Зміст
Введення
Формування поняття про інерції
Другий закон Ньютона
Методика формулювання поняття «маса тіла»
Методика формулювання поняття «сила»
Вимірювання сил. Динамометр. Додавання сил
Залежність між силою, масою та прискоренням. Другий закон Ньютона
Закріплення і поглиблення матеріалу на другий закон Ньютона
Третій закон Ньютона
Заключне заняття з теми «закони руху Ньютона»
Список літератури

Вступ
Рішення основної задачі механіки - визначення положення тіл і будь-який момент часу - вимагає знання їх початкових координат, швидкості і прискорення, які виникають при взаємодії тіл. Останнє є предметом вивчення динаміки.
Динаміка складає найважливішу частину класичної механіки. Її головне завдання - вивчення взаємодій тіл, якими пояснюються, перш за все, різні зміни їх рухів. В основі динаміки лежать три закони. Вперше їх у загальному вигляді сформулював геніальний англійський фізик Ісаак Ньютон (1643 - 1727). Тепер ці закони називають його ім'ям. Відкриття законів руху Ньютона було підготовлено багатовікової людської практикою, працями багатьох поколінь вчених. Закони механічного руху з їх численними і важливими наслідками мають величезне наукове і світоглядне значення. Вони дозволяють зрозуміти і пояснити багато явищ і в космосі і в мікросвіті. Класичною механікою введені в науку найважливіші фізичні поняття: «маса», «сила», «імпульс» (кількість руху), енергія та ін особливо відзначимо, що закони збереження енергії та імпульсу не знають винятку в будь-яких явищах макро-і мікросвіту. Закони класичної механіки складають наукову основу техніки багатьох галузей народного господарства: будівництва, машинобудування, транспорту та ін тому вивчення динаміки слід повною мірою використовувати в цілях політехнічного навчання учнів. Показуючи наукову і практичну значущість законів механіки, потрібно разом з тим у доступній формі дати учням початкові поняття і про межі застосування. Вчителю слід пам'ятати, що був час, коли закони класичної механіки здавалися всеосяжними і здатними пояснити і описати всі явища природи. Наочні образи, уявлення та поняття, почерпнуті учнями в навколишньому житті, і тепер наштовхують їх на «механічну» трактування і «механічні» образи при вивченні питань фізики, де вони незастосовні. Багато явища природи не можуть бути зведені лише до механічного взаємодії тіл уже тому, що матерія в природі існує не тільки у вигляді речовини, але і у вигляді поля. Явища, наприклад, в електромагнітному полі підкоряються законам Максвелла, а не законам Ньютона. Але й руху, з якими ми пов'язуємо певні фізичні тіла, не завжди можуть бути пояснені законами Ньютона. Класична механіка не може задовільно описати руху множествачастіц - молекул, пояснити закони, яким підкоряються елементарні частинки, рух тіл зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Відповідні закони встановлюються статистичної механікою, квантовою механікою та теорією відносності. Певні відомості про даних розділах сучасної фізики учні отримують у старших класах. Однак деякі початкові уявлення про межі застосування законів Класичною механіки учні повинні отримати вже на самому початку вивченні фізики.
При цьому учні повинні усвідомити, що успіхи сучасної науки зовсім не заперечують і не закреслюють механіку Ньютона. Більше того (згідно з принципом відповідності), вони стверджують непорушність її законів для певних граничних умов: класична механіка - це механіка макротіл, що рухаються зі швидкостями, далекими від швидкості світла. Дані умови виконуються у величезній сфері практичної та наукової діяльності людини на Землі і в космосі. У цьому і полягає неминуще значення механіки Ньютона.
При вивченні динаміки в VIII класі слід взяти до уваги знання учнів з механіки, отримані в VI класі, а також їхній життєвий досвід і уявлення.
Основний зміст навчального матеріалу видно успадковує можливого варіанту зразкового поурочного планування теми:
1-й урок. Поняття з динаміці. Закон інерції. Короткі відомості про життя і наукову подвиг Галілео Галілея.
2-й урок. Взаємодія тіл. Прискорення тіл при взаємодії.
3-й урок. Маса тіл як міра їх інерційних властивостей.
4-й урок. Маса тіл як міра їх гравітаційних властивостей.
5-й урок. Визначення маси тіл зважуванням. Сила.
6-й урок. Другий закон Ньютона. Одиниця сили в СІ.
7-й урок. Вимірювання сил. Динамометр. Додавання сил.
8-й і 9-й урок. Поглиблення і закріплення матеріалу на другий закон Ньютона. Рішення задач.
10-й урок. Третій закон Ньютона. Рішення задач.
11-й урок. Повторень і узагальнення пройденого (короткі відомості про життя та наукової діяльності І. Ньютона).
З історії відкриття закону інерції. При вивченні даного матеріалу безсумнівну користь принесуть відомості з історії відкриття закону інерції. У адаптованому вигляді вони можуть бути використані і на першому, і на наступних уроках, а також на позакласних заняттях.
Повсякденні спостереження та практичний досвід приводили людини до думки про те, що тіла не приходять в рух самі собою. Для переміщення тіл їх треба тягнути, штовхати, словом докладати до них деяку «силу». Аристотель (384-322) називав такі рухи насильницькими і вважав, що вони припиняються з припинення дії сили. Звідси випливав висновок: рух тіл обумовлено дією на них сил. Помилка таких міркувань, як відомо, полягає в тому, що в них не приймаються до уваги сили, що перешкоджають руху.
Поряд із зазначеними поглядами поступово виникла думка про те, що існує і якась «внутрішня» сила, відповідальна за рух тел. «Будь-яке рух, - писав Леонардо да Вінчі (1452-1519), - прагне до свого збереження, або кожне тіло рухається постійно, поки в ньому зберігається дія його двигуна». Інший італійський вчений Джованні Батіста Бенедетті (1530-1590) ввів «уявлення про« імпето »(« враження »), зберігається в тілі, якому повідомляється швидкість. Наступний крок робить Галілео Галілей (1564 - 1642). Він детально вивчив рух тіл по похилій площині. Галілей експериментально довів, що куля скочується по похилій площині прискорено, а піднімається уповільнено. На цій підставі він зробив висновок: «Коли тіло рухається по горизонтальній площині, не зустрічаючи ніякого опору руху, то ... рух його є рівномірним і тривало б нескінченно, якби площину простягалася в просторі без кінця. Галілей ще не дасть загального формулювання принципу інерції. Він пов'язує відкрите їм властивість тіл тільки з їх рухом у горизонтальному напрямі (і помилково з рухом по ідеально гладкій поверхні земної кулі). Але він перший розуміє явище інерції настільки глибоко і правильно застосовує його. У його формулюванні вперше проводиться абстрагування від опору руху тел. Проте Галілей ще не має в своєму розпорядженні узагальненим поняттям сили і не приймає в явному вигляді до уваги сили реакції опори і силу тяжіння.
Вперше від дії тяжіння абстрагується Рене Декарт (1596-1650). «Вважаю, - писав він, - що природа руху така, що, якщо тіло почало рухатися, вже цього досить, щоб воно його продовжувало з тією ж швидкістю і в напрямку топ ж прямої лінії, поки воно не буде зупинено або відхилено будь- небудь іншою причиною ».
На новий щабель узагальнення, спираючись на праці своїх попередників, і перш за все Галілея, закон інерції підняв І. Ньютон, який включив його в число найважливіших трьох аксіом або законів руху в наступному вигляді: кожне тіло продовжує утримуватися в своєму стані спокою або рівномірного прямолінійного руху , поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан.
Оскільки всякий рух відносно, виникає питання: що взяти за систему відліку? Рух одного і того ж тіла в одній системі відліку може бути рівномірним і прямолінійним, а в інший в той же самий час - змінним і криволінійним.
Галілей вважав закон інерції справедливим у системі відліку, пов'язаної з Землею, а Ньютон ввів поняття абсолютного простору, що «за самою своєю суттю і безвідносно до чого б то не було зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим».
Визначення Ньютона позбавлене фізичного сенсу, оскільки не можна побудувати систему відліку, не пов'язавши її з конкретними тілами. У системі ж відліку, пов'язаної з Землею, закон інерції, строго кажучи, не виконується, як у будь-обертової системі (цей факт, як вже вказувалося, привів Галілея до помилкового твердженням про справедливість закону інерції для рівномірного руху тіл по колу). Тим не менш, фундаментальний закон механіки - закон інерції був відкритий. Пояснюється це тим, що для системи «Земля», в якій практично і велися всі багатовікові спостереження, відступу від закону інерції відносно невеликі. Ця система з достатньою для практичних цілей точністю може бути прийнята за інерційну. Практично точно закон інерції виконується в системі відліку, пов'язаної з «нерухомими» зірками.

Формування поняття про інерції
Різні методичні підходи до вивчення закону інерції відрізняються в основному тим, до якої кінцевої формулюванні - класичної ньютонівської або ж до формулювання, що приймає до уваги урівноважені сили, - підводять учнів.
Розглянемо кожен із цих основних підходів і деякі їх модифікації докладніше. При цьому будемо мати на увазі, що всі закони руху Ньютона відносяться, строго кажучи, до матеріальних точок і до тіл, яка вчиняє поступальний рух.
Відповідно до першого, найбільш поширеній підходу з'ясовується питання, чому зупиняються рухаються тіла і що потрібно зробити для того, щоб їх рух тривало як можна довше.
За допомогою уявних чи реально поставлених на демонстраційному столі експериментів встановлюють, що рух тіл, наприклад кулі по горизонтальній поверхні столу, буде змінюватися тим менше, чим менше опір його руху, в даному випадку сила тертя.
Звідси для граничного випадку, коли силами тертя можна знехтувати, робиться висновок, що якщо на тіло не діють інші тіла, то тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху відносно Землі. Далі в деяких посібниках уточнюється, що закон інерції виконується практично точно в геліоцентричної системи. Таким чином, закон інерції по суті формулюється так само, як і у Ньютона для граничного випадку, коли тіла досить віддалені від всіх інших тіл. Спочатку на конкретних прикладах вводиться поняття про «компенсації дії тел» і стосовно до деяких конкретних систем відліку, перш за все до Землі, показується справедливість закону інерції.
На основі конкретних прикладів перший закон Ньютона формулюється в наступному вигляді: існують такі системи відліку, щодо яких поступально рухаються тіла зберігають свою швидкість постійної; якщо на них не діють інші тіла, або дія інших тіл компенсується. Такі системи відліку називаються інерційних.
Дане формулювання закону інерції в порівнянні з наведеними вище є найбільш повною. Вона охоплює і граничні, і реально мають місце в нашому житті випадки. Крім того, в ній вказується на справедливість закону тільки в певних, інерційних системах відліку.
Однак даний методичний підхід також не позбавлений недоліків і труднощів:
1) вводиться додаткове, притому недостатньо з фізичної точки зору певне поняття про «компенсації дії тіл»;
2) у даній формулюванні на першому плані виявляється думку про існування інерціальних систем, а не про явище інерції;
3) не йдеться в явному вигляді про прямолінійності руху тіл по інерції;
4) дане формулювання через те, що несе велику інформацію, складніше попередньої. Для усунення зазначених вище труднощів необхідно максимально використовувати знання учнів з курсу фізики, пройденого раніше і формувати весь комплекс понять про закон інерції по частинах.
Вкрай бажано, щоб учні попередньо самостійно повторили відповідний матеріал за підручником і відновили в своїй пам'яті визначення: явище збереження швидкості тіла при відсутності дії на нього інших тіл називають інерцією. Відповідні приклади завжди приведуть самі учні. Тут доречно також розповісти про досліди Галілея з похилою площиною, цікавих не тільки своїми висновками, але й прикладом поєднання логічного абстрактного мислення з реальним фізичним експериментом. Потім можна також сказати про погляд древніх і неправильному побутовому уявленні людей, незнайомих з фізикою, про те, що рух є результат взаємодії тіл. Після цього повторення та історичного введення можна перейти до більш детального і грунтовному розгляду інерцією з урахуванням реально існуючих взаємодій тел.
Спочатку слід розглянути наведений в підручнику приклад з перебувають у стані спокою кулею, підвішеним на пружині або гумовому шнурі. При цьому, як показує досвід викладання, можна не тільки говорити в загальних виразах про те, що «дії на кулю двох тіл - шнура і Землі компенсують (іноді говорять врівноважують) один одного», а й вказати на кресленні в явному вигляді діють на тіло сили: силу тяжіння F _т і силу пружності (рис. 1).

рис. 1
Поняття «сила» в даному випадку не розширюється і не заглиблюється. Воно використовується як синонім виразу «дія одного тіла на інше», яке, як відомо з курсу фізики VI класу, може бути виміряна динамометром і виражено в ньютонах.
Як вправи і закріплення отриманих понять можна дати учням завдання самостійно вказати і зобразити графічно сили, що діють на гирю, вміщену на пружину (рис. 2 а) і на шайбу, яка лежить на льоду (рис. 2 б).

рис.2
На підставі даних і аналогічних прикладів роблять висновок, що якщо на тіло діють рівні за модулем, але протилежно спрямовані сили, то тіло може перебувати в стані спокою. Інакше можна сказати, що дія тіл в цьому випадку компенсується.
Потім переходять до розгляду найбільш важливого і складного випадку - руху тіла по інерції, використовуючи описаний в підручнику приклад з шайбою. Корисно ще раз зобразити шайбу і діють на неї сили, включаючи невелику силу тертя F _тр (рис. 3 а), а також вектор швидкості V. Як досвідчений факт констатуємо, що після удару шайба рухається прямолінійно і її швидкість змінюється незначно. Природно припустити, як це робилося вже раніше при розгляді досвіду Галілея, що швидкість тіла не змінилася б зовсім, якби сил тертя не було зовсім.
Цей висновок бажано підкріпити виразними дослідами з рухом по інерції з вкрай малим тертям дисків з сухого льоду або ж тіл на повітряній подушці.
Далі висловлюється думка, що силу тертя можна компенсувати. Останнє легко здійснити, рівномірно переміщаючи шайбу, наприклад, за допомогою ключки, безперервно підштовхує її з силою F , Рівної і протилежно спрямованої силі тертя (рис. 3 б).

рис. 3
Найпростішим наочним прикладом рівномірного руху, легко здійсненного на досвіді, є рух кульки або бруска по похилій площині, якій надано такий ухил, щоб сила тертя компенсувалася рівнодіючої сили реакції жолоби і сили тяжіння.
Узагальнюючи пройдене, роблять висновок, з яким учні вже знайомилися: матеріал про складання сил, спрямованих по одній прямій: «Тіло під дією двох рівних та протилежно спрямованих сил буде перебувати в спокої або рухатися рівномірно і прямолінійно».
Нарешті, має бути сформовано початкове поняття про інерціальних системах відліку. До цих пір у всіх дослідах і прикладах за систему відліку, в якій опинявся справедливим закон інерції, приймалася Земля. На конкретних прикладах слід показати, що закон інерції виконується також у системах відліку, що рухаються рівномірно і прямолінійно відносно Землі.
Усі досліди по інерції, розглянуті вище, з рівним успіхом і тими ж результатами можна провести, наприклад, в рівномірно рухомих поїзді, теплоході або літаку.
У результаті проведеної роботи учні повинні засвоїти, що тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного поступального руху в інерційних системах відліку, якщо на нього не діють інші тіла або якщо сили, з якими вони діють, врівноважуються.
Для закріплення і поглиблення отриманих понять у класі і вдома учні вирішують в основному якісні задачі-питання. Бажано, однак, і рішення нескладних експериментальних завдань, наприклад, такий:

Пояснити, які урівноважені сили діють на рухомий рівномірно вниз кулька у скляній трубці з водою (мал. 4 а); на піднімається рівномірно вгору бульбашка повітря (рис. 4 б).

Рис. 4
Необхідно також вирішення завдань політехнічного змісту:
Плуг рівномірно рухається по борозні. Чи можна сказати, що він рухається за інерцією?
Цікава завдання «Найлегший спосіб подорожувати», складена за матеріалами «Цікавої фізики» Я.І. Перельмана.
Другий закон Ньютона
Досвід і логіка підказують, що якщо діють на тіло сили не врівноважуються, то його рух має змінюватися. Існуючу при цьому кількісну закономірність вдалося вперше сформулювати у своїх «Початки» І. Ньютону у вигляді такої аксіоми або закону руху: Зміна кількості руху пропорційно прикладеній рушійній силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє.
Математическизаконвыражается формулою F = d ( m v ) dl . Всі величини, що входять в цю формулу: сила F , Маса m, кількість руху m v і час t, у Ньютона незалежні.
В даний час у підручниках фізики другий закон Ньютона найчастіше записується у вигляді. F = m a . (Вперше вираз сили, як величини, рівної масі, помноженої на прискорення, дається в «Механіці» Ейлера; 1736 р.) Слід, однак, мати на увазі, що залежність. F = m a не еквівалентна повністю формулою F = d ( m v ) dl . Вона вірна тільки за умови m = const, що практично має місце при швидкостях, далеких від швидкості світла, коли залежністю маси від швидкості можна знехтувати.
Зі сказаного вище випливає, що для вивчення другого закону Ньютона у формі F = d ( m v ) dl попередньо потрібно ввести поняття маси, сили і прискорення. Різні методичні системи вивчення другого закону Ньютона відрізняються в основному тим, як вводяться дані фундаментальні фізичні поняття.
Найбільш поширеною системою є така побудова навчального матеріалу, коли масу і силу намагаються визначити незалежно один від одного і від другого закону Ньютона: масу шляхом зважування на вагах, а силу - статичним методом - за допомогою пружинних динамометрів, які градуюють вагою гир. При цьому маса іноді трактується як міра кількості речовини в тілі. Такий спрощений, застарілий підхід до формування найважливіших понять динаміки для радянської школи неприйнятний.
В даний час багато методисти вважають кращою таку систему, при якій спочатку вводиться поняття сили. При цьому сила трактується як «міра дії тіл один на одного, в результаті якого тіла отримують прискорення». Після цього вивчаються способи вимірювання сил за допомогою еталонних пружин чи динамометрів, і встановлюється залежність прискорення тіл від сил: a