Задания 1–4 — Глава 2. § 20. Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона (закон инерции) утверждает, что существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно (или покоится), если на него не действуют другие тела (или их действия взаимно компенсируются). Тем самым закон отвечает на вопрос о движении свободного тела и одновременно служит определением инерциальной системы отсчёта: скорость тела сама по себе не меняется, изменить её может только взаимодействие с другими телами.

Инерциальной называют систему отсчёта, относительно которой свободное тело (на которое не действуют другие тела или действия скомпенсированы) сохраняет скорость, то есть покоится или движется прямолинейно и равномерно. В такой системе выполняются первый и второй законы Ньютона, а ускорение тела вызывается только действием на него других тел. Любая система отсчёта, движущаяся относительно инерциальной прямолинейно и равномерно, тоже инерциальна.

Это устанавливается только опытом. Надо взять тело, на которое практически не действуют другие тела (или их действия скомпенсированы: например, шарик на гладком горизонтальном столе, где притяжение Земли уравновешено опорой, а трение мало), и проследить, сохраняет ли оно скорость относительно данной системы. Если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, система инерциальна. Если же тело получает ускорение, хотя на него другие тела не действуют (маятник на вращающемся диске, шарик в вагоне, который разгоняется или тормозит), система неинерциальна.

Системы отсчёта, связанные с телами, которые движутся относительно Земли прямолинейно и равномерно (в частности, покоятся), также инерциальны, поскольку любая система, движущаяся относительно инерциальной без ускорения, инерциальна. Значит, в качестве тел отсчёта годятся, например, поезд или корабль, идущие по прямой с постоянной скоростью. Тела, движущиеся с ускорением (разгоняющийся, тормозящий, поворачивающий автомобиль, вращающийся диск), в качестве тел отсчёта для инерциальной системы не подходят.

Система отсчёта, связанная с автомобилем, инерциальна, если автомобиль движется относительно Земли прямолинейно и равномерно, то есть без ускорения. Разгон (вариант 2) и вкатывание на гору с замедлением (вариант 4) означают изменение модуля скорости, а движение по извилистой дороге (вариант 3) означает изменение направления скорости; во всех этих случаях ускорение не равно нулю.
Ответ: 1) движется равномерно по прямолинейному участку шоссе.

Это формулировка первого закона Ньютона. Закон выполняется не во всех системах отсчёта: он лишь утверждает существование инерциальных систем, а в неинерциальных (движущихся с ускорением) свободное тело само получает ускорение. Поэтому утверждение верно только в инерциальных системах отсчёта.
Ответ: 2) верно в инерциальных системах отсчёта.

Любая другая ИСО движется относительно данной с постоянной скоростью v⃗. Скорость частицы в новой системе по закону сложения скоростей равна v⃗₂ = 0 − v⃗ = −v⃗ = const (знак зависит от выбора системы). Если v⃗ = 0, частица покоится, в остальных случаях она движется равномерно и прямолинейно, ускорение равно нулю. Вариант 1 верен лишь при v = 0, вариант 2 не указывает на равномерность.
Ответ: 4) либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Пассажиры по инерции стремятся сохранить прежнюю скорость относительно земли. Если автобус начинает набирать скорость, его кузов уходит вперёд, а пассажиры относительно автобуса отклоняются назад. При торможении они отклонялись бы вперёд, при повороте налево или направо — в сторону, противоположную повороту.
Ответ: 4) начал набирать скорость.

Мяч сохраняет по инерции свою скорость относительно земли, а пол вагона получает ускорение. Если бы скорость поезда выросла, мяч откатился бы назад, если бы уменьшилась — вперёд, то есть по ходу движения, но не вбок. Откатывание влево означает, что вагон получил ускорение, направленное вправо, то есть поезд повернул вправо, а мяч продолжил двигаться прямо и сместился влево относительно пола.
Ответ: 3) поезд повернул вправо.