Тема данного исследования на сегодняшний день актуальна в силу того, что ряд авторов признают силу инерции, как существующую, а не фиктивную. Введение сил инерции дает возможность описывать движение тел в любых (как инерциальных, так и неинерциальных) системах отсчета с помощью одних и тех же уравнений движения. Следует отчетливо понимать, что силы инерции нельзя ставить в один ряд с такими силами, как упругие, гравитационные силы и силы трения, т.е. силами, обусловленными воздействием на тело со стороны других тел. Силы инерции обусловлены свойствами той системы отсчета, в которой рассматриваются механические явления. В этом смысле их можно назвать фиктивными силами. Введение в рассмотрение сил. инерции не является принципиально необходимым. В принципе любое движение можно всегда рассмотреть по отношению к инерциальной системе отсчета. Однако практически часто представляет интерес как раз движение тел по отношению к неинерциальным системам отсчета, например по отношению к земной поверхности. Использование сил инерции дает возможность решить соответствующую задачу непосредственно по отношению к такой системе отсчета, что часто оказывается значительно проще, чем рассмотрение движения в инерциальной системе.

Что касается вопроса, о включении в курс физики средней школы понятия "неинерциальные системы отсчета", то он рассматривался в середине семидесятых годов, однако, в то время методической поддержки он не получил. Считалось, что изучение этих понятий недоступно для школьников. В последние годы были проведены исследования, которые позволили подойти к решению проблемы формирования понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции" с новых позиций. Поэтому своевременность обращения к этой проблеме обусловлена теми противоречиями, которые присущи современному процессу обучения:

между необходимостью формирования у учащихся целостного представления о современной физической картине мира и ограничением объема учебного материала;

между расширенной информационной средой (телевидение, научно-популярная литература и др.), окружающей школьников и создающей условия для изучения понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции", и недостаточностью разработки соответствующих методических основ для введения этих понятий в курс физики средней школы;

между требованиями к отбору содержания курса физики по вопросу формирования современной физической картины мира и недостаточной разработкой соответствующих учебных технологий обучения.

Преодоление этих противоречий может способствовать включение в учебный материал понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции".

Таким образом, актуальность исследования обусловлена тем, что в настоящее время появляется возможность для разработки методики изучения понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции" в курсе физики средней школы, что позволит повысить уровень систематизации знаний и даст возможность рассматривать с более глубоких научных позиций происходящие физические явления, а это, в свою очередь, будет способствовать формированию у школьников целостных представлений о современной физической картине мира.

Объектом исследования является процессы проявления сил инерции на Земле.

Предмет исследования - изучения понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции".

Цель исследования - обоснование формирования понятий "неинерциальные системы отсчета" и "силы инерции", а так же обоснование проявления данных сил на Земле.

Неинерциальные системы отсчета

Неинерциальными называют такие системы отсчета, в которых не выполняются законы Ньютона. Не выполняется закон инерции, ибо в таких системах отсчета тело, на которое не действуют другие тела, не сохраняет своего состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Не выполняется второй закон Ньютона, так как тело может иметь ускорение, не испытывая действия со стороны другого тела. Наконец, не выполняется и третий закон Ньютона, ибо тело, испытывая действие некоторой силы инерции, не оказывает противодействия (нет тела, к которому должно быть приложено это противодействие). Системы отсчета, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, являются инерциальными. Неинерциальными же будут все те системы отсчета, которые движутся с ускорением относительно какой-либо инерциальной системы. Различают два вида неинерциальных систем отсчета: системы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета поступательно с постоянным или переменным ускорением, и системы, вращающиеся с постоянной или переменной угловой скоростью относительно некоторого центра или некоторой оси. Произвольное движение системы всегда можно представить в виде суммы указанных двух движений.

Неинерциальные системы отсчета, движущиеся поступательно

Силы инерции. На горизонтальном прямолинейном участке железнодорожного пути находится железнодорожный вагон. На полу вагона лежит неподвижный шар (рис.1.1), могущий перемещаться на полу без трения. Выберем две системы отсчета: одну систему (К) свяжем с поверхностью земли, а другую (К') - со стенками вагона. Систему отсчета, связанную с землей, можно с известным приближением считать инерциальной. Система же, связанная с вагоном, будет инерциальной только тогда, когда вагон покоится или движется равномерно и прямолинейно. Рассмотрим "поведение" шара относительно систем К и К'.

Вагон покоится. В этом случае шар неподвижен в обеих системах отсчета. Наблюдатели, находящиеся в системах К и К', объяснят покой шара одинаковым образом в соответствии с первым законом Ньютона: шар находится в покое, так как сумма действующих на него сил (сила тяжести и сила реакции пола) равна нулю.

Вагон движется с ускорением а. В этом случае наблюдатели, находящиеся в системах отсчета К и К' воспримут движение шара по-разному. Наблюдатель в системе К отметит, что шар в полном согласии с законами Ньютона покоится, так как между шаром и полом вагона трения нет; нет и причин для изменения состояния покоя шара. Изменение относительного расстояния между шаром и стенкой вагона наблюдатель в системе К объяснит тем, что вагон уходит, а шар остается на месте. Этому наблюдателю будет понятно и то, что если вагон движется с ускорением а, то движение шара относительно стен вагона (в системе К') будет происходить с тем же ускорением, но направленным в противоположную сторону. Это ускорение, естественно, будет одинаково для всех тел независимо от их массы. Наблюдатель, находящийся в системе К' (в вагоне), отметит, что в этой системе шар движется с ускорением а'. Если он измерит это ускорение, то обнаружит, что оно по модулю равно ускорению вагона а (об ускорении вагона ему может сообщить, например, по радио наблюдатель с земли). Заменяя шар другими телами, также способными перемещаться по полу без трения, наблюдатель в системе К' придет к выводу (который был очевиден и наблюдателю в системе К), что ускорение тел не зависит от их массы; оно одинаково для всех тел и равно ускорению, с которыми движется система отсчета К', взятому с обратным знаком:

где а' - ускорение, измеренное в системе К'; а - ускорение самой системы К' относительно инерциальной системы К. (Это справедливо только для рассматриваемого случая, когда сумма ньютоновских сил равна нулю.) Исходя из законов Ньютона, наблюдатель в системе К' скажет, что на шар массой mдействует сила, равная mа', и начнет искать тело, которое своим действием создает эту силу. Однако такого тела он, естественно, не найдет. Тогда наблюдатель в системе К' придет к заключению, что в этой системе отсчета не выполняются законы Ньютона: не выполняется закон инерции, ибо шар не сохраняет состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, хотя никакие тела на него не действуют; шар имеет ускорение, которое не вызвано силой в ньютоновском понимании. Таким образом, наблюдатель в системе отсчета К' отнесет эту систему к классу неинерциальных. Из разобранного примера видно, что, находясь внутри системы отсчета и наблюдая за поведением свободных тел (тел, для которых сумма действующих на них ньютоновских сил равна нулю), можно установить, к какому классу относится данная система отсчета: к классу инерциальных или к классу неинерциальных систем. Более того, измеряя ускорение свободного тела, можно даже установить, с каким ускорением и в какую сторону движется данная система отсчета относительно некоторой (заданной) инерциальной системы. Напомним, что никакими опытами, проведенными внутри инерциальной системы, нельзя установить, движется или покоится эта система.

Силы инерции. Было бы неудобно создавать для неинерциальных систем отсчета другую механику, отличную от ньютоновской. Поэтому вполне логично поставить такой вопрос: нельзя ли внести такие дополнения или изменения в механику Ньютона, чтобы сделать выполнимыми основные законы динамики и в неинерциальных системах? Оказывается, это сделать можно. Нужно только расширить понятие силы: считать, что в неинерциальных системах отсчета, кроме обычных (ньютоновских) сил, на все тела действуют еще такие, не совсем обычные силы, которые не вызваны взаимодействием тел друг с другом, а являются результатом ускоренного движения самой системы отсчета. Эти силы, получившие название сил инерции, способны оказывать на тела динамическое и статическое действие, подобно обычным ньютоновским силам. Учитывая это, наблюдатель, находящийся в системе отсчета К' (рис.1.1), объяснит ускоренное движение шара как результат действия на шар силы инерции. В данном примере сумма ньютоновских сил (сила тяжести и сила реакции пола) равна нулю. Поэтому наблюдатель в системе К' запишет для шара второй закон Ньютона в обычной форме:

Проявление сил инерции на Земле (стр. 1 из 6)

Введение

Неинерциальные системы отсчета

Неинерциальные системы отсчета, движущиеся поступательно