Методика изучения законов Ньютона в средней школе

На новую ступень обобщения, опираясь на труды своих предшественников, и прежде всего Галилея, закон инерции поднял И. Ньютон, который включил его в число важнейших трех аксиом или законов движения в следующем виде: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Поскольку всякое движение относительно, возникает вопрос: что принять за систему отсчета? Движение одного и того же тела в одной системе отсчета может быть равномерным и прямолинейным, а в другой в то же самое время — переменным и криволинейным.

Галилей считал закон инерции справедливым в системе отсчета, связанной с Землей, а Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое «по самой своей сущности и безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным».

Определение Ньютона лишено физического смысла, поскольку нельзя построить систему отсчета, не связав ее с конкретными телами. В системе же отсчета, связанной с Землей, закон инерции, строго говоря, не выполняется, как во всякой вращающейся системе (этот факт, как уже указывалось, привел Галилея к ошибочному утверждению о справедливости закона инерции для равномерного движения тел по окружности). Тем не менее, фундаментальный закон механики — закон инерции был открыт. Объясняется это тем, что для системы «Земля», в которой практически и велись все многовековые наблюдения, отступления от закона инерции относительно невелики. Эта система с достаточной для практических целей точностью может быть принята за инерциальную. Практически точно закон инерции выполняется в системе отсчета, связанной с «неподвижными» звездами.

Формирование понятия об инерции

Различные методические подходы к изучению закона инерции отличаются в основном тем, к какой конечной формулировке — классической ньютоновской или же к формулировке, принимающей во внимание уравновешенные силы,— подводят учащихся.

Рассмотрим каждый из этих основных подходов и некоторые их модификации подробнее. При этом будем иметь в виду, что все законы движения Ньютона относятся, строго говоря, к материальным точкам и к телам, совершающим поступательное движение.

Согласно первому, наиболее распространенному подходу выясняется вопрос, почему останавливаются движущиеся тела и что нужно сделать для того, чтобы их движение продолжалось как можно дольше.

С помощью мысленных или реально поставленных на демонстрационном столе экспериментов устанавливают, что движение тел, например шара по горизонтальной поверхности стола, будет изменяться тем меньше, чем меньше сопротивление его движению, в данном случае сила трения.

Отсюда для предельного случая, когда силами трения можно пренебречь, делается вывод, что если на тело не действуют другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли. Далее в некоторых пособиях уточняется, что закон инерции выполняется практически точно в гелиоцентрической системе. Таким образом, закон инерции по существу формулируется так же, как и у Ньютона для предельного случая, когда тела достаточно удалены от всех других тел. Вначале на конкретных примерах вводится понятие о «компенсации действия тел» и применительно к некоторым конкретным системам отсчета, прежде всего к Земле, показывается справедливость закона инерции.

На основе конкретных примеров первый закон Ньютона формулируется в следующем виде: существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной; если на них не действуют другие тела, или действие других тел компенсируется. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Данная формулировка закона инерции по сравнению с приведенными выше является наиболее полной. Она охватывает и предельные, и реально имеющие место в окружающей жизни случаи. Кроме того, в ней указывается на справедливость закона только в определенных, инерциальных системах отсчета.

Однако данный методический подход также не лишен недостатков и трудностей:

1)вводится дополнительное, притом недостаточно с физической точки зрения определенное понятие о «компенсации действия тел»;

2) в данной формулировке на первом плане оказывается мысль о существовании инерциальных систем, а не о явлении инерции;

3)не говорится в явном виде о прямолинейности движения тел по инерции;

4)данная формулировка из-за того, что несет большую информацию,сложнее предыдущей. Для устранения указанных выше трудностей необходимо максимально использовать знания учащихся из курса физики, пройденного ранее и формировать весь комплекс понятий о законе инерции по частям.

Крайне желательно, чтобы учащиеся предварительно самостоятельно повторили соответствующий материал по учебнику и восстановили в своей памяти определение: явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называют инерцией. Соответствующие примеры всегда приведут сами учащиеся. Здесь уместно также рассказать об опытах Галилея с наклонной плоскостью, интересных не только своими выводами, но и примером сочетания логического абстрактного мышления с реальным физическим экспериментом. Затем можно также сказать о взгляде древних и неправильном бытовом представлении людей, незнакомых с физикой, о том, что движение есть результат взаимодействия тел. После этого повторения и исторического введения можно перейти к более детальному и обстоятельному рассмотрению инерции с учетом реально существующих взаимодействий тел.

Вначале следует рассмотреть приведенный в учебнике пример с находящимся в состоянии покоя шаром, подвешенным на пружине или резиновом шнуре. При этом, как показывает опыт преподавания, можно не только говорить в общих выражениях о том, что «действия на шар двух тел — шнура и Земли компенсируют (иногда говорят уравновешивают) друг друга», но и указать на чертеже в явном виде действующие на тело силы: силу тяжести Fт и силу упругости (рис. 1).

рис. 1

Понятие «сила» в данном случае не расширяется и не углубляется. Оно используется как синоним выражения «действие одного тела на другое», которое, как известно из курса физики VI класса, может быть измерено динамометром и выражено в ньютонах.

В качестве упражнения и закрепления полученных понятий можно дать учащимся задание самостоятельно указать и изобразить графически силы, действующие на гирю, помещенную на пружину (рис. 2 а) и на шайбу, которая лежит на льду (рис. 2 б).

рис.2

На основе данных и аналогичных примеров делают вывод, что если на тело действуют равные по модулю, но противоположно направленные силы, то тело может находиться в состоянии покоя. Иначе можно сказать, что действие тел в этом случае компенсируется.

Затем переходят к рассмотрению наиболее важного и сложного случая — движения тела по инерции, используя описанный в учебнике пример с шайбой. Полезно еще раз изобразить шайбу и действующие на нее силы, включая небольшую силу трения Fтр (рис. 3 а), а также вектор скорости V. Как опытный факт констатируем, что после удара шайба движется прямолинейно и ее скорость изменяется незначительно. Естественно предположить, как это делалось уже раньше при рассмотрении опыта Галилея, что скорость тела не изменилась бы совсем, если бы сил трения не было вовсе.