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2019-2020年高一物理 第三章 牛頓運(yùn)算定律 慣性系和非慣性系 第一課時(shí) 8 ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 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(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生的分析能力. 三、德育目標(biāo) 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(diǎn) 慣性系和非慣性系、慣性力. ●教學(xué)難點(diǎn) 對(duì)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(shí)安排 1課時(shí) ●教學(xué)過程 ［用投影片出示本節(jié)課學(xué)習(xí)目標(biāo)］ 1.了解什么是慣性系和非慣性系. 2.了解什么是慣性力. ●學(xué)習(xí)目標(biāo)完成過程 一、導(dǎo)入新課 ［教師］請(qǐng)同學(xué)們回憶一下,在直線運(yùn)動(dòng)中,怎樣去確定物體運(yùn)動(dòng)與否呢? ［學(xué)生］任意選一參考系,看物體相對(duì)于參考系的位置是否發(fā)生了變化,若變化則是運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)中選擇不同參考系時(shí),物體的運(yùn)動(dòng)情況不相同,但仍可以確定其運(yùn)動(dòng),故參考系是可以任意選取的.但在運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí),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］用投影片出示題目 在一升降機(jī)內(nèi),放一質(zhì)量為m的物體,物體隨升降機(jī)一起運(yùn)動(dòng),試討論: (1)當(dāng)升降機(jī)對(duì)地靜止時(shí),物體對(duì)地和對(duì)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)及受力情況. (2)當(dāng)升降機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),物體對(duì)地和對(duì)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)及受力情況. (3)當(dāng)升降機(jī)變速運(yùn)動(dòng)時(shí),物體對(duì)地和對(duì)升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)及受力情況. ［學(xué)生活動(dòng)］閱讀題目,并進(jìn)行討論. ［教師］在第一種情況下,物體對(duì)地做何運(yùn)動(dòng)?受哪些力的作用? ［學(xué)生］物體對(duì)地是靜止的,這時(shí)受重力和升降機(jī)地面支持力兩個(gè)力的作用. ［教師］受力情況和運(yùn)動(dòng)情況符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎? ［學(xué)生］根據(jù)牛頓第一定律知,物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí),其所受合力應(yīng)為零.在本題中,物體所受的重力和支持力是一對(duì)平衡力,故其合力為零,滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律. ［教師］物體對(duì)升降機(jī)做何運(yùn)動(dòng),受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系是否滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律? ［學(xué)生］此時(shí),物體對(duì)升降機(jī)靜止,重力和支持力平衡,也滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律. ［教師］在第二問中,物體對(duì)地做何運(yùn)動(dòng)?受哪些力的作用?其運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系是否滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律? ［學(xué)生］此時(shí),物體對(duì)地做勻速直線運(yùn)動(dòng),受重力和支持力兩個(gè)力的作用.由于這兩個(gè)力仍平衡,故滿足牛頓第一定律. ［教師］物體對(duì)升降機(jī)又是做何運(yùn)動(dòng)呢?它的受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系是否還滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律呢? ［學(xué)生］物體對(duì)升降機(jī)來說是靜止的,受力仍和前面一樣受重力和支持力兩個(gè)力的作用,且是一對(duì)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(duì)于地面靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系時(shí),牛頓運(yùn)動(dòng)定律是成立的.我們把牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系叫慣性參考系,簡(jiǎn)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(duì)地做何運(yùn)動(dòng)?受哪些力的作用? ［學(xué)生］物體相對(duì)于地面做變速直線運(yùn)動(dòng),此時(shí)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(shí)的受力與運(yùn)動(dòng)情況的關(guān)系滿足牛頓運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度,即: F支+G(=F合)=ma 滿足牛頓第二定律. ［教師］那么物體對(duì)升降機(jī)又做何運(yùn)動(dòng)呢? ［學(xué)生］物體隨升降機(jī)一起運(yùn)動(dòng),所以它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與升降機(jī)相同.故它相對(duì)于升降機(jī)是靜止的. ［教師］此時(shí)的受力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系還符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎? ［學(xué)生］不符合. ［教師］為什么呢? ［學(xué)生］以升降機(jī)為參考系確定出物體的運(yùn)動(dòng)情況是靜止的,若牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立,則它所受的合力就應(yīng)為零,而事實(shí)上并不為零.所以,此時(shí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律就不再成立了. ［教師總結(jié)］從上面討論可知,牛頓運(yùn)動(dòng)定律并不是在任何情況下都成立的.當(dāng)以相對(duì)于地面變速運(yùn)動(dòng)的物體作為參考系時(shí),牛頓運(yùn)動(dòng)定律便不再成立.我們把牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系叫非慣性參考系,簡(jiǎn)稱非慣性系. ［鞏固訓(xùn)練］ 1.______叫慣性系；______物體可以認(rèn)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(yùn)動(dòng)定律成立的參考系；地面、以及相對(duì)于地面靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的 2.牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系；相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的 ［教師總結(jié)］從上面學(xué)習(xí)可知:牛頓運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)定律時(shí)出錯(cuò)的機(jī)會(huì). 但在應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí),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(yùn)動(dòng)定律成立了呢? ［學(xué)生］要使牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立,則合力就應(yīng)為零,而實(shí)際物體的受力又不為零,所以要想使牛頓運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)實(shí)際做加速運(yùn)動(dòng),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(jī)為參考系時(shí)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(yùn)動(dòng)定律便成立. ［教師］這個(gè)力是真實(shí)存在的嗎? ［學(xué)生］不是真實(shí)存在的. ［教師］為什么呢? ［學(xué)生］因?yàn)樗侨藶榧僭O(shè)的. ［教師］那它和“真實(shí)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(gè)力找不到施力物. ［教師總結(jié)］從上述分析可知,當(dāng)我們以非慣性系作為參考系應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí),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(yùn)動(dòng)加速度的乘積,方向與加速度相反,這樣牛頓運(yùn)動(dòng)定律才能成立.我們把這一假設(shè)的力叫慣性力. ［鞏固訓(xùn)練］ 1.在前面例題中,若升降機(jī)以加速度a加速下降時(shí),試以升降機(jī)為參考系,求物體對(duì)升降機(jī)地板的壓力. 2.如圖所示,小車的支架上通過細(xì)繩懸掛有質(zhì)量為m的小球,當(dāng)小車從靜止開始以加速度a向右做勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí),小球?qū)⒃鯓舆\(yùn)動(dòng)?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?yàn)橐陨禉C(jī)為參考系時(shí),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(duì)地板壓力為一對(duì)相互作用力, 所以:F′=-FN=-m(g-a) 負(fù)號(hào)表示與支持力方向相反,即向下. 2.以小車作為參考系,小車做變速運(yùn)動(dòng),小車從靜止開始以加速度a向右做勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)(此時(shí)設(shè)向右為正),小球除了受到真實(shí)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(dāng)偏離豎直方向?yàn)槟骋唤嵌圈葧r(shí),F和G的合力與慣性力大小相等、方向相反,小球相對(duì)于車廂靜止. ［教師總結(jié)］當(dāng)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(dòng)這類大范圍的運(yùn)動(dòng),要考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,這時(shí)地面參考系不能認(rèn)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?cè)诟咧须A段對(duì)這部分內(nèi)容不作要求,同學(xué)們只要簡(jiǎn)單了解一下就可以了. 三、小結(jié) 本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了 1.牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，叫慣性系. 2.牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)論的知識(shí). 2.思考題： “小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走”，請(qǐng)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(gè)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(yùn)動(dòng)則是慣性系.若竹排變速運(yùn)動(dòng)則是非慣性系. 五、板書設(shè)計(jì)