Сегодня мы поговорим о систематическом изучении физики и первом ее разделе - механике. Физика изучает разные виды изменений или процессов, происходящих в природе, а какие процессы в первую очередь интересовали наших предков? Конечно, это процессы, связанные с движением. Им было интересно, долетит ли копье, которое они бросили, и попадет ли оно в мамонта; им было интересно, успеет ли гонец с важной вестью добежать до заката к соседней пещере. Все эти виды движения и вообще механическое движение как раз и изучает раздел, который называется механика.
Куда бы мы ни посмотрели - вокруг нас масса примеров механического движения: что-то вращается, что-то прыгает вверх-вниз, что-то движется вперед-назад, а другие тела могут находиться в состоянии покоя, которое тоже является примером механического движения, скорость которого равна нулю.
Определение
Механическим движением называется изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени (рис. 1).
Рис. 1. Механическое движение
Как физика делится на несколько разделов, так и механика имеет свои разделы. Первый из них называется кинематика. Раздел механики кинематика отвечает на вопрос, как движется тело. Прежде чем начать работать над изучением механического движения, необходимо определить и выучить основные понятия, так называемую азбуку кинематики. На уроке мы научимся:
Выбирать систему отсчета для изучения движения тела;
Упрощать задачи, мысленно заменяя тело материальной точкой;
Определять траекторию движения, находить путь;
Различать виды движений.
В определении механического движения особое значение имеет выражение относительно других тел . Нам всегда необходимо выбрать так называемое тело отсчета, то есть тело, относительно которого мы будем рассматривать движение исследуемого нами объекта. Простой пример: подвигайте рукой и скажите - движется ли она? Да, конечно, по отношению к голове, но по отношению к пуговице на вашей рубашке она будет недвижима. Поэтому выбор отсчета очень важен, ведь относительно некоторых тел движение совершается, а относительно других тел движения не происходит. Чаще всего телом отсчета выбирают тело, которое всегда есть под руками, точнее под ногами, - это наша Земля, которая является телом отсчета в большинстве случаев.
Издавна ученые спорили о том, Земля ли вращается вокруг Солнца или Солнце вращается вокруг Земли. На самом деле, с точки зрения физики, с точки зрения механического движения это всего лишь спор о теле отсчета. Если телом отсчета считать Землю, то да - Солнце вращается вокруг Земли, если телом отсчета считать Солнце - то Земля вращается вокруг Солнца. Поэтому тело отсчета - это важное понятие.
Как же описывать изменение положения тела?
Чтобы точно задать положение интересующего нас тела относительно тела отсчета, надо связать с телом отсчета систему координат (рис. 2).
При движении тела координаты меняются, а для того чтобы описать их изменение, нам необходим прибор для измерения времени. Чтобы описывать движение, нужно иметь:
Тело отсчета;
Связанную с телом отсчета систему координат;
Прибор для измерения времени (часы).
Все эти объекты составляют вместе систему отсчета. До тех пор пока мы не выбрали систему отсчета, не имеет смысла описывать механическое движение - мы не будем уверены в том, как движется тело. Простой пример: чемодан, лежащий на полке в купе поезда, который движется, для пассажира просто покоится, а для человека, стоящего на перроне, движется. Как мы видим, одно и то же тело и движется, и покоится, вся проблема в том, что системы отсчета различны (рис. 3).
Рис. 3. Различные системы отчета
Зависимость траектории от выбора системы отсчета
Ответим на интересный и важный вопрос, зависит ли форма траектории и пройденный телом путь от выбора системы отсчета. Рассмотрим ситуацию, когда есть пассажир поезда, радом с которым на столе стоит стакан с водой. Какой же будет траектория стакана в системе отчета, связанной с пассажиром (телом отсчета является пассажир)?
Конечно, относительно пассажира стакан неподвижен. Это значит, что траектория является точкой, а перемещение равно (рис. 4).
Рис. 4. Траектория стакана относительно пассажира в поезде
Какой же будет траектория стакана относительно пассажира, который ожидает поезда на перроне? Для этого пассажира будет казаться, что стакан движется по прямой линии и у него ненулевой путь (рис. 5).
Рис. 5. Траектория стакана относительно пассажира на перроне
Из вышесказанного можно сделать вывод, что траектория и путь зависят от выбора системы отсчета.
Для того чтобы описывать механическое движение, в первую очередь необходимо определиться с системой отсчета.
Движение изучается нами для того, чтобыпредсказать, где окажется тот или иной объект в необходимый момент времени. Основная задача механики - определить положение тела в любой момент времени. Что же значит описать движение тела?
Рассмотрим пример: автобус едет из Москвы в Санкт-Петербург (рис. 6). Важны ли нам размеры автобуса по сравнению с расстоянием, которое он преодолеет?
Рис. 6. Движение автобуса из Москвы в Санкт-Петербург
Конечно же, размерами автобуса в данном случае можно пренебречь. Мы можем описывать автобус как одну движущуюся точку, по-другому ее называют материальной точкой.
Определение
Тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь, называют материальной точкой.
Одно и то же тело, в зависимости от условий задачи, может быть или не быть материальной точкой. При перемещении автобуса из Москвы в Санкт-Петербург автобус можно считать материальной точкой, ведь его размеры несопоставимы с расстоянием между городами. Но если в салон автобуса влетела муха и мы хотим исследовать ее движение, тогда в этом случае нам важны размеры автобуса, и он уже не будет являться материальной точкой.
Чаще всего в механике мы будем изучать именно движение материальной точки. При своем перемещении материальная точка последовательно проходит положение вдоль некоторой линии.
Определение
Линия, вдоль которой движется тело (или материальная точка), называется траекторией движения тела (рис. 7).
Рис. 7. Траектория точки
Иногда мы наблюдаем траекторию (например, процесс выставления оценки за урок), но чаще всего траектория - это какая-то воображаемая линия. При наличии средств измерения мы можем замерить длину траектории, вдоль которой двигалось тело, и определим величину, которая называется путь (рис. 8).
Определение
Путь , пройденный телом за некоторое время, - это длина участка траектории .
Рис. 8. Путь
Разделяют два основных вида движения - это прямолинейное и криволинейное движение.
Если траектория тела - это прямая линия, то движение называется прямолинейным. Если тело движется по параболе или по любой другой кривой - мы говорим о криволинейном движении. При рассмотрении движения не просто материальной точки, а движения реального тела различают еще два вида движения: поступательное движение и вращательное движение.
Поступательное и вращательное движение. Пример
Какие же движения называются поступательными, а какие - вращательными? Рассмотрим этот вопрос на примере колеса обозрения. Как движется кабина колеса обозрения? Отметим две произвольные точки кабины и соединим их прямой. Колесо вращается. Через некоторое время отметим те же точки и соединим их. Полученные прямые будут лежать на параллельных прямых (рис. 9).
Рис. 9. Поступательное движение кабины колеса обозрения
Если прямая, проведенная через любые две точки тела, при движении остается параллельной сама себе, то такое движение называют поступательным .
В противном случае мы имеем дело с вращательным движением. Если бы прямая не была параллельной сама тебе, то пассажир, скорее всего, вывалился бы из кабины колеса (рис. 10).
Рис. 10. Вращательное движение кабины колеса
Вращательным называют такое движение тела, при котором его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. Прямая, соединяющая центры окружностей, называется осью вращения .
Очень часто нам приходится сталкиваться с комбинацией поступательного и вращательного движения, так называемым поступательно-вращательным движением. Самый простой пример такого движения - это движение прыгуна в воду (рис. 11). Он выполняет вращение (сальто), но при этом центр его масс поступательно движется в направлении воды.
Рис. 11. Поступательно-вращательное движение
Мы сегодня изучили азбуку кинематики, то есть основные, самые важные понятия, которые в дальнейшем позволят нам перейти к решению главной задачи механики - определению положения тела в любой момент времени.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.
- Интернет-портал «Av-physics.narod.ru» ().
- Интернет-портал «Rushkolnik.ru» ().
- Интернет-портал «Testent.ru» ().
Домашнее задание
Подумайте, что является телом отсчета, когда мы говорим:
- книга неподвижно лежит на столике в купе движущегося поезда;
- стюардесса после взлета проходит по пассажирскому салону самолета;
- Земля вращается вокруг своей оси.
В самом начале изучения механического движения подчеркивался его относительный характер. Движение можно рассматривать в разных системах отсчета. Конкретный выбор системы отсчета диктуется соображениями удобства: ее следует выбирать так, чтобы изучаемое движение и его закономерности выглядели как можно проще.
Движение в разных системах отсчета. Для перехода от одной системы отсчета к другой необходимо знать, какие характеристики движения остаются неизменными, а какие при таком переходе изменяются и каким образом.
Начнем со времени. Опыт показывает, что, пока речь идет о движениях, происходящих со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, время «течет» одинаково во всех системах отсчета и в этом смысле может считаться абсолютным. Это значит, что промежуток времени между двумя событиями одинаков при его измерении в любой системе отсчета.
Перейдем к пространственным характеристикам. Положение частицы, определяемое ее радиусом-вектором изменяется при переходе к другой системе отсчета. Однако относительное пространственное расположение двух событий при этом не меняется и в этом смысле является абсолютным. Например, от выбора системы отсчета не зависят относительное положение двух частиц в какой-то один момент времени, задаваемое разностью их радиусов-векторов пространственные размеры твердых тел и т. п.
Таким образом, согласно классическим представлениям нерелятивистской физики промежутки времени и пространственные расстояния между одновременными событиями абсолютны. Эти представления, как выяснилось после создания теории относительности, справедливы лишь при сравнительно медленных движениях систем отсчета. В теории относительности представления о пространстве и времени претерпели существенные изменения. Однако новые релятивистские представления, пришедшие на смену классическим, переходят в них в предельном случае медленных движений.
Рассмотрим теперь изменение скорости движения частицы при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой. Вопрос этот тесно связан с принципом независимости перемещений, обсуждавшимся в § 5. Вернемся к примеру с
переправой на пароме через фиорд, когда паром движется поступательно относительно берегов. Обозначим вектор перемещения пассажира относительно берегов (т. е. в системе отсчета, связанной с землей) через а его перемещение относительно парома (т. е. в системе отсчета, связанной с паромом) - через Перемещение самого парома относительно земли за то же время обозначим через Тогда
Разделив это равенство почленно на время в течение которого эти перемещения произошли, и перейдя к пределу при получим аналогичное (1) соотношение для скоростей:
где - скорость пассажира относительно земли, V - скорость парома относительно земли, скорость пассажира относительно парома. Выражаемое равенством (2) правило сложения скоростей при одновременном участии тела в двух движениях можно трактовать как закон преобразования скорости тела при переходе от одной системы отчета к другой. В самом деле, и - это скорости пассажира в двух разных системах отсчета, скорость одной из этих систем (парома) относительно другой (земли).
Таким образом, скорость тела в какой-либо системе отсчета равна векторной сумме скорости этого тела в другой системе отсчета и скорости V этой второй системы отсчета относительно первой. Отметим, что выражаемый формулой (2) закон преобразования скоростей справедлив только для сравнительно медленных (нерелятивистских) движений, так как его вывод опирался на представление об абсолютном характере промежутков времени (значение считалось одинаковым в двух системах отсчета).
Относительная скорость и ускорение. Из формулы (2) следует, что относительная скорость двух частиц одинакова во всех системах отсчета. В самом деле, при переходе к новой системе отсчета к скорости каждой из частиц прибавляется один и тот же вектор V скорости системы отсчета. Поэтому разность векторов скоростей частиц при этом не изменяется. Относительная скорость частиц абсолютна!
Ускорение частицы в общем случае зависит от системы отсчета, в которой рассматривается ее движение. Однако ускорение в двух системах отсчета одинаково, когда одна из них движется равномерно и прямолинейно относительно другой. Это сразу следует из формулы (2) при
При изучении конкретных движений или решении задач можно использовать любую систему отсчета. Разумный выбор системы отсчета может существенно облегчить получение необходимого
результата. В рассмотренных до сих пор примерах исследования движений этот вопрос не заострялся - выбор системы отсчета как бы навязывался самим условием задачи. Однако во всех случаях, даже когда выбор системы отсчета на первый взгляд очевиден, полезно задуматься о том, какая система отсчета действительно окажется оптимальной. Проиллюстрируем это на следующих задачах.
Задачи
1. Вниз и вверх по течению. Моторная лодка плывет вниз по течению с постоянной скоростью. В некотором месте с лодки в воду падает запасное весло. Через время мин потеря обнаруживается и лодка поворачивает обратно. Какова скорость течения реки, если весло было подобрано на расстоянии км ниже по течению от места потери?
Решение. Выберем систему отсчета, связанную с движущейся водой. В этой системе отсчета вода неподвижна и весло все время лежит в том месте, куда оно упало. Лодка сначала удаляется от этого места в течение времени затем поворачивает обратно. Обратный путь к веслу займет такое же время так как скорость лодки относительно воды не зависит от направления движения. За все это время течение сносит весло на расстояние относительно берегов. Поэтому скорость течения мин
Чтобы убедиться в том, насколько удачный выбор системы отсчета облегчает здесь получение ответа на поставленный вопрос, решите эту задачу в системе отсчета, связанной с землей.
Обратим внимание на то, что приведенное решение не претерпевает изменений, если лодка плывет по широкой реке не вниз по течению, а под некоторым углом к нему: в системе отсчета, связанной с движущейся водой, все происходит, как в озере, где вода неподвижна. Легко сообразить, что на обратном пути нос лодки следует направить прямо на плывущее весло, а не на то место, где его уронили в воду.
Рис. 58. Движение автомобилей по пересекающимся дорогам
2. Перекресток дорог. Две автомобильные дороги пересекаются под прямым углом (рис. 58). Движущийся по одной из них со скоростью автомобиль А находится на расстоянии от перекрестка в тот момент, когда его пересекает автомобиль В, движущийся со скоростью по другой дороге. В какой момент времени расстояние между автомобилями по прямой будет минимальным? Чему оно равно? Где в этот момент находятся автомобили?
Решение. В этой задаче удобно связать систему отсчета с одним из автомобилей, например со вторым. В такой системе отсчета второй автомобиль неподвижен а скорость первого равна его скорости относительно второго, т. е. разности (рис. 59):
Движение первого автомобиля относительно второго происходит по прямой направленной вдоль вектора V,. Поэтому искомое кратчайшее расстояние между автомобилями равно длине перпендикуляра опущенного из точки В на прямую Рассматривая подобные треугольники на рис. 59, имеем
Время сближения автомобилей до этого расстояния можно найти, разделив длину катета на скорость первого автомобиля относительно второго:
Рис. 59. Скорости в системе отсчета, связанной с одним из автомобилей
Положения автомобилей в этот момент времени можно найти, сообразив, что в исходной системе отсчета, связанной с землей, второй автомобиль уедет от перекрестка на растояние, равное
Первый автомобиль за это время приблизится к перекрестку на расстояние
3. Встречные поезда. Два поезда одинаковой длины движутся навстречу друг другу по параллельным путям с одинаковой скоростью В момент, когда кабины тепловозов поравнялись друг с другом, один из поездов начинает тормозить и движется дальше с постоянным ускорением. Он останавливается спустя время как раз в тот момент, когда поравнялись хвосты поездов. Найдите длину поезда.
Решение. Свяжем систему отсчета с равномерно движущимся поездом. В этой системе он неподвижен, а встречный поезд в начальный момент имеет скорость Движение второго поезда и в этой системе отсчета будет равнозамедленным. Поэтому средняя скорость движения тормозящего поезда равна Пройденный за время торможения путь (относительно первого поезда) равен общей длине двух поездов, т. е. 21. Поэтому
откуда находим
Обратим внимание на то, что в этой задаче переход в движущуюся систему отсчета использовался для рассмотрения неравномерного движения тела, однако движение самой системы отсчета было равномерным. Следующие задачи
показывают, что иногда бывает удобно переходить в ускоренно движущуюся систему отсчета.
4. «Охотник и обезьянка». При стрельбе по горизонтально движущейся цели опытный охотник прицеливается с некоторым «упреждением», поскольку за время полета дроби цель успевает переместиться на некоторое расстояние. Куда он должен целиться при стрельбе по свободно падающей мишени, если выстрел производится одновременно с началом ее падения?
Решение. Выберем систему отсчета, связанную со свободно падающей мишенью. В этой системе отсчета мишень неподвижна, а дробинки летят равномерно и прямолинейно со скоростью приобретаемой в момент выстрела. Так происходит потому, что свободное падение всех тел в системе отсчета, связанной с землей, происходит с одинаковым ускорением
В системе отсчета, свободно падающей с ускорением где мишень неподвижна, а дробинки летят прямолинейно, становится очевидным, что целиться нужно точно в мишень. Этот факт не зависит от значения начальной скорости дробинок - она может быть любой. Но при слишком малой начальной скорости дробинки могут просто не успеть долететь до мишени, пока она находится в свободном падении. Если мишень падает с высоты , а начальное расстояние до нее по прямой равно то, как легко убедиться, должно быть выполнено неравенство
откуда и получается ограничение на начальную скорость дробинок:
При меньшей начальной скорости дробинки упадут на землю раньше мишени.
5. Граница достижимых целей. В предыдущем параграфе была найдена граница простреливаемой области при заданном значении начальной скорости Все рассуждения проводились в системе отсчета, связанной с Землей. Найдите эту границу, рассматривая движение в свободно падающей системе отсчета. которая «падает» с ускорением свободного падения Ее уравнение имеет вид
На самом деле это уравнение целого семейства окружностей: придавая разные значения, получаем окружности, на которых находятся частицы в различные моменты времени. Искомая граница - это огибающая такого семейства окружностей (рис. 60). Очевидно, что высшая ее точка лежит над точкой вылета частиц.
Будем искать границу следующим образом. Заметим, что вылетевшие в один и тот же момент времени частицы достигают границы в разные моменты времени: граница касается разных окружностей.
Рис. 60. Граница достижимых целей как огибающая семейства окружностей
Проведя горизонтальную прямую на некотором уровне у, найдем на ней наиболее удаленную от оси ординат точку, которой еще достигают частицы, не задумываясь о том, какой окружности эта точка принадлежит. Абсцисса х этой точки, очевидно, удовлетворяет уравнению (3) семейства окружностей. Переписав его в виде
Какие из кинематических величин изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, а какие остаются неизменными?
Объясните, почему относительная скорость двух частиц одинакова во всех системах отсчета.
Приведите аргументы, свидетельствующие о том, что классический закон преобразования скорости при переходе от одной системы отсчета к другой опирается на представление об абсолютном характере времени.
Каким должно быть относительное движение двух систем отсчета, чтобы при переходе от одной из них к другой ускорение частицы изменялось?
Механическое движение - это изменение, происходящее с течением времени, взаимного расположения тел в пространстве.
Примером может служить движение транспортных средств, летательных аппаратов и даже колебания земной коры.
Виды механического движения:
- поступательное механическое движение;
- вращательное механическое движение;
- колебательное механическое движение.
При поступательном движении все точки тела совершают одинаковые движения. Если провести любую прямую в теле при его движении, то она останется параллельной самой себе. Например, такое движение происходит при использовании лифта.
При вращательном движении точки тела будут описывать окружность. Например, в составе генератора есть ротор, который описывает окружность относительно оси этого ротора.
Ротор
При колебательном движении точки тела совершают движение, то вверх, то вниз. Этот вид движения можно рассмотреть на примере обычно пружины и груза. Для этого на пружину надо привязать груз, и она начнет совершать колебательное движение.
Колебательное движение на примере пружины
Относительность механического движения и понятие системы отсчета
Понятие «относительность механического движения » подразумевает, что какое-то тело может покоиться относительно одних тел, но совершать движение относительно других тел. Из-за этого важно указать, говоря, что тело движется или покоится, относительно чего рассматривается состояние. Например, лодка неподвижна относительно воды, но движется относительно берега.
Поэтому и надо указывать относительно какого тела движется или покоится предмет.
В разных системах отсчета скорости тел будут неодинаковы.
Система отсчета - это система, объединяющая тело отсчета, связанную с ними отсчета и прибор для измерения времени.
1. Прибор для измерения времени2. Система отсчета
3. Тело отсчета
Например, если человек будет двигаться в поезде, то скорость его будет разной и зависеть будет от системы отсчета, относительно которой мы будем рассматривать движение, а именно, от системы отсчета, связанной с неподвижной Землей или от системы отсчета поезда.
Стоит отметить, что в разных системах отсчета различными будут еще и траектории движения тела. Примером могут служить капли дождя, которые на землю падают вертикально, а на окне мчащейся машины они будут оставлять след в виде косых струй.
Путь в разных системах отсчета тоже будет различным. В этом можно убедиться на примере пассажира, который сидит в автобусе. Так путь, который он проделал относительно автобуса во время поездке равен практически 0, а вот относительно Земли он преодолел сравнительно больший путь.
Немного об относительности скорости
Допустим, что в одной системе отсчета совершают движение два тела со скоростями V1 и V2. В этом случае, чтобы узнать скорость первого тела относительно второго, необходимо найти разность скоростей:
Это справедливо только в том случае, если тела движутся в одном направлении, а вот при встречном движении необходимо скорости складывать
Можно ли быть неподвижным и при этом двигаться быстрее автомобиля Формулы 1? Оказывается, можно. Любое движение зависит от выбора системы отсчета, то есть любое движение относительно. Тема сегодняшнего урока: «Относительность движения. Закон сложения перемещений и скоростей». Мы узнаем, как выбрать систему отсчета в том или ином случае, как при этом найти перемещение и скорость тела.
Механическим движением называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. В этом определении ключевой является фраза «относительно других тел». Каждый из нас относительно какой-либо поверхности неподвижен, но относительно Солнца мы совершаем вместе со всей Землей орбитальное движение со скоростью 30 км/с, то есть движение зависит от системы отсчета.
Система отсчета - совокупность системы координат и часов, связанных с телом, относительно которого изучается движение. Например, описывая движения пассажиров в салоне автомобиля, систему отсчета можно связать с придорожным кафе, а можно с салоном автомобиля или с движущимся встречным автомобилем, если мы оцениваем время обгона (рис. 1).
Рис. 1. Выбор системы отсчета
Какие же физические величины и понятия зависят от выбора системы отсчета?
1. Положение или координаты тела
Рассмотрим произвольную точку . В различных системах она имеет разные координаты (рис. 2).
Рис. 2. Координаты точки в разных системах координат
2. Траектория
Рассмотрим траекторию точки, находящейся на пропеллере самолета, в двух системах отсчета: системе отсчета, связанной с пилотом, и системе отсчета, связанной с наблюдателем на Земле. Для пилота данная точка будет совершать круговое вращение (рис. 3).
Рис. 3. Круговое вращение
В то время как для наблюдателя на Земле траекторией данной точки будет винтовая линия (рис. 4). Очевидно, что траектория зависит от выбора системы отсчета.
Рис. 4. Винтовая траектория
Относительность траектории. Траектории движения тела в различных системах отсчета
Рассмотрим, как меняется траектория движения в зависимости от выбора системы отсчета на примере задачи.
Задача
Какой будет траектория точки на конце пропеллера в разных СО?
1. В СО, связанной с летчиком самолета.
2. В СО, связанной с наблюдателем на Земле.
Решение:
1. Относительно самолета ни летчик, ни пропеллер не перемещаются. Для летчика траектория точки будет казаться окружностью (рис. 5).
Рис. 5. Траектория точки относительно летчика
2. Для наблюдателя на Земле точка движется двумя способами: вращаясь и двигаясь вперед. Траектория будет винтовой (рис. 6).
Рис. 6. Траектория точки относительно наблюдателя на Земле
Ответ : 1) окружность; 2) винтовая линия.
На примере данной задачи мы убедились, что траектория - это относительное понятие.
В качестве самостоятельной проверки предлагаем вам решить следующую задачу:
Какой будет траектория точки на конце колеса относительно центра колеса, если это колесо совершает поступательное движение вперед, и относительно точек, находящихся на земле (неподвижный наблюдатель)?
3. Перемещение и путь
Рассмотрим ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег. Перемещение пловца относительно рыбака, сидящего на берегу, и относительно плота будет разным (рис. 7).
Перемещение относительно земли называют абсолютным, а относительно движущегося тела - относительным. Перемещение движущегося тела (плота) относительно неподвижного тела (рыбака) называют переносным.
Рис. 7. Перемещение пловца
Из примера следует, что перемещение и путь являются относительными величинами.
4. Скорость
С помощью предыдущего примера можно легко показать, что скорость тоже относительная величина. Ведь скорость - это отношение перемещения ко времени. Время у нас одно и то же, а перемещение разное. Следовательно, скорость будет разной.
Зависимость характеристик движения от выбора системы отсчета называется относительностью движения .
В истории человечества были и драматичные случаи, связанные как раз с выбором системы отсчета. Казнь Джордано Бруно, отречение Галилео Галилея - все это следствия борьбы между сторонниками геоцентрической системы отсчета и гелиоцентрической системы отсчета. Уж очень сложно было человечеству привыкнуть к мысли о том, что Земля - это вовсе не центр мироздания, а вполне обычная планета. А движение можно рассматривать не только относительно Земли, это движение будет абсолютным и относительно Солнца, звезд или любых других тел. Описывать движение небесных тел в системе отсчета, связанной с Солнцем, намного удобнее и проще, это убедительно показали сначала Кеплер, а потом и Ньютон, который на основании рассмотрения движения Луны вокруг Земли вывел свой знаменитый закон всемирного тяготения.
Если мы говорим, что траектория, путь, перемещение и скорость являются относительными, то есть зависят от выбора системы отсчета, то про время мы этого не говорим. В рамках классической, или Ньютоновой, механики время есть величина абсолютная, то есть протекающее во всех системах отсчета одинаково.
Рассмотрим, как находить перемещение и скорость в одной системе отсчета, если они нам известны в другой системе отсчета.
Рассмотрим предыдущую ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег.
Как же связано перемещение пловца относительно неподвижной СО (связанной с рыбаком) с перемещением относительно подвижной СО (связанной с плотом) (рис. 8)?
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Перемещение в неподвижной системе отсчета мы назвали . Из треугольника векторов следует, что 
. Теперь перейдем к поиску соотношения между скоростями. Вспомним, что в рамках Ньютоновой механики время является абсолютной величиной (время во всех системах отсчета течет одинаково). Значит, каждое слагаемое из предыдущего равенства можно разделить на время. Получаем:
Это скорость, с которой движется пловец для рыбака;
Это собственная скорость пловца;
Это скорость плота (скорость течения реки).
Задача на закон сложения скоростей
Рассмотрим закон сложения скоростей на примере задачи.
Задача
Два автомобиля движутся навстречу друг другу: первый автомобиль со скоростью , второй - со скоростью . С какой скоростью сближаются автомобили (рис. 9)?
Рис. 9. Иллюстрация к задаче
Решение
Применим закон сложения скоростей. Для этого перейдем от привычной СО, связанной с Землей, к СО, связанной с первым автомобилем. Таким образом, первый автомобиль становится неподвижным, а второй движется к нему со скоростью (относительная скорость). С какой скоростью, если первый автомобиль неподвижен, вращается вокруг первого автомобиля Земля? Она вращается со скоростью и скорость направлена по направлению скорости второго автомобиля (переносная скорость). Два вектора, которые направлены вдоль одной прямой, суммируются. .
Ответ: .
Границы применимости закона сложения скоростей. Закон сложения скоростей в теории относительности
Долгое время считалось, что классический закон сложения скоростей справедлив всегда и применим ко всем системам отсчета. Однако порядка лет назад оказалось, что в некоторых ситуациях данный закон не работает. Рассмотрим такой случай на примере задачи.
Представьте себе, что вы находитесь на космической ракете, которая движется со скоростью . И капитан космической ракеты включает фонарик в направлении движения ракеты (рис. 10). Скорость распространения света в вакууме составляет . Какой же будет скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле? Будет ли она равна сумме скоростей света и ракеты?
Рис. 10. Иллюстрация к задаче
Дело в том, что тут физика сталкивается с двумя противоречащими концепциями. С одной стороны, согласно электродинамике Максвелла, максимальная скорость - это скорость света, и она равна . С другой стороны, согласно механике Ньютона, время является абсолютной величиной. Задача решилась, когда Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, а точнее ее постулаты. Он первым предположил, что время не является абсолютным. То есть где-то оно течет быстрее, а где-то медленнее. Конечно, в нашем мире небольших скоростей мы не замечаем данный эффект. Для того чтобы почувствовать эту разницу, нам необходимо двигаться со скоростями, близкими к скорости света. На основании заключений Эйнштейна был получен закон сложения скоростей в специальной теории относительности. Он выглядит следующим образом:
Это скорость относительно неподвижной СО;
Это скорость относительно подвижной СО;
Это скорость подвижной СО относительно неподвижной СО.
Если подставить значения из нашей задачи, то получим, что скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле будет составлять .
Противоречие было решено. Также можно убедиться, что если скорости очень малы по сравнению со скоростью света, то формула для теории относительности переходит в классическую формулу для сложения скоростей.
В большинстве случаев мы будем пользоваться классическим законом.
Сегодня мы выяснили, что движение зависит от системы отсчета, что скорость, путь, перемещение и траектория - это понятия относительные. А время в рамках классической механики - понятие абсолютное. Научились применять полученные знания, разобрав некоторые типовые примеры.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.
- Интернет-портал Class-fizika.narod.ru ().
- Интернет-портал Nado5.ru ().
- Интернет-портал Fizika.ayp.ru ().
Домашнее задание
- Дать определение относительности движения.
- Какие физические величины зависят от выбора системы отсчета?
Механи́ческим движе́нием тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. При этом тела взаимодействуют по законам механики.
Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учёта причин, его вызывающих, называется кинематикой.
В более общем значении движением называется изменение состояния физической системы с течением времени. Например, можно говорить о движении волны в среде.
Виды механического движения
Механическое движение можно рассматривать для разных механических объектов:
- Движение материальной точки
полностью определяется изменением её координат во времени (например, двух на плоскости). Изучением этого занимается кинематика точки. В частности, важными характеристиками движения являются траектория материальной точки, перемещение, скорость и ускорение.
- Прямолинейное движение точки (когда она всегда находится на прямой, скорость параллельна этой прямой)
- Криволинейное движение �- движение точки по траектории, не представляющей собою прямую, с произвольным ускорением и произвольной скоростью в любой момент времени (например, движение по окружности).
- Движение твёрдого тела
складывается из движения какой-либо его точки (например, центра масс) и вращательного движения вокруг этой точки. Изучается кинематикой твёрдого тела.
- Если вращение отсутствует, то движение называется поступательным и полностью определяется движением выбранной точки. Движение при этом не обязательно является прямолинейным.
- Для описания вращательного движения �- движения тела относительно выбранной точки, например закреплённого в точке,�- используют Углы Эйлера. Их количество в случае трёхмерного пространства равно трём.
- Также для твёрдого тела выделяют плоское движение �- движение, при котором траектории всех точек лежат в параллельных плоскостях, при этом оно полностью определяется одним из сечений тела, а сечение тела�- положением любых двух точек.
- Движение сплошной среды . Здесь предполагается, что движение отдельных частиц среды довольно независимо друг от друга (обычно ограничено лишь условиями непрерывности полей скорости), поэтому число определяющих координат бесконечно (неизвестными становятся функции).
Геометрия движения
Относительность движения
Относительность�- зависимость механического движения тела от системы отсчёта. Не указав систему отсчёта, не имеет смысла говорить о движении.
Понятие механики . Механика – это часть физики, в которой изучают движение тел, взаимодействие тел или, движение тел под каким-либо взаимодействием.
Главная задача механики – это определение местоположения тела в любой момент времени.
Разделы механики: кинематика и динамика . Кинематика – это раздел механики, изучающий геометрические свойства движений без учета их масс и действующих на них сил. Динамика – это раздел механики, изучающий движение тел под действием приложенных к ним сил.
Движение. Характеристики движения . Движение – это изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел. Характеристики движения: пройденный путь, перемещение, скорость, ускорение.
Механическое движение – это изменение положение тела (или его частей) в пространстве относительно других тел с течением времени.
Поступательное движение
Равномерное движение тела . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Неравномерное механическое движение – это движение, при котором за равные промежутки времени тело совершает неравные перемещения.
Относительность механического движения . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Точка отсчёта и система отсчёта в механическом движении . Тело, относительно которого рассматривается движение, называется точкой отсчёта. Система отсчёта в механическом движении – это точка отсчёта и система координат и часами.
Система отсчета. Характеристики механического движения . Система отсчета демонстрируется видеопоказом с объяснениями. Механическое движение имеет характеристики: Траектория; Путь; Скорость; Время.
Траектория прямолинейного движения – это линия, вдоль которой движется тело.
Криволинейное движение . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Путь и понятие скалярной величины . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Физические формулы и единицы измерения характеристик механического движения:
|
Обозначение величины |
Единицы измерения величины |
Формула для определения величины |
|
Путь -s |
м, км |
S = vt |
|
Время- t |
с, час |
T = s/v |
|
Скорость - v |
м/с, км/ч |
V = s / t |
П
онятие ускорения
. Раскрывается демонстрацией видеопоказа, с объяснениями.
Формула для определения величины ускорения :
3. Законы динамики Ньютона.
Великий физик И. Ньютон . И. Ньютон развенчал античные представления, что законы движения земных и небесных тел совершенно различны. Вся Вселенная подчинена единым законам, допускающим математическую формулировку.
Две фундаментальные задачи, решенные физикой И. Ньютона :
1. Создание для механики аксиоматической основы, которая перевела эту науку в разряд строгих математических теорий.
2. Создание динамики, связывающей поведение тела с характеристиками внешних воздействий на него (сил).
1. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
2. Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.
Первый закон динамики И. Ньютона . Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Понятия инерции и инертности тела . Инерция – это явление, при котором тело стремится сохранить свое первоначальное состояние. Инертность – это свойство тела сохранять состояние движения. Свойство инертности характеризуется массой тела.
Развитие Ньютоном теории механики Галилея . Долгое время считалось, что для поддержания любого движения необходимо осуществлять нескоменсированное внешнее воздействие со стороны других тел. Ньютон разбил эти убеждения, выведенные Галилеем.
Инерциальная система отсчета . Системы отсчёта, относительно которых свободное тело движется равномерно и прямолинейно, называются инерциальными.
Первый закон Ньютона – закон инерциальных систем . Первый закон Ньютона – это постулат о существовании инерциальных систем отсчёта. В инерциальных системах отсчёта механические явления описываются наиболее просто.
Второй закон динамики И. Ньютона . В инерциальной системе отсчёта прямолинейное и равномерное движение может происходить только в том случае, если на тело не действуют другие силы или действие их скомпенсировано, т.е. уравновешено. Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Принцип суперпозиции сил . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Понятие массы тела . Масса – одна из самых фундаментальных физических величин. Масса характеризует сразу несколько свойств тела и обладает рядом важных свойств.
Сила - центральное понятие второго закона Ньютона . Второй закон Ньютона определяет, что тело тогда будет двигаться с ускорением, когда на него действует сила. Сила – мера взаимодействия двух (или больше) тел.
Два вывода классической механики из второго закона И. Ньютона:
1. Ускорение тела напрямую связано с приложенной к телу силой.
2. Ускорение тела напрямую связано с его массой.
Демонстрация прямой зависимости ускорения тела от его массы
Третий закон динамики И. Ньютона . Демонстрируется видеопоказом с объяснениями.
Значение законов классической механики для современной физики . Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой. В рамках классической механики хорошо описывается движение не очень маленьких тел с не очень большими скоростями.
Демонстрации:
Физические поля вокруг элементарных частиц.
Планетарная модель атома Резерфорда и Бора.
Движение, как физическое явление.
Поступательное движение.
Равномерное прямолинейное движение
Неравномерное относительное механическое движение.
Видеоанимация системы отсчета.
Криволинейное движение.
Путь и траектория.
Ускорение.
Инерция покоя.
Принцип суперпозиции.
2-й закон Ньютона.
Динамометр.
Прямая зависимость ускорения тела от его массы.
3-й закон Ньютона.
Контрольные вопросы:.
Сформулируйте определение и научный предмет физики.
Сформулируйте физические свойства, общие для всех явлений природы.
Сформулируйте основные этапы эволюции физической картины мира.
Назовите 2 основных принципа современной науки.
Назовите особенности механистической модели мира.
В чем суть молекулярно-кинетической теории.
Сформулируйте основные признаки электромагнитной картины мира.
Объясните понятие физического поля.
Определите признаки и различия электрического и магнитного полей.
Объясните понятия электромагнитного и гравитационного полей.
Объясните понятие «Планетарная модель атома»
Сформулируйте признаки современной физической картины мира.
Сформулируйте основные положения современной физической картины мира.
Объясните значение теории относительности А. Эйнштейна.
Объясните понятие: «Механика».
Назовите основные разделы механики и дайте им определения.
Назовите основные физические характеристики движения.
Сформулируйте признаки поступательного механического движения.
Сформулируйте признаки равномерного и неравномерного механического движения.
Сформулируйте признаки относительности механического движения.
Объясните смысл физических понятий: «Точка отсчёта и система отсчёта в механическом движении».
Назовите основные характеристики механического движения в системе отсчета.
Назовите основные характеристики траектории прямолинейного движения.
Назовите основные характеристики криволинейного движения.
Дайте определение физическому понятию: «Путь».
Дайте определение физическому понятию: «Скалярная величина».
Воспроизведите физические формулы и единицы измерения характеристик механического движения.
Сформулируйте физический смысл понятия: «Ускорение».
Воспроизведите физическую формулу для определения величины ускорения.
Назовите две фундаментальные задачи, решенные физикой И. Ньютона.
Воспроизведите основные смыслы и содержание первого закона динамики И. Ньютона.
Сформулируйте физический смысл понятия инерции и инертности тела.
В чем проявилось развитие Ньютоном теории механики Галилея.
Сформулируйте физический смысл понятия: «Инерциальная система отсчета».
Почему первый закон Ньютона это закон инерциальных систем.
Воспроизведите основные смыслы и содержание второго закона динамики И. Ньютона.
Сформулируйте физические смыслы принципа суперпозиции сил, выведенного И. Ньютоном.
Сформулируйте физический смысл понятия массы тела.
Обоснуйте, что сила является центральным понятием второго закона Ньютона.
Сформулируйте два вывода классической механики на основании второго закона И. Ньютона.
Воспроизведите основные смыслы и содержание третьего закона динамики И. Ньютона.
Объясните значение законов классической механики для современной физики.
Литература:
1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 34-37.
Что такое точка отсчета? Что такое механическое движение?
Andreus-папа-ndrey
Механи́ческим движе́нием тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. При этом тела взаимодействуют по законам механики. Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учёта причин, его вызывающих, называется кинематикой
В более общем значении движением называется любое пространственное или временное изменение состояния физической системы. Например, можно говорить о движении волны в среде.
* Движение материальной точки полностью определяется изменением её координат во времени (например, двух на плоскости) . Изучением этого занимается кинематика точки.
o Прямолинейное движение точки (когда она всегда находится на прямой, скорость параллельна эта прямой)
o Криволинейное движение это движение точки по траектории, не представляющей собою прямую, с произвольным ускорением и произвольной скоростью в любой момент времени (например, движение по окружности) .
* Движение твёрдого тела складывается из движения какой-либо его точки (например, центра масс) и вращательного движения вокруг этой точки. Изучается кинематикой твёрдого тела.
o Если вращение отсутствует, то движение называется поступательным и полностью определяется движением выбранной точки. Заметим, что при этом оно не обязательно является прямолинейным.
o Для описания вращательного движения - движения тела относительно выбранной точки, например закреплённого в точке, используют Углы Эйлера. Их количество в случае трёхмерного пространства равно трём.
o Также для твёрдого тела выделяют плоское движение - движение, при котором траектории всех точек лежат в параллельных плоскостях, при этом оно полностью определяется одним из сечений тела, а сечение тела положением любых двух точек.
* Движение сплошной среды. Здесь предполагается, что движение отдельных частиц среды довольно независимо друг от друга (обычно ограничено лишь условиями непрерывности полей скорости) , поэтому число определяющих координат бесконечно (неизестными становятся функции) .
Относительность - зависимость механического движения тела от системы отсчёта, не указав систему отсчёта - не имеет смысла говорить о движении.
Даниил юрьев
Виды механического движения [править | править вики-текст]
Механическое движение можно рассматривать для разных механических объектов:
Движение материальной точки полностью определяется изменением её координат во времени (например, для плоскости - изменением абсциссы и ординаты). Изучением этого занимается кинематика точки. В частности, важными характеристиками движения являются траектория материальной точки, перемещение, скорость и ускорение.
Прямолинейное движение точки (когда она всегда находится на прямой, скорость параллельна этой прямой)
Криволинейное движение - движение точки по траектории, не представляющей собою прямую, с произвольным ускорением и произвольной скоростью в любой момент времени (например, движение по окружности).
Движение твёрдого тела складывается из движения какой-либо его точки (например, центра масс) и вращательного движения вокруг этой точки. Изучается кинематикой твёрдого тела.
Если вращение отсутствует, то движение называется поступательным и полностью определяется движением выбранной точки. Движение при этом не обязательно является прямолинейным.
Для описания вращательного движения - движения тела относительно выбранной точки, например закреплённого в точке, - используют Углы Эйлера. Их количество в случае трёхмерного пространства равно трём.
Также для твёрдого тела выделяют плоское движение - движение, при котором траектории всех точек лежат в параллельных плоскостях, при этом оно полностью определяется одним из сечений тела, а сечение тела - положением любых двух точек.
Движение сплошной среды. Здесь предполагается, что движение отдельных частиц среды довольно независимо друг от друга (обычно ограничено лишь условиями непрерывности полей скорости), поэтому число определяющих координат бесконечно (неизвестными становятся функции).
Механическое движение. Путь. Скорость. Ускорение
Лара
Механическим движением называют изменение положения тела (или его частей) относительно других тел.
Положение тела задается координатой.
Линию, вдоль которой движется материальная точка, называют траекторией. Длину траектории называют путем. Единица пути - метр.
Путь = скорость* время. S=v*t.
Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением.
Направленный отрезок прямой, проведенный из начального положения движущейся точки в ее конечное положение, называется перемещением (s). Перемещение - величина векторная. Единица перемещения - метр.
Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка времени.
Формула скорости имеет вид v = s/t. Единица скорости - м/с. На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с) .
Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Формула для вычисления ускорения: a=(v-v0)/t; Единица ускорения – метр/(секунда в квадрате) .
