F}}}_{\text{R}}[/latex] равно [латекс]30,0\mathbf{\шляпа{i}}+40,0\mathbf{\шляпа{j} }\,\text{N}[/latex], мы можем определить уравновешивающую силу, просто найдя [латекс]\text{−}{\mathbf{\overset{\to }{F}}}_{\text{ R}}=-30,0\mathbf{\hat{i}}-40,0\mathbf{\hat{j}}\,\text{N}.[/latex] См. диаграмму свободного тела на рисунке (b).
Мы можем представить первый закон Ньютона в векторной форме: F}}}_{\text{net}}=\mathbf{\overset{\to }{0}}\,\text{N}.[/latex]
Это уравнение говорит, что чистая сила, равная нулю, подразумевает что скорость [латекс]\mathbf{\overset{\to}}{v}}[/латекс] объекта постоянна. (Слово «постоянная» может означать нулевую скорость.)
Первый закон Ньютона обманчиво прост. Если автомобиль находится в состоянии покоя, то единственными силами, действующими на автомобиль, являются вес и контактная сила дорожного покрытия, воздействующая на автомобиль (рисунок). Легко понять, что для изменения состояния движения автомобиля требуется ненулевая результирующая сила. Однако, если автомобиль движется с постоянной скоростью, распространенное заблуждение состоит в том, что сила двигателя, толкающая автомобиль вперед, больше по величине, чем сила трения, препятствующая движению вперед. На самом деле обе силы имеют одинаковую величину.
Рисунок 5.9 Автомобиль показан (а) припаркованным и (б) движущимся с постоянной скоростью. Как законы Ньютона применимы к припаркованному автомобилю? Что знание того, что автомобиль движется с постоянной скоростью, говорит нам о чистой горизонтальной силе, действующей на автомобиль?Пример
Когда первый закон Ньютона применим к вашему автомобилю?
Законы Ньютона применимы ко всем физическим процессам, связанным с силой и движением, включая такие обыденные вещи, как вождение автомобиля.
(a) Ваш автомобиль припаркован возле вашего дома. Применим ли в данном случае первый закон Ньютона? Почему или почему нет?
(b) Ваша машина движется с постоянной скоростью по улице. Применим ли в данном случае первый закон Ньютона? Почему или почему нет?
Стратегия
В (а) мы рассматриваем первую часть первого закона Ньютона, касающуюся покоящегося тела; в (b) мы рассматриваем вторую часть первого закона Ньютона для движущегося тела.
Solution
- Когда автомобиль стоит, все силы, действующие на автомобиль, должны быть уравновешены; сумма векторов равна 0 Н. Таким образом, результирующая сила равна нулю, и действует первый закон Ньютона. Ускорение автомобиля равно нулю, и в этом случае скорость также равна нулю.
- Когда ваш автомобиль движется с постоянной скоростью по улице, результирующая сила также должна быть равна нулю в соответствии с первым законом Ньютона. Двигатель автомобиля создает поступательное усилие; трение, сила между дорогой и шинами автомобиля, противодействующая движению вперед, имеет точно такую же величину, что и сила двигателя, поэтому результирующая сила равна нулю.
Тело остается в состоянии постоянной скорости до тех пор, пока результирующая сила не станет отличной от нуля. Поймите, что чистая сила, равная нулю, означает, что объект либо покоится, либо движется с постоянной скоростью, то есть не ускоряется. Как вы думаете, что происходит, когда автомобиль ускоряется? Мы исследуем эту идею в следующем разделе.
Значение
Как показывает этот пример, существует два вида равновесия. В (а) автомобиль находится в состоянии покоя; мы говорим, что он находится в статическом равновесии . В (b) силы, действующие на автомобиль, уравновешены, но автомобиль движется; мы говорим, что он находится в динамическом равновесии . (Мы рассматриваем эту идею более подробно в разделе «Статическое равновесие и эластичность».) Опять же, две (или более) силы могут воздействовать на объект, но при этом объект будет двигаться. Кроме того, чистая сила, равная нулю, не может создавать ускорение.
Проверьте свое понимание
Парашютист раскрывает парашют и вскоре после этого движется с постоянной скоростью. а) Какие силы действуют на него? б) Какая сила больше?
а. Его вес действует вниз, а сила сопротивления воздуха с парашютом действует вверх. б. ни один; силы равны по модулю
Используйте эту симуляцию, чтобы качественно предсказать, как внешняя сила повлияет на скорость и направление движения объекта. Объясните эффекты с помощью диаграммы свободного тела. Используйте диаграммы свободного тела для построения графиков положения, скорости, ускорения и силы и наоборот. Объясните, как графики соотносятся друг с другом. Учитывая сценарий или график, нарисуйте все четыре графика.
Резюме
- Согласно первому закону Ньютона, для любого изменения скорости (изменения величины или направления) должна существовать причина. Этот закон также известен как закон инерции.
- Трение — это внешняя сила, которая заставляет объект замедляться.
- Инерция — это тенденция объекта оставаться в покое или продолжать двигаться. Инерция связана с массой объекта.
- Если скорость объекта относительно данной системы отсчета постоянна, то система инерциальна. Это означает, что для инерциальной системы отсчета справедлив первый закон Ньютона.
- Равновесие достигается, когда силы в системе уравновешены.
- Нулевая результирующая сила означает, что объект либо покоится, либо движется с постоянной скоростью; то есть не ускоряется.
Концептуальные вопросы
Принимая систему отсчета, связанную с Землей, как инерциальную, к каким из следующих объектов не может быть присоединена инерциальная система отсчета, и какие из них являются инерциальными системами отсчета?
(a) Автомобиль, движущийся с постоянной скоростью
(b) Автомобиль, ускоряющийся
(c) Лифт в свободном падении
(d) Космическая капсула на орбите Земли
(e) Лифт, спускающийся равномерно
Женщина везла открытую коробку с кексами на школьную вечеринку. Машина перед ней внезапно остановилась; она немедленно затормозила. Она была пристегнута ремнем безопасности и не получила никакого физического вреда (просто сильное смущение), но кексы полетели в приборную панель и превратились в «смушкейки». Объясните, что произошло.
Скорость кекса перед торможением была такой же, как и у автомобиля. Таким образом, кексы были неограниченными телами в движении, и когда машина внезапно останавливалась, кексы продолжали двигаться вперед в соответствии с первым законом Ньютона.
Задачи
Две силы [латекса] {\ mathbf {\ overset {\ to} {F}}} _ {1} = \ frac {75.0} {\ sqrt {2}} (\ mathbf {\ hat {i }}-\mathbf{\шляпа{j}})\,\text{N}[/латекс] и [латекс]{\mathbf{\overset{\to}}{F}}}_{2}=\frac {150.0}{\sqrt{2}}(\mathbf{\hat{i}}-\mathbf{\hat{j}})\,\text{N}[/latex] действуют на объект. Найдите третью силу [латекс]{\mathbf{\overset{\to}}{F}}}_{3}[/латекс], которая необходима для уравновешивания первых двух сил. 9\circ[/latex] к востоку от севера с магнитудой 180,0 Н. (a) Найдите результирующую силу в компонентной форме.