Лекция. Относительность механического движения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Механическое движение называют изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел.

Исходя из определения, факт движения тела можно установить, сравнивая его положения в последовательные моменты времени с положением другого тела, которое называется телом отсчета.

Так, наблюдая плывущие по небу облака, можно сказать, что они изменяют свое положение относительно Земли. Шарик, который катится по столу, изменяет свое положение относительно стола. В движущемся танке гусеницы перемещаются и относительно Земли, и относительно корпуса танка. Жилое здание находится в покое относительно Земли, но изменяет свое положение относительно Солнца.

Рассмотренные примеры позволяют сделать важный вывод о том, что одно и то же тело может одновременно совершать разные движения относительно других тел.

Виды механического движения

Простейшими видами механического движения тела конечных размеров являются поступательное и вращательное движения.

Движение называется поступательным, если прямая, соединяющая две точки тела, перемещается, оставаясь параллельной самой себе (рис.1,а). При поступательном движении все точки тела движутся одинаково.

При вращательном движении все точки тела описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей при этом лежат на одной прямой, которая называется осью вращения. Точки тела, лежащие на оси окружности остаются неподвижными. Ось вращения может располагаться как внутри тела (ротационное вращение) (рис.1,б), так и за его пределами (орбитальное вращение) (рис.1,в).

Примеры механического движения тел

Поступательно движется автомобиль на прямолинейном участке дороги, при этом колеса автомобиля совершают вращательное ротационное движение. Земля, обращаясь вокруг Солнца, совершает вращательное орбитальное движение, а вращаясь вокруг своей оси – вращательное ротационное движение. В природе обычно мы встречаемся со сложными комбинациями различных видов движения. Так, футбольный мяч, летящий в ворота, одновременно совершает поступательно и вращательное движение. Сложное движение совершают части различных механизмов, небесные тела и т.д.

БИЛЕТ №1

Механическое движение. Относительность движения. Система отсчёта. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорость. Ускорение. Равномерное и равноускоренное движение.

Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Траектория движения тела, пройденный путь и перемещение зависят от выбора системы отсчёта. Другими словами, механическое движение относительно. Система координат, тело отсчёта, с которым она связана, и указание начала отсчёта времени образуют систему отсчёта.

Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой.

Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения. Длина траектории называется пройденным путём.

Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называют перемещением.

Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения S к малому промежутку времени, за который произошло это перемещение:

υ=S/t υ =1 м/1 с=1 м/с

Движение с постоянной по модулю и направлению скоростью называется равномерным прямолинейным движением.

При изменении скорости тела вводится понятие ускорения тела.

Ускорением называется векторная величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости к малому промежутку времени, за которое произошло это изменение:

a= υ /t a=1 м/с 2

Равноускоренным называется движение с ускорением, постоянным по модулю и направлению:

С какой силой действует магнитное поле с B=1,5 T на проводник длиною l=0,03 м, расположенного перпендикулярно магнитному полю. Сила тока I=2 A

	=90 0 Sin90 0 =1
	F=2*1,5*3*10 -2 =9*10 -2 H

БИЛЕТ №2

Взаимодействие тел. Сила. Второй закон Ньютона.

Причиной изменения скорости движения тела всегда является его взаимодействие с другими телами. После выключения двигателя, автомобиль постепенно замедляет движение и останавливается. Основная причина изменения скорости движения автомобиля – взаимодействие его колёс с дорожным покрытием. В физике для количественного выражения действия одного тела на другое вводится понятие «сила». Примеры сил:
силы упругости, тяжести, тяготения и т.д.

Сила - векторная величина, её обозначают символом F. За направление вектора силы принимается направление вектора ускорения тела, на которое действует сила. В системе СИ:

F=1 H=1 кг*м/с 2

2 закон Ньютона:

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение:

Смысл закона в том, что действующая на тело сила определяет изменение скорости тела, а не скорость движения тела.

Лабораторная работа «Измерение показателя преломления стекла»

БИЛЕТ №3

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и его использование в технике.

Существует физическая величина, одинаково изменяющаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково.

Величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, называется импульсом тела или количеством движения.

Изменение импульса тела равно импульсу силы, вызывающей это изменение.

Физическая величина, равная произведению силы F на время t её действия, называется импульсом силы.

Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел. Единицей измерения импульса тела является величина: кг*м/с.

Закон сохранения импульса:

В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остаётся постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

m 1 υ 1 +m 2 υ 2 =m 1 υ 1 I + m 2 υ 2 I

где υ 12 , υ 12 I - скорости первого и второго тела до и после взаимодействия.

Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называется замкнутой системой.

Закон сохранения импульса проявляется в инерциальных системах отсчёта (т.е. в тех, в которых тело при отсутствии внешних воздействий двигается прямолинейно и равномерно). Этот закон используется в технике: реактивный двигатель. При сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла ракеты со скоростью. Ракета начинает двигаться в результате этого взаимодействия и в соответствии с данным законом.

	M – масса ракеты υ – скорость ракеты m – масса топлива U – скорость сгоревшего и выбрасываемого топлива.

Аккумулятор с ЭДС 6 в и внутренним сопротивлением r=0,1 Ом питает внешнюю цепь с R=11,9 Ом.. какое количество теплоты выделится за 10 мин во всей цепи?

	Q=I 2 *Z*t, где Z – полное сопротивление
	Q= 2 *(R+r)*t / (R+r) 2
	Q= 2 *t / (R+r)
	Q=36*600 / 12=1800 Дж

БИЛЕТ №4

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость.

Ньютон доказал, что движение и взаимодействие планет Солнечной системы происходит под действием силы притяжения, направленной к Солнцу и убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния от него. Все тела во Вселенной взаимно притягивают друг друга.

Силу взаимного притяжения между телами во Вселенной, Ньютон назвал силой всемирного тяготения. В 1682 году Ньютон открыл закон всемирного тяготения:

Все тела притягиваются друг к другу. Сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F=G*m 1 *m 2 / R 2

G- гравитационная постоянная.

Сила притяжения, действующая со стороны Земли на все тела, называется силой тяжести:

Эта сила убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли.

В технике и быту широко используется понятие веса тела – P

Весом тела называют силу, с которой тело вследствии его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или подвес.

Вес тела на неподвижной или равномерно движущейся горизонтальной опоре равен силе тяжести, но приложены они к разным телам.

При ускоренном движении вес тела, направление ускорения которого совпадает с направлением ускорения свободного падения, меньше веса покоящегося тела.

Если тело вместе с опорой свободно падает и ускорение тела равно ускорению свободного падения, а их направления совпадает, то вес тела исчезает. Это явление получило назание невесомости:

A=g P=0 невесомость

При какой температуре внутренняя энергия 20 кг. Аргона составит 1,25*10 6 Дж?

БИЛЕТ №5

Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс.

В природе и технике встречается вид механического движения-колебание.

Механическим колебанием называют движение тела, повторяющееся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени.

Силы, действующие между телами внутри системы, называются внутренними. Силы, действующие извне системы, на тела данной системы называются внешними.

Свободными колебаниями называют колебания, возникающие под действием внутренних сил. Колебания под действием внешних периодически изменяющихся сил, называют вынужденными.

При отклонении маятника от положения равновесия его потенциальная энергия увеличивается, т.к. увеличивается расстояние от поверхности Земли. При движении к положению равновесия скорость маятника возрастает, его кинетическая энергия увеличивается за счёт уменьшения запаса потенциальной, в результате уменьшения расстояния от поверхности Земли. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении становится равной нулю. Таким образом происходит периодическое превращение энергии. Но т.к. при движении, тела взаимодействуют с другими телами, поэтому часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию теплового движения атомов и молекул. Амплитуда колебаний будет уменьшаться и через некоторое время маятник остановится. Свободные колебания всегда являются затухающими.

В системе, при возбуждении колебаний под действием периодически изменяющейся внешней силы амплитуда, сначала, постепенно увеличивается. Через некоторое время устанавливается колебания с постоянной амплитудой и с периодом, равным периоду внешней силы.

Амплитуда тоже зависит от частоты изменения силы. При условии, когда частота внешней силы ν совпадает с собственной частотой системы ν 0 , амплитуда имеет максимальное значение.

Резонансом называется резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, к частоте свободных колебаний. Чем меньше трение в системе, тем отчётливее резонанс (на рис. Кривая №1).

Лабораторная работа «Определение фокусного расстояния собирающей линзы».

БИЛЕТ №6

Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро.

В начале 19 века английский учёный Д.Дальтон показал, что многие явления природы можно объяснить, используя молекулярное строение вещества. К началу 20 столетия была окончательно создана и подтверждена опытами молекулярно-кинетическая теория вещества. Основные положения МКТ:

вещества состоят из молекул, между которыми имеются межмолекулярные интервалы.

Молекулы непрерывно и хаотически двигаются.

На небольших расстояниях между молекулами и атомами действут как силы притяжения, так и силы отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

Хаотическое движение называют ещё и тепловым, т.к. оно зависит от температуры.

Опытное обоснование:

То, что вещества состоят из молекул, было доказано снимками, сделанными с помощью электронного микроскопа. На фотографиях видно расположение молекул.

То, что молекулы непрерывно двигаются, доказано опытом Броуна. Он наблюдал в 1827 г. как двигаются крупинки глины в воде. Объяснить не смог. Броуновское движение – движение крупинок глины, обусловленное ударами хаотически движущихся молекул воды. И ещё одно явление природы – диффузия, доказывает непрерывное движение молекул. Диффузия – явление проникновения молекул одного вещества в молекулы другого вещества. Даже в твёрдых телах, где медлее всего происходит данный поцесс проникновения, все равно наблюдается диффузия. Например: золотая пластина лежит на свинцовой. Находятся под грузом. Через некоторое время обнаружат молекула каждого вещества в соседнем соприкасающемся теле.

3. То, что молекулы притягиваются к друг другу доказывает опыт со свинцовыми цилиндрами. Они выдерживают вес до 5 кг. Диффузия, также доказывает, что в твёрдых телах осуществляется взаимодействие молекул.

Между молекулами одновременно действуют как силы отталкивания так и взаимодействия. По природе они имеют магнитный характер. При деформациях в твёрдых телах силы проявляют себя в виде сил упругости и обуславливают прочность тел. Данные силы действуют на очень малых расстояниях – в пределах размера молекул. Но будет наблюдать эффект, если молекулы приблизить на расстояние больше их устойчивого равновесия (когда два вида сил равны по значению), то силы отталкивания увеличатся, а притяжения уменьшатся.

Экспериментальные исследования показали, что молекулы очень малы. Например: масса молекулы оливкого масла m 0 =2,5*10 -26 кг., а размер молекулы d=3*10 -10 м.

Число Авогадро – число атомов, содержащихся в 0, 012 кг изотопа углерода 12 С. Названо в честь итальянского ученого 19 века.

N A =6,02*10 23 моль -1

При электролизе раствора сульфата меди была совершена работа

А=1,4*10 7 Дж. Определите количество выделившейся меди, если напряжение между электродами ванны равно U=6 B.

K=3,29*10 -7 Дж
	m=k*A / U m=3,29*10 -7 *1,4*10 7 / 6=4,6 / 6=0,76 кг

БИЛЕТ №7

Идеальный газ. Основное урвнение МКТ идеального газа. Температура и её измерение. Абсолютная температура.

В реальной жизни, изучая явления в природе и технике, невозможно учесть все факторы, влияющие на него. По этой причине можно учитывать важнейший фактор, например движение молекул, а другие (взаимодействие) не учитывать. На этой основе вводится модель явления.

Молекулы газа, ударяясь о поверхность тела или стенку сосуда, оказывают на неё давление –Р. Давление зависит от следующих факторов:

от кинетической энергии движения молекул. Чем она больше, тем больше давление;

количества молекул в единице объёма. Чем их больше, тем больше давление.

Основное уравнение идеального газа можно записать в виде формулы:

P=n*m 0 *υ 2 /3 или P=2*n*E/3

Где n – концентрация молекул в единице объёма (n=N/V), m 0 – масса одной молекулы, E- среднее значение кинетической энергии движения молекул, υ 2 – среднее значение квадрата скорости кинетического движения молекул.

Давление идеального газа прямо попорционально средней кинетической энергии поступательного движения его молекул и числу молекул в единице объёма. Давление измеряется в Паскалях Р=Па. Условия, близкие к идеальному газу создают в электровакуумных лампах и приборах. Там создаётся вакуум, т.к. молекулы газа являются помехой – нить лампы окислится и перегорит мгновенно.

Температура-величина, характеризующая степень нагретости тела. Для того, чтобы измерять температуру тела, был создан прибор – термометр. Эталонным был выбран водородный термометр, в котором в качестве вещества использовался разряженный водород. Он расширяется при нагревании одинаково, как кислород, азот и др. Закрытый сосуд с разряженным водородом соединили с манометром (прибор для измерения давления) и увеличивая температуру, газ расширялся, тем самым менялось и его давление. Давление и температура связаны между собой линейно, то по показанию манометра можно было определять температуру. Шкала температур, установленная по водородному термометру, называется шкалой Цельсия. За 0 0 С принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении, а за 100 0 С- температура кипения воды, также при нормальном давлении 1 . Возможно и иное построение температурной шкалы. Для более глубокого понимания физического смысла явлений, Кельвин предложил другую шкалу – термодинамическую. Сейчас её называют шкалой Кельвина. В ней за начало принято –273 0 С. Это значение называют абсолютным нулём - температура, при которой прекращается поступательное движение молекул. Ниже температуры в природе не встречается. Температура по данной шкале называется абсолютной температурой и измеряется в Кельвинах – Т К.

Скорость движения молекул зависит от температуры, поэтому говорят, что температура является мерой кинетической энергии движения молекул. С увеличением температуры, увеличивается и средняя скорость поступательного движения молекул.

E=3*k*T/2 P=nkT Где k- постоянная Больцмана =1,38*10 -23 Дж/К

Дана электрическая схема. Определить сопротивление четырёх проводников с одинаковым сопротивлением R 1-4 =4 Ом, соединённых между собой по схеме:

Проводники 1,4-соединены последовательно, а 2,3- параллельно.

Найдём общее сопротивление проводников 2,3:

R 23 =R / n R 23 = 4 / 2=2 Ом.

Находим полное сопротивление всей цепи:

R=R 1 +R 23 +R 4 R=4+2+4=10 Ом.

БИЛЕТ №8

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Изопроцессы.

В реальной жизни, изучая явления в природе и технике, невозможно учесть все факторы, влияющие на него. По этой причине можно учитывать важнейший фактор, например движение молекул, а другие (взаимодействие) не учитывать. На этой основе вводится модель явления.

Идеальный газ- модель реального газа. Это газ, размеры молекул которого малы по сравнению с объёмом сосуда и они практически не взаимодействуют.

Физические величины, значение которых определяется совместным действием огромного числа молекул, называются термодинамическими параметрами: P, V, T.

Идеальный газ описывается такими параметрами, которые входят в уравнение Менделеева- Клапейрона: PV = m*R*T/ M

где М –молярная масса вещества, R- универсальная газовая постоянная, не зависит от природы газа=8,31 Н*м/Кмоль*К, m-масса газа.

Изопроцесс – это процесс, при котором масса газа и один из его параметров остаются постоянными.

Определите красную границу фотоэффекта для металла с работой выхода А=3,2*10 -19 Дж.

БИЛЕТ №9

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха.

Вещества переходят из одного состояния в другие. При хаотическом движении некоторые молекулы воды, имеющие больщую кинетическую энергию, покидают её. При этом они преодалевают силы притяжения со стороны остальных молекул. Такой процесс называется испарением. (см. плакат). Но может наблюдаться и другой процесс, когда молекулы пара возвращаются в жидкость, такой процесс называют конденсацией. Если над сосудом есть поток воздуха, то он уносит молекулы пара и процесс испарения происходит быстрее. Убыстряется процесс испарения и при повышении температуры жидкости.

Если сосуд накрыть крышкой, то через некоторое время установится динамическое равновесие – число молекул, покинувших жидкость=числу молекул, возвратившихся в жидкость.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Даже если мы начнём сжимать насыщенный пар при постоянной температуре, первоначально равновесие нарушится, но затем, концентрация молекул пара опять выравняется, как при динамическом равновесии.

Давление насыщенного пара Р 0 не зависит от объёма при постоянной температуре.

На Земле идёт непрерывное образовыание водяных паров: испарение с водоёмов, растительных покровов, пары выдыхаемые животными. Но данный водяной пар не является насыщенным, т.к. происходит перемещение воздушных масс в атмосфере.

Влажность – это количество водяных паров в атмосфере Земли.

Водяной пар – влажность- характеризуется параметрами. (далее см. плакаты кабинета и по ним рассказывай).

Относительную влажность можно измерить несколькими приборами, но рассмотрим один-психрометр. (Далее о устройстве и способе измерения рассказывай по плакатам).

Лабораторная работа «Измерение длины световой волны с использованием дифракционной решётки».

БИЛЕТ №10

Кристаллические аи аморфные тела. Упругие и пластичные деформации твёрдых тел.

Кристаллы окружают нас повсюду. Твердые тела все относятся к кристаллам. Но т.к. в природе не встречаются одиночные – монокристаллы, то мы их не видим. Чаще всего вещества состоят из множества сцепившихся кристаллических зернышек – поликристаллов. У кристаллических тел атомы распологаются в строгом порядке и образуют пространственную кристаллическую решётку. Вследствие этого у них правильная внешняя форма. Примеры кристаллических тел: поваренная соль, снежинка, слюда, графит и т.д. У данных тел наблюдаются определённые свойства – графит хорошо пишет слоями, соль ломается плоскими гранями, слюда расслаивается в долевом направлении. Т. об. у них совпадают физические свойства в одном направлении – называется анизотропностью. В действительности, чаще всего анизотропность не наблюдается, т.к. тело состоит из большого числа хаотически сросшихся кристаллов, суммарное действие анизотропии приводит к снятию данного явления. Но есть и другие тела, которые не состоят из кристаллов, т.е. у них нет кристаллической решётки, они называются аморфными. Они обладают свойствами упругих и жидких тел. При ударе они колются, при высоких температурах они текут. Примеры аморфных тел: стекло, пластмассы, смола, канифоль, сахарный леденец. У них наблюдаются одинаковые физические свойства по всем направлениям – наз. изотропностью.

Внешнее механическое воздействие на тело вызывает смещение атомов из равновесных положений и приводит к изменению формы и объёма тела, т.е. к его деформации. Самые простые виды деформации- это растяжение и сжатие. Растяжение испытывают тросы подъёмных кранов, канатных дорого, буксирные тросы, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются стены и фундаменты зданий. Деформацию можно характеризовать абсолютным удлинением ∆l = l 2 -l 1 , где l 1 -до растяжения, l 2 - после него. А отношение абсолютного удлинения к длине образца называют относительным удлинением: ε=∆l / l 1 . При деформации тела возникают силы упругости. Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости к площади сечения тела, называется напряжением σ=F/S. При малых деформациях выполняется закон Гука, когда деформация увеличивается пропорционально с увеличением действия силы на тело. Но только до определённого предела прочности. Если увеличено напряжение и после его снятия размеры тела ещё восстанавливаются польностью, то такая деформация называется упругой, в противном случае она называется остаточной или пластической.

...); читает ли он «механически » или осознанно. Ошибки, ... требований) разделяется на относительно законченные в смысловом отношении... ; сила движений ; объем движений : точность движений ; плавность движений ; симметричность движений ; наличие синкинезий...

В физике существует такое понятие, как механическое движение, определение которого трактуется как изменение координат тела в трехмерном пространстве относительно иных тел с затратой времени. Как ни странно, но можно никуда не двигаясь превысить, к примеру, скорость автобуса. Эта величина относительна и зависима от заданной точки . Главное, зафиксировать систему отсчета, чтобы наблюдать за точкой по отношению к предмету.

Вконтакте

Описание

Понятия из физики:

1. Материальная точка — часть тела или предмет с небольшими параметрами и массой, которые не принимаются в учет при изучении процесса. Это величина, которой в физике пренебрегают.
2. Перемещение — это расстояние, пройденное материальной точкой из одной координаты в другую. Понятие не следует путать с движением, так как в физике это определение пути.
3. Пройденный путь — это участок, который прошел предмет. Что такое пройденный путь рассматривает раздел физики под названием «Кинематика» .
4. Траектория в пространстве — это прямая или ломаная линия, по которой объект проходит путь. Представить, что такое траектория, согласно определению из области физики, можно мысленно начертив линию.
5. Механическим называют перемещение по заданной траектории.

Внимание! Взаимодействие тел осуществляется по законам механики, и этот раздел называется кинематикой.

Понять, что такое система координат, и что такое траектория на практике?

Достаточно мысленно найти точку в пространстве и от нее провести координатные оси, относительно ее будет двигаться предмет по ломаной или прямой линии, причем виды движения тоже будут разные, в их числе поступательное, осуществляемое при колебании и вращении.

Например, кот находится в комнате, перемещается к любому объекту или изменяет свое нахождение в пространстве, двигаясь по разным траекториям.

Расстояние между объектами может отличаться, так как выбранные траектории неодинаковые.

Типы

Известные виды движения:

1. Поступательное. Характеризуется параллельностью двух соединенных между собой точек, одинаково движущихся в пространстве. Предмет движется поступательно, когда проходит по одной линии. Достаточно представить замену стержня в шариковой ручке, то есть стержень двигается поступательно по заданному пути, при этом каждая его часть движется параллельно и одинаково. Довольно часто такое встречается в механизмах.
2. Вращательное. Предмет описывает окружность во всех плоскостях, которые расположены параллельно друг другу. Оси вращения — центры описываемых , а точки, расположенные на оси неподвижны. Сама вращающая ось может быть расположена внутри тела (ротационное), а также соединятся с внешними его точками (орбитальное). Чтобы уяснить, что это такое, можно взять обычную иглу с ниткой. Последнюю зажать между пальцами и постепенно раскручивать иглу. Игла будет описывать окружность, и подобные виды движения следует относить к орбитальным. Пример ротационного вида: раскручивание предмета на твердой поверхности.
3. Колебательное . Все точки тела, перемещающегося по заданной траектории, с точностью или приближено повторяются через одинаковое время. Наглядный пример — шайба, подвешенная на шнуре, колеблющаяся вправо и влево.

Внимание! Особенность поступательного движения. Предмет двигается по прямой линии, и в любой временной промежуток все его точки перемещаются в одном направлении — это поступательное движение. Если едет велосипед, то в любое время можно отдельно рассмотреть траекторию его любой точки, она будет одинаковой. При этом не важно, ровная поверхность или нет.

Данные виды движения встречаются ежедневно на практике, поэтому проиграть их мысленно не составит труда.

Что такое относительность

Согласно законам механики, двигается предмет относительно какой-либо точки.

К, примеру, если человек стоит на месте, а автобус движется, это и называется относительность движения рассматриваемого транспортного средства к объекту.

С какой скоростью перемещается объект по отношению к определенному телу в пространстве тоже учитывается относительно этого тела и, соответственно, ускорение также имеет относительную характеристику.

Относительность — прямая зависимость заданной при движении тела траектории, проходимого пути, скоростной характеристики, а также перемещения по отношению к системам отсчета.

Как проводится отсчет

Что представляет собой система отсчета и как она характеризуется? Отсчет во взаимосвязи с пространственной системой координат, первичным отсчетом времени передвижения — это и есть система отсчета. В разных системах у одного тела может быть разное местонахождение.

Точка находится в системе координат, когда она начинает двигаться, учитывается ее время перемещения.

Тело отсчета — это абстрактный предмет, находящийся в заданной точке пространства.При ориентации на его положение рассматриваются координаты иных тел. К примеру, машина стоит на месте, а человек движется, в данном случае тело отсчета — это машина.

Равномерное перемещение

Понятие равномерное движение — это определение в физике трактуется следующим образом.

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?

Предлагаю игру: выбрать предмет в комнате и описать его местонахождение. Выполнить это так, чтобы угадывающий не смог ошибиться. Вышло? А что выйдет из описания, если другие тела не использовать? Останутся выражения: "слева от...", "над..." и подобное. Положение тела можно задать толькоотносительно какого-нибудь другого тела .

Местонахождение клада: "Стань у восточного угла крайнего дома села лицом на север и, пройдя 120 шагов, повернись лицом на восток и пройди 200 шагов. В этом месте вырой яму в 10 локтей и найдешь 100 слитков золота". Клад найти невозможно, иначе его давно откопали бы. Почему? Тело, относительно которого совершается описание не определено, неизвестно в каком селе находится тот самый дом. Необходимо точно определиться с телом, которое возьмется за основу нашего будущего описания. Такое тело в физике называетсятелом отсчета . Его можно выбрать произвольно. Например, попробуйте выбрать два различных тела отсчета и относительно их описать местонахождение компьютера в комнате. Выйдет два непохожих друг на друга описания.

Система координат

Рассмотрим картинку. Где находится дерево, относительно велосипедиста I, велосипедиста II и нас, смотрящих на монитор?

Относительно тела отсчета - велосипедист I - дерево находится справа, относительно тела отсчета - велосипедист II - дерево находится слева, относительно нас оно впереди. Одно и то же тело - дерево, находящееся постоянно в одном и том же месте, одновременно и "слева", и "справа" и "впереди". Проблема не только в том, что выбраны различные тела отсчета. Рассмотрим его расположение относительно велосипедиста I.

На этом рисунке деревосправа от велосипедиста I

На этом рисунке деревослева от велосипедиста I

Дерево и велосипедист не меняли своего месторасположения в пространстве, однако дерево одновременно может быть "слева" и "справа". Для того, чтобы избавиться от неоднозначности описания самого направления, выберем определенное направление за положительное, противоположное выбранному будет отрицательным. Выбранное направление обозначают осью со стрелкой, стрелка указывает положительное направление. В нашем примере выберем и обозначим два направления. Слева направо (ось, по которой движется велосипедист), и от нас внутрь монитора к дереву - это второе положительное направление. Если первое, выбранное нами направление, обозначить за X, второе - за Y, получим двухмернуюсистему координат .

Относительно нас велосипедист движется в отрицательном направлении по оси X, дерево находится в положительном направлении по оси Y

Относительно нас велосипедист движется в положительном направлении по оси X, дерево находится в положительном направлении по оси Y

А теперь определите, какой предмет в комнате находится в 2 метрах в положительном направлении по оси X (справа от вас), и в 3 метрах в отрицательном направлении по оси Y (позади вас).(2;-3) - координаты этого тела. Первой цифрой "2" принято обозначать расположение по оси X, вторая цифра "-3" указывает расположение по оси Y. Она отрицательная, потому что по оси Y находится не в стороне дерева, а в противоположной стороне. После того, как выбрано тело отсчета и направления, месторасположение любого предмета будет описано однозначно. Если вы повернетесь спиной к монитору, справа и позади вас будет уже другой предмет, но и координаты у него будут другие (-2;3). Таким образом, координаты точно и однозначно определяют расположение предмета.

Пространство, в котором мы живем, - пространство трех измерений, как говорят, трехмерное пространство. Кроме того, что тело может находится "справа" ("слева"), "впереди" ("позади"), оно может быть еще "выше" или "ниже" вас. Это третье направление - принято обозначать его осью Z

Можно ли выбирать не такие направления осей? Можно. Но нельзя менять их направления в течение решения, например, одной задачи. Можно ли выбрать другие названия осей? Можно, но вы рискуете тем, что вас не поймут другие, лучше так не поступать. Можно ли поменять местами ось X с осью Y? Можно, но не путайтесь в координатах:(x;y) .

При прямолинейном движении тела для определения его положения достаточно одной координатной оси.

Для описания движения на плоскости используется прямоугольная система координат, состоящая из двух взаимно перпендикулярных осей (декартовая система координат).

С помощью трехмерной системы координат можно определить положение тела в пространстве.

Система отсчета

Каждое тело в любой момент времени занимает определенное положение в пространстве относительно других тел. Определять его положение уже умеем. Если с течением времени положение тела не изменяется, то оно покоится. Если же с течением времени положение тела изменяется, то это означает, что тело движется. Все в мире происходит где-то и когда-то: в пространстве (где?) и во времени (когда?). Если к телу отсчета, системе координат, которые определяют положение тела, добавить способ измерения времени - часы, получимсистему отсчета . При помощи которой можно оценить движется или покоится тело.

Относительность движения

Космонавт вышел в открытый космос. В состоянии покоя или движения он находится? Если рассматривать его относительно друга космонавта, находящегося рядом, он будет покоиться. А если относительно наблюдателя на Земле, космонавт движется с огромной скоростью. Аналогично с поездкой в поезде. Относительно людей в поезде вы неподвижно сидите и читаете книгу. Но относительно людей, которые остались дома, вы двигаетесь со скоростью поезда.

Примеры выбора тела отсчета, относительно которого на рисунке а) поезд движется (относительно деревьев), на рисунке б) поезд покоится относительно мальчика.

Сидя в вагоне, ожидаем отправления. В окне наблюдаем за электричкой на параллельном пути. Когда она начинает двигаться, трудно определить кто движется - наш вагон или электричка за окном. Для того, чтобы определиться, необходимо оценить движемся ли мы относительно других неподвижных предметов за окном. Мы оцениваем состояние нашего вагона относительно различных систем отсчета.

Изменение перемещения и скорости в разных системах отсчета

Перемещение и скорость изменяются при переходе из одной системы отсчета в другую.

Скорость человека относительно земли (неподвижной системы отсчета) различная в первом и втором случаях.

Правило сложения скоростей:Скорость тела относительно неподвижной системы отсчета - это векторная сумма скорости тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной.

Аналогично вектора перемещения. Правило сложения перемещений:Перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета - это векторная сумма перемещения тела относительно подвижной системы отсчета и перемещения подвижной системы отсчета относительно неподвижной.

Пусть человек идет по вагону по направлению (или против) движения поезда. Человек - тело. Земля - неподвижная система отсчета. Вагон - подвижная система отсчета.

Изменение траектории в разных системах отсчета

Траектория движения тела относительна. Например, рассмотрим пропеллер вертолета, спускающегося на Землю. Точка на пропеллере описывает окружность в системе отсчета, связанного с вертолетом. Траектория движения этой точки в системе отсчета, связанной с Землей, представляет собой винтовую линию.

Поступательное движение

Движение тела - это изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Каждое тело имеет определенные размеры, иногда разные точки тела находятся в разных местах пространства. Как же определить положение всех точек тела?

НО! Иногда нет необходимости указывать положение каждой точки тела. Рассмотрим подобные случаи. Например, это не нужно делать, когда все точки тела движутся одинаково.

Одинаково движутся все токи чемодана, машины.

Движение тела, при котором все его точки движутся одинаково, называетсяпоступательным

Материальная точка

Не нужно описывать движение каждой точки тела и тогда, когда его размеры очень малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит. Например, корабль, преодолевающий океан. Астрономы при описании движения планет и небесных тел друг относительно друга не учитывают их размеров и их собственное движение. Несмотря на то, что, например, Земля громадная, относительно расстояния до Солнца она ничтожно мала.

Нет необходимости рассматривать движение каждой точки тела, когда они не влияют на движение тела всего целиком. Такое тело можно представлять точкой. Все вещество тела как бы сосредотачиваем в точку. Получаем модель тела, без размеров, но она имеет массу. Это и естьматериальная точка .

Одно и то же тело при одних его движениях можно считать материальной точкой, при других - нельзя. Например, когда мальчик идет из дома в школу и при этом проходит расстояние 1 км, то в этом движении его можно считать материальной точкой. Но когда тот же мальчик выполняет зарядку, то точкой его считать уже нельзя.

Рассмотрим движущихся спортсменов

В этом случае можно спортсмена моделировать материальной точкой

В случае прыжка спортсмена в воду (рисунок справа) нельзя моделировать его в точку, так как от любого положения рук и ног зависит движение всего тела

Главное запомнить

1) Положение тела в пространстве определяется относительно тела отсчета;
2) Необходимо задать оси (их направления), т.е. систему координат, которая определяет координаты тела;
3) Движение тела определяется относительно системы отсчета;
4) В разных системах отсчета скорость тела может быть разной;
5) Что такое материальная точка

Более сложная ситуация сложения скоростей. Пусть человек переправляется на лодке через реку. Лодка - это исследуемое тело. Неподвижная система отсчета - земля. Подвижная система отсчета - река.

Скорость лодки относительно земли - это векторная сумма

Чему равно перемещение какой-либо точки, находящейся на краю диска радиусом R при его повороте относительно подставки на 600? на 1800? Решить в системах отсчета, связанных с подставкой и диском.

В системе отсчета, связанной с подставкой, перемещения равны R и 2R. В системе отсчета, связанной с диском, перемещение все время равно нулю.

Почему дождевые капли в безветренную погоду оставляют наклонные прямые полосы на стеклах равномерно движущегося поезда?

В системе отсчета, связанной с Землей, траектория капли - вертикальная линия. В системе отсчета, связанной с поездом, движение капли по стеклу есть результат сложения двух прямолинейных и равномерных движений: поезда и равномерного падения капли в воздухе. Поэтому след капли на стекле наклонный.

Каким образом можно определить скорость бега, если тренироваться на беговой дорожке со сломанным автоматическим определением скорости? Ведь относительно стен зала не пробегаешь ни одного метра.