Раздел 1 МЕХАНИКА
Глава 1: О с н о в ы к и н е м а т и к и
Механическое движение. Траектория. Путь и перемещение. Сложение скоростей
Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.
Механическое движение тел изучаетмеханика. Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учёта масс тел и действующих сил, называется кинематикой .
Механическое движение относительно. Чтобы определить положение тела в пространстве, нужно знать его координаты. Для определения координат материальной точки следует, прежде всего, выбрать тело отсчёта и связать с ним систему координат.
Телом отсчёта называется тело, относительно которого определяется положение других тел. Тело отсчёта выбирают произвольно. Это может быть что угодно: Земля, здание, автомобиль, теплоход и т.д.
Система координат, тело отсчёта с которым она связана, и указание отсчёта времени образуют систему отсчёта , относительно которой рассматривается движение тела (рис.1.1).
Тело, размерами, формой и структурой которого можно пренебречь при изучении данного механического движения, называется материальной точкой . Материальной точкой можно считать тело, размеры которого намного меньше расстояний, характерных для рассматриваемого в задаче движения.
Траектория это линия, по которой движется тело.
В зависимости от вида траектории движения разделяются на прямолинейные и криволинейные
Путь – это длина траектории ℓ(м) (рис.1.2)
Вектор , проведенный из начального положения частицы в её конечное положение, называется перемещением этой частицыза данное время.
В отличие от пути, перемещение является не скалярной, а векторной величиной, так как оно показывает не только на какое расстояние, но и в каком направлении сместилось тело за данное время.
Модуль вектора перемещения (то есть длина отрезка, который соединяет начальную и конечную точки движения) может быть равен пройденному пути или быть меньше пройденного пути. Но никогда модуль перемещения не может быть больше пройденного пути. Например, если из точки А в точку Б автомобиль перемещается по криволинейной траектории, то модуль вектора перемещения меньше пройденного пути ℓ. Путь и модуль перемещения оказываются равными лишь в одном единственном случае, когда тело движется по прямой.
Скорость – это векторная количественная характеристика движения тела
Средняя скорость – это физическая величина, равная отношению вектора перемещения точки к промежутку времени
Направление вектора средней скорости совпадает с направлением вектора перемещения.
Мгновенная скорость, то есть скорость в данный момент времени – это векторная физическая величина, равная пределу, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени Δt.
Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории движения (рис. 1.3).
В системе СИ скорость измеряется в метрах в секунду (м/с), то есть единицей скорости принято считать скорость такого равномерного прямолинейного движения, при котором за одну секунду тело проходит путь в один метр. Часто скорость измеряют в километрах в час.
или 1 
Сложение скоростей
Любые механические явления рассматриваются в какой-либо системе отсчета: движение имеет смысл только относительно других тел. При анализе движения одного и того же тела в разных системах отсчета все кинематические характеристики движения (путь, траектория, перемещение, скорость, ускорение) оказываются различными.
Например, пассажирский поезд движется по железной дороге со скоростью 60км/ч. По вагону этого поезда идёт человек со скоростью 5км/ч. Если считать железную дорогу неподвижной и принять её за систему отсчёта, то скорость человека относительно железной дороги, будет равна сложению скоростей поезда и человека, то есть
60км/ч + 5 км/ч = 65 км/ч, если человек идёт в том же направлении что и поезд и
60км/ч - 5 км/ч = 55 км/ч, если человек идёт против направления движения поезда.
Однако это справедливо только в этом случае, если человек и поезд движутся по одной линии. Если же человек будет двигаться под углом, то необходимо учитывать этот угол, и тот факт, что скорость – это векторная величина.
Рассмотрим описанный выше пример более подробно – с деталями и картинками.
Итак, в нашем случае железная дорога это неподвижная система отсчёта. Поезд, который движется по этой дороге – это подвижная система отсчёта. Вагон, по которому идёт человек, является частью поезда. Скорость человека относительно вагона (относительно подвижной системы отсчёта) равна 5км/ч. Обозначим её буквой . Скорость поезда, (а значит и вагона) относительно неподвижной системы отсчёта (то есть относительно железной дороги) равна 60 км/ч. Обозначим её буквой . Другими словами, скорость поезда – это скорость подвижной системы отсчёта относительно неподвижной системы отсчёта.
Скорость человека относительно железной дороги (относительно неподвижной системы отсчёта) нам пока неизвестна. Обозначим её буквой .
Свяжем с неподвижной системой отсчёта (рис.1.4) систему координат ХОY, а с подвижной систему отсчёта – Х п О п Y п. Определим теперь скорость человека относительно неподвижной системы отсчёта, то есть относительно железной дороги.
За малый промежуток времени Δt происходят следующие события:
· Человек перемещается относительно вагона на расстояние
· Вагон перемещается относительно железной дороги на расстояние
Тогда за этот промежуток времени перемещение человека относительно железной дороги:
Это закон сложения перемещений . В нашем примере перемещение человека относительно железной дороги равно сумме перемещений человека относительно вагона и вагона относительно железной дороги.
Разделив обе части равенства на малый промежуток времени Dt, за которое произошло перемещение:
Получим:
|
Скатывание тела по наклонной плоскости (рис. 2);
Рис. 2. Скатывание тела по наклонной плоскости ()
Свободное падение (рис. 3).
Все эти три вида движения не являются равномерными, то есть в них изменяется скорость. На этом уроке мы рассмотрим неравномерное движение.
Равномерное движение – механическое движение, при котором тело за любые равные отрезки времени проходит одинаковое расстояние (рис. 4).
Рис. 4. Равномерное движение
Неравномерным называется движение , при котором тело за равные промежутки времени проходит неравные пути.
Рис. 5. Неравномерное движение
Основная задача механики – определить положение тела в любой момент времени. При неравномерном движении скорость тела меняется, следовательно, необходимо научиться описывать изменение скорости тела. Для этого вводятся два понятия: средняя скорость и мгновенная скорость.
Факт изменения скорости тела при неравномерном движении не всегда необходимо учитывать, при рассмотрении движении тела на большом участке пути в целом (нам не важна скорость в каждый момент времени) удобно ввести понятие средней скорости.
Например, делегация школьников добирается из Новосибирска в Сочи поездом. Расстояние между этими городами по железной дороге составляет приблизительно 3300 км. Скорость поезда, когда он только выехал из Новосибирска составляла , значит ли это, что посередине пути скорость была такой же, а на подъезду к Сочи [М1] ? Можно ли, имея только эти данные, утверждать, что время движения составит 
(рис. 6). Конечно нет, так как жители Новосибирска знают, что до Сочи ехать приблизительно 84 ч.
Рис. 6. Иллюстрация к примеру
Когда рассматривается движение тела на большом участке пути в целом, удобнее ввести понятие средней скорости.
Средней скоростью называют отношение полного перемещения, которое совершило тело, ко времени, за которое совершено это перемещение (рис. 7).
Рис. 7. Средняя скорость
Данное определение не всегда является удобным. Например, спортсмен пробегает 400 м – ровно один круг. Перемещение спортсмена равно 0 (рис. 8), однако мы понимаем, что его средняя скорость нулю равна быть не может.
Рис. 8. Перемещение равно 0
На практике чаще всего используется понятие средней путевой скорости.
Средняя путевая скорость – это отношение полного пути, пройденного телом, ко времени, за которое путь пройден (рис. 9).
Рис. 9. Средняя путевая скорость
Существует еще одно определение средней скорости.
Средняя скорость – это та скорость, с которой должно двигаться тело равномерно, чтобы пройти данное расстояние за то же время, за которое оно его прошло, двигаясь неравномерно.
Из курса математики нам известно, что такое среднее арифметическое. Для чисел 10 и 36 оно будет равно:
Для того чтобы узнать возможность использования этой формулы для нахождения средней скорости, решим следующую задачу.
Задача
Велосипедист поднимается со скоростью 10 км/ч на склон, затрачивая на это 0,5 часа. Далее со скоростью 36 км/ч спускается вниз за 10 минут. Найдите среднюю скорость велосипедиста (рис. 10).
Рис. 10. Иллюстрация к задаче
Дано: ; ; ;
Найти:
Решение:
Так как единица измерения данных скоростей – км/ч, то и среднюю скорость найдем в км/ч. Следовательно, данные задачи не будем переводить в СИ. Переведем в часы.
Средняя скорость равна:
Полный путь () состоит из пути подъема на склон () и спуска со склона ():
Путь подъема на склон равен:
Путь спуска со склона равен:
Время, за которое пройден полный путь, равно:
Ответ: .
Исходя из ответа задачи, видим, что применять формулу среднего арифметического для вычисления средней скорости нельзя.
Не всегда понятие средней скорости полезно для решения главной задачи механики. Возвращаясь к задаче про поезд, нельзя утверждать, что если средняя скорость на всем пути поезда равна , то через 5 часов он будет находиться на расстоянии 
от Новосибирска.
Среднюю скорость, измеренную за бесконечно малый промежуток времени, называют мгновенной скоростью тела (для примера: спидометр автомобиля (рис. 11) показывает мгновенную скорость).
Рис. 11. Спидометр автомобиля показывает мгновенную скорость
Существует еще одно определение мгновенной скорости.
Мгновенная скорость – скорость движения тела в данный момент времени, скорость тела в данной точке траектории (рис. 12).
Рис. 12. Мгновенная скорость
Для того чтобы лучше понять данное определение, рассмотрим пример.
Пусть автомобиль движется прямолинейно по участку шоссе. У нас есть график зависимости проекции перемещения от времени для данного движения (рис. 13), проанализируем данный график.
Рис. 13. График зависимости проекции перемещения от времени
На графике видно, что скорость автомобиля не постоянная. Допустим, необходимо найти мгновенную скорость автомобиля через 30 секунд после начала наблюдения (в точке A ). Пользуясь определением мгновенной скорости, найдем модуль средней скорости за промежуток времени от до . Для этого рассмотрим фрагмент данного графика (рис. 14).
Рис. 14. График зависимости проекции перемещения от времени
Для того чтобы проверить правильность нахождения мгновенной скорости, найдем модуль средней скорости за промежуток времени от до , для этого рассмотрим фрагмент графика (рис. 15).
Рис. 15. График зависимости проекции перемещения от времени
Рассчитываем среднюю скорость на данном участке времени:
Получили два значения мгновенной скорости автомобиля через 30 секунд после начала наблюдения. Точнее будет то значение, где интервал времени меньше, то есть . Если уменьшать рассматриваемый интервал времени сильнее, то мгновенная скорость автомобиля в точке A будет определяться более точно.
Мгновенная скорость – это векторная величина. Поэтому, кроме ее нахождения (нахождения ее модуля), необходимо знать, как она направлена.
(при ) – мгновенная скорость
Направление мгновенной скорости совпадает с направлением перемещения тела.
Если тело движется криволинейно, то мгновенная скорость направлена по касательной к траектории в данной точке (рис. 16).
Задание 1
Может ли мгновенная скорость () изменяться только по направлению, не изменяясь по модулю?
Решение
Для решения рассмотрим следующий пример. Тело движется по криволинейной траектории (рис. 17). Отметим на траектории движения точку A и точку B . Отметим направление мгновенной скорости в этих точках (мгновенная скорость направлена по касательной к точке траектории). Пусть скорости и одинаковы по модулю и равны 5 м/с.
Ответ: может.
Задание 2
Может ли мгновенная скорость меняться только по модулю, не меняясь по направлению?
Решение
Рис. 18. Иллюстрация к задаче
На рисунке 10 видно, что в точке A и в точке B мгновенная скорость направлена одинаково. Если тело движется равноускоренно, то .
Ответ: может.
На данном уроке мы приступили к изучению неравномерного движения, то есть движения с изменяющейся скоростью. Характеристиками неравномерного движения являются средняя и мгновенная скорости. Понятие о средней скорости основано на мысленной замене неравномерного движения равномерным. Иногда понятие средней скорости (как мы увидели) является очень удобным, но для решения главной задачи механики оно не подходит. Поэтому вводится понятие мгновенной скорости.
Список литературы
- Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. - М.: Просвещение, 2008.
- А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. - М.: Дрофа, 2006.
- О.Я. Савченко. Задачи по физике. - М.: Наука, 1988.
- А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. - М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.
- Интернет-портал «School-collection.edu.ru» ().
- Интернет-портал «Virtulab.net» ().
Домашнее задание
- Вопросы (1-3, 5) в конце параграфа 9 (стр. 24); Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы)
- Можно ли, зная среднюю скорость за определенный промежуток времени, найти перемещение, совершенное телом за любую часть этого промежутка?
- Чем отличается мгновенная скорость при равномерном прямолинейном движении от мгновенной скорости при неравномерном движении?
- Во время езды на автомобиле через каждую минуту снимались показания спидометра. Можно ли по этим данным определить среднюю скорость движения автомобиля?
- Первую треть трассы велосипедист ехал со скоростью 12 км в час, вторую треть - со скоростью 16 км в час, а последнюю треть - со скоростью 24 км в час. Найдите среднюю скорость велосипеда на протяжении всего пути. Ответ дайте в км/час
Занятие № 3
Тема . Равномерное прямолинейное движение. Скорость. Закон сложения скоростей. Графики движения.
Цель : формирование знаний о прямолинейном движении, скорости как физической величине, классическом законе добавления скоростей, решение основной задачи механики для прямолинейного равномерного движения; рассмотрение графиков зависимости скорости, координат прямолинейного равномерного движения от времени.
Тип занятия: комбинированный урок.
Организационный этап
^ Проверка домашнего задания.
Фронтальный опрос.
Что называется системой отсчёта?
Что такое траектория? На какие виды делящееся движение в зависимости от траектории?
Что называется путём? перемещением?
В чём заключается отличие между путём и перемещением?
В чём заключается сущность понятия относительности движения?
Сообщение темы, цели и заданий урока
Равномерное прямолинейное движение.
Скорость равномерного прямолинейного движения как физическая величина.
Закон добавления скоростей.
Перемещение прямолинейного равномерного движения. Решение основной задачи механики для прямолинейного равномерного движения.
Графики движения.
Изучение нового материала
Наиболее простым видом движения является равномерное прямолинейное движение.
Равномерным прямолинейным движением называется такое движение тела, при котором тело за любые равные интервалы времени осуществляет одинаковые перемещения и траектория его движения является прямой линией.
Вопрос к студентам:
Приведите примеры равномерного прямолинейного движения.
Как вы считаете, часто ли нам встречаются случаи прямолинейного равномерного движения?
Зачем изучать данный вид движения, уметь описывать его закономерности?
Одной из характеристик равномерного прямолинейного движения является его скорость. Преподаватель предлагает студентам охарактеризовать скорость как физическую величину по обобщенному плану характеристики физической величины.
Обобщенный план характеристики физической величины:
Явление, которое характеризует величина.
Определение, обозначение.
Формулы, которые связывают данную величину с другими величинами.
Единицы измерения.
Способы измерения.
прямые измерения (с помощью спидометра, радара);
непрямые измерения (по формуле)
- вектор скорости;
υ x , υ y - проекции вектора скорости на координатные оси Ox, Oy;
υ - модуль скорости.
Вопрос :
Может ли быть проекция скорости отрицательной? (Проекция скорости может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от того, как двигается тело (рис. 1).)
^ Закон сложения скоростей
Если перемещение одной и той же материальной точки рассматривать относительно двух систем отсчета, связанных с неподвижным телом и подвижным (например, за движением человека по палубе катера наблюдает человек, который стоит на берегу реки, по которой плывёт этот катер, и человек, который сам в то же время находится на катере), то можно сформулировать классический закон добавления скоростей.
Закон добавления скоростей: скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта равняется векторной сумме скорости тела относительно подвижной системы отсчета и собственно скорости подвижной системы отсчёта относительно неподвижной:
где и - скорости тела относительно неподвижной и подвижной систем отсчета соответственно, а - скорость подвижной системы отсчета относительно неподвижной (рис. 2).
^ Перемещение прямолинейного равномерного движения. Решение основной задачи механики для прямолинейного равномерного движения
можно определить модуль перемещения для прямолинейного равномерного движения: 
.Если материальная точка, двигаясь по оси ОХ, переместилась из точки с координатой x
0
в точку с координатой х
, то за время t
она осуществила перемещение: 
(рис. 3).
Так как основной задачей механики является определение положения тела в данный момент времени по известным начальным условиям, то уравнение 
и является решением основной задачи механики.
Это уравнение так же называют основным законом равномерного прямолинейного движения.
Графики движения
График зависимости проекции скорости от времени
является прямая, параллельная оси времени t
(рис. 4, а).Если 
> 0, то эта прямая проходить выше оси времени t
, а если t
.
Площадь фигуры, ограниченной графиком и осью t , численно равняется модулю перемещения (рис. 4, б).
График зависимости проекции перемещения от времени
является прямая, проходящая через начало координат. Если > 0, то s
x
увеличивается со временем, а если s
x
уменьшается со временем (рис. 5, а). Наклон графика тем больше, чем больше модуль скорости (рис. 5, б).
Если идет речь о графике пути, то следует помнить, что путь - это длина траектории, поэтому уменьшаться не может, а может только расти со временем, следовательно, данный график не может приближаться к оси времени (рис. 5, в).
^ График зависимости координаты от времени
отличается от графика 
только смещением на x
0
по оси координат.Точка пересечения графиков 1 и 2 отвечает моменту, когда координаты тел равны, то есть эта точка определяет момент времени и координату встречи двух тел (рис. 6).
Применение приобретённых знаний
В произвольном порядке приведены подвижные объекты: пешеход; звуковые волны в воздухе; молекула кислорода при 0 °С; слабый ветер; электромагнитные волны в вакууме; штормовой ветер.
Ответ :
электромагнитные волны в вакууме (300 000 км/с);
молекула кислорода при 0 °С (425 м/с);
звуковые волны в воздухе (330 м/с);
штормовой ветер (21 м/с);
слабый ветер (4 м/с);
пешеход (1,3 м/с).
Подведение итогов урока и сообщение домашнего задания
Домашнее задание
Выучить теоретический материал по учебнику.
Решить задачи.
Найдите правильный ответ.
Какое из приведенных примеров движения можно считать равномерным?
Происходит торможение автомобиля
Пассажир спускается эскалатором метрополитена
Самолет взлетает
Прямолинейным равномерным называют движение, при котором:
модуль скорости тела остается неизменный
скорость тела изменяется на одинаковое значение за любые одинаковые промежутки времени
тело выполняет одинаковые перемещения за любые интервалы времени
Пассажирский поезд, двигаясь равномерно, за 20 мин прошёл путь 30 км. Найдите скорость движения поезда.
Мотоцикл двигается со скоростью 36 км/ч. Какой путь он пройдёт за 20 с?
На рис. 7 приведен график зависимости пути равномерного движения от времени. Какая скорость движения тела?
На рис. 8 приведен график зависимости скорости равномерного движения от времени. Какой путь прошло тело за 3 с?
План-конспект урока по теме «Обобщение и систематизация знаний по теме « »
Дата :
Тема: «Обобщение и систематизация знаний по теме « Равномерное и неравномерное движение. Сложение скоростей »
Цели:
Образовательная : формирование практических умений по решению задач на тему «Неравномерное движение. Сложение скоростей»;
Развивающая : совершенствовать интеллектуальные умения (наблюдать, сравнивать, размышлять, применять знания, делать выводы), развивать познавательный интерес;
Воспитательная : прививать культуру умственного труда, аккуратность, учить видеть практическую пользу знаний, продолжить формирование коммуникативных умений, воспитывать внимательность, наблюдательность.
Тип урока: обобщение и систематизация знаний
Оборудование и источники информации:
Исаченкова, Л. А. Физика: учеб. для 9 кл. учреждений общ. сред. образования с рус. яз. обучения / Л. А. Исаченкова, Г. В. Пальчик, А. А. Сокольский; под ред. А. А. Сокольского. Минск: Народная асвета, 2015
Структура урока:
Организационный момент (5 мин)
Актуализация опорных знаний (5 мин)
Закрепление знаний(30 мин)
Итоги урока (5 мин)
Содержание урока
Организационный момент
Здравствуйте, садитесь! (Проверка присутствующих). Сегодня на уроке мы должны закрепить полученные знания по решению А это значит, что Тема урока : « Обобщение и систематизация знаний по теме « Равномерное и неравномерное движение. Сложение скоростей »
Актуализация опорных знаний
Какое движение называется равномерным?
Какое движение называется неравномерным? Можно ли утверждать, что тело движется равномерно, если пути, проходимые телом за каждый час. одинаковы?
Что показывает средняя скорость пути? Средняя скорость перемещения? Как их вычисляют?
В чем смысл закона сложения скоростей Галилея?
Закрепление знаний
А сейчас перейдем к решению задач:
№ 1
Если два тела движутся вдоль одной прямой в одном направлении со скоростями, модули которых и, то модуль относительной скорости движения тел всегда равен:
a ) ; в) ;
б);г) ;
№ 2
Какой путь прошел пешеход, двигавшийся со средней путевой скоростью < > = 4,8 за промежуток времени Δ t = 0,5 ч?
№ 3
Первую часть дистанции конькобежец пробежал за время Δ = 20 с со скоростью, модуль которой = 7,6, а вторую - за время Δ t 2 = 36 с со скоростью, модуль которой v 2 = 9,0 . Определите среднюю скорость движения конькобежца на всей дистанции.
№ 4
Автомобиль, двигаясь по прямолинейному участку шоссе со скоростью, модуль которой = 82 , обгоняет мотоциклиста. Чему равен модуль скорости движения мотоциклиста, если через промежуток времени Δ t = 2,8 мин от момента обгона расстояние между автомобилем и мотоциклистом стало L =1,4 км?
№ 5
Первую половину пути автомобиль проехал со средней скоростью v 1 = 60 км/ч , а вторую – со средней скоростью v 2 = 40 км/ч. Определить среднюю скорость автомобиля на всем пути.
Закрепление знаний
Быстрота неравномерного движения на участке траектории характеризуется средней скоростью, а в данной точке траектории - .мгновенной скоростью.
Мгновенная скорость приближенно равна средней скорости, определенной за малый промежуток времени. Чем меньше этот промежуток времени, тем меньше отличие средней скорости от мгновенной.
Мгновенная скорость направлена по касательной к траектории движения.
Если модуль мгновенной скорости возрастает, то движение тела называют ускоренным, если он убывает - замедленным.
При равномерном прямолинейном движении мгновенная скорость одинакова в любой точке траектории.
Перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета равно векторной сумме его перемещения относительно движущейся системы и перемещения движущейся системы относительно неподвижной.
Скорость тела в неподвижной системе отсчета равна векторной сумме его скорости относительно движущейся системы и скорости движущейся системы относительно неподвижной.
Итоги урока
Итак, подведем итоги. Что вы сегодня узнали на уроке?
Организация домашнего задания
§6-10, упр. 3 № 5, упр. 6 № 11.
Рефлексия.
Продолжите фразы:
Сегодня на уроке я узнал…
Было интересно…
Знания, которые я получил на уроке, пригодятся
