Этот урок пройдём вместе с семьёй в день покупок: пустая и полная тележка в супермаркете, автобус, резко тормозящий по дороге домой, и отец с сыном, отталкивающиеся на скейтбордах во дворе. Каждое явление сначала увидим в анимации, затем объясним и рассчитаем по трём законам Ньютона и применим в заданиях ГЭЦ.
≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 4материал 7 и 10 классовВ субботу семья приходит в супермаркет. Мама слегка толкает пустую тележку — с силой около 20 Н, — и тележка массой 10 кг легко разгоняется. Пол гладкий, колёса хорошо крутятся, трением можно пренебречь.
К концу покупок в тележке 30 кг продуктов, её масса стала 40 кг. Мама толкает её с той же силой 20 Н. Вопрос: во сколько раз ускорение полной тележки меньше ускорения пустой?
Для сравнения обе тележки пущены одновременно от одной линии.Сначала предположиКак ты думаешь, во сколько раз меньше ускорение полной тележки? Ответ рассчитаем в 3-й главе.
Ответ на этот вопрос — во втором законе Ньютона. Но сначала надо понять: как движется тело без сил, что такое масса и как складываются несколько сил. День покупок одной семьи — супермаркет, автобус, двор — ответит на эти вопросы шаг за шагом.
Глава 1Семья возвращается из магазина на автобусе. Автобус равномерно едет по прямой со скоростью 36 км/ч (10 м/с). В проходе, в 5 м от передней стенки, спокойно лежит мяч ребёнка.
Вдруг водитель тормозит: автобус замедляется с ускорением 2,5 м/с². Стоящего пассажира бросает вперёд, а мяч, хотя его никто не трогал, начинает катиться вперёд. Вопрос: что привело мяч в движение и через сколько секунд он докатится до передней стенки?
Столбы за окном показывают скорость автобуса: при торможении они замедляются.Древнегреческий философ Аристотель считал, что для движения телу нужно постоянное воздействие. Галилей опытами показал, что это не так: чем меньше трение, тем дальше катится толкнутое тело. Без воздействий тело сохраняло бы скорость вечно.
ИнерцияСвойство тела сохранять свою скорость называют инертностью. Явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия других тел (или при их компенсации) — явление инерции.
Первый закон НьютонаСуществуют такие системы отсчёта, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или их действия скомпенсированы. Такие системы называют инерциальными системами отсчёта (ИСО).
Систему, связанную с Землёй, на практике считают инерциальной. Любая система, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, тоже инерциальна. Системы, движущиеся с ускорением, — разгоняющийся или тормозящий автобус, поезд на повороте, вращающаяся карусель, — не инерциальны: в них тела получают ускорение без всяких сил.
Анимация · торможение в двух системахВверху относительно земли: на мяч не действуют горизонтальные силы, и он сохраняет скорость 10 м/с, а автобус замедляется, и мяч «догоняет» стенку. Внизу относительно автобуса: мяч движется вперёд с ускорением 2,5 м/с², хотя его никто не трогает, — тормозящий автобус не инерциальная система.ИсторияМяч ничто не толкало — по инерции он сохранил прежнюю скорость 10 м/с относительно земли, а автобус под ним «затормозил». Относительно автобуса мяч движется вперёд с ускорением 2,5 м/с²: 5 = 2,5·t²/2, откуда t = 2 с. Наклон пассажира вперёд — тоже инерция: ноги тормозят вместе с автобусом, а тело стремится сохранить скорость.
Пример 1Система, связанная с каким поездом, инерциальна: а) стоящим на станции; б) идущим по прямой с постоянной скоростью 72 км/ч; в) разгоняющимся от станции; г) поворачивающим на закруглении с постоянной по модулю скоростью?
В обоих случаях вектор скорости не меняется, ускорение равно нулю.
Поэтому пассажиров на повороте «прижимает» к стенке.
Даны графики движения тел относительно Земли. С какими телами связанная система отсчёта является инерциальной?
Рисунок меняется вместе с шагами.A) только I и VB) I, III, VC) I, II, IVD) только IV и VIE) II, III, VIЗемля считается инерциальной системой; система, движущаяся относительно неё без ускорения, тоже инерциальна.
Это же задание было и на экзамене 07.06.2026, IV группа специальностей (A69).
Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)Система отсчёта, связанная с телами, которые относительно Земли либо покоятся (I), либо движутся прямолинейно и равномерно (II и IV), является инерциальной.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
В поезде, идущем по прямой с постоянной скоростью, пассажир подбрасывает мяч вертикально вверх. На сколько метров от его руки упадёт мяч?
Поезд — инерциальная система: в нём всё происходит так же, как в стоящем поезде.
Глава 2Полную тележку сдвинуть труднее, чем пустую: её инертность больше. Мера инертности тела — масса.
Масса и плотностьМассаm — мера инертности тела; единица — 1 кг. При одинаковом воздействии скорость тела большей массы меняется меньше. Плотность — масса единицы объёма вещества: ρ = m/V; единица — 1 кг/м³ (1 г/см³ = 1000 кг/м³). Например, вода — 1000 кг/м³, алюминий — 2700 кг/м³, железо — 7800 кг/м³.
Пример 2Масса мёда в купленной в супермаркете литровой банке — 1,4 кг. Найдите плотность мёда.
Мёд в 1,4 раза плотнее воды — поэтому тонет в ней.
СилаF→ — мера взаимодействия тел, векторная величина: у неё есть модуль, направление и точка приложения. Единица — 1 Н (ньютон). Если на тело действуют несколько сил, сила, заменяющая их действие, — их векторная сумма — называется равнодействующей: F→ = F→₁ + F→₂ + ….
Сложение силДля двух сил: в одном направлении — R = F₁ + F₂; в противоположных — R = |F₁ − F₂|; перпендикулярно — R = √(F₁² + F₂²); под произвольным углом α (правило параллелограмма):
R² = F₁² + F₂² + 2F₁F₂·cos α
Анимация · равнодействующая двух силС ростом угла между силами равнодействующая уменьшается: при 0° — 70 Н, при 90° — 50 Н, при 180° — 10 Н. Равнодействующая никогда не больше F₁ + F₂ и не меньше |F₁ − F₂|.Пример 3Отец и сын тянут тяжёлый ящик двумя верёвками: отец с силой 40 Н на север, сын с силой 30 Н на восток. Найдите равнодействующую. А если оба тянут на восток? А в противоположные стороны?
Параллелограмм — прямоугольник, равнодействующая — его диагональ (треугольник 3–4–5).
Алюминиевая деталь массой 540 г имеет объём 200 см³. Найдите плотность алюминия в кг/м³.
540 г : 200 см³ = 2,7 г/см³; 1 г/см³ = 1000 кг/м³.
Глава 3Опыт показывает: если силу, действующую на одно и то же тело, увеличить в 2 раза, ускорение тоже вырастет в 2 раза; одна и та же сила вдвое более тяжёлому телу сообщает вдвое меньшее ускорение. Оба вывода объединяет одна формула.
Второй закон НьютонаВ инерциальной системе отсчёта ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, действующих на него, обратно пропорционально массе тела и направлено так же, как равнодействующая: a→ = F→/m. 1 Н — сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с²: 1 Н = 1 кг·м/с².
F→ = ma→
Внимание: во II законе F — равнодействующая всех сил. Если она равна нулю, ускорение тоже равно нулю — I закон выглядит частным случаем II, но именно он задаёт системы, в которых II закон верен (инерциальные).
Анимация · одна сила — разные массыОдна и та же сила 40 Н: тело массой 5 кг получает ускорение 8 м/с², тело массой 10 кг — 4 м/с². За 2 с первое проходит 16 м, второе — 8 м. При постоянной силе a·m = F постоянно — график a(m) является гиперболой.Пример 4Задача из истории: на тележку действует сила 20 Н. Пустая тележка — 10 кг, полная — 40 кг. Найдите и сравните ускорения. Какую скорость наберёт полная тележка за 3 с?
При одной силе ускорения обратно пропорциональны массам.
Ответ на вопрос из супермаркета: масса выросла в 4 раза — ускорение уменьшилось в 4 раза. Поэтому полную тележку труднее и сдвинуть, и остановить: чтобы набрать или потерять ту же скорость, нужно в 4 раза больше времени или в 4 раза большая сила.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025Дан график зависимости ускорения, которое получают разные тела под действием постоянной силы, от их массы. Вычислите значение этой силы.
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 40 НB) 20 НC) 30 НD) 10 НE) 50 НСила постоянна, поэтому любая точка графика должна давать одну и ту же F.
Это же задание было и на экзамене 01.06.2025, IV группа специальностей (A63).
Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)Взяв из графика значение ускорения, которое тело определённой массы получает под действием постоянной силы,и подставив его во второй закон Ньютона, можно вычислитьзначение этой силы: F = ma = 5 · 8 = 40НИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026
Даны графики зависимости ускорений двух прямолинейно движущихся тел (1 и 2) от действующих на них равнодействующих сил. Вычислите ускорение (в м/с²), которое сила 90 Н сообщит телу массой m=2m₁+5m₂.
Рисунок меняется вместе с шагами.Чем круче прямая, тем меньше масса.
Это же задание было и на экзамене 12.07.2026, IV группа специальностей (A85).
Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)С помощью второго закона Ньютона вычисляются массы тел: m₁ = F₁/a₁ = 12Н/(6 м/с²) = 2кг ,m₂ = F₂/a₂ = 12Н/(12 м/с²) = 1кг .Так как m = 2m₁ + 5m₂ = 9кг,получаем a = F/m = 90Н/9кг = 10 м/с².Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)
Теперь проверь сам: меняй силу и массу и смотри, как меняется ускорение.
Лаборатория · меняй силу и массуАнимация · второй закон Ньютонасила F20 Нмасса m10 кгУвеличь силу в 2 раза — ускорение вырастет в 2 раза; увеличь массу в 2 раза — ускорение уменьшится в 2 раза. Трение не учитывается.Проверь себяНа тело массой 4 кг действуют силы 2 Н и 10 Н в противоположных направлениях. Найдите ускорение тела (м/с²).
Сначала равнодействующая: 10 − 2 = 8 Н.
Глава 4II закон — векторное равенство: ускорение всегда направлено как равнодействующая, а скорость может быть направлена как угодно. Подброшенный мяч летит вверх, но сила тяжести и его ускорение направлены вниз. При равномерном движении по окружности ускорение направлено к центру (a = υ²/R), значит, и равнодействующая должна быть направлена к центру.
II закон при движении по окружностиРавнодействующая сил, действующих на тело, равномерно движущееся по окружности, направлена к центру и перпендикулярна скорости; её модуль:
F = mυ²/R = mω²R = 2πmυ/T
Анимация · шайба на нити на льдуСила натяжения нити (красная) в каждый момент направлена к центру и перпендикулярна скорости (зелёной): она не разгоняет шайбу, а лишь поворачивает направление её движения.Пример 5Автомобиль массой 1000 кг проходит закругление радиусом 50 м с постоянной скоростью 10 м/с. Найдите равнодействующую сил, действующих на автомобиль. Как она изменится, если скорость увеличить вдвое?
Эту силу создаёт трение шин о дорогу; на мокрой дороге его может не хватить — поэтому в поворотах снижают скорость.
Каким выражением определяется модуль равнодействующей сил, действующих на тело при равномерном движении по окружности (m – масса тела, T – период вращения, v – скорость)?
A) Tm/(2πv²)B) 2πT/(mv)C) mv/(2πT)D) 2πvm/TE) 2πm/(Tv²)За один оборот тело проходит путь 2πR за время T.
Проверка единиц помогает быстро отсеять варианты.
Это же задание было и на экзамене 13.07.2025, IV группа специальностей (A64).
Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)Модуль равнодействующей сил, действующих на тело приравномерном движении по окружности: F = ma = 2πυm/T .Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
Девочка массой 30 кг сидит на карусели в 4 м от центра, карусель делает оборот за 8 с. Найдите равнодействующую силу, действующую на девочку (Н; π² ≈ 9,87).
F = m·4π²R/T² = 30·4·9,87·4/64.
Глава 5Разложив покупки дома, сын (30 кг) и отец (75 кг) катаются во дворе на скейтбордах. Встав лицом друг к другу, они упираются ладонями и отталкиваются: толчок длится 0,4 с.
Сын говорит: «Я слабее, значит, папа толкнёт меня сильнее». Вопрос: на кого подействует бо́льшая сила, кто откатится быстрее и во сколько раз?
Трение не учитывается. Красные стрелки — сила, действующая на каждого во время толчка.Сила всегда — результат взаимодействия двух тел: когда рука давит на стену, стена давит на руку; Земля притягивает яблоко, а яблоко — Землю. Между этими действиями есть простая и точная связь.
Третий закон НьютонаДва тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными вдоль одной прямой в противоположные стороны. Эти силы одной природы и приложены к разным телам, поэтому не уравновешивают друг друга.
F→₁₂ = −F→₂₁
Анимация · две лодки и верёвкаВерёвка действует на обе лодки одинаковой силой 60 Н. Лёгкая лодка получает втрое большее ускорение и до встречи проходит втрое больший путь: 4,5 м и 1,5 м. При встрече обе останавливаются: в каждый момент их импульсы равны по модулю и противоположны.Пример 6Задача из истории: сын (30 кг) и отец (75 кг) в течение 0,4 с отталкиваются силой 150 Н. Найдите ускорение каждого и скорость после толчка.
Кто «сильнее», а кто «слабее» — на равенство сил не влияет: они действуют друг на друга одинаково.
Сын ошибался: отец толкнул его, а он отца, с одинаковой силой. Но одна и та же сила сообщила лёгкому сыну в 2,5 раза большее ускорение, поэтому он и откатился в 2,5 раза быстрее. Отец смеётся: «Силы были равны, массы — нет!»
Знаменитый парадокс «лошадь и телега»: с какой силой лошадь тянет телегу, с такой же телега тянет лошадь назад, почему же они едут? Потому что эти силы приложены к разным телам. Движение лошади определяется разностью силы трения, с которой земля действует на её копыта, и силы, с которой телега тянет её назад.
Проверь себяЗемля притягивает яблоко массой 200 г с силой 2 Н. С какой силой (Н) яблоко притягивает Землю?
III закон: силы равны по модулю; различаются ускорения.
ИтогиСила нужна не для поддержания скорости, а для её изменения. Без сил тело движется по инерции.
Сила всегда направлена по скоростиСила направлена по ускорению. На летящий вверх мяч сила тяжести действует вниз, при движении по окружности — к центру.
Силы действия и противодействия уравновешивают друг другаОни приложены к разным телам. Уравновешиваться могут только силы, приложенные к одному телу.
Тяжёлое (сильное) тело действует на лёгкое с большей силойСилы взаимодействия всегда равны; различаются ускорения: a₁/a₂ = m₂/m₁.
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1Система, связанная с каким телом, инерциальна?
Инерциальна система без ускорения (равномерное прямолинейное движение).
2 · Уровень 1На тело массой 2 кг действует равнодействующая 10 Н. Ускорение:
a = F/m = 10/2 = 5.
3 · Уровень 2К одной точке приложены силы 6 Н и 8 Н под прямым углом. Равнодействующая:
√(36 + 64) = 10.
4 · Уровень 2Масса алюминиевой детали объёмом 0,002 м³ (ρ = 2700 кг/м³):
m = ρV = 2700·0,002 = 5,4.
5 · Уровень ГЭЦОдна и та же сила сообщает телу массой m₁ ускорение 6 м/с², телу массой m₂ — 3 м/с². Какое ускорение она сообщит обоим телам, скреплённым вместе?
m₁ = F/6, m₂ = F/3; a = F/(F/6 + F/3) = 1/(1/2) = 2 м/с².
6 · Уровень ГЭЦДва спортсмена тянут верёвку в противоположные стороны, каждый с силой 400 Н; верёвка неподвижна. Сила натяжения верёвки:
Натяжение в каждой точке верёвки 400 Н: если заменить одного спортсмена стеной, стена тоже тянет с силой 400 Н (III закон).
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.