Примеры применения третьего закона ньютона. Три закона Ньютона: Определения и примеры
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Формулировка третьего закона Ньютона . Два тела действуют друг на друга с , равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы имеют одну и ту же физическую природу и направлены вдоль прямой, соединяющей их точки приложения.
Описание третьего закона Ньютона
Например, книга, лежащая на столе, действует на стол с силой, прямо пропорциональной своей и направленной вертикально вниз. Согласно третьему закону Ньютона стол в это же время действует на книгу с абсолютно такой же по величине силой, но направленной не вниз, а вверх.
Когда яблоко падает с дерева, это Земля действует на яблоко силой своего гравитационного притяжения (вследствие чего яблоко равноускоренно движется к поверхности Земли), но при этом и яблоко притягивает к себе Землю с такой же силой. А то, что нам кажется, что это именно яблоко падает на Землю, а не наоборот, является следствием . Масса яблока по сравнению с массой Земли мала до несопоставимости, поэтому именно яблока заметно для глаз наблюдателя. Масса же Земли, по сравнению с массой яблока, огромна, поэтому ее ускорение практически незаметно.
Аналогично, если мы пинаем мяч, то мяч в ответ пинает нас. Другое дело, что мяч имеет намного меньшую массу, чем тело человека, и потому его воздействие практически не чувствуется. Однако если пнуть тяжелый железный мяч, ответное воздействие хорошо ощущается. Фактически, мы каждый день по многу раз «пинаем» очень и очень тяжелый мяч — нашу планету. Мы толкаем ее каждым своим шагом, только при этом отлетает не она, а мы. А все потому, что планета в миллионы раз превосходит нас по массе.
Таким образом, третий закон Ньютона утверждает, что силы как меры взаимодействия всегда возникают парами. Эти силы не уравновешиваются, так как всегда приложены к разным телам.
Третий закон Ньютона выполняется только в и справедлив для сил любой природы.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | На полу лифта стоит груз массой 20 кг. Лифт движется с ускорением м/с , направленным вверх. Определить силу, с которой груз будет действовать на пол лифта. |
| Решение | Сделаем рисунок
На груз в лифте действуют сила тяжести и сила реакции опоры . По второму закону Ньютона:
Направим координатную ось , как показано на рисунке и запишем это векторное равенство в проекциях на координатную ось: откуда сила реакции опоры: Груз будет действовать на пол лифта с силой, равной его весу. По третьему закону Ньютона, эта сила равна по модулю силе, с которой пол лифта действует на груз, т.е. силе реакции опоры: Ускорение свободного падения м/с Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим: |
| Ответ | Груз будет действовать на пол лифта с силой 236 Н. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Сравнить модули ускорений двух шаров одинакового радиуса во время взаимодействия, если первый шар сделан из стали, а второй – из свинца. | ||
| Решение | Сделаем рисунок
Сила удара, с которой второй шар действует на первый: а сила удара, с которой первый шар действует на второй: По третьему закону Ньютона, эти силы противоположны по направлению и равны по модулю, поэтому можно записать. Три закона сэра Исаака Ньютона описывают движение массивных тел и как они взаимодействуют. В то время как законы Ньютона могут показаться очевидными для нас сегодня, более трех веков назад они считались революционными. Содержание: Ньютон, пожалуй, наиболее известен своей работой по изучению гравитации и движения планет. Призванный астрономом Эдмондом Галлеем после признания того, что за несколько лет до этого он потерял доказательство эллиптических орбит, Ньютон опубликовал свои законы в 1687 году в своей оригинальной работе «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Математические принципы естественной философии), в которой он формализовал описание того, как массивные тела движутся под воздействием внешних сил. Формулируя свои три закона, Ньютон упростил обращение к массивным телам, считая их математическими точками без размера или вращения. Это позволило ему игнорировать такие факторы, как трение, сопротивление воздуха, температура, свойства материала и т. Д., И сосредоточиться на явлениях, которые могут быть описаны исключительно по массе, длине и времени. Следовательно, три закона не могут быть использованы для описания точности поведения больших жестких или деформируемых объектов; однако во многих случаях они обеспечивают подходящие точные приближения. Законы Ньютона Законы Ньютона относятся к движению массивных тел в инерциальной системе отсчета, иногда называемой ньютоновской системой отсчета, хотя сам Ньютон никогда не описывал такую систему отсчета. Инерциальную систему отсчета можно описать как трехмерную систему координат, которая либо стационарна, либо равномерно линейна, т. е. Не ускоряется и не вращается. Он обнаружил, что движение в такой инерциальной системе отсчета может быть описано тремя простыми законами. Первый закон движения НьютонаГласит: Если на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано, то данное тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Это просто означает, что вещи не могут начинать, останавливать или изменять направление самостоятельно. Требуется сила, действующая на них извне, чтобы вызвать такое изменение. Это свойство массивных тел сопротивляться изменениям в их движении иногда называют инерцией. Второй закон движения НьютонаОписывает, что происходит с массивным телом, когда на него воздействует внешняя сила. В нем говорится: Сила, действующая на объект, равна массе этого объекта своего ускорения. Это написано в математической форме как F = ma, где F — сила, m — масса, a — ускорение. Жирные буквы указывают, что сила и ускорение являются векторными величинами, что означает, что они имеют как величину, так и направление. Сила может быть одной силой, или это может быть векторная сумма более чем одной силы, которая является чистой силой после объединения всех сил. Когда постоянная сила действует на массивное тело, она заставляет ее ускоряться, т. е. Изменять свою скорость с постоянной скоростью. В простейшем случае сила, приложенная к неподвижному объекту, заставляет его ускоряться в направлении силы. Однако, если объект уже находится в движении или если эта ситуация просматривается из движущейся системы отсчета, это тело может показаться ускоряющимся, замедляющим или изменяющим направление в зависимости от направления силы и направлений, в которых объект и система отсчета перемещается относительно друг друга. Третий закон движения НьютонаГласит: Для каждого действия существует равное противодействие. Этот закон описывает то, что происходит с телом, когда оно оказывает силу на другое тело. Силы всегда встречаются парами, поэтому, когда одно тело толкает другого, второе тело отталкивается так же сильно. Например, когда вы нажимаете тележку, тележка отталкивается от вас; когда вы тянете за веревку, веревка откидывается на вас; когда сила тяжести тянет вас к земле, земля подталкивает вас и когда ракета воспламеняет свое топливо за ним, расширяющийся выхлопной газ толкается на ракете, заставляя его ускоряться. Если один объект намного, гораздо более массивный, чем другой, особенно в случае привязки первого объекта к Земле, практически все ускорение передается второму объекту, и ускорение первого объекта можно безопасно игнорировать, Например, если вы бросили мяч на запад, вам не нужно было бы считать, что вы на самом деле заставили вращаться Землю быстрее, пока мяч находился в воздухе. Однако, если вы стоите на роликовых коньках, и вы бросили мяч для боулинга, вы начнете двигаться назад с заметной скоростью. Три закона были проверены бесчисленными экспериментами за последние три столетия, и до сих пор они широко используются для описания видов предметов и скоростей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Они составляют основу того, что сейчас известно как классическая механика, а именно изучение массивных объектов, которые больше, чем очень мелкие масштабы, рассматриваемые квантовой механикой, и которые движутся медленнее, чем очень высокие скорости, релятивистские механики. Цели:
Оборудование: Штатив, динамометры, шарики разной массы, брусок, грузы, мультимедиа-плеер. На уроке используется презентация. (Приложение 1 ). Ход урока1. Постановка проблемного вопроса. 2. Актуализация знанийФронтальный опрос: – Что называется инерцией? Самостоятельная работа: 1. В каких из приведенных ниже случаев речь идет о движении тел по инерции?
2. Ниже перечислены движения тел относительно Земли. Какую систему отсчета, связанную с одним из этих тел, нельзя считать инерциальной системой отсчета? Систему отсчета, связанную с Землей, примите за инерциальную.
3. Как движется шарик массой 500 г под действием постоянной силы 4 Н?
Ответы:
Решите задачу:
3. Изучение нового материалаУчитель: Мы знаем, что не бывать одностороннего действия одного тела на другое, тела всегда взаимодействуют друг с другом. Ударьте слегка ладошкой по столу. Что вы почувствовали? Ударьте сильнее по столу, что вы теперь ощущаете? Почему больно вам, если вы действовали на стол? При взаимодействии друг с другом тела оказываются “равноправными”. Поскольку характеристикой взаимодействия является сила, то “равноправие” тел при взаимодействии выражается в равенстве сил, с которыми тела действуют друг на друга. Демонстрация: Зацепим крючками два динамометра слегка и разведем их в стороны. Заметим показания обеих динамометров. Увеличим действие динамометров друг на друга. Заметим новые показания. Равенство сил при взаимодействии тел или частиц отражает 3-й закон Ньютона. Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Математическая запись закона: Проиллюстрируем 3-й закон Ньютона: Пример: Человек при ходьбе действует на почву силой F 1 . Почва с такой же силой F 2 действует на человека вперед. Эта сила уравновешивает мышечное усилие, действующее на ступню назад. Нога остается на месте (не проскальзывает). Человек имеет возможность переступить на другую ногу.
Реактивный двигатель действует на топливо с силой F 1 , направленной против предполагаемого движения ракеты. Топливо же действует на двигатель в противоположную сторону, приводя в движение ракету. Мини-исследовательская работа: Изучение 3-го закона Ньютона (работа ученика). Особенности 3-го закона Ньютона.
Вернемся к фрагменту мультфильма. Скажите, соответствует ли эта ситуация тому, что мы изучили сегодня на уроке. По третьему закону Ньютона, выходящий из волка воздух действует на него с той же силой, с какой волк выдыхает. Но волк и лодка с парусом – единое целое. Силы приложены не к разным телам, а к одному. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению. По первому закону их равнодействующая равна нулю, следовательно, скорость в данном случае равна нулю. 4. Закрепление
5. Домашнее задание
В известной игре «перетягивание каната» обе партии действуют друг на друга (через канат) с одинаковыми силами, как это следует из закона действия и противодействия. Значит, выиграет (перетянет канат) не та партия, которая сильнее тянет, а та, которая сильнее упирается в Землю. Как объяснить, что лошадь везет сани, если, как это следует из закона действия и противодействия, сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой F 2 , с какой лошадь тянет сани вперед (сила F 1)? Почему эти силы не уравновешиваются? Дело в том, что, во-первых, хотя эти силы равны и прямо противоположны, они приложены к разным телам, а во-вторых, и на сани и на лошадь действуют еще и силы со стороны дороги (рис. 9). Сила F 1 со стороны лошади приложена к саням, испытывающим, кроме этой силы, лишь небольшую силу трения f 1 полозьев о снег; поэтому сани начинают двигаться вперед. К лошади же, помимо силы со стороны саней F 2 направленной назад, приложены со стороны дороги, в которую она упирается ногами, силы f 2 , направленные вперед и большие, чем сила со стороны саней. Поэтому лошадь тоже начинает двигаться вперед. Если поставить лошадь на лед, то сила со стороны скользкого льда будет недостаточна; и лошадь не сдвинет сани. То же будет и с очень тяжело нагруженным возом, когда лошадь, даже упираясь ногами, не сможет создать достаточную силу, чтобы сдвинуть воз с места. После того как лошадь сдвинула сани и установилось равномерное движение саней, сила f 1 будет уравновешена силами f 2 (первый закон Ньютона). Подобный же вопрос возникает и при разборе движения поезда под действием электровоза. И здесь, как и в предыдущем случае, движение возможно лишь благодаря тому, что, кроме сил взаимодействия между тянущим телом (лошадь, электровоз) и «прицепом» (сани, поезд), на тянущее тело действуют со стороны дороги или рельсов силы, направленные вперед. На идеально скользкой поверхности, от которой нельзя «оттолкнуться», ни сани с лошадью, ни поезд, ни автомобиль не могли бы сдвинуться с места. Третий закон Ньютона позволяет объяснить явление отдачи при выстреле. Установим на тележку модель пушки, действующую при помощи пара (рис. 10) или при помощи пружины. Пусть вначале тележка покоится. При выстреле «снаряд» (пробка) вылетает в одну сторону, а «пушка» откатывается в другую. Откат пушки и есть результат отдачи. Отдача есть не что иное, как противодействие со стороны снаряда, действующее, согласно третьему закону Ньютона, на пушку, выбрасывающую снаряд. Согласно этому закону сила, действующая со стороны пушки на снаряд, все время равна силе, действующей со стороны снаряда на пушку, и направлена противоположно ей. Примеров взаимодействия тел можно привести сколь угодно много. Когда вы, находясь в одной лодке, начнете за веревку подтягивать другую, то и ваша лодка обязательно продвинется вперед (рис. 1). Действуя на вторую лодку, вы заставляете ее действовать на вашу лодку. Если вы ударите ногой по футбольному мячу, то немедленно ощутите об-ратное действие на ногу. При соударении двух бильярдных шаров изменяют свою скорость, т. е. получают ускорения, оба шара. Когда при формировании железнодорожного состава вагоны наталкиваются друг на друга, буферные пружины сжимаются у обоих вагонов. Все это проявления общего закона взаимодействия тел. Действия тел друг на друга носят характер взаимодействия не только при непосредственном контакте тел. Положите, например, на гладкий стол два сильных магнита разноименными полюсами навстречу друг другу, и вы тут же обнаружите, что магниты начнут двигаться навстречу друг другу. Земля притягивает Луну (сила всемирного тяготения) и заставляет ее двигаться по криволинейной траектории; в свою очередь Луна также притягивает Землю (тоже сила всемирного тяготения). Хотя, естественно, в системе отсчета, связанной с Землей, ускорение Земли, вызываемое этой силой, нельзя обнаружить непосредственно (непосредственно нельзя обнаружить даже значительно большее ускорение, вызываемое притяжением Земли Солнцем), оно проявляется в виде приливов. Заметные изменения скоростей обоих взаимодействующих тел наблюдаются, однако, лишь в тех случаях, когда массы этих тел не сильно отличаются друг от друга. Если же взаимодействующие тела значительно различаются по массе, заметное ускорение получает только то из них, которое имеет меньшую массу. Так, при падении камня Земля заметно ускоряет движение камня, но ускорение Земли (а ведь камень тоже притягивает Землю) практически обнаружить нельзя, так как оно очень мало. Силы взаимодействия двух телВыясним с помощью опыта, как связаны между собой силы взаимодействия двух тел. Грубые измерения сил взаимодействия можно произвести на следующих опытах. 1 опыт . Возьмем два динамометра, зацепим друг за друга их крючки и, взявшись за кольца, будем растягивать их, следя за показаниями, обоих динамометров (рис. 2). Мы увидим, что при любых растяжениях показания обоих динамометров будут совпадать; значит, сила, с которой первый динамометр действует на второй, равна силе, с которой второй динамометр действует на первый. 2 опыт . Возьмем достаточно сильный магнит и железный брусок и положим их на катки, чтобы уменьшить трение о стол (рис. 3). К магниту и бруску прикрепим одинаковые мягкие пружины, зацепленные другими концами на столе. Магнит и брусок притянутся друг к другу и растянут пружины.
Опыт показывает, что к моменту прекращения движения пружины оказываются растянутыми совершенно одинаково. Это означает, что на оба тела со стороны пружин действуют одинаковые по модулю и противоположные по направлению силы: \(\vec F_1 = -\vec F_2 \qquad (1)\) Так как магнит покоится, то сила \(\vec F_2\) равна по модулю и противоположна по направлению силе \(\vec F_4\), с которой на него действует брусок: \(\vec F_1 = \vec F_4 \qquad (2)\) Точно так же равны по модулю и противоположны по направлению силы, действующие на брусок со стороны магнита и пружины: \(\vec F_3 = -\vec F_1 \qquad (3)\) Из равенств (1), (2), (3) следует, что силы, с которыми взаимодействуют магнит и брусок, равны по модулю и противоположны по направлению: \(\vec F_3 = -\vec F_4 \qquad (1)\) Опыт показывает, что силы взаимодействия между двумя телами равны по модулю и противоположны по направлению и в тех случаях когда тела движутся. 3 опыт . На двух тележках, которые могут катиться по рельсам, стоят два человека А и В (рис. 4). Они держат в руках концы веревки. Легко обнаружить, что независимо от того, кто натягивает («выбирает») веревку, А или В или оба вместе, тележки всегда приходят в движение одновременно и притом в противоположных направлениях. Измеряя ускорения тележек, можно убедиться, что ускорения обратно пропорциональны массам каждой из тележек (вместе с человеком). Отсюда следует, что силы, действующие на тележки, равны по модулю.
Третий закон НьютонаНа основе этих и подобных опытов можно сформулировать третий закон Ньютона. Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и на-правлены вдоль одной прямой в противоположные стороны. Это означает, что если на тело А со стороны тела В действует сила \(\vec F_A\) (рис. 5), то одновременно на тело В со стороны тела А действует сила \(\vec F_B\), причем \(\vec F_A = -\vec F_B \qquad (5)\)
Используя второй закон Ньютона, можно равенство (5) записать так: \(m_1 \cdot \vec a_1 = -m_2 \cdot \vec a_2 \qquad (6)\) Отсюда следует, что \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{m_2}{m_1}= \mbox{const} \qquad (7)\) Отношение модулей а 1 и а 2 ускорений взаимодействующих тел определяется обратным отношением их масс и совершенно не зависит от природы действующих между ними сил. (Здесь имеется в виду, что никакие другие силы, кроме сил взаимодействия, на эти тела не действуют.) В этом можно убедиться на следующем простом опыте. Поставим на гладкие рельсы две тележки одинаковой массы и на одной из них закрепим небольшой электрический двигатель, на вал которого может наматываться нить, привязанная к другой тележке, а на другую поставим гирю, масса которой равна массе двигателя (рис. 6). При работающем двигателе обе тележки устремляются с одинаковыми ускорениями навстречу друг другу и проходят одинаковые пути. Если массу одной из тележек сделать вдвое большей, то ее ускорение окажется в два раза меньше, чем другой, и за то же время она пройдет вдвое меньший путь.
Связь ускорений взаимодействующих тел с их массами можно установить и на таком опыте (рис. 7). На горизонтальную платформу помещают два катка разной массы, соединенные нитью.
Опыт покажет, что можно найти такое положение катков, когда они при вращении платформы не перемещаются по ней. Измерив радиусы обращения катков вокруг центра платформы, определим отношение центростремительных ускорений катков: \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{\omega \cdot R_1}{\omega \cdot R_2}\) или \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{R_1}{R_2}\). Сравнив это отношение с обратным отношением масс тел \(\frac{m_2}{m_1}\), убеждаемся, что \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{m_2}{m_1}\) при любых скоростях вращения платформы. ПримечаниеНадо помнить, что силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга. Непонимание этого часто приводит к недоразумениям. Так, иногда с помощью третьего закона Ньютона пытаются объяснить, почему то или иное тело находится в покое. Например, утверждают, что мел на столе покоится якобы потому, что сила тяжести \(\vec F_t\), действующая на тело, согласно третьему закону Ньютона, равна по модулю и противоположна по направлению силе упругости \(\vec N\) (силе реакции опоры), действующей на него со стороны стола. На самом деле равенство \(\vec F_t + \vec N = 0\) является следствием второго закона Ньютона, а не третьего: ускорение равно нулю, поэтому и сумма сил, действующих на тело, равна нулю. Из третьего же закона Ньютона вытекает лишь, что сила реакции опоры \(\vec N\) равна по модулю силе \(\vec P\), с которой мел давит на стол (рис. 8). Эти силы приложены к разным телам и направлены в противоположные стороны. Примеры применения третьего закона Ньютона.В известной игре «перетягивание каната» обе партии действуют друг на друга (через канат) с одинаковыми силами, как это следует из закона действия и противодействия. Значит, выиграет (перетянет канат) не та партия, которая сильнее тянет, а та, которая сильнее упирается в Землю. Как объяснить, что лошадь везет сани, если, как это следует из закона действия и противодействия, сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой F 2 , с какой лошадь тянет сани вперед (сила F 1)? Почему эти силы не уравновешиваются? Дело в том, что, во-первых, хотя эти силы равны и прямо противоположны, они приложены к разным телам, а во-вторых, и на сани и на лошадь действуют еще и силы со стороны дороги (рис. 9). Сила F 1 со стороны лошади приложена к саням, испытывающим, кроме этой силы, лишь небольшую силу трения f 1 полозьев о снег; поэтому сани начинают двигаться вперед. К лошади же, помимо силы со стороны саней F 2 направленной назад, приложены со стороны дороги, в которую она упирается ногами, силы f 2 , направленные вперед и большие, чем сила со стороны саней. Поэтому лошадь тоже начинает двигаться вперед. Если поставить лошадь на лед, то сила со стороны скользкого льда будет недостаточна; и лошадь не сдвинет сани. То же будет и с очень тяжело нагруженным возом, когда лошадь, даже упираясь ногами, не сможет создать достаточную силу, чтобы сдвинуть воз с места. После того как лошадь сдвинула сани и установилось равномерное движение саней, сила f 1 будет уравновешена силами f 2 (первый закон Ньютона). Подобный же вопрос возникает и при разборе движения поезда под действием электровоза. И здесь, как и в предыдущем случае, движение возможно лишь благодаря тому, что, кроме сил взаимодействия между тянущим телом (лошадь, электровоз) и «прицепом» (сани, поезд), на тянущее тело действуют со стороны дороги или рельсов силы, направленные вперед. На идеально скользкой поверхности, от которой нельзя «оттолкнуться», ни сани с лошадью, ни поезд, ни автомобиль не могли бы сдвинуться с места. Третий закон Ньютона позволяет объяснить явление отдачи при выстреле. Установим на тележку модель пушки, действующую при помощи пара (рис. 10) или при помощи пружины. Пусть вначале тележка покоится. При выстреле «снаряд» (пробка) вылетает в одну сторону, а «пушка» откатывается в другую.
Откат пушки и есть результат отдачи. Отдача есть не что иное, как противодействие со стороны снаряда, действующее, согласно третьему закону Ньютона, на пушку, выбрасывающую снаряд. Согласно этому закону сила, действующая со стороны пушки на снаряд, все время равна силе, действующей со стороны снаряда на пушку, и направлена противоположно ей. О значении третьего закона НьютонаГлавное значение третьего закона Ньютона обнаруживается при исследовании движения системы материальных точек или системы тел. Этот закон позволяет доказать важные теоремы динамики и сильно упрощает изучение движения тел в тех случаях, когда их нельзя рассматривать как материальные точки. Третий закон сформулирован для точечных тел (материальных точек). Его применение для реальных тел, имеющих конечные размеры, требует уточнения и обоснования. В данной формулировке нельзя применять этот закон и в неинерциальных системах отсчета. Литература
Популярное |
Реактивное движение.
