惯性系和非惯性系.docx

1、惯性系和非惯性系第八节 惯性系和非惯性系 教案本节教材分析前面学过参考系的概念，在描写物体的运动时，可为研究问题的方便而任意选取例如：路旁的树，对地面上的观察者来说，树是静止的；但对于坐在正在行驶的汽车里的观察者来说，树是运动的对同一物体的运动，所选参考系不同，物体的运动情况也不同但是确定力和运动的牛顿运动定律却不是对任何参考系都成立的牛顿运动定律成立的参考系，叫做惯性系地面及相对于地面做匀速直线运动的物体都是惯性参考系在相对于地面做变速运动的物体，牛顿运动定律不再成立，这样的参考系称为非惯性系可是，有时要在非惯性系中处理问题为了解决这类问题，引入了在形式上“假象的”力“惯性力”，可以使牛顿运

2、动定律在非惯性系中成立，这样就可以在非惯性系中方便地处理问题了惯性系和非惯性系的概念较难理解，对学生的要求不易过深，不易深挖，学生了解这部分知识就可以了教学目标一、知识目标1了解什么是惯性系，什么是非惯性系2知道什么是惯性力二、能力目标培养学生的分析能力三、德育目标使学生明确任何一种规律都是有一定的适用范围的教学重点惯性系和非惯性系、惯性力教学难点对惯性力的正确理解教学方法讲授法、阅读归纳法教学用具投影仪、自制投影片课时安排1课时教学过程用投影片出示本节课学习目标1了解什么是惯性系和非惯性系2了解什么是惯性力学习目标完成过程一、导入新课教师请同学们回忆一下，在直线运动中，怎样去确定物体运动与否

3、呢?学生任意选一参考系，看物体相对于参考系的位置是否发生了变化，若变化则是运动的；若没变，则是静止的教师选择不同的参考系确定出物体的运动情况相同吗?学生可能相同，也可能不同教师由此可见，在运动学中选择不同参考系时，物体的运动情况不相同，但仍可以确定其运动，故参考系是可以任意选取的但在运用牛顿运动定律时，它所需的参考系却不能是任意的本节我们一起来讨论这一问题二、新课教学(一)惯性系与非惯性系教师用投影片出示题目在一升降机内，放一质量为m的物体，物体随升降机一起运动，试讨论：(1)当升降机对地静止时，物体对地和对升降机的运动及受力情况(2)当升降机匀速运动时，物体对地和对升降机的运动及受力情况(3

4、)当升降机变速运动时，物体对地和对升降机的运动及受力情况学生活动阅读题目，并进行讨论教师在第一种情况下，物体对地做何运动?受哪些力的作用?学生物体对地是静止的，这时受重力和升降机地面支持力两个力的作用教师受力情况和运动情况符合牛顿运动定律吗?学生根据牛顿第一定律知，物体做匀速直线运动或静止时，其所受合力应为零在本题中，物体所受的重力和支持力是一对平衡力，故其合力为零，满足牛顿运动定律教师物体对升降机做何运动，受力与运动的关系是否满足牛顿运动定律?学生此时，物体对升降机静止，重力和支持力平衡，也满足牛顿运动定律教师在第二问中，物体对地做何运动?受哪些力的作用?其运动和力的关系是否满足牛顿运动定律

5、?学生此时，物体对地做匀速直线运动，受重力和支持力两个力的作用由于这两个力仍平衡，故满足牛顿第一定律教师物体对升降机又是做何运动呢?它的受力与运动的关系是否还满足牛顿运动定律呢?学生物体对升降机来说是静止的，受力仍和前面一样受重力和支持力两个力的作用，且是一对平衡力，即其合力为零，所以仍满足牛顿第一定律教师总结由上述分析可见：以相对于地面静止或做匀速直线运动的物体作为参考系时，牛顿运动定律是成立的我们把牛顿运动定律成立的参考系叫惯性参考系，简称惯性系下面接着讨论第三问所述情况教师在第三问所述情况下物体对地做何运动?受哪些力的作用?学生物体相对于地面做变速直线运动，此时物体受重力和支持力的作用，

6、但重力与支持力不再是平衡力教师此时的受力与运动情况的关系满足牛顿运动定律吗?学生满足由于重力与支持力不平衡，故要产生加速度，并且这一加速度就是物体做变速运动时的加速度，即：F支+G(=F合)=ma满足牛顿第二定律教师那么物体对升降机又做何运动呢?学生物体随升降机一起运动，所以它的运动状态与升降机相同故它相对于升降机是静止的教师此时的受力与运动关系还符合牛顿运动定律吗?学生不符合教师为什么呢?学生以升降机为参考系确定出物体的运动情况是静止的，若牛顿运动定律成立，则它所受的合力就应为零，而事实上并不为零所以，此时牛顿运动定律就不再成立了教师总结从上面讨论可知，牛顿运动定律并不是在任何情况下都成立的

7、当以相对于地面变速运动的物体作为参考系时，牛顿运动定律便不再成立我们把牛顿运动定律不成立的参考系叫非惯性参考系，简称非惯性系巩固训练1_叫惯性系；_物体可以认为是惯性系2_叫非惯性系；_物体是非惯性系参考答案：1牛顿运动定律成立的参考系；地面、以及相对于地面静止或匀速运动的2牛顿运动定律不成立的参考系；相对于地面做变速运动的教师总结从上面学习可知：牛顿运动定律在非惯性系中是不成立的，所以我们要养成尽量不以非惯性系为参考系的习惯，以减少在应用牛顿运动定律时出错的机会但在应用牛顿运动定律时，是否就一定不能以非惯性系作为参考系了呢?下面我们接着来讨论这一问题(二)惯性力教师在前面的第三问中，我们如何

8、修改条件就可使牛顿运动定律成立了呢?学生要使牛顿运动定律成立，则合力就应为零，而实际物体的受力又不为零，所以要想使牛顿运动定律成立，必须增加一假设的力，使物体满足合力为零的条件教师是否加一任意力都行呢?如不是，那么应加一个什么样的力呢?学生并不是加一任意力都行根据题中条件物体此时实际做加速运动，故应满足牛顿第二定律由牛顿第二定律得：F合=F支+G=ma 而以升降机为参考系时要求物体受力，满足：F合=F支+G+F=0 结合两式可知，要使式成立，则：F=-ma即需增加一大小等于ma、方向和参考系加速度反向的力，这样牛顿运动定律便成立教师这个力是真实存在的吗?学生不是真实存在的教师为什么呢?学生因为

9、它是人为假设的教师那它和“真实的”力有何区别呢?学生根据“力是物体相互作用”知：只要有力，则一定有施力物和受力物，而这个力找不到施力物教师总结从上述分析可知，当我们以非惯性系作为参考系应用牛顿运动定律时，须增加一假设的力F，且大小等于物体质量与参考系运动加速度的乘积，方向与加速度相反，这样牛顿运动定律才能成立我们把这一假设的力叫惯性力巩固训练1在前面例题中，若升降机以加速度a加速下降时，试以升降机为参考系，求物体对升降机地板的压力2如图所示，小车的支架上通过细绳悬挂有质量为m的小球，当小车从静止开始以加速度a向右做匀加速运动时，小球将怎样运动?利用本节课内容作出解释参考答案：1mg-ma，方向

10、向下取向下为正解因为以升降机为参考系时，物体静止所以F合=mg-FN-ma=0即：FN=m(g-a)根据牛顿第三定律知：支持力FN与物体对地板压力为一对相互作用力，所以：F=-FN=-m(g-a)负号表示与支持力方向相反，即向下2以小车作为参考系，小车做变速运动，小车从静止开始以加速度a向右做匀加速运动时(此时设向右为正)，小球除了受到真实的力重力G和绳子的拉力F外，还受到方向向左的惯性力F，因此小球向左偏离，当偏离竖直方向为某一角度时，F和G的合力与惯性力大小相等、方向相反，小球相对于车厢静止教师总结当我们引入惯性力后，就可以使一些问题得以解决例如研究大气和海水流动这类大范围的运动，要考虑地

11、球自转的影响，这时地面参考系不能认为是惯性系，而是非惯性系由于人们生活在地球上，用地面作参考系比较习惯，故只能引入惯性力去解决这类问题但我们在高中阶段对这部分内容不作要求，同学们只要简单了解一下就可以了三、小结本节课我们主要学习了1牛顿运动定律成立的参考系，叫惯性系2牛顿运动定律不成立的参考系，叫非惯性系3为了在非惯性系中研究问题的方便，引入了一种形式上假想的力，叫惯性力它没有施力物体四、作业1阅读本节课文，并查找资料，了解广义相对论的知识2思考题：“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走”，请同学们分析一下，“小小竹排江中游”是选择什么作为参考系？这个参考系是惯性参考系还是非惯性参考系？“巍巍青山两

12、岸走”是选择什么作为参考系？它是惯性系还是非惯性系？参考答案：“小小竹排江中游”是以河岸景物为参考系，属于惯性系；“巍巍青山两岸走”是以竹排为参考系，若竹排匀速运动则是惯性系若竹排变速运动则是非惯性系五、板书设计备课资料一、惯性系教学要点教学中应讲明以下问题：（1）定义：牛顿运动定律能在其中成立的参考系（2）由伽利略相对性原理说明：不存在一种特殊的绝对静止的惯性系；只要找到一个惯性系，就必然有无数多个惯性系，它们是一组彼此无相对加速度的惯性系，对力学规律的表达等价（3）惯性系的选择判定只能靠观察和实验惯性系内应该满足：测量物体有加速度时必可观察到施力原因；观察物体不受力时（实际情况大多数是在观

13、察到物体在某些可能运动方向上不受力），则实验测量没有加速度显然，惯性系选择的精确程度取决于当时实验的技术水平是基于观察和实验的人为规定（4）惯性系选择的实际情况从受力趋于0考虑，应尽量选择远离其他物体的参考系太阳距其他恒星很远，因此是精确度很高的惯性系银河系距其他河外星系更远，因此是精确度极高的惯性系目前认为最好的惯性系是“局部惯性系”（例如在人造卫星内）由于在其内引力场被惯性力场抵消，物体几乎不受力可认为牛顿运动定律较严格成立（5）选择地球为惯性系的条件由于地球的自转及对太阳的公转，地球对太阳是有加速度的因此它是非惯性系在下述两个条件下才可看为惯性系：a研究地面上物体短暂时间内的过程由于运动

14、局限于有限空间，所以可以近似将地球看作对太阳做匀速直线运动b精确度要求不高由于自转效应比公转效应影响大，所以主要考虑是：凡不能忽略自转影响的较长时间过程，均不能以地球为惯性系去研究（本文摘自物理教师总第148期P6）二、惯性力牛顿运动定律只能直接应用于“惯性系”；对于“非惯性系”，则需要引入一个虚拟的“惯性力”才能应用牛顿运动定律在本章中，遇到了变速升降问题如果某一物体所受的重力为G，那么当起重机匀加速上升（或匀减速下降）时，钢丝绳的拉力FG；当起重机匀加速下降（或匀减速上升）时，钢丝绳的拉力FG这种现象对于地面为参考系的观察者来说，并不难理解，因为：匀加速上升时：F-G=ma，所以FG匀加速

15、下降时，G-F=ma，所以FG但是以做变速运动的起重机为参考系的观察者，则感到似乎物体所受的重力发生了变化这就是通常所说的“失重”和“超重”由上边的例子可以看出：从不同的参考系进行观察，对同一事件可以得出不同的认识当我们以地面做为参考系时，可以运用牛顿运动定律来考虑问题，我们称这种“牛顿运动定律能够适用的参考系”为惯性系当我们以做变速运动的起重机为参考系时，则不能直接应用牛顿运动定律来处理问题，我们称这种参考系为“非惯性系”非惯性系不仅限于变速升降系统中，我们再举两个常见的例子：在加速前进的车厢中的观察者，看到一个光滑小球会自动地加速后退，而没有发现它受到产生加速度的力在转动圆盘上的观察者，看

16、到光滑小球会自动离心而去，并没有发现使它远离圆心的力人们为了使牛顿运动定律也能应用于非惯性系而引入了“惯性力”的概念它不是由于物质间的相互作用而产生的力，而是为了描写非惯性系的变速运动的性质而引入的假想的力例如前进中的车辆骤然停止时，在惯性系中的观察者看来，车厢中的乘客没有受到外力，仍然向前做惯性运动，但车内乘客却觉得自己好像受到一个力，使自己向前倒去，这个力就是惯性力为了与“惯性力”相区别，我们把物体间相互作用的力称为“牛顿力”利用非惯性系中处理牛顿第二定律的有关问题时，不但要考虑“牛顿力”，而且还要考虑“惯性力”（本文选自高级中学物理第一册必修教学参考书P178 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）