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惯性参考系与非惯性参考系
惯性参考系与非惯性参考系 教学目的 正确理解惯性参考系的定义 正确识别惯性参考系与非惯性参考系 正确理解惯性力的概念 知道惯性力不是物体间的相互作用 会正确运用惯性力计算有关问题 教学过程 ●引入新课 前面我们已经学习了经典力学的基础:牛顿运动定律。请同学们回顾、思考下面几个问题。 问题1:牛顿第一定律的内容是什么? (答:一切物体总保持静止或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。) 说明:这条定律正确地说明了力与运动的关系:物体的运动不需要力去维持:力是改变物体运动状态(产生加速度)的原因。 问题2:当你和同伴同时从平台跳下,如各自以自身为参考系,对方做什么运动?(答:对方是静止的。) 问题3:在平直轨道上运动的火车中有一张水平的桌子,桌上有一个小球,如果火车向前加速运动,以火车为参考系,小球做什么运动?(答:小球加速向后运动。) 疑问: 问题2中,既然对方是静止的,按照牛顿第一定律,他不应受到力的作用,然而每个人都的确受到重力的作用。这怎么解释呢? 问题3中,小球加速向后运动,按照牛顿第一定律,小球应受到力的作用,然而小球并没有受到向后的力。这又怎么解释呢? 对这个问题暂时还不能解释,但我们至少能说明一点:并非对一切参考系,牛顿第一定律都成立。 本节课我们就学习关于参考系的知识,板书: § 3.5惯性参考系与非惯性参考系 ●进行新课 我们以牛顿运动定律能否成立来将参考系划分为两类:惯性参考系和非惯性参考系。板书: 两种参考系 惯性参考系:牛顿运动定律成立的参考系,简称惯性系。 中间空出两行。供后面(1)、(2)两点板书用。 非惯性参考系:牛顿运动定律不能成立的参考系。 要判断一个参考系是否为惯性参考系,最根本的方法是根据观察和实验;判断牛顿运动定律在参考系中是否成立。 分析问题2:当你和同伴同时从平台跳下,以地面为参考系,做匀加速运动。由于人受重力作用,所以人做匀加速运动,这是符合牛顿运动定律的。 我们生活在地球上,通常是相对地面参考系来研究物体运动的。伽利略的理想实验以及我们前面做过的研究运动和力的关系的实验,都是以地面作参考系的。在地面上作的许多观察和实验表明:牛顿运动定律对地面参考系是成立的。板书: 地面参考系是惯性参考系。 除了地面参考系,牛顿运动定律还对什么参考系成立呢? 分析问题3:如果火车向前作匀速直线运动,以火车为参考系,小球保持静止。小球所受的合外力为零,符合牛顿运动定律。可见:相对于地面作匀速直线运动的参考系,也是惯性参考系。 让我们再来看看伽利略对船舱里观察到的现象的描述:(指导阅读)“……船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向各方向飞行;鱼向各个方向随意游动;水滴滴进下面的缸中;你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不比向另一方向用更多的力。你双脚齐跳,无论向那个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动……”。 这说明:在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测,与地面上的力学实验和观测,结果并没有差异。也就是说:以相对地面做匀速直线运动的物体作为参考系,牛顿运动定律是成立的。板书: 相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性参考系 相对地面做变速运动的参考系是惯性参考系吗? 分析问题2:当你和同伴同时从平台跳下,如各自以自身为参考系,参考系相对地面做匀加速运动。我们观测到:同伴相对自己是静止的,他应该不受力,然而他的确受到了重力的作用。这说明:在相对地面做变速运动的参考系里,牛顿运动定律不再成立。 分析问题3:如果火车向前加速运动,以火车为参考系,在车厢里将观测到:小球向后加速运动,而小球并没有受到其他物体的作用力,所受的合力仍为零。这也进一步表明:在相对地面做变速运动的参考系里,牛顿运动定律不再成立。板书: 相对地面做变速运动的参考系不是惯性参考系 严格说来,地面参考系也不是惯性参考系。由于地球的自转,地面各点都在做圆周运动,具有向心加速度(在曲线运动中将学到),它的影响在地理学、气象学中十分明显。但是,对日常所见的大量运动问题,在相当高的精度内,地球是惯性系。 在讨论运动学问题时,我们可以按照方便与否自由地选择参考系,但是在动力学问题中,便没有这种自由选择的权利了。我们只能在惯性系中运用牛顿运动定律。 但是,有时以变速运动的物体做参考系来研究问题十分方便,为了使牛顿运动定律在非惯性系中也能在形式上成立,物理学中引入了一种形式上的力,叫做惯性力。板书: 惯性力 在问题3中:如图,火车做匀加速运动,以火车为参考系观察,小球不受力却以速度-a相对于车身运动,这不符合牛顿定律;然而,以加速运动的车厢为参考系观
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