Законы Ньютона в повседневной жизни
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Салемальская школа – интернат имени Володи Солдатова»
Учебный проект:
«ЗАКОНЫ НЬЮТОНА В ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ»
ВЫПОЛНИЛА: КУЙБИНА ПОЛИНА ДМИТРИЕВНА,
УЧЕНИЦА 10 КЛАССА
РУКОВОДИТЕЛЬ: ВАХТОМИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ
Салемал, 2021 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. Цели и задачи.
Глава 1. Теоретические аспекты изучения
1.1. Биография Исаака Ньютона
1.2. Законы Ньютона
Выводы и описание объекта исследований
Глава 2. Практика
2.1. Описание опытов и расчеты
Выводы и анализ проведенных экспериментов
Список информационных источников
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Наверное, каждый знает эффектный фокус с выдергиванием скатерти из-под тарелок, фужеров, посуды и прочего. Посуда при этом остается на месте в неподвижности. Если сделать недостаточно резко, то все полетит на пол. Я задумалась об этом, а как так получается? Почему так происходит?
Гипотеза
Мне кажется, что подобное произойдет, если очень хорошо понимать физику.
Я думаю, что данный опыт согласуется с законами Ньютона.
Цель
Выяснить назначение законов Ньютона, использование их в жизни человека
Задачи
- Изучить информационные источники по теме исследования, описать законы Ньютона.
- Провести исследование
- Определить особенности применения законов Ньютона в нашей жизни
АКТУАЛЬНОСТЬ
В жизни мы сталкиваемся с вещами, о которых мы не задумывались, что это все физика. Что в природе происходит все по законам физики. Существует такой фокус у официантов в ресторанах. Они выдергивают скатерть со стола при этом не разбив посуду. Что это? Ловкость рук? А может фокус? Или это все-таки законы физик? Тема исследований является весьма актуальной, так как не многие знаю, что понимание законов физики помогает разобраться в различных ситуациях и уж точно научиться не удивляться простым вещам.
.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ
- БИОГРАФИЯ ИСААКА НЬЮТОНА
Великий английский физик и математик, механик, астроном.
Открыл основные законы движения тел и законы тяготения, разработал важнейшие разделы высшей математики.
В 12 лет поступил в Грэнтемскую школу, в 1661 г – в колледж Св. Троицы. В 1668 году Ньютону была присвоена степень магистра.
Ньютон изложил закон всемирного тяготения и три закона механики. Он дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Сегодня мы пользуемся 3 его законами.
- ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
Первый закон Ньютона называют ЗАКОНОМ ИНЕРЦИИ
Инерция – способность тела сохранять скорость в отсутствии действия сил.
- Существуют такие инерциальные системы отсчета, в которых тела двигаются равномерно и прямолинейно или покоятся, если на него не действует сила или действие этих сил скомпенсированы (уравновешены)
ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
- Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе
ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
- В природе все тела взаимодействуют друг с другом, силы равны по величине и противоположны по направлению.
- В природе все силы возникают только парами, линии действия этих сил совпадают
1 ЗАКОН НЬЮТОНА | 2 ЗАКОН НЬЮТОНА | 3 ЗАКОН НЬЮТОНА |
Справедлив для всех сил | Верен для любых сил | Силы одной природы |
Силы уравновешиваются, т. к. приложены к одному телу | Сила – причина изменения скорости | Силы не уравновешивают друг друга |
Если результирующая равно 0, то ускорение тоже равно 0 | Вектор ускорения сонаправлен с вектором силы | Силы возникают только парами и всегда при взаимодействии |
Верен для всех сил в природе |
ВЫВОДЫ И ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ
1) скатерть – шелковая
2) посуда – стеклянная, фарфоровая
3) стол, окрашенный эмалью
В процессе исследования я смоделировала процесс: скатерть заменим на лист мелированной бумаги формата A4.
Допустим предположение, что на успешность эксперимента влияет сила трения (коэффициенты трения используемых материалов), вес предметов, скорость движения листа (сила тяги). Т.е. учитываются все три закона Ньютона: движение в инерциальных системах (инерция и инертность), зависимость ускорения от силы и массы тела и возникновение силы трения скольжения во время движения предметов, как силы направленной в противоположную сторону по отношению к приложенной силе.
ГЛАВА 2. ПРАКТИКА
2.1. Описание опытов и расчеты
- Измерение массы предметов
Проведенные измерения показали
Расчеты
Посуда | Масса в г | Масса в кг | Находим F F=m*g, Н |
Кружка | 215 г | 0,215 кг | 0,215*9. |
Стакан | 290 г | 0,29 кг | 0,29*9,8=2,842 |
Блюдце | 158 г | 0,158 кг | 0,158*9,8=1,5484 |
8=2,107Согласно 2 закона Ньютона, сила тяжести действия на каждое тело, определяется по формуле: F=m*g
- Измерение зависимости силы трения скольжения от внешних условий (проверка законов Ньютона)
Проделаем опыт, демонстрирующий законы Ньютона в действии. Установим зависимость ускорения тела от массы и равнодействующих сил.
В процессе исследований я на лист бумаги, помещенный на металлический, окрашенный эмалью стол устанавливала по очереди посуду, в том числе наполненную водой и проводили резкое выдергивание листа. (см.
приложение) Установила, что успешность смоделированного эксперимента зависит от площади опоры посуды, ее веса, а также качества поверхности, т.е., очевидно от коэффициента трения. Также было установлено, что вероятность успешности эксперимента увеличивается с ростом величины силы, и зависит от вектора действия силы (растет с приближением угла действия силы к нулю по отношению к поверхности и зависит от времени действия силы. Т.е. не разбить посуду или не разлить содержимое удалость только при соблюдении следующих условий: низкие коэффициенты трения, сила тяги как минимум должна превышать силу трения в 2 раза, вектор силы должен образовывать с поверхностью угол равный нулю и время действия силы должно быть минимальным.
Кроме того, табличные значения коэффициента трения указывают на справедливость наших предположений и чистоту смоделированного эксперимента, т.е. эксперимент дает небольшую погрешность, что соизмеримо с нашими условиями (коэффициент трения шелка и бумаги соизмеримы)
Коэффициент трения
Материал | Коэффициент трения |
Шелк | 0,2-0,3 |
Хлопок | 0,6 |
Материал | Коэффициент трения |
Стекло | 0,9 |
Фарфор | 0,7 |
Сталь | 0,15 |
Бумага | 0. |
15ВЫВОДЫ И АНАЛИХ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Опыты показали, что от качества поверхности соприкасаемых предметов зависит сила трения и характер проведения эксперимента, т.е. величина прикладываемой силы к листу бумаги (скатерти), а также массы предметов. Таким образом, так называемая «ловкость рук» напрямую связана с пониманием физики процесса и конечно же ни один официант-виртуоз с первого раза не мог успешно показывать данный фокус – нужна тренировка, которая позволяет понять, какую силу надо приложить, чтобы она была как минимум вдове больше силы трения и время действия силы также должно быть минимальным, чтобы избежать смещения предметов.
Учите физику, тренируйтесь и у вас все получится!
СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Биография Исаака Ньютона
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD,_%D0%98%D1%81%D0%B0%D0%B0%D0%BA
- Законы Ньютона https://ru.wikipedia. org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0
- https://yandex.ru/efir?stream_id=483481dc199994b6b670503e0de7e3a0
- https://www.youtube.com/watch?v=xVSWuvZ8aQA&t=3s
- https://ok.ru/video/83615091212
org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0 ПРИЛОЖЕНИЯ
- Видео экспериментов: https://drive.google.com/file/d/1VcDYYNvC3gOlvPW-VRiZT1wdh5EJraJI/view?usp=sharing
Законы Ньютона и основное утверждение механики
Чтобы понять, почему и каким образом движутся окружающие нас объекты в быту и космические тела во Вселенной, необходимо знать и понимать законы Ньютона. Они составляют прочный фундамент специального раздела классической физики – механики. В данной статье мы подробно выясним, в чем состоит основное утверждение механики.
Изучение законов движения известными умами в истории
Со времен цивилизаций Древнего Египта и Месопотамии человечество пыталось описать движение различных тел, начиная от полета камня и заканчивая смещением звезд на небесной сфере.
За несколько веков до нашей эры многие философы античной Греции во главе с Аристотелем полагали, что любое движение является результатом воздействия на тела внешних усилий. Как только эти усилия исчезают, тела моментально останавливаются. Покой – это нормальное состояние любой материи, так полагали древние греки.
Прошло более полутора тысяч лет, когда такие ученые как Гук, Гюйгенс, Галилей и Ньютон снова заинтересовались проблемой перемещения тел в пространстве. Следует отметить большой вклад Галилея, который, по сути, сформулировал основное утверждение механики и разработал научный подход к изучению явлений природы.
В конце XVII века Исаак Ньютон публикует знаменитую работу, которая содержит накопленный предыдущими учеными экспериментальный опыт по изучению механического движения, структурированный в виде стройной теории с ясными и понятными математическими формулами. Именно поэтому в настоящее время Исаак Ньютон считается ученым, который основал современную классическую механику.
Основные физические величины
Прежде чем сформулировать основное утверждение механики (в 10 классе его рассматривают глубже, хотя законы Ньютона изучают еще в 7 классе), мы познакомимся с рядом физических величин, понимание которых является ключевым моментом для раскрытия темы статьи.
Начнем с понятия о массе тела. Ее обычно обозначают буквами m или M. Означает эта величина количество вещества, которым обладает данный объект. Масса является мерой инерционных свойств и проявляет себя во время любого вида движения. Измеряется в килограммах в СИ.
Скорость – это мера быстроты изменения положения тела в пространстве. Обозначается она как v и измеряется в метрах в секунду.
Сила F – величина, которая способна совершать работу по перемещению тел и изменению их потенциальной и кинетической энергии. Сила измеряется в Ньютонах. Ее воздействие на тело приводит к появлению ускорения у него.
Ускорение – описывающая быстроту изменения скорости величина, которая измеряется в метрах в квадратную секунду.
Появляется оно только в присутствии внешних сил в инерционных системах отсчета.
Законы механики Ньютона
Основное утверждение механики является следствием ньютоновских трех законов. Они называются законом инерции, взаимоотношения ускорения и силы и действия и противодействия. Все они получены исключительно на основании многочисленных экспериментов и наблюдений и являются фундаментальными, то есть не следуют не из одного физического принципа. Перечислим кратко суть каждого из них.
Первый закон гласит, что если не воздействовать на тело внешними силами, то оно не изменит своего состояния механического движения никогда, то есть будет двигаться равномерно и прямолинейно или будет покоиться, что является одним и тем же.
Второй закон говорит о том, что если сила начала действовать на тело, то она неминуемо приведет к изменению его движения, создав ускорение. Последнее будет прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально инерционной массе, то есть:
a = F/m.
Третий закон постулирует, что любое физическое действие одного тела на другое приводит к аналогичному противоположному противодействию, что записывают так:
F12 = -F21.
Отметим, что силы F12 и F21 действуют на разные тела.
Основное утверждение механики
Все три закона приводят к вполне ясному выводу: если на тело не действуют силы, либо их векторная сумма равна нулю, то тело не изменит своей скорости и прямолинейной траектории, такое изменение возможно только при наличии ненулевых сил. Это утверждение, по сути, является обобщением первого и второго ньютоновских законов. Оно называется основным утверждением механики.
Приведем пример. Предположим, что мы раскрутили камень на веревке. Натяжение веревки действует на камень, заставляя его вращаться. Допустим, в один момент веревка порвалась, что произойдет с камнем? Верно, он полетит прямо, не меняя своей скорости. В конечном итоге он все же упадет на землю, что связано уже с действием силы тяжести.
Важность системы отсчета
Основное утверждение классической механики будет справедливым только в инерциальной системе отсчета. Такой системой является любой объект, движущийся равномерно и по прямой линии. Если же система отсчета сама вращается или движется по иной криволинейной траектории, то в ней появляются фиктивные центробежные силы. Такие системы называются неинерционными. В них тело может изменять характеристики своего движения, даже если на него не действуют внешние силы.
Наша Земля вращается вокруг оси и вокруг светила, поэтому точно полагаться инерциальной системой отсчета не может. Тем не менее, мы ее такой считаем по той простой причине, что создаваемое центростремительное ускорение при этих вращениях порядка 0,01 м/с2, что почти в 1000 раз меньше ускорения свободного падения на нашей планете.
Что такое законы движения Ньютона?
/ Что такое / Что такое законы движения Ньютона?
(4,8/5, 11 голосов)
Законы движения Ньютона в основном объясняют постоянную скорость объекта, если на него не действует сила, массу объекта, умноженную на ускорение этого объекта, и равное и противоположная реакция силы этого объекта.
Мы все знакомы с ньютоновскими законами движения, по крайней мере, с фразой, если не с тем, что они собой представляют. Сэр Исаак Ньютон был гениальным человеком, который первым обнаружил существование гравитации. Помните историю о том, что яблоко упало на землю, а не поднялось? Его законы и теории применяются во многих областях жизни и фактически заложили основы физики около 300 лет назад. Когда ему было всего 23 года, он обнародовал свою теорию всемирного тяготения, которая стала большим открытием в мире науки.
Законы движения Ньютона были опубликованы в одной из его самых известных работ “Principia Mathematica Philosophiae Naturalis”, широко известной как “Principia”. Эти законы включены в самые начальные этапы формального образования в школах по всему миру.
Есть три закона движения, которые очень просто понять, поскольку их можно найти в реальной жизни во всем, что происходит вокруг нас и во всем, что мы делаем.
1 ст Закон Первый закон движения также называется законом инерции .
Согласно первому закону положение тела изменяется только при приложении к нему силы. Эта сила должна быть неуравновешенной, так как она не должна компенсировать силу, действующую на сам объект, иначе он не изменит своего положения. Таким образом, чтобы объект двигался, должна существовать неуравновешенная сила, заставляющая его смещаться, иначе он останется в покое. А если он уже покоится, то на него должна действовать неуравновешенная сила, чтобы заставить его двигаться. Например, если мы оставим объект в космосе, он не перестанет двигаться, пока не столкнется с объектом, скажем, метеоритом. Или давайте возьмем более близкий пример; когда мы едем, машина будет продолжать движение, если только мы не намерены остановить ее, нажав на тормоз, или если она, к сожалению, не врежется в дерево или стену. Проще говоря, для изменения положения объекта необходима внешняя сила.
Второй закон относительно более интересен, потому что он вводит в уравнение еще один фактор, т.
е. массу. Масса – это общее количество, которое содержит тело. Чтобы объект двигался, нам нужно приложить к нему неуравновешенную силу, которая должна соответствовать массе объекта. Это очень просто. Чтобы толкнуть галлон воды, требуется больше усилий, чем для того, чтобы толкнуть бутылку объемом 500 мл. Другим примером может быть то, что самолету требуется больше силы для движения, чем легковому или грузовому автомобилю, потому что он больше по массе.
Третий закон действительно интересно заучивать наизусть, учитесь быть очень честным. Он гласит: «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие». Допустим, человек бросает мяч в стену, он отскакивает назад. Мы видим, как он отскакивает прямо туда, куда его бросили. Об этом говорит третий закон. Всякий раз, когда на что-то действует сила, эта вещь противодействует другой силе с тем же импульсом. Но одинакова ли скорость? Может быть, но направление его будет противоположным.
Когда мы надуваем шарик и отпускаем его, выход воздуха — это одна сила, а взлет шарика — противоположная реакция. Когда мы прыгаем на батуте, мы воздействуем на него силой, которая, в свою очередь, толкает нас вверх. Все эти примеры показывают, что сказал Ньютон в своей последней трети движения.
Законы движения Ньютона до сих пор считаются тремя фундаментальными законами физики. На этих трех законах была построена основа классической механики. В двух словах, Закон Инерции, Закон Массы и Скорости и Закон равного и противоположного противодействия — это три закона движения.
Почему механика является фундаментальной наукой: являются ли законы Ньютона законами природы?
Существует широко распространенное заблуждение о законах движения Ньютона. Многие считают, что вся механика может быть логически выведена из законов Ньютона так же, как геометрия может быть выведена из аксиом Евклида.
Это неправильно. Ни в коем случае законы Ньютона не представляют собой самодостаточный набор логических аксиом. Так было до Леонарда Эйлера, когда были сформулированы законы механики, включая вращательное движение.
Вот что проф. Уолтер Нолл написал в своей статье «О понятии силы» (апрель 2007 г.):
« Студенты-инженеры часто изучают курс под названием «Статика», который изучает силы в системах, не имеющих вообще никаких движущихся частей, и, следовательно, ускорения полностью отсутствует. Начало учебника по статике часто содержит изложение законов Ньютона, но это действует как молитва перед деловой встречей; это почти совершенно не имеет отношения к существу предмета. Суть статики состоит в выделении частей рассматриваемой системы путем построения «диаграмм свободного тела».
Для достаточного количества таких деталей записывают два уравнения: первое утверждает, что сумма всех сил, действующих на деталь, равна нулю, а второе утверждает, что все крутящие моменты, действующие на деталь, равны нулю.
Студенты технических специальностей часто также посещают курс «Динамика». Его основная структура отличается от курса статики только включением в число рассматриваемых сил инерционных сил. (В конце XIX века я читал курсы статики и динамики.50-х годов, и этот опыт повлиял на мой анализ основ механики.) Два основных принципа классической механики таковы: 1) Баланс сил: Суммарная сила, действующая на физическую систему и каждую из ее частей, равна нулю. 2) Баланс крутящих моментов: Суммарный крутящий момент, действующий на физическую систему и каждую из ее частей, равен нулю.
http://www.math.cmu.edu/~wn0g/Force.pdf
Исаак Ньютон (1642-1727) Леонард Эйлер (1707-1783)
Второй закон Ньютона .
Вышеупомянутая статья Нолла является частью спора с Франком Вильчеком о концепции силы и о втором законе Ньютона, F=ma. Это обсуждение представляет разницу в подходе механика и физика. Вот что сказал Вильчек:
” Второй закон движения Ньютона, F = ma, является душой классической механики. Как и другие души, она нематериальна. Правая часть представляет собой произведение двух терминов с глубоким смыслом. Ускорение — это чисто кинематическое понятие, определяемое в терминах пространства и времени. Масса совершенно непосредственно отражает основные измеримые свойства тел (вес, скорость отдачи). Левая часть, с другой стороны, не имеет самостоятельного значения…
Парадокс углубляется, когда мы рассматриваем силу с точки зрения современной физики. На самом деле понятие силы явно отсутствует в наших наиболее продвинутых формулировках основных законов. Его нет ни в уравнении Шредингера, ни в какой-либо разумной формулировке квантовой теории поля, ни в основах общей теории относительности.
Действительно, было несколько попыток сформулировать механику без понятия силы. Наиболее известны работы Жана-Батиста д’Аламбера и Генриха Герца.
Ключевой вопрос аргумента заключается в том, как мы видим закон
Существуют и другие законы классической физики, которые говорят нам, какой должна быть сила в той или иной конкретной ситуации. Например, закон упругости Гука утверждает, что в упругом состоянии сила пропорциональна растяжению, F = kx . Закон всемирного тяготения гласит, что сила тяжести зависит от взаимодействующих масс и расстояния между ними, F = GMm/r 2 .
Таким образом, один из способов определения вещей состоит в том, чтобы сказать, что реальный (фальсифицируемый) закон природы был бы, скажем, в случае гравитации GMm/r 2 = ma , а в случае эластичности kx = ma . При таком подходе нам вообще не нужно понятие силы!
Другой подход состоял бы в том, чтобы заявить, что сила определяется по существу такими законами, как закон Гука или закон тяготения, тогда как второй закон Ньютона представляет собой фальсифицируемое утверждение.
В какой-то степени, как вы можете видеть из приведенного выше аргумента Нолла и Вильчека, это различие подходов представляет собой различие между образом мышления физика и механика по фундаментальным вопросам.
Первый закон Ньютона .
Проблема более поразительна с Первым законом Ньютона или законом инерции. По сути, он утверждает, что нет никакого ускорения, когда нет внешней силы. Разве это не следствие Второго закона в особом случае, когда F=0? Да, но смысл первого закона в том, что он определяет инерциальную систему отсчета и, более того, утверждает, что такие системы существуют в природе.
Каждая физическая величина должна быть определена через некоторые измеримые свойства. А последние, как правило, связаны со способностью человека наблюдать и измерять их с помощью созданного человеком оборудования. Поэтому, о каком бы масштабе длины ни шла речь в физической теории, от микромасштаба до галактики, он должен быть связан со свойствами, измеряемыми человеком в масштабе человеческого роста.
Есть интересные попытки связать инерциальные системы отсчета с человеческой природой. Тот же Уолтер Нолл в своем эссе «Об иллюзии физического пространства» вводит хомскианский подход к системам отсчета:
«». в наш мозг при рождении, так же как и способность овладевать языком. Какой именно фрейм мы фиксируем (или какой конкретный язык изучаем), зависит от среды. Обычно эту фиксацию определяет фон. Когда мы говорим о движении, мы имеем в виду движение относительно фиксированной системы отсчета, не осознавая этого. Наш мозг выбирает фиксацию системы отсчета таким образом, чтобы облегчить нашу способность понимать окружающую среду с минимальными умственными вычислениями. Иногда мы можем зацикливаться на фрейме, который не подходит. ”
Это сравнение между овладением языком и системами отсчета может быть несколько надуманным в расширении и без того ограниченного “махистского” философского взгляда на механику.
С другой стороны, попытки ответить на метафизические вопросы, такие как «почему существуют инерциальные системы отсчета?» может привести к новым открытиям. Другой известный метафизический вопрос: «Что такое время?» В механике он сводится к вопросу о том, как измеряется время или «что такое часы?» Двое часов не должны быть идентичны друг другу, чтобы их можно было разместить в разных частях пространства; однако в то же время они должны быть достаточно похожи, чтобы мы были уверены, что их поведение во времени (например, колебания маятника) одинаково, и мы могли предположить, что они синхронны.
Почему могут существовать такие объекты, как часы, которые достаточно различны, чтобы ставить их в разные точки, но достаточно похожи, чтобы показывать одно и то же время? Как указал в своих недавних книгах физик Ли Смолин, имея дело со временем, мы имеем дело не с прошлыми , а с записями прошлых событий .
На мой взгляд, это связывает метафизическую проблему времени с некоторыми современными концепциями информатики, такими как проблема «P!=NP». Последнее касается того, легче ли вывести новое знание с нуля или узнать его от другого человека, что является двумя основными человеческими способами обращения со знаниями. Тем не менее, я оставлю эту тему для будущей записи в блоге.
Третий закон Ньютона .
Третий закон гласит, что действие равно противодействию. Опять же, трудно принять это как фальсифицируемый закон природы. Можете ли вы представить себе ситуацию, когда точка А действует на точку В с силой F ab , а точка B действует на точку A с другой силой F ba ? Это привело бы к самопроизвольному движению их общего центра масс и, возможно, породило бы ряд логических парадоксов, мешающих нам делить объекты на части и строить диаграммы свободных сил.
Моя общая точка зрения состоит в том, что механика заслуживает признания в качестве фундаментальной науки, поскольку она изучает фундаментальные понятия, которые иногда отличаются от аналогичных понятий в других разделах физики.