Равномерное прямолинейное движение — это такое движение, при котором тело совершает за любые равные промежутки времени равные перемещения.
Скорость при прямолинейном равномерном движении
Если тело движется равномерно и прямолинейно, его скорость остается постоянной как по модулю, так и по направлению. Ускорение при этом равно нулю.
Векторный способ записи скорости при равномерном прямолинейном движении:
s — вектор перемещения, ΔR— изменение радиус-вектора, t — время, а ∆t — его изменение.
Проекция скорости на ось ОХ:
sx — проекция перемещения на ось ОХ, ∆x — изменение координаты точки (ее абсциссы).
Знак модуля скорости зависит от направления вектора скорости и оси координат:
Основная единица измерения скорости — 1 метр в секунду. Сокращенно — 1 м/с.
Дополнительные единицы измерения
- 1 км/ч (километр в час) = 1000 м/3600 с.
- 1 км/мин (километр в минуту) = 1000 м/60 с.
- 1 км/с (километр в секунду) = 1000 м/с.
- 1 м/мин (метр в минуту) = 1 м/60 с.
- 1 см/с (сантиметр в секунду) = 0,01 м/с.
Спидометр — прибор для измерения модули скорости тела.
График зависимости скорости от времени представляет собой прямую линию, перпендикулярную оси скорости и параллельную оси времени. Выглядит он так:
Определение направления движения по графику скорости
- Если график скорости лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
- Если график скорости лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
- Если график скорости совпадает с осью времени, тело покоится.
Чтобы сравнить модули скоростей на графике, нужно оценить их удаленность от оси времени. Чем дальше график от оси, тем больше модуль.
Пример №1. Найти модуль скорости и направление движения тела относительно оси ОХ. Выразить скорость в км/ч.
График скорости пересекает ось в точке со значением 10. Единица измерения — м/с. Поэтому модуль скорости равен 10 м/с. График лежит выше оси времени. Это значит, что тело движется по направлению оси ОХ. Чтобы выразить скорость в км/ч, нужно перевести 10 м в километры и 1 с в часы:
Теперь нужно разделить километры на часы:
Перемещение и координаты тела при равномерном прямолинейном движении
Геометрический смысл перемещения заключается в том, что его модуль равен площади фигуры, ограниченной графиком скорости, осями скорости и времени, а также линией, проведенной перпендикулярно оси времени.
При прямолинейном равномерном движении эта фигура представляет собой прямоугольник. Поэтому модуль перемещения вычисляется по следующей формуле:
Вектор перемещения равен произведению вектора скорости на время движения:
Внимание!
При равномерном прямолинейном движении путь и перемещение совпадают. Поэтому путь, пройденный телом, можно найти по этим же формулам.
Формула проекции перемещения:
График проекции перемещения
График проекции перемещения показывает зависимость этой проекции от времени. При прямолинейном равномерном движении он представляет собой луч, исходящий из начала координат. Выглядит он так:
Определение направления движения по графику проекции перемещения
- Если луч лежит выше оси времени, тело движется в направлении оси ОХ.
- Если луч лежит ниже оси времени, тело движется против оси ОХ.
- Если луч совпадает с этой осью, тело покоится.
Чтобы по графику проекции перемещения сравнить модули скоростей, нужно сравнить углы их наклона к оси sx.Чем меньше угол, тем больше модуль. Согласно рисунку выше, модули скорости тел, которым соответствуют графики 1 и 3, равны. Они превосходят модуль скорости тела 2, так как их угол наклона к оси sx меньше.
График координаты
График координаты представляет собой график зависимости координаты от времени. Выглядит он так:
Так как график координаты представляет собой график линейной функции, уравнение координаты принимает вид:
Определение направления движения тела по графику координаты
- Если с течением времени координата увеличивается (график идет снизу вверх), тело движется в направлении оси ОХ. На картинке выше этому соответствуют графики тел 1 и 2.
- Если с течением времени координата уменьшается (график идет сверху вниз), тело движется противоположно направлению оси ОХ. На картинке выше этому соответствует график тела 3.
- Если координата не изменяется, тело покоится.
Чтобы сравнить модули скоростей тел по графику координат, нужно сравнить углы наклона графика к оси координат. Чем меньше угол, тем больше модуль скорости. На картинке выше наибольший модуль скорости соответствует графику 1. У графиков 2 и 3 модули равны.
Чтобы по графику координат найти время встречи двух тел, нужно из точки пересечения их графиков провести перпендикуляр к оси времени.
Пример №2. График зависимости координаты тела от времени имеет вид:
Изучите график и на его основании выберите два верных утверждения:
- На участке 1 скорость тела постоянна, а на участке 2 равна нулю.
- Проекция ускорения тела на участке 1 положительна, а на участке 2 — отрицательна.
- На участке 1 тело движется равномерно, а на участке 2 оно покоится.
- На участке 1 тело движется равноускорено, а на участке 2 оно движется равномерно.
- Проекция ускорения тела на участке 1 отрицательна, а на участке 2 — положительна.
На участке 1 координата растет, и ее график представляет собой прямую. Это значит, что на этом участке тело движется равномерно (с постоянной скоростью). На участке 2 координата с течением времени не меняется, что говорит о том, что тело покоится. Исходя из этого, верными утверждениями являются номера 1 и 3.
Пример №3. На рисунке изображен график движения автомобиля из пункта А (х=0 км) в пункт В (х=30 км). Чему равна минимальная скорость автомобиля на всем пути движения туда и обратно?
Согласно графику, с начала движения до прибытия автомобиля в пункт 2 прошло 0,5 часа. А с начала движения до возвращения в пункт А прошло 1,5 часа. Поэтому время, в течение которого тело возвращалось из пункта В в пункт А, равно:
1,5 – 0,5 = 1 (час).
Туда и обратно автомобиль проходил равные пути, каждый из которых равен 30 км. Поэтому скорость во время движения от А к В равна:
Скорость во время движения от В к А равна:
Минимальная скорость автомобиля на всем пути движения составляет 30 км/ч.
Задание EF17553
На рисунке представлены графики зависимости пройденного пути от времени для двух тел. Скорость второго тела v2 больше скорости первого тела v1 в n раз, где n равно…
Алгоритм решения
- Выбрать любой временной интервал.
- Выбрать для временного интервала начальные и конечные пути для каждого из графиков.
- Записать формулу скорости и вычислить ее для 1 и 2 тела.
- Найти n — отношение скорости второго тела к скорости первого тела
Решение
Рассмотрим графики во временном интервале от 0 до 4 с. Ему соответствуют следующие данные:
- Для графика 1: начальный путь s10 = 0 м. Конечный путь равен s1 = 80 м.
- Для графика 2: начальный путь s20 = 0 м. Конечный путь равен s2 = 120 м.
Скорость определяется формулой:
Так как начальный момент времени и скорость для обоих тел нулевые, формула примет вид:
Скорость первого тела:
Скорость второго тела:
Отношение скорости второго тела к скорости первого тела:
Ответ: 1,5
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18768
На рисунке приведён график зависимости координаты тела от времени при прямолинейном движении тела по оси Ox.
Какой из графиков соответствует зависимости от времени для проекции υx скорости этого тела на ось Ox?
Алгоритм решения
- Записать уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении.
- Выразить из уравнения проекцию скорости.
- Определить начальную и конечную координаты, а также время, в течение которого двигалось тело.
- Вычислить проекцию скорости.
- Выбрать соответствующий график.
Решение
Уравнение координаты при равномерном прямолинейном движении имеет вид:
Отсюда проекция скорости равна:
Начальная координата xo = 10 м, конечная x = –10 м. Общее время, в течение которого двигалось тело, равно 40 с.
Вычисляем проекцию скорости:
Этому значению соответствует график «в».
Ответ: в
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18831
На рисунке представлен график зависимости модуля скорости υ автомобиля от времени t. Определите по графику путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t1=20 с до t2=50 с.
Алгоритм решения
- Охарактеризовать движение тела на различных участках графика.
- Выделить участки движения, над которыми нужно работать по условию задачи.
- Записать исходные данные.
- Записать формулу определения искомой величины.
- Произвести вычисления.
Решение
Весь график можно поделить на 3 участка:
- От t1 = 0 c до t2 = 10 с. В это время тело двигалось равноускоренно (с положительным ускорением).
- От t1 = 10 c до t2 = 30 с. В это время тело двигалось равномерно (с нулевым ускорением).
- От t1 = 30 c до t2 = 50 с. В это время тело двигалось равнозамедленно (с отрицательным ускорением).
По условию задачи нужно найти путь, пройденный автомобилем в интервале времени от t1 = 20 c до t2 = 50 с. Этому времени соответствуют два участка:
- От t1 = 20 c до t2 = 30 с — с равномерным движением.
- От t1 = 30 c до t2 = 50 с — с равнозамедленным движением.
Исходные данные:
- Для первого участка. Начальный момент времени t1 = 20 c. Конечный момент времени t2 = 30 с. Скорость (определяем по графику) — 10 м/с.
- Для второго участка. Начальный момент времени t1 = 30 c. Конечный момент времени t2 = 50 с. Скорость определяем по графику. Начальная скорость — 10 м/с, конечная — 0 м/с.
Записываем формулу искомой величины:
s = s1 + s2
s1 — путь тела, пройденный на первом участке, s2 — путь тела, пройденный на втором участке.
s1 и s2 можно выразить через формулы пути для равномерного и равноускоренного движения соответственно:
Теперь рассчитаем пути s1 и s2, а затем сложим их:
s1 + s2 = 100 + 100 = 200 (м)
Ответ: 200
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 13.6k
Скорость тела характеризуется направлением и модулем. Иными словами, модуль скорости – это число, которое показывает, насколько стремительно тело передвигается в пространстве. Перемещение полагает метаморфоза координат.
Инструкция
1. Введите систему координат, касательно которой вы будете определять направление и модуль скорости . Если в задаче теснее задана формула зависимости скорости от времени, вводить систему координат не надобно – предполагается, что она теснее есть.
2. По имеющейся функции зависимости скорости от времени дозволено обнаружить значение скорости в всякий момент времени t. Пускай, скажем, v=2t?+5t-3. Если требуется обнаружить модуль скорости в момент времени t=1, примитивно подставьте это значение в уравнение и посчитайте v: v=2+5-3=4.
3. Когда задача требует обнаружить скорость в исходный момент времени, подставьте в функцию t=0. Таким же образом дозволено обнаружить время, подставив вестимую скорость. Так, в конце пути тело остановилось, то есть, его скорость стала равна нулю. Тогда 2t?+5t-3=0. Отсель t=[-5±?(25+24)]/4=[-5±7]/4. Получается, что либо t=-3, либо t=1/2, а от того что время не может быть негативным, остается только t=1/2.
4. Изредка в задачах уравнение скорости дается в завуалированной форме. Скажем, в условии сказано, что тело двигалось равноускоренно с негативным убыстрением -2 м/с?, а в первоначальный момент скорость тела составляла 10 м/с. Негативное убыстрение обозначает, что тело равномерно замедлялось. Из этих условий дозволено составить уравнение для скорости : v=10-2t. С всей секундой скорость будет уменьшаться на 2 м/с, пока тело не остановится. В конце пути скорость обнулится, следственно легко обнаружить всеобщее время движения: 10-2t=0, откуда t=5 секунд. Через 5 секунд позже начала движения тело остановится.
5. Помимо откровенного движения тела, существует еще и движение тела по окружности. В всеобщем случае оно является криволинейным. Тут появляется центростремительное убыстрение, которое связано с линейной скоростью формулой a(c)=v?/R, где R – радиус. Комфортно рассматривать также угловую скорость ?, причем v=?R.
Модуль числа n представляет собой число единичных отрезков от начала координат до точки n. Причем не главно, в какую сторону будет отсчитываться это расстояние – вправо либо налево от нуля.
Инструкция
1. Модуль числа также принято называть безусловной величиной этого числа . Он обозначается короткими вертикальными линиями, проведенными слева и справа от числа . Скажем, модуль числа 15 записывается дальнейшим образом: |15|.
2. Помните, что модуль может быть только позитивным числом либо нулем. Модуль позитивного числа равен самому числу. Модуль нуля равен нулю. То есть для всякого числа n, которое огромнее либо равно нулю, будет объективна дальнейшая формула |n| = n. Скажем, |15| = 15, то есть модуль числа 15 равен 15-ти.
3. Модулем негативного числа будет то же число, но с противоположным знаком. То есть для всякого числа n, которое поменьше нуля, будет объективна формула |n| = -n. Скажем, |-28| = 28. Модуль числа -28 равен 28-ми.
4. Дозволено находить модули не только для целых, но и для дробных чисел. Причем в отношении дробных чисел действуют те же правила. Скажем, |0,25| = 25, то есть модуль числа 0,25 будет равен 0,25. А |-?| = ?, то есть модуль числа -? будет равен ?.
5. При работе с модулями пригодно знать, что модули противоположных чисел неизменно равны друг другу, то есть |n| =|-n|. Это является основным свойством модулей. Скажем, |10| = |-10|. Модуль числа 10 равен 10-ти, верно так же, как модуль числа -10. Помимо того, |a – b| = |b – a|, потому что расстояние от точки a до точки b и расстояние от b до a равны друг другу. Скажем, |25 – 5| = |5 – 25|, то есть |20| = |- 20|.
Для нахождения метаморфозы скорости определитесь с типом движения тела. В случае если движение тела равномерно, изменение скорости равно нулю. Если тело движется с убыстрением, то изменение его скорости в весь момент времени дозволено узнать, если отнять от мгновенной скорости в данный момент времени его исходную скорость.
Вам понадобится
- секундомер, спидометр, радар, рулетка, акселерометр.
Инструкция
1. Определение метаморфозы скорости произвольно движущегося по прямой траекторииС поддержкой спидометра либо радара измерьте скорость тела в начале и конце отрезка пути. После этого от финального итога отнимите первоначальный, это и будет изменение скорости тела.
2. Определение метаморфозы скорости тела, движущегося с ускорениемНайдите убыстрение тела. Используйте акселерометр либо динамометр. Если знаменита масса тела, тогда силу, действующую на тело, поделите на его массу (a=F/m). Позже этого измерьте время, за которое происходил процесс метаморфозы скорости . Дабы обнаружить изменение скорости , умножьте значение убыстрения на время, за которое происходило это изменение (?v=a•t). Если убыстрение измерить в метрах на секунду в квадрате, а время – в секундах, то скорость получится в метрах на секунду. Если нет вероятности замерить время, но вестимо, что скорость менялась на определенном отрезке пути, спидометром либо радаром, измерьте скорость в начале этого отрезка, после этого с поддержкой рулетки либо дальномера измерьте длину этого пути и убыстрение. Любым из вышеописанных способов измерьте убыстрение, которое действовало на тело. Позже этого обнаружьте финальную скорость тела в конце участка пути. Для этого возведите исходную скорость в квадрат, прибавьте к ней произведение длины участка на убыстрение и число 2. Из итога извлеките квадратный корень. Дабы обнаружить изменение скорости , от полученного итога отнимите значение исходной скорости .
3. Определение метаморфозы скорости тела при поворотеЕсли изменилась не только величина, но и направление скорости , то обнаружьте ее изменение через векторную разность исходной и финальной скорости . Для этого измерьте угол между векторами. После этого от суммы квадратов скоростей отнимите удвоенное их произведение, умноженное на косинус угла между ними: v1?+v2?-2v1v2•Cos(?). Из полученного числа извлеките квадратный корень.
Видео по теме
Для определения скорости разных видов движения потребуются различные формулы. Дабы определить скорость равномерного движения, расстояние поделите на время его прохождения. Среднюю скорость движения находите сложением всех отрезков, которое прошло тело, на всеобщее время движения. При равноускоренном движении узнайте убыстрение, с которым двигалось тело, а при свободном падении высоту, с которой оно предисловие движение.
Вам понадобится
- дальномер, секундомер, акселерометр.
Инструкция
1. Скорость равномерного движения и средняя скоростьИзмерьте расстояние с поддержкой дальномера, которое прошло тело, а время, за которое оно его одолело, с поддержкой секундомера. Позже этого поделите расстояние, пройденное телом на время его прохождения, итогом будет скорость равномерного движения (v=S/t). Если тело движется неравномерно, произведите те же измерения и примените ту же формулу – тогда получите среднюю скорость тела. Это значит, что если бы тело по данному отрезку пути двигалось с полученной скоростью, оно было бы в пути время, равное измеренному. Если тело движется по окружности, измерьте ее радиус и время прохождения полного цикла, после этого радиус умножьте на 6,28 и поделите на время (v=6,28•R/t). Во всех случаях итог получится в метрах в секунду. Для перевода в километры в час помножьте его на 3,6.
2. Скорость равноускоренного движенияИзмерьте убыстрение тела с поддержкой акселерометра либо динамометра, если знаменита масса тела. Секундомером замерьте время движения тела и его исходную скорость, если тело не начинает двигаться из состояния покоя. Если же тело двигается из состояния покоя, она равна нулю. Позже этого узнайте скорость тела, прибавив к исходной скорости произведение убыстрения на время (v=v0+at).
3. Скорость вольно падающего телаС поддержкой дальномера измерьте высоту, с которой падает тело в метрах. Дабы узнать скорость, с которой оно долетит до поверхности Земли (без контроля сопротивления воздуха), умножьте высоту на 2 и на число 9,81 (убыстрение свободного падения). Из итога извлеките квадратный корень. Дабы обнаружить скорость тела на всякий высоте, применяйте ту же методологию, только от исходной высоты, отнимайте нынешнюю и полученное значение подставляйте взамен высоты.
Видео по теме
Человек привык воспринимать представление “скорость ” как что-то больше примитивное, чем это есть на самом деле. Подлинно, проносящийся на перекрестке автомобиль движется с определенной скорость ю, в то время как человек стоит и отслеживает за ним. Но если человек находится в движении, то умнее говорить не об безусловной скорости, а об относительной ее величине. Обнаружить относительную скорость дюже легко.
Инструкция
1. Дозволено продолжить рассмотрение темы движущегося на перекрестка на автомобиле. Человек же, стоя на красном свете светофора, стоит и глядит на проезжающий автомобиль. Человек статичен, следственно примем его за систему отсчета. Система отсчета – такая система, касательно которой движется какое-нибудь тело либо другая физическая точка.
2. Возможен, автомобиль движется со скорость ю 50 км/ч. Но, возможен, что человек побежал следом автомобилю (дозволено, скажем, взамен автомобиля представить маршрутку либо проезжающий мимо автобус). Скорость бега человека 12 км/ч. Таким образом, скорость данного механического транспортного средства представится человеку не столь и стремительной, как было прежде, когда он стоял! В этом каждая и суть относительной скорости. Относительная скорость неизменно измеряется касательно подвижной системы отсчета. Таким образом, скорость автомобиля не будет для пешехода 50 км/ч, а 50 – 12 = 38 км/ч.
3. Дозволено разглядеть еще один живой пример. Довольно припомнить всякий из моментов, когда человек, сидя у окна автобуса, отслеживает за проносящимися мимо автомобилями. Подлинно, из окна автобуса их скорость кажется примитивно потрясающей. И это не изумительно, чай, если принять автобус за систему отсчета, то скорость автомобиля и скорость автобуса надобно будет сложить. Возможен, что автобус движется со скорость ю 50 км/ч, а машины 60 км/ч. Тогда 50 + 60 = 110 км/ч. Именно с такой скорость ю эти самые автомобили проносятся мимо автобуса и пассажиров в нем.Эта же скорость будет объективна и действительна и в том случае, если за систему отсчета принять всякий из проезжающих мимо автобусов автомобилей.
Кинематика постигает разные виды движения тела с заданной скоростью, направлением и траекторией. Дабы определить его расположение касательно точки начала пути, надобно обнаружить перемещение тела .
Инструкция
1. Движение тела происходит по некоторой траектории. В случае откровенного движения ею является прямая линия, следственно обнаружить перемещение тела достаточно примитивно: оно равно пройденному пути. В отвратном случае определить его дозволено по координатам исходного и финального расположения в пространстве.
2. Величина перемещения физической точки является векторной, от того что она имеет направление. Следственно, дабы обнаружить ее числовое значение, нужно вычислить модуль вектора, соединяющего точки начала пути и его окончания.
3. Разглядим двухмерное координатное пространство. Пускай тело проделало путь от точки A (x0, y0) до точки B (x, y). Тогда, дабы обнаружить длину вектора АВ, опустите проекции его концов на оси абсцисс и ординат. Геометрически проекции касательно той и иной координатной оси дозволено представить в виде катетов прямоугольного треугольника с длинами:Sx = x – x0;Sy = y – y0, где Sx и Sy – проекции вектора на соответствующих осях.
4. Модуль вектора, т.е. длина перемещения тела , в свою очередь, является гипотенузой этого треугольника, длину которой легко определить по теореме Пифагора. Он равен квадратному корню из суммы квадратов проекций:S = ?(Sx? + Sy?).
5. В трехмерном пространстве:S = ?(Sx? + Sy? + Sz?), где Sz = z – z0.
6. Это формула является всеобщей для всякий разновидности движения. Вектор перемещения владеет несколькими свойствами: • его модуль не может превышать длину пройденного пути;• проекция перемещения может быть как позитивной, так и негативной величиной, в то время как величина пути неизменно огромнее нуля;• в всеобщем случае перемещение не совпадает с траекторией движения тела , а его модуль не равен пути.
7. В частном случае откровенного движения тело перемещается только по одной оси, скажем, оси абсцисс. Тогда длина перемещения равна разности финальной и исходной первой координаты точек:S = x – x0.
От модуля исходной скорости во многом зависят колляции движения тела. Для того дабы обнаружить эту величину, нужно воспользоваться дополнительными измерениями либо данными. Величина модуля исходной скорости может являться основополагающей колляцией, скажем, для огнестрельного оружия.
Вам понадобится
- – рулетка;
- – дальномер;
- – секундомер;
- – акселерометр;
- – спидометр;
- – угломер;
- – хронограф.
Инструкция
1. Вначале определитесь с типом движения. Если оно равномерное, то довольно измерить длину пути, по которому переместилось тело, сделав это рулеткой, дальномером либо иным доступным методом, и поделить это значение на время, за которое это перемещение осуществлялось. От того что движение равномерное, то модуль скорости на протяжении каждого пути будет идентичен, так что полученная скорость будет равна исходной.
2. При равноускоренном откровенном движении измерьте при помощи акселерометра убыстрение тела, а с подмогой секундомера время его движения, спидометром финальную скорость в конце отрезка пути. Обнаружьте значение модуля исходной скорости, отняв от финальной скорости произведение убыстрения на время движения v0=v-a*t. Если незнакомо значение убыстрения, измеряйте расстояние, которое покрыло тело за время t. Сделайте это при помощи рулетки либо дальномера.
3. Зафиксируйте значение финальной скорости. Обнаружьте исходную скорость, отняв от удвоенного значения расстояния S, поделенного на время, значение финальной скорости v, v0=2S/t-v. Когда значение финальной скорости измерить трудно, а убыстрение знаменито, воспользуйтесь иной формулой. Для этого измеряйте перемещение тела, а также время, которое оно было в пути. От значения перемещения отнимите произведение убыстрения на квадрат времени, поделенное на 2, а итог поделите на время, v0=(S-at?/2)/t либо v0=S/t-at/2.
4. Когда тело начинает движение под углом к горизонту, на него воздействует сила тяжести. Для того дабы обнаружить модуль исходной скорости, при помощи угломера замеряйте угол к горизонту, под которым тело начинает двигаться. При помощи рулетки либо дальномера замеряйте расстояние, на котором тело упадет на поверхность земли. Дабы определить модуль исходной скорости, расстояние S поделите на синус удвоенного угла ?. Из полученного итога извлеките квадратный корень, v0=?(S/sin(2?)).
5. Дабы измерить модуль исходной скорости пули, выпущенной из стрелкового оружия, используйте хронограф. Для этого установите его так, как указано в его инструкции, от того что хронографы бывают различных типов. Позже этого сделайте выстрел из оружия, на табло хронографа появится итог. Выстрелите еще несколько раз и возьмите среднее значение показаний хронографа. Это и будет модуль исходной скорости пули, выпущенного из данного типа стрелкового оружия.
В очередной раз меня попросили решить пару задачек по физике, и я вдруг обнаружил, что не могу решить их с ходу. Немного погуглив, я обнаружил, что сайты в топе выдачи содержат сканы одного и того же учебника и не описывают конкретных примеров решений задачи о том, как найти вектор скорости и ускорения материальной точки. По-этому я решил поделиться с миром примером своего решения.
Траектория движения материальной точки через радиус-вектор
Подзабыв этот раздел математики, в моей памяти уравнения движения материальной точки всегда представлялись при помощи знакомой всем нам зависимости y(x) , и взглянув на текст задачи, я немного опешил когда увидел векторы. Оказалось, что существует представление траектории материальной точки при помощи радиус-вектора — вектора, задающего положение точки в пространстве относительно некоторой заранее фиксированной точки, называемой началом координат.
Формула траектория движения материальной точки помимо радиус-вектора описывается так же ортами — единичными векторами i, j , k в нашем случае совпадающими с осями системы координат. И, наконец, рассмотрим пример уравнения траектории материальной точки (в двумерном пространстве):
Что интересного в данном примере? Траектория движения точки задается синусами и косинусами, как вы думаете, как будет выглядеть график в всем нам знакомом представлении y(x) ? «Наверное какой-то жуткий», подумали вы, но все не так сложно как кажется! Попробуем построить траекторию движения материальной точки y(x), если она движется по представленному выше закону:
Здесь я заметил квадрат косинуса, если вы в каком-нибудь примере видите квадрат синуса или косинуса, это значит что нужно применять основное тригонометрическое тождество, что я и сделал (вторая формула) и преобразовал формулу координаты y, чтобы вместо синуса подставить в нее формулу изменения x:
В итоге жуткий закон движения точки оказался обычной параболой, ветви которой направлены вниз. Надеюсь, вы поняли примерный алгоритм построения зависимости y(x) из представления движения через радиус-вектор. Теперь перейдем к нашему главному вопросу: как же найти вектор скорости и ускорения материальной точки, а так же их модули.
Вектор скорости материальной точки
Всем известно, что скорость материальной точки — это величина пройденного пути точкой за единицу времени, то есть производная от формулы закона движения. Чтобы найти вектор скорости нужно взять производную по времени. Давайте рассмотрим конкретный пример нахождения вектора скорости.
Пример нахождения вектора скорости
Имеем закон перемещения материальной точки:
Теперь нужно взять производную от этого многочлена, если вы забыли как это делается, то вот вам таблица производных различных функций. В итоге вектор скорости будет иметь следующий вид:
Все оказалось проще, чем вы думали, теперь найдем вектор ускорения материальной точки по тому же самому закону, представленному выше.
Как найти вектор ускорения материальной точки
Вектор ускорения точки это векторная величина, характеризующая изменение с течением времени модуля и направления скорости точки. Чтобы найти вектор ускорения материальной точки в нашем примере, нужно взять производную, но уже от формулы вектора скорости, представленной чуть выше:
Модуль вектора скорости точки
Теперь найдем модуль вектора скорости материальной точки. Как вы знаете из 9-го класса, модуль вектора — это его длина, в прямоугольных декартовых координатах равна квадратному корню из суммы квадратов его координат. И откуда же из полученного нами выше вектора скорости взять его координаты спросите вы? Все очень просто:
Теперь достаточно только подставить время, указанное в задаче и получить конкретное числовое значение.
Модуль вектора ускорения
Как вы поняли из написанного выше (и из 9-го класса), нахождение модуля вектора ускорения происходит тем же образом, что и модуля вектора скорости: извлекаем корень квадратный из суммы квадратов координат вектора, все просто! Ну и вот вам, конечно же, пример:
Как вы видите, ускорение материальной точки по заданному выше закону не зависит от времени и имеет постоянную величину и направление.
Еще примеры решений задачи нахождения вектора скорости и ускорения
А вот тут вы можете найти примеры решения и других задач по физике на тему «механика твердых тел». А для тех, кто не совсем понял как найти вектор скорости и ускорения, вот вам еще парочка примеров из сети без всяких лишних объяснений, надеюсь, они вам помогут.
Если у вас возникли какие-нибудь вопросы, вы можете задать их в комментариях.
Основываясь на определении скорости, мы можем утверждать, что скорость является вектором. Она непосредственно выражается через вектор-перемещения, отнесенный к промежутку времени, и должна обладать всеми свойствами вектора перемещения.
Направление вектора скорости, так же как направление физически малого вектора перемещения, определяется по чертежу траектории. В этом можно наглядно убедиться на простых примерах.
Если к вращающемуся точильному камню прикоснуться железной пластинкой, то снимаемые им опилки приобретут скорость тех точек камня, к которым прикасалась пластинка, и затем улетят в направлении вектора этой скорости. Все точки камня движутся по окружностям. Во время опыта хорошо видно, что отрывающиеся раскаленные частички-опилки уходят по касательным к этим окружностям, указывая направления векторов скоростей отдельных точек вращающегося точильного камня.
Обратите внимание на то, как расположены выходные трубы у кожуха центробежного водяного насоса или у сепаратора для молока. В этих машинах частицы жидкости заставляют двигаться по окружностям и затем дают им возможность выйти в отверстие, расположенное в направлении вектора той скорости, которую они имеют в момент выхода. Направление вектора скорости в этот момент совпадает с направлением касательной к траектории движения частиц жидкости. И выходная труба тоже направлена по этой касательной.
Точно так же обеспечивают выход частиц в современных ускорителях электронов и протонов при ядерных исследованиях.
Итак, мы убедились, что направление вектора скорости определяется по траектории движения тела. Вектор скорости всегда направлен вдоль касательной к траектории в той точке, через которую проходит движущееся тело.
Для того чтобы определить, в какую сторону вдоль касательной направлен вектор скорости и каков его модуль, нужно обратиться к закону движения. Допустим, что закон движения задан графиком, показанным на рис. 1.54. Возьмем приращение длины пути соответствующее малому вектору
по которому определяется вектор скорости. Вспомним, что
Знак
указывает
направление движения по траектории, а следовательно, определяет ориентировку вектора скорости вдоль касательной. Очевидно, что через модуль этого приращения длины пути будет определяться модуль скорости.
Таким образом, модуль вектора скорости и ориентировку вектора скорости вдоль касательной к траектории можно определить из соотношения
Здесь является алгебраической величиной, знак которой указывает, в какую сторону по касательной к траектории направлен вектор скорости.
Итак, мы убедились, что модуль вектора скорости может быть найден по графику закона движения. Отношение определяет угол наклона а касательной на этом графике. Наклон касательной на графике закона движения будет тем больше, чем больше
т. е. чем больше в выбранный момент скорость движения.
Еще раз обратим внимание на то, что для полного определения скорости требуется одновременное знание траектории и закона движения. Чертеж траектории позволяет определить направление скорости, а график закона движения — ее модуль и знак.
Если теперь мы обратимся снова к определению механического движения, то убедимся в том, что после введения понятия скорости для полного описания любого движения больше ничего не требуется. Используя понятия радиус-вектора, вектора перемещения, вектора скорости, длины пути, траектории и закона движения, можно получить ответы на все вопросы, связанные с определением особенностей любого движения. Все эти понятия взаимосвязаны друг с другом, причем знание траектории и закона движения позволяет найти любую из этих величин.
Школьный курс физики содержит раздел «кинематика». Большинство задач этого раздела можно решить, рассматривая движение вдоль одной оси — одномерное движение. Его еще называют прямолинейным движением.
Для некоторых задач нужно рассматривать движение на плоскости – двумерный случай.
Вообще, движение тела может происходить:
- вдоль оси – одномерный случай, ось часто именуют, как «Ox»;
- на плоскости;
- в трехмерном пространстве;
Здесь рассмотрим одномерный случай движения — движение тел вдоль оси.
Параметры, описывающие движение
Чтобы описать движение, используют:
- перемещение тела;
- время, в течение которого движение происходило;
- скорость тела;
- начальные и конечные координаты тела;
- траекторию тела;
Траектория – линия, вдоль которой двигалось тело.
Траектория – скаляр, в СИ длину траектории измеряют в метрах.
Для криволинейного движения траектория будет отрезком кривой.
Если движение прямолинейное, траектория – отрезок прямой линии.
Перемещение тела – это вектор. Он соединяет точки, в которых тело находилось в начале и конце движения, направлен из начальной точки в конечную.
Модуль этого вектора – его длину, в СИ измеряют в метрах.
Может ли перемещение тела равняться нулю, при том, что траектория имеет какую-либо протяженность?
Да, такое может быть. Когда тело движется так, что в конце движения оно вернется в начальную точку, в которой находилось перед началом движения.
Если в завершении движения тело окажется на каком-то расстоянии от начальной точки, длина вектора перемещения будет положительной.
Примечания:
- Модуль (длина) вектора не бывает отрицательным, он либо положительный, либо нулевой.
- Когда тело движется по прямой и не меняет направление, длина траектории совпадает с длиной (модулем) перемещения.
Уравнение движения — описывает характер движения.
Оно содержит:
- время движения,
- начальную и конечную координаты тела и
- его скорость.
Вместо координат тела уравнение движения может содержать перемещение.
Примечания:
- Координаты тела, время движения и траектория – это скалярные величины.
- А скорость тела, его ускорение и перемещение – это векторы.
- Когда движение равномерное, скорость тела не меняется.
- Скорость отвечает на вопрос: как быстро изменяется координата (или путь, перемещение).
Описанные параметры применяют и для равномерного и для неравномерного движения.
Прямолинейное движение вдоль оси
Рассмотрим движение по прямой, когда скорость тела не меняется. Это — равномерное прямолинейное движение.
На рисунке 1 представлено движение тела вдоль оси, назовем ее для определенности Ox:
Рис. 1. Перемещение – это разница между конечной и начальной координатами тела
Ось «Ox» на рисунке 1 обозначена большим символом «X».
Точка, в которой тело находилось в начале движения (x_{0} left( text{м} right)) — начальная координата тела;
В эту точку тело переместилось к концу движения (x left( text{м} right)) — конечная координата тела;
Расстояние между двумя точками (S left( text{м} right)) – это перемещение тела. Перемещение – это вектор.
Формула перемещения для одномерного случая
Для движения по оси (одномерный случай), длину перемещения находят так:
[ large boxed { S = left| x — x_{0} right| }]
Знак модуля нужен для того, чтобы длина перемещения оставалась положительной, даже, если движение происходит влево по оси, т. е. против направления оси Ox.
Сравним два случая движения тел. Первый – в положительном направлении оси Ox (рис 2а), второй – в направлении, противоположном оси (рис 2б).
Рис. 2. Перемещение вправо по оси – а) и влево по оси – б)
Чтобы найти длину вектора перемещения при движении в положительном направлении оси (рис. 2а), модуль раскрываем так:
[ S = left| x — x_{0} right| = x — x_{0} ]
Для движения в отрицательном направлении оси (рис. 2б), длина вектора перемещения выражается так:
[ S = left| x — x_{0} right| = — left( x — x_{0} right) = x_{0} — x ]
И в первом, и во втором случае, длина (модуль) вектора перемещения окажется положительной.
Скорость равномерного движения
В учебниках физики равномерному движению дают такое определение:
Движение равномерное, когда тело за одинаковые интервалы времени проходит равные расстояния.
Упростим формулировку:
Если каждую секунду тело проходит одинаковые расстояния – оно движется равномерно.
Слово «равномерное» состоит из двух частей.
Если разбить его на части, получим
«равно» — одинаковый, равный,
«мерное» — отмерять.
Или, другими словами: каждую секунду отмеряем одинаковые расстояния (рис. 2).
Рис. 3. Если тело проходит равные пути за одинаковые кусочки времени, движение будет равномерным
Для равномерного движения тела его
- перемещение,
- время движения и
- скорость,
связаны соотношением:
[ left|vec{S} right| = left|vec{v} right|cdot t ]
Эта формула называется уравнением движения. Или, развернуто: «уравнение равномерного прямолинейного движения».
Где ( left|vec{S} right| ) — длина (модуль) вектора перемещения и, (left|vec{v} right|) — длина (модуль) вектора скорости.
Уравнение движения можно записать проще:
[ large boxed { S = v cdot t }]
(S left( text{м} right)) – расстояние, пройденное телом (перемещение).
(t left( c right)) – промежуток времени, в течение которого тело двигалось.
(v left( frac{text{м}}{c} right)) – скорость, с которой двигалось тело.
Разделив обе части уравнения ( S = v cdot t ) на интервал времени ( t ), получим выражение для скорости тела:
[ large boxed { frac{S}{t} = v }]
График уравнения равномерного движения
Вспомним, что перемещение является разностью конечных и начальных координат тела
( S = left| x — x_{0} right| )
Воспользуемся тем, что при движении вдоль положительного направления оси модуль можно раскрыть так:
( left| x — x_{0} right| = x — x_{0} )
Тогда уравнение движения перепишем так:
[ large boxed { x — x_{0} = v cdot t }]
Прибавим к обеим частям уравнения величину ( x_{0} ). Получим такую запись
[ large x = v cdot t + x_{0}]
Это уравнение задает на плоскости tOx линию. Ее график на осях «x» и «t» — это прямая линия.
Вспомним, что для прямой линии в математике применяют такой вид записи:
( y = k cdot x + b)
Сравним два уравнения:
[ begin{cases} x = vcdot t + x_{0}\ y = kcdot x + b end{cases} ]
Видно, что число ( x_{0}) – начальная координата тела, выполняет роль коэффициента (b).
А скорость тела ( v) – играет роль углового коэффициента (k).
Сравним графики линий (рис. 4), описанных соотношениями ( y = k cdot x + b) и ( x = v cdot t + x_{0})
Рис.4. При равномерном движении тела координата изменяется по линейному закону
Видно, что линия на рисунке 4а, располагается и слева и справа от вертикальной оси.
Линия же, описывающая движение тела, представленная на рисунке 4б, располагается только лишь в правой полуплоскости. Это не с проста. На горизонтальной оси рисунка 4б отложено время, а в левой полуплоскости время будет отрицательным. При решении задач физики мы считаем, что в начальный момент задачи время равно нулю. Поэтому, область отрицательного времени в физике нас не интересует.
Рассмотрим теперь на графике равномерное движение двух тел, обладающих разными скоростями (рис. 5). Движение тела 1 на рисунке описывает синяя линия, а тела 2 – красная.
Рис.5. Равномерное движение двух тел, обладающих разными скоростями. Скорость тела 1 (синий цвет) больше скорости тела 2 (линия красного цвета).
Два тела стартуют из точки ( x_{0}) и двигаются равномерно воль оси Ox. За промежуток времени ( Delta t) тело 1, проходит больший путь, чем тело 2.
Примечание: Чем сильнее на графике x(t) прямая линия прижимается к вертикали, тем больше скорость, с которой движется тело!
Как отмечалось выше, тело может двигаться не только в положительном направлении вдоль оси, но и в отрицательном направлении.
На следующем рисунке представлены случаи движения тела в положительном (рис. 6а) и, в отрицательном (рис. 6б) направлениях оси Ox.
Когда скорость направлена по оси (рис. 6а) — координата «x» увеличивается,
а когда против оси (рис. 6б) — координата «x» уменьшается.
Перемещение тела в положительном направлении оси – а) и в отрицательном направлении по оси Ox – б)
На рисунке рядом с прямыми x(t) приведены уравнения движения. Когда скорость направлена против оси (рис. 6б), перед ней записывают знак «минус».
Угол (alpha) на рисунке связан со знаком скорости. Если скорость направлена по оси (рис. 6а), то угол будет острым. А если скорость направлена против оси (рис. 6б) – угол тупой.
Примечание: Скорость – это вектор. Когда вектор направлен против оси, его проекция на эту ось будет отрицательной. Читайте тут о проекциях векторов. Длина любого вектора – это положительная величина.
Как по графику перемещения определить скорость
Пользуясь графиком функций S(t), или x(t) равномерного движения можно определить скорость, с которой движется тело.
Примечания:
- График S(t) называют так: «зависимость перемещения S от времени t», или кратко — график перемещения от времени.
- А график x(t) — так: «зависимость координаты x от времени t», или кратко — график координат от времени.
Скорость находим за четыре шага (рис. 7):
- Выбираем две точки на линии, описывающей движение и определяем их координаты;
- Находим разность вертикальных координат;
- После находим разность координат по горизонтали;
- Делим «вертикаль» на «горизонталь»
Полученное число и будет скоростью тела.
Примечания:
- Когда просят найти скорость, обычно имеют ввиду, что нужно найти модуль вектора скорости.
- Скорость в системе СИ измеряют в метрах, деленных на секунду.
Обращаем внимание на то, в каких единицах на осях измерены расстояние S и время t. Если нужно, переводим расстояние в метры, а время — в секунды, чтобы получить скорость в правильных единицах измерения.
Рис.7. Две точки 1 и 2 выбраны для того, чтобы по графику x(t) найти скорость равномерного прямолинейного движения тела
Рассмотрим рисунок 7.
На рисунке первая точка имеет координаты ( left( t_{1} ; x_{1} right) ),
координаты второй точки: ( left( t_{2} ; x_{2} right) ).
Разницы между координатами находим, руководствуясь принципом («конечная» — «начальная») по формулам
( Delta t = t_{2} — t_{1} )
( Delta x = x_{2} — x_{1} )
Скорость вычислим из соотношения
[ v = frac{Delta x}{Delta t}]
Читайте далее о том, как переводить скорость из километров в час в метры в секунду и о равнопеременном движении
«Истинное знание — это знание причин».
Галилео Галилей
РАВНОМЕРНОЕ
ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ
План лекции:
1. Скорость
равномерного прямолинейного движения
2. Уравнение
прямолинейного равномерного движения точки
3. Графическое представление
равномерного прямолинейного движения
1. Скорость
равномерного прямолинейного движения
Простейший
вид механического движения — равномерное прямолинейное движение.
Равномерным прямолинейным
движением называют движение материальной точки,
при котором она за любые равные промежутки времени совершает одинаковые
перемещения.
Приблизительно равномерным прямолинейным
движением можно считать движение парашютиста с раскрытым парашютом вблизи поверхности
Земли (в отсутствие ветра), движение эскалатора метрополитена.
Из
определения равномерного прямолинейного движения следует:
– для
описания данного движения достаточно воспользоваться одномерной системой
координат, поскольку траектория движения — прямая;
– отношение
перемещения к интервалу времени, за который это перемещение произошло,
для данного движения является неизменной величиной, ведь за равные интервалы
времени тело совершает одинаковые перемещения.
Движения
разных тел отличаются быстротой: улитка ползёт медленно, самолёт летит быстро.
Такие кинематические величины, как перемещение и путь, не содержат информацию о
том, как быстро по времени изменяется положение тела в пространстве.
Пространственно-временной характеристикой движения является скорость.
В
механике рассматривают скорость как векторную величину.
А это означает, что скорость можно считать определенной только тогда, когда мы
знаем ее модуль и направление.
Дадим определение скорости равномерного
прямолинейного движения. Допустим, что точка, двигаясь равномерно и
прямолинейно в течение некоторого промежутка времени , переходит из положения
в положение
,
совершив при этом перемещение .
Вычислим отношение этого перемещения к
промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло. В результате
будем иметь вектор, потому что при делении вектора на число, будет тоже вектор.
Этот вектор получил название — скорость равномерного прямолинейного движения
точки. Его обозначают буквой .
Скоростью равномерного
прямолинейного движения называют векторную физическую
величину, равную отношению перемещения точки ко времени, за которое оно
совершено.
Следовательно, можно записать: .
Так как промежуток времени — величина
положительная, то направление вектора скорости будет таким же, как и
направление вектора перемещения .
Модуль перемещения — это расстояние,
пройденное точкой за время . Так как точка
движется равномерно, то модуль отношения перемещения ко времени, а значит, и
модуль скорости, есть величина, численно равная
расстоянию, пройденному точкой за единицу времени:
В Международной системе (СИ) единицей расстояния является метр,
единицей времени — секунда; поэтому скорость выражается в метрах в секунду
. Скорость тела можно измерять также в километрах
в час ; километрах в секунду
и др.
.
Скорость движения транспортных средств
измеряется прибором — спидометром, где числа шкалы показывают скорость,
выраженную в .
Равномерное
движение — это всегда движение по прямой линии. При
равномерном движении путь и перемещение одинаковы.
Например, если машина
едет по прямой линии и на спидометре одно и то же значение скорости (модуль
скорости), то это движение равномерное. Стоит машине изменить направление
(повернуть), это будет означать, что вектор скорости изменил свое направление.
Вектор скорости направлен туда же, куда едет машина. Такое движение нельзя
считать равномерным, несмотря на то, что спидометр показывает одно и то же
число.
Движение на карусели также нельзя считать равномерным, так как постоянно
изменяется направление движения, а значит и вектор скорости.
Уравнение скорости для равномерного прямолинейного
движения имеет вид .
2. Уравнение
прямолинейного равномерного движения
Равномерное прямолинейное движение описывается определённым уравнением. Получим это уравнение, воспользовавшись
определением скорости.
Пусть радиус-вектор задаёт
положение точки в начальный момент времени ,
а радиус-вектор — в момент времени
. Тогда
и
выражение для скорости принимает вид:
Если начальный момент времени принять равным нулю, то
, откуда
.
Последнее уравнение называют уравнением равномерного
прямолинейного движения точки, записанным в векторной форме. Оно
позволяет найти радиус-вектор точки при этом движении в любой момент времени,
если известны скорость точки и радиус-вектор, задающий её положение в начальный
момент времени.
Но по формулам, написанным в
векторном виде, вычисления вести нельзя, ведь векторная величина имеет не
только численное значение, но и направление. При вычислениях удобно
пользоваться формулами, в которые входят не векторы, а их проекции на оси
координат, так как над проекциями можно производить алгебраические действия.
Если тело
движется равномерно вдоль положительного направления оси и в начальный момент времени
находилось в точке с координатой
, а в произвольный момент времени
в точке с координатой
, то скорость движения равна
или, учитывая что
,
.
Отсюда следует, что
Полученное выражение является уравнением
координаты тела. Его называют кинематическим
уравнением равномерного движения или законом
равномерного прямолинейного движения.
Проекция
вектора скорости в уравнении координаты
тела может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от
направления движения. Если движение точки происходит по
направлению оси , то
, если движение происходит в
противоположную сторону, то , поэтому при
расчётах целесообразно использовать формулу .
Перепишем кинематическое уравнение
равномерного движения в виде:
.
Учтём также, что разность между
начальной и конечной координатой точки — проекция перемещения на выбранную
координатную ось:
Левые части обоих равенств равны,
значит правые тоже равны. Получим уравнение для проекции перемещения:
Его называют уравнением
перемещения.
При равномерном прямолинейном
движении направление вектора скорости не изменяется, а
значит путь и модуль проекции перемещения тела равны. На основании этого,
получим уравнение пути при равномерном прямолинейном движении
тела:
При равномерном прямолинейном
движении зависимость пути от времени является линейной.
Если движение точки происходит по направлению оси , то
,
если движение происходит в противоположную сторону, то , поэтому при расчётах целесообразно
использовать формулу .
3. Графическое
представление прямолинейного равномерного движения
Рассмотрим графические зависимости
скорости, координаты, пути и перемещения от времени при равномерном
прямолинейном движении.
1. График зависимости скорости
от времени . При равномерном
движении скорость постоянна, поэтому график зависимости скорости от времени будет
представлять собой прямую линию, параллельную оси времени. При равномерном
движении скорость не зависит от времени.
Из графика скорости видно, что
проекция скорости тел для прямых 1 и 3 больше нуля, так как они располагаются
выше оси времени. В случае с прямой 2 можно сказать, что тело движется в
обратном направлении, поэтому проекция скорости отрицательная.
Если рассмотреть конечный промежуток
времени, то получим ограниченную область, имеющую форму прямоугольника. Площадь
этого прямоугольника будет являться пройденным телом путем. (Длина
одной из сторон прямоугольника — это скорость, а длина другой — это промежуток
времени).
2. График
зависимости пройденного пути от времени.
Линейную зависимость пути, проходимого движущимся телом от времени,
можно также изобразить графически. Если по оси абсцисс откладывать время
движения , а по оси ординат
— путь , то в
соответствии с формулой графиком линейной зависимости пути от времени является прямая линия,
проходящая через начало координат (при ).
Графики зависимости пути от времени
для всех тел располагаются выше оси времени. Это
объясняется тем, что пройденный путь — это длина траектории, а, следовательно, путь
не может быть отрицательным.
Наклон графика пути к оси времени
зависит от модуля скорости: чем больше скорость движения тела, тем больший
угол наклона. Скорость движения тела равна тангенсу
угла наклона прямой к оси времени:
3. Графиками
движения называют графики зависимости координаты от времени.
На рисунке приведены примеры графиков зависимости координаты от времени
для трёх различных случаев равномерного прямолинейного движения. Точки
пересечения этих графиков с осью соответствуют
значениям начального положения: для первого тела ,
для второго , а для третьего —
.
На графике видно, что для первого и
третьего тела значение координаты увеличивается
с течением времени, значит, тело движется в направлении, совпадающем с
положительным направлением оси . Это
соответствует положительному перемещению, а, значит, положительной проекции
скорости.
Для прямой 2 значение координаты уменьшается с течением времени, значит
второе тело движется в обратном направлении, поэтому его проекция скорости
отрицательная.
Кроме того, из графиков можно судить
о модуле скорости. Тело, движение которого описано прямой 1, движется быстрее
остальных, так как за один и тот же промежуток времени оно проходит большее
расстояние.
При этом, как и в случае с
перемещением, угол наклона графика к оси времени зависит от скорости тела. Из
этих наблюдений можно сделать следующий вывод: чем больше угол между
прямой и осью времени, тем больше скорость движения тела.
В случае прямолинейного равномерного
движения тела графики движения дают полное решение задачи механики,
так как они позволяют найти положение тела в любой момент времени.
С помощью графика движения можно определить:
1) координаты тела в любой момент времени;
2) путь, пройденный телом за некоторый промежуток
времени;
3) время, за которое пройден какой-то путь;
4) кратчайшее расстояние между телами в любой момент
времени;
5) момент и место встречи тел
Необходимо помнить, что график зависимости координаты тела от времени не следует путать с
траекторией движения тела — прямой, во всех точках которой тело побывало при
своем движении.
Примеры решения задач
Задача 1. На рисунке приведены графики движения двух
тел. Чему равно отношение скорости первого тела к скорости второго?
Решение. Уравнение
движения: .
Проекция
скорости: .
Значит
,
Искомое
отношение:
Ответ: отношение
скоростей равно .
Задача 2. Даны законы движения двух материальных точек:
(м),
(м).
Определите время и координату места встречи точек. Постройте графики
зависимости проекций скоростей точек от времени.
Дано:
|
Решение 1 способ (аналитический) В
Тогда |
|
|
||
2 способ (графический)
Ответ: две материальные точки встретятся через 5 с в точке с |
|
Контрольные вопросы
1. Какое движение называют равномерным прямолинейным?
2. Дайте
определение скорости равномерного прямолинейного движения.
3. Как определить модуль скорости прямолинейного
равномерного движения?
4. Какой вид имеет уравнение скорости для равномерного прямолинейного
движения?
5. Каков
физический смысл скорости?
6. Какое
уравнение выражает закон равномерного прямолинейного движения?
7. Какой
вид имеет уравнение перемещения при равномерном прямолинейном движении?
8. Какой вид имеет график
скорости для равномерного прямолинейного движения?
9. В каких случаях график
расположен выше оси времени? ниже оси времени? на оси времени?
10. Как по графику скорости определить путь,
пройденный телом?
11. Как угол наклона графика зависимости пройденного пути от времени при равномерном
прямолинейном движении зависит от скорости?
12. Какая зависимость отражается на графике
движения?
13. Что можно определить, пользуясь графиком
движения?
14. Составьте с помощью
интернета таблицу примерных скоростей различных объектов. Проанализируйте её.
Упражнения
1. На
рисунке изображены графики зависимости координаты от времени для пешехода и велосипедиста:
а) Каким цветом изображён график для пешехода?
б) В каком направлении оси ехал велосипедист?
в) Чему равны модули скорости пешехода и
велосипедиста?
г) Перенесите графики в тетрадь
и добавьте к ним график зависимости координаты от времени для автомобиля,
который едет в отрицательном направлении оси ,
если модуль его скорости в 5 раз
больше модуля скорости велосипедиста.
2. На рисунке изображены графики зависимости
координаты от времени для тела, движущегося вдоль оси .
а) Какие графики описывают движение тела в
направлении, противоположном направлению оси ?
б) На каких графиках показано, что тело проходит
через начало координат?
в) На каких графиках и
имеют
противоположные знаки?
3. На рисунке изображены графики
зависимости координаты от времени для велосипедиста и грузовика.
а) Каким цветом изображён график для грузовика?
б) Какому событию соответствует точка пересечения
графиков?
в) Какие величины можно определить по этим
графикам? Чему они равны?
г) Перенесите эти графики в
тетрадь и добавьте к ним график зависимости координаты от времени для легкового
автомобиля, который двигался прямолинейно и равномерно, встретился сначала с
велосипедистом, а потом — с грузовиком, причём обе эти встречи произошли до
того, как грузовик и велосипедист встретились друг с другом. В каком
направлении относительно оси двигался этот легковой автомобиль?
4. Автомобиль и мотоциклист
движутся навстречу друг другу со скоростями, модули которых равны 30 м/с и
20 м/с соответственно. Расстояние между ними в начальный момент времени
равно 150 м. Найдите аналитическим способом время встречи автомобиля с
мотоциклистом и расстояние, которое проехал мотоциклист. Решите задачу
графическим способом.
5. Муравей и черепаха движутся
вдоль стены здания друг за другом. Муравей догоняет черепаху. В начальный
момент времени расстояние между ними равно 75 см. Модуль скорости муравья
равен 5 см/с, а модуль скорости черепахи равен 2,5 см/с. Когда
муравей догонит черепаху? Решите задачу аналитическим и графическим способами.
6. Моська погналась за
разозлившим её слоном. Модуль скорости слона равен 2 м/с, а модуль
скорости Моськи — 12 м/с. Когда Моська догонит слона, если в начальный
момент времени расстояние между ними равно 300 м?
Литература
1. Мякишев Г. Я., Физика 10
класс, 2016 год, стр. 20-23, 31-33
Интернет-ресурсы
1. http://fizmat.by/kursy/kinematika/ravnomernoe
2. http://fizmat.by/kursy/kinematika/otnositelnost
3. http://fizmat.by/kursy/kinematika/neravnomernoe
4. http://fizmat.by/kursy/kinematika/grafiki_dvizhenija
5. http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/Internet-uroki/3_Ravnomernoe_dvigenie.mp4
6. http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/Internet-uroki/4_Grafiki_ravnom_pryam_dvigeniya.mp4
7. http://surl.li/aupdx
8 http://surl.li/aupeh
9. http://surl.li/aupeo
10. https://www.youtube.com/watch?v=uX2vilBO4tE&list=PL96zz4Yl-B2jSlfQcByYg_yiPQHoVcds6&index=12
11. https://www.youtube.com/watch?v=0Fv0B4hX3vw&index=14&list=PL96zz4Yl-B2jSlfQcByYg_yiPQHoVcds6
12. https://www.youtube.com/watch?v=02bCjoveWTI&list=PL96zz4Yl-B2jSlfQcByYg_yiPQHoVcds6&index=17
Как найти модуль скорости
Скорость тела характеризуется направлением и модулем. Иными словами, модуль скорости – это число, которое показывает, насколько быстро тело передвигается в пространстве. Перемещение предполагает изменение координат.
Инструкция
Введите систему координат, относительно которой вы будете определять направление и модуль скорости. Если в задаче уже задана формула зависимости скорости от времени, вводить систему координат не нужно – предполагается, что она уже есть.
По имеющейся функции зависимости скорости от времени можно найти значение скорости в любой момент времени t. Пусть, например, v=2t²+5t-3. Если требуется найти модуль скорости в момент времени t=1, просто подставьте это значение в уравнение и посчитайте v: v=2+5-3=4.
Когда задача требует найти скорость в начальный момент времени, подставьте в функцию t=0. Таким же образом можно найти время, подставив известную скорость. Так, в конце пути тело остановилось, то есть, его скорость стала равна нулю. Тогда 2t²+5t-3=0. Отсюда t=[-5±√(25+24)]/4=[-5±7]/4. Получается, что либо t=-3, либо t=1/2, а поскольку время не может быть отрицательным, остается только t=1/2.
Иногда в задачах уравнение скорости дается в завуалированной форме. Например, в условии сказано, что тело двигалось равноускоренно с отрицательным ускорением -2 м/с², а в начальный момент скорость тела составляла 10 м/с. Отрицательное ускорение означает, что тело равномерно замедлялось. Из этих условий можно составить уравнение для скорости: v=10-2t. С каждой секундой скорость будет уменьшаться на 2 м/с, пока тело не остановится. В конце пути скорость обнулится, поэтому легко найти общее время движения: 10-2t=0, откуда t=5 секунд. Через 5 секунд после начала движения тело остановится.
Помимо прямолинейного движения тела, существует еще и движение тела по окружности. В общем случае оно является криволинейным. Здесь возникает центростремительное ускорение, которое связано с линейной скоростью формулой a(c)=v²/R, где R – радиус. Удобно рассматривать также угловую скорость ω, причем v=ωR.
Источники:
- как находить зависимость пути от времени
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.