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1、2022年高一物理 第三章 牛頓運算定律 慣性系和非慣性系 第一課時 8
●教學(xué)目標
一、知識目標
1.了解什么是慣性系，什么是非慣性系.
2.知道什么是慣性力.
二、能力目標
培養(yǎng)學(xué)生的分析能力.
三、德育目標
使學(xué)生明確任何一種規(guī)律都是有一定的適用范圍的.
●教學(xué)重點
慣性系和非慣性系、慣性力.
●教學(xué)難點
對慣性力的正確理解.
●教學(xué)方法
講授法、閱讀歸納法.
●教學(xué)用具
投影儀、自制投影片.
●課時安排
1課時
●教學(xué)過程
［用投影片出示本節(jié)課學(xué)習(xí)目標］
1.了解什么是慣性系和非慣性系.
2.了解什么
2、是慣性力.
●學(xué)習(xí)目標完成過程
一、導(dǎo)入新課
［教師］請同學(xué)們回憶一下,在直線運動中,怎樣去確定物體運動與否呢?
［學(xué)生］任意選一參考系,看物體相對于參考系的位置是否發(fā)生了變化,若變化則是運動的；若沒變,則是靜止的.
［教師］選擇不同的參考系確定出物體的運動情況相同嗎?
［學(xué)生］可能相同,也可能不同.
［教師］由此可見,在運動學(xué)中選擇不同參考系時,物體的運動情況不相同,但仍可以確定其運動,故參考系是可以任意選取的.但在運用牛頓運動定律時,它所需的參考系卻不能是任意的.本節(jié)我們一起來討論這一問題.
二、新課教學(xué)
(一)慣性系與非慣性系
［教師］用投影片出示題
3、目
在一升降機內(nèi),放一質(zhì)量為m的物體,物體隨升降機一起運動,試討論:
(1)當升降機對地靜止時,物體對地和對升降機的運動及受力情況.
(2)當升降機勻速運動時,物體對地和對升降機的運動及受力情況.
(3)當升降機變速運動時,物體對地和對升降機的運動及受力情況.
［學(xué)生活動］閱讀題目,并進行討論.
［教師］在第一種情況下,物體對地做何運動?受哪些力的作用?
［學(xué)生］物體對地是靜止的,這時受重力和升降機地面支持力兩個力的作用.
［教師］受力情況和運動情況符合牛頓運動定律嗎?
［學(xué)生］根據(jù)牛頓第一定律知,物體做勻速直線運動或靜止時,其所受合力應(yīng)為零.在本題中,物體所
4、受的重力和支持力是一對平衡力,故其合力為零,滿足牛頓運動定律.
［教師］物體對升降機做何運動,受力與運動的關(guān)系是否滿足牛頓運動定律?
［學(xué)生］此時,物體對升降機靜止,重力和支持力平衡,也滿足牛頓運動定律.
［教師］在第二問中,物體對地做何運動?受哪些力的作用?其運動和力的關(guān)系是否滿足牛頓運動定律?
［學(xué)生］此時,物體對地做勻速直線運動,受重力和支持力兩個力的作用.由于這兩個力仍平衡,故滿足牛頓第一定律.
［教師］物體對升降機又是做何運動呢?它的受力與運動的關(guān)系是否還滿足牛頓運動定律呢?
［學(xué)生］物體對升降機來說是靜止的,受力仍和前面一樣受重力和支持力兩個力的作用,且是一
5、對平衡力,即其合力為零,所以仍滿足牛頓第一定律.
［教師總結(jié)］由上述分析可見:
以相對于地面靜止或做勻速直線運動的物體作為參考系時,牛頓運動定律是成立的.我們把牛頓運動定律成立的參考系叫慣性參考系,簡稱慣性系.
下面接著討論第三問所述情況.
［教師］在第三問所述情況下物體對地做何運動?受哪些力的作用?
［學(xué)生］物體相對于地面做變速直線運動,此時物體受重力和支持力的作用,但重力與支持力不再是平衡力.
［教師］此時的受力與運動情況的關(guān)系滿足牛頓運動定律嗎?
［學(xué)生］滿足.由于重力與支持力不平衡,故要產(chǎn)生加速度,并且這一加速度就是物體做變速運動時的加速度,即:
F支+
6、G(=F合)=ma
滿足牛頓第二定律.
［教師］那么物體對升降機又做何運動呢?
［學(xué)生］物體隨升降機一起運動,所以它的運動狀態(tài)與升降機相同.故它相對于升降機是靜止的.
［教師］此時的受力與運動關(guān)系還符合牛頓運動定律嗎?
［學(xué)生］不符合.
［教師］為什么呢?
［學(xué)生］以升降機為參考系確定出物體的運動情況是靜止的,若牛頓運動定律成立,則它所受的合力就應(yīng)為零,而事實上并不為零.所以,此時牛頓運動定律就不再成立了.
［教師總結(jié)］從上面討論可知,牛頓運動定律并不是在任何情況下都成立的.當以相對于地面變速運動的物體作為參考系時,牛頓運動定律便不再成立.我們把牛頓運動定律不成
7、立的參考系叫非慣性參考系,簡稱非慣性系.
［鞏固訓(xùn)練］
1.______叫慣性系；______物體可以認為是慣性系.
2.______叫非慣性系；______物體是非慣性系.
參考答案：
1.牛頓運動定律成立的參考系；地面、以及相對于地面靜止或勻速運動的
2.牛頓運動定律不成立的參考系；相對于地面做變速運動的
［教師總結(jié)］從上面學(xué)習(xí)可知:牛頓運動定律在非慣性系中是不成立的,所以我們要養(yǎng)成盡量不以非慣性系為參考系的習(xí)慣,以減少在應(yīng)用牛頓運動定律時出錯的機會.
但在應(yīng)用牛頓運動定律時,是否就一定不能以非慣性系作為參考系了呢?下面我們接著來討論這一問題.
(二)慣
8、性力
［教師］在前面的第三問中,我們?nèi)绾涡薷臈l件就可使牛頓運動定律成立了呢?
［學(xué)生］要使牛頓運動定律成立,則合力就應(yīng)為零,而實際物體的受力又不為零,所以要想使牛頓運動定律成立,必須增加一假設(shè)的力,使物體滿足合力為零的條件.
［教師］是否加一任意力都行呢?如不是,那么應(yīng)加一個什么樣的力呢?
［學(xué)生］并不是加一任意力都行.根據(jù)題中條件物體此時實際做加速運動,故應(yīng)滿足牛頓第二定律.由牛頓第二定律得:
F合=F支+G=ma ①
而以升降機為參考系時要求物體受力，滿足：
F合=F支+G+F′=0 ②
結(jié)合①②兩式可知，要
9、使②式成立，則：
F′=-ma
即需增加一大小等于ma、方向和參考系加速度反向的力,這樣牛頓運動定律便成立.
［教師］這個力是真實存在的嗎?
［學(xué)生］不是真實存在的.
［教師］為什么呢?
［學(xué)生］因為它是人為假設(shè)的.
［教師］那它和“真實的”力有何區(qū)別呢?
［學(xué)生］根據(jù)“力是物體相互作用”知:只要有力,則一定有施力物和受力物,而這個力找不到施力物.
［教師總結(jié)］從上述分析可知,當我們以非慣性系作為參考系應(yīng)用牛頓運動定律時,須增加一假設(shè)的力F′,且大小等于物體質(zhì)量與參考系運動加速度的乘積,方向與加速度相反,這樣牛頓運動定律才能成立.我們把這一假設(shè)的力叫慣性力.
10、
［鞏固訓(xùn)練］
1.在前面例題中,若升降機以加速度a加速下降時,試以升降機為參考系,求物體對升降機地板的壓力.
2.如圖所示,小車的支架上通過細繩懸掛有質(zhì)量為m的小球,當小車從靜止開始以加速度a向右做勻加速運動時,小球?qū)⒃鯓舆\動?利用本節(jié)課內(nèi)容作出解釋.
參考答案：
1.mg-ma,方向向下.
取向下為正.
［解］因為以升降機為參考系時,物體靜止.
所以F合=mg-FN-ma=0
即:FN=m(g-a)
根據(jù)牛頓第三定律知:支持力FN與物體對地板壓力為一對相互作用力,
所以:F′=-FN=-m(g-a)
負號表示與支持力方向相反,即向下.
2
11、.以小車作為參考系,小車做變速運動,小車從靜止開始以加速度a向右做勻加速運動時(此時設(shè)向右為正),小球除了受到真實的力——重力G和繩子的拉力F外,還受到方向向左的慣性力F,因此小球向左偏離,當偏離豎直方向為某一角度θ時,F和G的合力與慣性力大小相等、方向相反,小球相對于車廂靜止.
［教師總結(jié)］當我們引入慣性力后,就可以使一些問題得以解決.例如研究大氣和海水流動這類大范圍的運動,要考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,這時地面參考系不能認為是慣性系,而是非慣性系.由于人們生活在地球上,用地面作參考系比較習(xí)慣,故只能引入慣性力去解決這類問題.但我們在高中階段對這部分內(nèi)容不作要求,同學(xué)們只要簡單了解一下就可以了.
12、
三、小結(jié)
本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了
1.牛頓運動定律成立的參考系，叫慣性系.
2.牛頓運動定律不成立的參考系，叫非慣性系.
3.為了在非慣性系中研究問題的方便，引入了一種形式上假想的力，叫慣性力.它沒有施力物體.
四、作業(yè)
1.閱讀本節(jié)課文，并查找資料，了解廣義相對論的知識.
2.思考題：
“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走”，請同學(xué)們分析一下，“小小竹排江中游”是選擇什么作為參考系？這個參考系是慣性參考系還是非慣性參考系？“巍巍青山兩岸走”是選擇什么作為參考系？它是慣性系還是非慣性系？
參考答案：
“小小竹排江中游”是以河岸景物為參考系，屬于慣性系；“巍巍青山兩岸走”是以竹排為參考系，若竹排勻速運動則是慣性系.若竹排變速運動則是非慣性系.
五、板書設(shè)計
2022年高一物理 第三章 牛頓運算定律 慣性系和非慣性系 第一課時 8
