惯性系和非惯性系

1、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” 力一一“惯性力”，可

2、以使牛顿运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

3、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

4、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) 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

5、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?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

6、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，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

7、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.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

8、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&

9、#39; =0结合两式可知，要使式成立，贝U：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

10、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：1. mg-ma,方向向下.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

11、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夕卜，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

12、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、板书设计中定例运动定推成立的琴t系.肃虬侦

13、性系相甘地面楠止成句速点线论动的物体.C X(1住-如以"仁成上的苍5任一慨件系枷1E【性才i;wm ihfin系t tiuj r地曲敝费建/动的啊伟, ( F= rua惯性般想力I,I与以"实力不同备课资料一、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(

14、实际情况大多数是在观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

15、惯性系：a. 研究地面上物体短暂时间内的过程.由于运动局限于有限空间，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F >G;当起重机匀加速下降（或匀减速上升）时，钢丝绳的拉力FvG.这

16、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F > G匀加速下降时，G-F=ma,所以F v G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