Содержание:
Равномерное движение:
В репортажах с автомобильных гонок, сообщениях о погоде можно, например, услышать: «Скорость движения автомобиля-победителя перед финишем достигла 250 километров в час»; «Скорость ветра достигала 25 метров в секунду» и т. п. Что это значит? Как сравнить эти скорости?
Слово «скорость» вы знаете давно. Поэтому, когда слышите, что скорость движения автомобиля составляет 20 метров в секунду, то понимаете: автомобиль, двигаясь с такой скоростью, каждую секунду проходит расстояние 20 м.
Подумайте, какое расстояние проедет этот автомобиль за 10 секунд; за полсекунды; за 0,1 секунды. Скорее всего, большинство из вас ответили так: за 10 с автомобиль проедет 200 м, за полсекунды — 10 м, за 0,1 с — 2 м. И эти ответы правильны, если считать, что за любые (малые или большие) равные интервалы времени автомобиль проезжает одинаковый путь. То есть если автомобиль движется равномерно.
Равномерное движение — это механическое движение, при котором тело за любые равные интервалы времени проходит одинаковый путь. Обратите внимание на слова «любые равные интервалы времени». Иногда, рассматривая даже неравномерное движение тела, можно выделить такие равные интервалы времени, за которые тело проходит одинаковые расстояния. Например, каждые 30 с пловец проплывает дорожку в бассейне (25 м), но нельзя утверждать, что он движется равномерно, ведь при развороте он замедляет движение.
Равномерное прямолинейное движение
Если автомобиль равномерно движется по прямолинейному участку дороги, то за равные интервалы времени он совершает одинаковые перемещения (рис. 8.1), то есть проходит одинаковый путь и не изменяет направления своего движения. Такое движение называют равномерным прямолинейным.
Равномерное прямолинейное движение — это механическое движение, при котором за любые равные интервалы времени тело совершает одинаковые перемещения. Равномерное прямолинейное движение — простейший вид движения, который в жизни встречается редко. Примерами такого движения могут быть движение автомобиля на прямолинейном участке дороги (без разгона и торможения), падение металлического шарика в растительном масле, полет парашютиста через некоторое время после раскрытия парашюта.
Определение скорости равномерного движения
Полагаем, вам несложно определить скорость равномерного движения, например, пешехода, который прошел 30 м за 20 с. Из курса математики вы хорошо знаете, что для этого нужно путь, который прошел пешеход (l = 30м), разделить на время его движения (t = 20c).
Скорость равномерного движения (v) — это физическая величина, равная отношению пути l, пройденного телом, к интервалу времени t, в течение которого этот путь был пройден: 
Обратите внимание! В ходе равномерного прямолинейного движения модуль перемещения равен пути ( s= )l, поэтому значение скорости движения можно определить по любой из формул: 
В Международной системе единиц путь измеряют в метрах, время — в секундах, поэтому единица скорости движения в СИ — метр в секунду: 
равен скорости такого равномерного движения, при котором тело за 1 с проходит путь 1 м. Прибором для прямого измерения скорости движения служит спидометр.
Скорость движения
Скорость движения — векторная величина: она имеет не только значение, но и направление. На рисунках направление скорости движения тела показывают стрелкой (см. рис. 8.1, 8.2).
Если тело движется равномерно прямолинейно, то значение и направление скорости движения остаются неизменными (см. рис. 8.1). Если тело движется равномерно по криволинейной траектории, значение скорости движения остается неизменным, а направление все время изменяется (рис. 8.2). Направление и значение скорости движения зависят от того, относительно какого тела рассматривают движение. Представьте, что вы стоите в вагоне поезда, движущегося на восток (рис. 8.3). Поезд проезжает мимо станции со скоростью 
. В это время другой пассажир идет по вагону со скоростью 
, двигаясь в направлении, противоположном движению поезда. Как вы считаете, одинаковой ли будет скорость движения пассажира для вас и для людей, стоящих на перроне? Конечно, нет! Для вас пассажир движется на запад со скоростью 
а для людей на перроне он вместе с поездом движется на восток со скоростью 
Значение скорости движения может быть выражено не только в метрах в секунду, но и в других единицах. Например, автомобиль движется со скоростью 36 километров в час 
, ракета мчится со скоростью 8 километров в секунду 
, улитка ползет со скоростью 18 сантиметров в минуту 
Для решения задач нужно научиться представлять скорость движения, данную в одних единицах, в других единицах. Например, скорость движения автомобиля — 36 км/ч. Чтобы представить эту скорость в метрах в секунду, вспомним, что 1 ч = 3600 с, а 1 км = 1000 м. Тогда: 
Попробуйте представить в метрах в секунду скорости движения ракеты и улитки (приведены выше). Сложнее переводить в другие единицы скорость движения, данную в метрах в секунду, но последовательность действий остается той же. Например, скорость движения самолета — 250 м/с. Представим ее в километрах в час, вспомнив, что 1 м = 0,001 км; 
Чтобы скорость движения, представленную в метрах в секунду, выразить в километрах в час (и наоборот), можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 8.4.
Определяем путь и время движения тела
Из курса математики вы знаете: если известны скорость и время движения тела, то можно найти путь, который прошло тело. Для этого нужно скорость движения умножить на время: 
где l — путь; v — скорость движения; t — время движения с данной скоростью. Если известны путь и скорость движения тела, можно найти время движения тела. Для этого необходимо путь разделить на скорость движения: 
Иногда для определения пути, скорости или времени движения тела удобно пользоваться «волшебным треугольником» (рис. 8.5).
Итоги:
Равномерное движение — это механическое движение, при котором за любые равные интервалы времени тело проходит одинаковый путь. Равномерное прямолинейное движение — это механическое движение, при котором за любые равные интервалы времени тело совершает одинаковые перемещения. Скорость равномерного движения — это физическая величина, равная отношению пути, который прошло тело, к интервалу времени, в течение которого этот путь был пройден: 
Единица скорости движения в СИ — метр в секунду (м/с). Спидометр — прибор для прямого измерения скорости движения тела. Кроме значения скорость движения имеет направление. Направление и значение скорости движения тела зависят от выбора системы отсчета.
Может, вы будете удивлены, но в повседневной жизни вы уже встречались с физическими задачами и даже решали их. Приведем несколько примеров физических задач, прокомментируем основные этапы их решения, и в дальнейшем вы будете подходить к решению таких задач как настоящие физики.
Пример №1
Предположим, что до начала уроков остается 15 минут, а вы знаете, что расстояние от вашего дома до школы равно 1800 м. Придете ли вы вовремя, если будете идти со скоростью 
С какой наименьшей скоростью вы должны идти, чтобы не опоздать? Анализ физической проблемы. В задаче нужно найти: 1) время 
движения до школы с указанной скоростью 
; 2) наименьшую скорость 
с которой следует идти, чтобы затратить на путь не более 15 мин 
Движение будем считать равномерным. Скорость движения дана в 
, а путь — в единицах СИ. Представим время и значение скорости движения в единицах СИ: 
Закончив анализ, запишем краткое условие задачи.
Дано:
, 
, 
.
Найти:
,
.
Решение:
Движение равномерное, поэтому воспользуемся формулой для расчета скорости равномерного движения: 
Найдем выражения для расчета искомых величин 
Проверим единицы искомых величин:
Найдем числовые значения искомых величин:
Обратите внимание! Для получения ответа в выражение для искомой величины можно сразу подставлять и числовые значения, и единицы известных величин. В этом случае запись будет такой:
Анализ результатов. Поскольку 
то, двигаясь со скоростью 
вы не успеете к началу уроков. Чтобы не опоздать, нужно двигаться со скоростью, значение которой больше 
Именно такое значение получено в ходе решения. Следовательно, полученные значения искомых величин вполне правдоподобны.
Ответ: 
Пример №2
По озеру навстречу друг другу равномерно прямолинейно движутся два катера. На начало наблюдения расстояние между катерами составляло 1500 м. Скорость движения первого катера равна 
, второго — 
. Через какое время катера встретятся? Какое расстояние пройдет до встречи первый катер? Анализ физической проблемы. Катера движутся навстречу друг другу. Это значит, что они приближаются друг к другу со скоростью 
с этой же скоростью проходят расстояние l =1500 м. Задачу будем решать в единицах СИ.
Дано:
,
,
.
Найти:
,
.
Решение:
По определению скорости движения:
Так как 
Зная время t и скорость движения 
, определим путь 
, который пройдет первый катер до встречи:
Проверим единицы искомых величин:
Определим числовые значения искомых величин:
Анализ результатов. Так как первый катер движется медленнее второго, то до момента встречи он пройдет меньший путь. Такой результат и получен: 
соответственно 
Поэтому результаты вполне реальны.
Ответ: 
Графики равномерного движения
Велосипедист едет по трассе (рис. 10.1). Скорость движения, которую показывает спидометр велосипеда в любой момент времени, равна 5 м/с. Как описать движение велосипедиста и вообще любого тела с помощью графиков? Вспомним, ведь графики движения тел вы изучали в курсе математики 6 класса.
- Заказать решение задач по физике
График зависимости пути от времени для равномерного движения тела
Построим график зависимости пути, который проезжает велосипедист (см. рис. 10.1), от времени наблюдения — график пути. Для построения графика выполним следующие действия.
1. Заполним таблицу соответствующих значений времени t движения спортсмена и пути l, который он преодолевает за это время. Понятно, что в момент начала наблюдения t(=0 )путь равен нулю l(=0 . )За время t=2 c велосипедист преодолеет расстояние 10 м: 
Рассуждая аналогично, получим:
2. Проведем две взаимно перпендикулярных оси. На горизонтальной оси — оси абсцисс — отложим время движения велосипедиста в секундах (t, с) так, что одной клетке будет соответствовать интервал времени 2 с. На вертикальной оси — оси ординат — отложим путь в метрах (l, м) так, что одной клетке будет соответствовать путь, равный 10 м (рис. 10.2, а).
3. Построим точки с координатами: (0; 0), (2; 10), (4; 20), (6; 30), (8; 40), (10; 50). Абсциссы данных точек соответствуют времени движения спортсмена, ординаты соответствуют пути, который он проехал за это время (рис. 10.2, б).
4. Соединим построенные точки линией (рис. 10.2, в). Полученный отрезок прямой — график пути велосипедиста.
Обратите внимание! Велосипедист движется равномерно, поэтому путь, который он проезжает, можно определить по формуле 
, в любой момент времени 
; поэтому можно записать: 
, где время t дано в секундах. Равенство 
— уравнение зависимости пути, который проезжает велосипедист, от времени наблюдения.
При равномерном движении график пути — это всегда отрезок прямой, наклоненной под определенным углом к оси времени. Поэтому для построения графика пути достаточно определить путь l для двух значений времени t и через полученные две точки провести отрезок прямой. Например, чтобы построить график пути велосипедиста, можно взять время начала наблюдения t(=0 )и время окончания наблюдения ( t = 10 с) (рис. 10.3).
Что можно узнать по графику пути
График пути дает много полезной информации.
По графику пути можно:
- выяснить характер движения тела;
- определить путь, который проходит тело за определенный интервал времени;
- определить скорость движения тела;
- сравнить скорости движения тел: чем больше скорость движения тела, тем больше угол между графиком пути и осью времени (рис. 10.4).
Рассмотрим пример:
Пример №3
По графику пути, представленному на рис. 10.5, узнайте: 1) как двигалось тело; 2)какой путь прошло тело за первый час; за следующие два часа; 3) какой была скорость движения тела на каждом участке.
Решение:
По графику видим, что весь путь состоит из трех участков, на каждом из которых тело двигалось равномерно (график пути тела — отрезки прямых). Участок I. По графику видим, что путь, пройденный телом за первый час, равен 20 км, поэтому скорость движения тела составляла: 
Участок ІI. За следующие два часа тело прошло путь 
. Соответственно скорость движения тела была равна: 
Участок ІІI. Последний час путь не изменялся, значит, тело остановилось: 
Анализ результатов. По графику видим, что участок I графика образует с осью времени больший угол, чем участок IІ. Поэтому участок І соответствует большей скорости движения тела.
Строим график скорости равномерного движения тела
Вернемся к велосипедисту, движущемуся равномерно со скоростью v = 5 м/с (см. рис. 10.1). Построим график зависимости скорости его движения от времени наблюдения — график скорости движения. Для построения графика выполним следующие действия.
1. Заполним таблицу соответствующих моментов времени t движения велосипедиста и скорости движения v, которую он имел в эти моменты времени:
Велосипедист двигался равномерно, поэтому скорость его движения оставалась неизменной в течение всего времени наблюдения.
2. Проведем две взаимно перпендикулярных оси. На оси абсцисс отложим время движения велосипедиста в секундах (t, с), на оси ординат — скорость движения в метрах в секунду 
(рис. 10.6).
3. Построим точки с координатами (0; 5), (2; 5), (4; 5), (6; 5), (8; 5), (10; 5). Абсциссы указанных точек соответствуют времени движения спортсмена, ординаты — скорости его движения.
4. Соединим точки линией. Полученный отрезок прямой — график скорости движения велосипедиста. При равномерном движении график скорости движения тела — отрезок прямой, параллельной оси времени.
Что можно узнать по графику скорости движения тела
Рассмотрим график скорости движения некоторого тела (рис. 10.7, а) и узнаем о движении данного тела как можно больше.
1. В течение интервалов времени от 0 до 5 с и от 5 до 15 с тело двигалось равномерно, поскольку соответствующие участки графика скорости его движения — отрезки прямых, параллельных оси времени.
2. Скорость движения тела в течение последних 10 с наблюдения больше, чем в течение первых 5 с, поскольку второй участок графика расположен дальше от оси времени, чем первый участок (рис. 10.7, б).
В данном случае: 
— на интервале времени от 0 до 5 с; 
— на интервале времени от 5 до 15 с. 3. Можно определить путь l, который прошло тело (вспомните: 
). Так, за интервал времени от 5 до 15 с тело прошло путь 90 м: 
Этот путь численно равен площади заштрихованного прямоугольника (рис. 10.7, в): 
Обратите внимание! Для любого движения числовое значение пути, который прошло тело, равно числовому значению площади фигуры под графиком скорости движения этого тела.
Итоги:
При равномерном движении тела график пути — это всегда отрезок прямой, наклоненной под определенным углом к оси времени, а график скорости движения — это отрезок прямой, параллельной оси времени.
По графику пути можно:
- узнать, как двигалось тело;
- вычислить путь, который прошло тело за определенный интервал времени;
- вычислить и сравнить скорости движения тел: чем больше скорость движения тела, тем больше угол между графиком пути и осью времени.
По графику скорости движения можно:
- узнать, как двигалось тело;
- вычислить путь, который прошло тело за определенный интервал времени;
- вычислить и сравнить скорости движения тел: чем больше скорость движения тела, тем дальше от оси времени расположен график скорости его движения.
- Неравномерное движение
- Вращательное движение тела
- Равномерное движение материальной точки по окружности
- Колебательное движение
- Движение и взаимодействие
- Относительность движения
- Поступательное движение
- Равномерное и неравномерное движение
Прежде чем начать говорить о равномерном прямолинейном движении необходимо уяснить следующие определения:
- равномерное движение – это движение тела с постоянной (не меняющейся) скоростью. Т. е. скорость при таком движении является константой,
- прямолинейное движение – это такое движение, траектория которого – прямая линия. Другими словами это движение по прямой,
- равномерное прямолинейное движение в таком случае – это движение по прямой с постоянной скоростью. При таком движении тело за равные промежутки времени проходит одинаковые расстояния.
Скорость при прямолинейном движении – величина постоянная. Для того, чтобы найти скорость, необходимо пройденный путь разделить на время, за которое он был пройден.
Формула скорости равномерного прямолинейного движения
{vec V=frac {vec S}{t}}
V – скорость тела
S – перемещение при прямолинейном равномерном движении (путь)
t – время движения
Найти скорость равномерного прямолинейного движения онлайн
Применительно к равномерному движению можно сказать, что скорость показывает перемещение, которое совершает тело за единицу времени
Из формулы скорости легко выразить формулу для нахождения перемещения тела:
Формула перемещения тела при равномерном прямолинейном движении
{vec S=vec V cdot t}
S – перемещение при прямолинейном равномерном движении (путь)
V – скорость тела
t – время движения
Найти перемещение при прямолинейном равномерном движении онлайн
Координату тела при прямолинейном равномерном движении легко найти по формуле:
Формула координаты тела при равномерном прямолинейном движении
{x=x_0+ V cdot t}
x – координата тела в текущий момент времени
x0 – координата тела в начальный момент времени
V – скорость тела
t – время движения
Найти координату тела при равномерном прямолинейном движении онлайн
Примеры равномерного прямолинейного движения
- автомобиль, движущийся с неизменной скоростью по прямой автомагистрали,
- самолет, который летит не меняя курса и высоты с постоянной скоростью,
- человек, идущий по прямой дороге с одной скоростью.
Равномерное прямолинейное движение
Всё в мире находится в движении.
Каждый день, когда мы выходим из дома, мы стараемся рассчитать, насколько быстро доберемся до школы или работы.
Может, однажды мы захотим научиться чему-то новому и купим машину.
А физика объяснит тебе, как не попасть в аварию и как всюду успевать.
Приступим!
Равномерное прямолинейное движение — коротко о главном
Сегодня ты узнал:
- Как решить основную задачу механики в общем виде;
- Равномерное прямолинейное движение — такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает равные перемещения;
- Скорость равномерного прямолинейного движения есть физическая величина, равная отношению вектора перемещения ко времени, за которое оно произошло;
- Скорость равномерного прямолинейного движения постоянна;
- Как решить основную задачу механики для равномерного прямолинейного движения;
- Как строить и анализировать графики равномерного прямолинейного движения;
- Графиком равномерного прямолинейного движения является прямая;
- Встреча – такое событие, при котором координаты тел в один и тот же момент времени совпадают;
- Проекция перемещения тела численно равна площади под графиком скорости тела;
- Как строить траекторию движения тела;
- Средняя скорость тела – векторная физическая величина, равная отношению перемещения тела на определенном участке траектории ко времени, за которое оно совершено;
- Средняя путевая скорость — это отношение длины пути, пройденного телом, ко времени, за которое этот путь был пройден;
- Траектория движения тела зависит от выбора системы отсчета;
- Как доказать закон сложения скоростей;
- Абсолютная скорость есть векторная сумма относительной и переносной скоростей;
А еще ты научился решать задачи разного уровня сложности!
Ой, я что, не сказал? Там сложные были!
Ты, наверное, и не заметил 😉
О том, как решить основную задачу механики
Мы помним, что основная задача механики – указать положение тела в пространстве в любой момент времени, не только в настоящем, но и в будущем.
Мы узнали это, когда только начали изучать кинематику.
Итак, что нужно знать для того, чтобы найти положение тела в пространстве?
Неплохо было бы знать, где оно находилось в начале своего движения, его начальные координаты. Ведь нам важно, откуда мы выдвигаемся в путь.
Зависят ли начальные координаты тела от времени? Совсем нет: мы просто принимаем то, что тело где-то есть.
А еще нам важно знать, как далеко оказалось тело от своего начального положения и куда вообще двигалось. Важно знать перемещение этого тела.
Давай опробуем свои силы! Думаю, мы уже готовы решить главную задачу!
Рассмотрим какое-то тело. Оно подвигалось, изменило свое положение, оказалось в другой точке.
Назовем ее конечной и постараемся найти ее координаты, то есть узнать положение тела после совершенного им перемещения.
Помним, что перемещение – вектор, поэтому изобразим его:
Уже сейчас мы можем указать начальные координаты тела! Нет чисел – не пугаемся, используем буквы:
Нам нужно узнать конечное положение тела. Отметим координаты тела в конце, их нам и нужно найти, чтобы определить положение тела в конце:
Но как найти эти координаты, зная лишь начальное положение тела и его перемещение? Как нам попасть из ({{x}_{0}}) в (x) и из ({{y}_{0}}) в (y) ?
Все очень просто! Если есть вектор, то какая-нибудь проекция-то найдется, правда?
Отметим их:
Теперь ответить на вопрос, как добраться из начала в конец становится очень легким: просто нужно прибавить к начальной точке проекцию перемещения для нужной оси!
То есть положение точки в любой момент времени можно записать так:
(x={{x}_{0}}+{{S}_{x}}) — для оси Х
(y={{y}_{0}}+{{S}_{y}}) — для оси Y
Поздравляю! Мы только что решили основную задачу механики!
Правда, сделали это в общем виде… Но перемещение ведь может быть очень разнообразным! Как вообще его найти? Не всегда же оно будет дано!
Это зависит от движения тела.
Равномерное прямолинейное движение
Определение равномерного прямолинейного движения
Самым простым движением по праву считается равномерное прямолинейное движение. Мы начнем с него.
Давай попробуем дать ему определение.
Всегда стоить помнить, что знать определения наизусть вовсе не обязательно. Главное – научиться строить его самостоятельно.
Успех любого хорошего определения заключается в правильной его структуре.
Равномерное прямолинейное движение – это движение. Мы нашли главное слово нашего определения. Давай развивать его.
Мы уже знаем, что такое движение. Давай дополним это определение.
Что значит равномерное? Равная мера… Но что является этой самой равной мерой?
Тело проходит равные пути. Логично, что происходит это за какие-то промежутки времени.
А за какие промежутки? За равные. За секунду, за минуту, за час. Не обязательно за ОДНУ секунду, ОДНУ минуту, ОДИН час. Равными промежутками времени могут быть, например, три часа или две секунды.
Но что значит прямолинейное? Можно сказать, что это движение по прямой. Но давайте объясним это, исходя из уже знакомых нам понятий.
Представь: какое-то тело движется, у нас в руках секундомер.
Прошла секунда – тело переместилось на метр. Еще секунда – еще метр. В том же направлении.
То есть тело совершает равные перемещения!
Поэтому…
Равномерное прямолинейное движение — такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает равные перемещения.
С перемещением намного проще объяснить, почему за равные промежутки времени можно принимать абсолютно любое количество единиц времени.
Пусть тело совершает за 1 секунду перемещение (vec{S}).
Тогда за две секунды совершает перемещение (2vec{S}):
Будет ли тело все еще совершать равные перемещения за каждые 2 секунды? Конечно! Давай посмотрим:
Скорость
Равномерное прямолинейное движение тоже бывает разным: быстрым и медленным. Чтобы охарактеризовать его, существует скорость.
Чем большее перемещение совершает тело за промежуток времени, тем больше его скорость. Это очевидно: за одно и то же время гепард преодолевает расстояние во много раз большее, чем термит.
То есть скорость прямо пропорциональна перемещению!
А еще мы помним, что нам действительно важно направление скорости, ведь нам важно направление движения. То есть скорость – величина векторная. Давай убедимся в этом.
Скорость равномерного прямолинейного движения есть физическая величина, равная отношению вектора перемещения ко времени, за которое оно произошло.
Запишем это в виде формулы:
(vec{V}=frac{{vec{S}}}{t})
Векторы с обеих сторон, верно, но… Мы ведь учились умножать векторы, а не делить их. При делении тоже вектор получается?
Да. Ведь любое деление можно представить в виде умножения, смотри:
(vec{V}=frac{1}{t}cdot vec{S})
Время – скалярная величина. Оно не имеет направления. Поэтому можно сказать, что скорость есть перемещение, умноженное на скаляр, то есть тоже вектор! Более того, вектор перемещения и скорости сонаправлены.
Подробнее о свойствах векторов можно прочитать в Большой теории по векторам.
Помнишь, мы чуть выше выясняли, будет ли тело все так же совершать одинаковые перемещения за 2 секунды, а не за одну? Причем эти перемещения сами будут в два раза больше. Значит отношение останется прежним, вот так:
(vec{V}=frac{2vec{S}}{2t}=frac{{vec{S}}}{t})
Отсюда делаем вывод:
Скорость равномерного прямолинейного движения постоянна.
Как это записать? Кажется, очевидно, но это «задачка со звездочкой». Вот так:
(vec{V}=overrightarrow{const})
Мы не можем приравнять векторную величину к скалярной. Поэтому над константой тоже нужно ставить вектор.
Решение основной задачи механики для равномерного прямолинейного движения
Из уравнения скорости можно легко выразить перемещения, что сделает нас на шаг ближе к конкретному решению основной задачи. Давай сделаем это:
(vec{S}=vec{V}cdot t)
Из свойств векторов мы помним, что это будет справедливо и для проекций:
({{S}_{x}}={{V}_{x}}cdot t)
({{S}_{y}}={{V}_{y}}cdot t)
Стоп-стоп-стоп… Мы что, можем уже с помощью этого определить положение точки?
Да, почему нет? Просто подставим это вместо проекций перемещения туда, где мы решали основную задачу механики в общем виде:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
(y={{y}_{0}}+{{V}_{y}}cdot t)
Обычно в задачах по физике мы стараемся выбрать оси так, чтобы было проще работать с проекциями. Мы стараемся расположить их так, чтобы как можно больше векторов располагалось параллельно один осям и перпендикулярно другим, вот так:
Проекция перемещения на ось Y будет равняться нулю, мы можем не обращать на нее внимания.
По оси Y тело вообще не меняло своего положения, верно?
Именно поэтому в задачах чаще всего мы будем использовать упрощенный вариант нахождения конечного положения тела. Его координата будет описана лишь одним числом.
То есть используем лишь одну ось:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
Работаем с проекциями. Настораживаемся. Вспоминаем о знаках.
Здесь все просто: если проекция скорости положительна, тело движется вдоль оси. Если она отрицательна, тело движется против оси.
Помни, что работаем мы с координатной осью! Начальное положение тела тоже может быть отрицательным. Это зависит лишь от того, как расположено тело относительно начала координат:
Графики равномерного прямолинейного движения
Построение графика
Очень важно уметь описывать движение графиком. Это может значительно упростить решение задачи.
Давай посмотрим, как с помощью графика описать равномерное прямолинейное движение.
Любой график – множество точек, который показывает зависимость одного значения от другого. Эта зависимость определяется каким-то уравнением.
Например, когда мы строим параболу, мы руководствуемся уравнением (y={{x}^{2}}). Как еще это можно записать?
Вот так: (f(x)={{x}^{2}}). Это показывает, что функция (f) зависит от значения (x).
Давай аналогично составим график движения тела. Вспомним то главное уравнение:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
Иными словами, это график зависимости координаты тела от времени. Давай так и запишем:
(x(t)={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
Начинаем работать с уравнением. Предположим, что нам известна проекция скорости и начальное положение тела. Работать с конкретными числами удобнее.
Пусть: ({{V}_{x}}=0.5)м/с и ({{x}_{0}}=3)м
Тогда уравнение имеет вид: (x=3+0.5cdot t)
Нарисуем оси и обозначим их. Так как у нас даны единицы измерения (метры и секунды), мы обязательно должны подписать их рядом с названиями осей!
Теперь можем взять и рассмотреть положение тела в любую секунду: хоть в первую, хоть в двенадцатую!
Отметим точки и соединим их. Получим график движения.
А теперь вопрос на засыпку: может ли время быть отрицательным?
Могу ли я указать положение тела в минус третью секунду? Могу.
Для этого стоит помнить, что «нулевая» секунда – момент, когда мы запускаем секундомер, когда мы только начинаем наблюдать за телом. Но оно могло двигаться и до того, как мы включили таймер, верно?
Давай покажем движение тела до наших наблюдений пунктирной линией:
Зачастую точки пересечения графика с осями несут в себе очень важную информацию!
Например, когда мы только включили секундомер ((t=0)с), тело находилось в начальном положении (({{x}_{0}}=3)м), и это видно по графику!
А когда координата тела была равна нулю?
Все очень просто: за 6 секунд до того, как мы включили секундомер! Прямая пересекает ось времени в точке -6.
Итак, мы выяснили, что…
График равномерного прямолинейного движения представляет собой прямую.
Точка пересечения ее с осью Х есть координата в начальный момент времени.
Точка пересечения с осью времени показывает ту секунду, когда тело находится в начале координат.
И действительно, само уравнение (x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t) уже напоминает стандартное уравнение прямой, которое мы изучаем на математике: (y=kx+m), где (m) — точка пресечения графика с осью Х, а (k) — коэффициент наклона прямой.
В нашем случае роль коэффициента наклона играет проекция скорости.
Зависимость графика от проекции скорости
Давай изобразим несколько графиков в общем виде, то есть без каких-либо конкретных значений. Например, пусть у нас есть два движущихся тела, вот так:
Чем отличаются движения этих двух тел?
Ну, прежде всего, у них разные начальные положения. Ладно.
А что насчет проекции скорости?
Рассмотрим первое тело. С течением времени оно все больше удаляется от начала координат. А вот второе к нему приближается: оно даже достигает начала координат через некоторое время (когда пересекает ось).
Значит, первое тело идет вдоль оси, а второе против нее, то есть к началу! Мы помним, что это определяет знак проекции скорости.
А именно: проекция скорости первого тела положительна. Проекция скорости второго тела отрицательна.
Со знаками разобрались. А как быть, если попросят узнать, какая проекция скорости больше?
Рассмотрим следующий график. Чтобы было легче его анализировать, представим, что два тела имеют одинаковое положение, когда мы включаем секундомер:
Чтобы понять, чья скорость больше, рассмотрим определенный промежуток времени, отделим его вертикальной пунктирной линией. А еще обозначим начальную и конечную координаты тел в этот промежуток времени:
Теперь посмотрим, чем отличаются графики. Ну так, навскидку. Они отличаются наклоном.
График движения второго тела расположен к оси Х значительно ближе. Что это значит?
Рассмотрим, какое расстояние прошло первое тело, обозначим его на рисунке. Оно численно равно проекции перемещения, убедимся с помощью формулы:
(Delta {{x}_{1}}={{x}_{1}}-{{x}_{01}}={{S}_{x}}_{1})
Теперь рассмотрим расстояние, которое преодолело второе тело:
(Delta {{x}_{2}}={{x}_{2}}-{{x}_{02}}={{S}_{x}}_{2})
Видим, что за одинаковый промежуток времени второе тело прошло значительно большее расстояние! Это значит, что его скорость больше.
Чем ближе к оси Х расположена прямая, тем больше скорость движения тела.
А что будешь делать с таким графиком?
Координата тела с течением времени не меняется. Значит ли это, что тело не движется вовсе?
Нет. Тело не движется лишь по этой оси. Но по какой-нибудь другой оси оно двигаться может.
Например, вот так:
Тело не меняет координаты по оси Х, однако движется по оси Y.
Если мы видим такой график, мы можем лишь утверждать, что проекция скорости равна нулю. О самой скорости говорить не можем.
Встреча
Помнишь самый первый рисунок с двумя телами? Вот этот:
В нем есть одна интересная деталь. Графики движения тел пересекаются.
Со временем все понятно: оно для всех идет одинаково, ничего не поделаешь.
А вот с координатой интереснее: ведь мы можем утверждать, что в какой-то момент тела встретились. То есть в какой-то момент их координаты на оси Х стали равны. Обозначим момент встречи и координату («место») встречи:
Встреча – такое событие, при котором координаты тел в один и тот же момент времени совпадают.
Это еще один момент, о котором стоит помнить при решении задач на графики.
А еще стоит обратить внимание на то, что координаты тел должны совпадать в один момент времени! Если в лесу мимо дуба пробежала лань, а через несколько дней мимо этого же дуба пробежал енот, мы не можем сказать, что они встретились.
Просто у них совпала траектория.
График зависимости проекции скорости от времени. Нахождение проекции перемещения
Рассмотрим несколько другой график. График зависимости проекции скорости от времени при равномерном прямоли…
Стоп, чего? Какой зависимости? Скорость ведь постоянная и не меняется со временем.
Ты абсолютно прав. А график-то начертить можем, вот так:
Скучный график. Просто прямая, параллельная оси времени. Проекция скорости не меняется, а время всё идет и идет.
Давай хоть что-то найдем по графику. Хоть площадь под ним. Обозначим эту область:
Получили прямоугольник. Его площадь ищем путем перемножения двух соседних сторон, то есть мы берем проекцию скорости и умножаем еще на время.
Где-то мы это слышали.
Верно, ведь именно так ищется проекция перемещения!
({{S}_{x}}={{V}_{x}}cdot t)
Совпадение? Не думаю.
Искать проекцию перемещения таким способом можно не только для равномерного прямолинейного движения, но и для других его видов!
Проекция перемещения тела численно равна площади под графиком скорости тела.
Решение простейших задач и задач на графики равномерного прямолинейного движения
Текстовые задачи
Задача 1. Охарактеризуйте движение соседки, которая спускается по лестнице и одновременно с этим закатывает рукава, услышав в 11 часов вечера громкую музыку из квартиры снизу, если уравнение ее движения: (x=2cdot t), а ось направлена вниз по лестнице.
Решение:
Итак, для начала вспомним уравнение движения в общем виде:
(x={{x}_{0}}+{{S}_{x}})
Соответствует ли уравнение движения соседки уравнению выше? Конечно!
Почему? По глазам вижу, догадываешься! Потому что его можно записать так:
(x=0+2cdot t)
Начальная координата соседки равна нулю: соседка двигалась из начала координат. С этим разобрались. Осталось определить тип ее движения.
Она движется вниз по лестнице. Значит, идет по прямой в одном направлении. Это прямолинейное движение.
Она свирепеет и ускоряется? Нет. Она движется равномерно. Давай вспомним уравнение движения для равномерного прямолинейного движения:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
И еще раз посмотрим на наше:
(x=0+2cdot t)
Сопоставляем их и понимаем, что рядом с временем расположена проекция скорости. Она, как видим, положительна и равна 2 м/с. Соседка двигается вдоль оси. Ось направлена вниз и соседка движется туда же!
Подробно мы разбирали зависимость направления от знака проекции в Большой теории по векторам.
Таким образом, соседка совершает равномерное прямолинейное движение вдоль оси из начала координат, а проекция ее скорости на эту ось равняется 2 м/с.
Задача 2. Таракан Вася совершает равномерное прямолинейное движение вдоль линейки (соответствующей оси Х) на столе семиклассника Вовы, который, старательно уча уроки, уже неделю не выносит из комнаты мусор. Проекция скорости таракана на эту ось 0.1 м/с. Вова берет секундомер и начинает отсчет в тот момент, когда таракан находится на втором сантиметре линейки.
На каком сантиметре линейки окажется таракан через две секунды?
Решение:
Первое правило решающих физику: увидеть тему и писать формулы по теме.
Второе правило решающих физику: увидеть тему и писать ВСЕ формулы по теме. Могут пригодиться.
Знаем тип движения! Равномерное прямолинейное!
Знаем уравнение равномерного прямолинейного движения! Пишем:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
Делов-то! Начнем подставлять известные величины для таракана. Из задачи знаем, что в начале отсчета таракан находится на втором сантиметре линейки…
Стоп. «Сантиметре…»
Никогда не теряй бдительность, боец. Всегда проверяй величины.
Переведем все, что есть, в СИ. Скорость – в м/с. Отлично, уже есть. Как быть с линейкой? Просто перевести сантиметры в метры!
Таракан был на втором сантиметре, а значит на 0.02 метре линейки!
Теперь можем записать уравнение его движения:
(x=0.02+0.1cdot t)
Чтобы узнать, где окажется таракан через 2 секунды, просто подставим цифру 2 в это уравнение:
(x=0.02+0.1cdot 2=0.22)м
На 0.22 метре линейки! Получили ответ. Но в задаче спрашивается, на каком сантиметре будет находится таракан. Переводим наш ответ в сантиметры и получаем, что таракан будет находится на 22-ом сантиметре линейки!
Задача 3. По коридору мчится восьмиклассник Петя, уравнение его движения можно описать следующим уравнением: (x=6+2cdot t). За ним несётся разъяренный директор Максим Михайлович, уравнение его движения: (x=3+3cdot t).
Догонит ли директор Петю и, если догонит, когда и на каком метре коридора это произойдет? Скорость измерять в м/с, время в секундах.
Решение:
Итак, давай разберемся. Что вообще значит «догонит»? То же самое, что «встретит», верно?
Мы знаем, что такое встреча. Это такое событие, при котором координаты тел в один и тот же момент времени совпадают.
Чтобы понять, встретятся ли они вообще, давай построим графики движения Пети (П) и директора (Д):
Видим, что прямые пересекаются. В какой-то момент времени их координаты действительно одинаковы.
Но как узнать, в какой?
Что-что? Видно по графику? Ну уж нет! Думаешь, там координата 12? А вдруг там 11.999?
Всегда нужно проверять себя аналитически.
Запишем два уравнения:
({{x}_{P}}=6+2cdot t) — Пети
({{x}_{D}}=3+3cdot t) — директора
При встрече у них одинаковые координаты: ({{x}_{P}}={{x}_{D}})
Да… Наверное, другие части уравнений приравнять будет полезнее:
(6+2cdot t=3+3cdot t)
Отсюда легко вычислить время встречи:
(t=3) c
Значит, через три секунды после начала отсчета их координаты будут одинаковы, они встретятся. Найдем место встречи, просто подставив время в одно из двух (какое больше нравится 🙂 ) уравнений:
({{x}_{B}}=6+2cdot 3=12) м
Директор догонит Петю через 3 секунды. Это произойдет на 12-ти метрах от начала коридора.
Задачи на графики
Задача 4. Написать уравнение движение тела, если график этого движения:
Решение:
Какое это движение? Видим, что графиком движения является прямая. Значит, это равномерное прямолинейное движение.
Удивительно, но начнем с уравнения:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
График очень информативный. По крайней мере мы уже знаем начальную координату: ({{x}_{0}}=8) м
Имеем:
(x=8+{{V}_{x}}cdot t)
Как найти проекцию скорости? Ну, давай ее выразим для начала.
({{V}_{x}}=frac{x-8}{t}) м/с
Дальше все очень просто: сделаем так, чтобы она осталось единственной неизвестной. Подставим в уравнение координату и время из графика, абсолютно любую пару, вот так:
Считаем:
({{V}_{x}}=frac{6-8}{2}=-1) м/с
Проекция скорости отрицательна. И правда: с течением времени тело приближается к началу координат, то есть движется против оси.
Подставим в уравнение:
(x=8-t) — уравнение движения тела.
Задача 5. Тело движется вдоль оси Х. Описать движение на каждом участке графика. Найти проекции скоростей. Построить графики проекции скорости и пройденного пути от времени.
Решение:
Опишем движение. Какое оно?
«Ха! Это не прямая, — скажешь ты, — а ломаная!»
И будешь абсолютно прав.
А я скажу: «А что такое ломаная? Это просто соединенные между собой отрезки! А отрезки — части прямых!»
Поэтому давай рассматривать этот график частями!
С первым отрезком все понятно: равномерное прямолинейное движения, ведь эта часть графика – прямая. С течением времени тело приближается к началу координат, значит движется против оси.
Найдем проекцию скорости.
Для начала, что есть скорость?
Мы помним, что скорость – отношение перемещения к промежутку времени.
(vec{V}=frac{{vec{S}}}{t})
Знаем, что это справедливо и для проекций:
({{V}_{x}}=frac{{{S}_{x}}}{t})
Ну, время у нас есть. А проекцию перемещения откуда взять?
Давай вспомним, что это такое. Перемещение – вектор, проведенный из начального положения тела в конечное. А проекция перемещения – проекция этого вектора. Логично, правда? То есть:
({{S}_{x}}=x-{{x}_{0}})
Подробнее о проекциях можно узнать в Большой теории по векторам.
Вот и нашли проекцию скорости:
({{V}_{x}}=frac{x-{{x}_{0}}}{t})
Подставим в уравнение выше значения необходимых величин:
({{V}_{x}}=frac{4-10}{2}=-3) м/с
Проекция скорости на первом участке графика равна -3м/с.
Второй отрезок необычнее: тело не меняет координату. Тело на этом участке неподвижно.
Так как в условии сказано, что тело движется именно вдоль оси Х, модуль проекции скорости на эту ось равен длине вектора скорости.
Так как тело не меняет координату, проекция его перемещения равна нулю. А значит и проекция скорости равна нулю.
Третий отрезок описывает равномерное прямолинейное движение. Тело отдаляется от начала координат и движется туда же, куда направлена ось.
Найдем проекцию скорости на третьем участке:
({{V}_{x}}=frac{9-4}{12-7}=1) м/с
Так. Давай разберемся, почему там 12-7.
Помнишь, мы считаем отношение проекции перемещения к ПРОМЕЖУТКУ времени. А от 7 до 12 секунды промежуток времени составляет 5 секунд.
Проекция скорости на третьем участке равна 1м/с.
Всё нашли, осталось лишь построить графики! Начнем с графика зависимости проекции скорости от времени. Начертим и обозначим оси, обязательно обозначив единицы измерения и помня, что проекция может быть отрицательна:
Работаем с первой частью:
Мы выяснили, что в течение первых двух секунд проекция скорости была постоянна (как-никак, равномерное прямолинейное движение 🙂 ) и равна -3 м/с.
Давай нарисуем!
На втором участке проекция скорости равна нулю, а на третьем – единице.
Избавимся от вспомогательных линий и получим:
Что-то мне подсказывает, что на графике пути тоже будет три участка. Приступим.
Нарисуем оси и обозначим их:
Логично будет утверждать, что, пока тело не начало двигаться, оно и путь никакой не прошло. Отметим это точкой на графике:
Первые две секунды тело двигалось равномерно со скоростью 3 метра в секунду. Значит, за две секунды тело прошло (3cdot 2=6) метров! Отметим это!.. Нет, не так, на графике отметим:
Движемся дальше. Мы знаем, что на втором участке тело было неподвижно, а значит путь никакой не проходило. За промежуток времени второго участка тело не прошло никакой путь.
Однако суммарно за всё свое движение тело все так же прошло 6 метров:
На третьем участке тело движется. Значит, суммарно пройденный путь увеличится. Оно двигалось со скоростью 1м/с. Посмотрим сколько оно прошло за 5 (12-7) секунд.
Оно пройдет 5 метров.
Добавим их к нашим уже пройденным 6 метрам и получим 11 метров:
Остается только соединить точки прямой:
Задача 6. Найти проекцию перемещения тела по графику
Решение:
Определимся, из чего вообще складывается то, что нам нужно найти. В разные промежутки времени тело двигалось с разными постоянными скоростями.
Значит, проекция перемещения складывается из проекций перемещения в разных промежутках времени! Их 6:
({{S}_{x}}={{S}_{x1}}+{{S}_{x2}}+{{S}_{x3}}+{{S}_{x4}}+{{S}_{x5}}+{{S}_{x6}})
Попробуем найти первую проекцию. Помнишь, мы знаем, что проекция перемещения есть площадь под графиком?
«Под графиком» означает «между графиком и осью», то есть вот эта:
Что ж, давай найдем перемещение:
Проекция скорости есть -2м/с, а промежуток времени – 3с.
Поэтому: ({{S}_{x1}}=-2cdot 3=-6)м
Попробуем найти площадь второго прямоугольника:
Сразу обрати внимание на то, что промежуток времени – с третьей по пятую секунду, то есть 2 секунды!
({{S}_{x2}}=2cdot 2=4)м
Аналогично для остальных:
({{S}_{x3}}=3cdot 3=9)м
({{S}_{x4}}=2cdot 1=2)м
({{S}_{x5}}=1cdot 1=1)м
({{S}_{x6}}=-3cdot 2=-6)м
Посмотрим, чему равна проекция перемещения:
({{S}_{x}}=-6+4+9+2+1-6=4)м
Тяжело в учении – легко в бою. Давай поднажмём и составим график зависимости проекции перемещения от времени.
Когда мы включили таймер, она была равна нулю:
В конце первого промежутка времени она становится равна -6м:
А, ну дальше-то все легко: отмечаем 4, потом отмечаем 9… Нет!
Мы ведь работаем с ОБЩЕЙ проекцией. А общая проекция есть сумма.
Тогда в конце второго промежутка проекция будет равна:
({{S}_{x}}={{S}_{x1}}+{{S}_{x2}})
Дальше – больше слагаемых.
Следующая точка: (-6+4=-2) м
А после нее:(-6+4+9=7) м и т.д.
Теперь соединяем точки по порядку:
Задача 7. Постройте траекторию движения колибри, если начальное положение его по оси Х – 1 м, по оси Y – 3 м, а проекция его скорости на оси, расположенные перпендикулярно друг другу, описывается следующими графиками:
Решение:
Увидел сложную задачу – пиши всё, что знаешь! Зачем? Так надо! Пиши!
Скорость изменяется скачками, но на отдельных промежутках она постоянна. Тело движется равномерно.
Тело изменяет свое положение в пространстве. Изменяет свою координату.
Вспомним, как записывается уравнение координаты тела при равномерном прямолинейном движении:
(x={{x}_{0}}+{{V}_{x}}cdot t)
(y={{y}_{0}}+{{V}_{y}}cdot t)
Мы учились делать это раньше. Построим графики зависимости координаты от времени.
Итак, по оси Х у нас 3 участка, обозначим их вспомогательными линиями на нашем новом графике:
Начнем с первого участка. Знаем проекцию скорости и даже начальную координату! Подарок судьбы.
(x=1+2cdot t)
Строим его на первом промежутке:
Теперь координата тела – 17м и тело начинает двигаться с другой скоростью. Из координаты 17 тело движется со скоростью… А, ни с какой скоростью. Проекция скорости на эту ось равна нулю, поэтому:
(x=17+0cdot t)
Координата не меняется. Рисуем:
Тело на 17 м. Оттуда продолжаем движение с проекцией скорости -2 м/с. Тогда: (x=17-2cdot t)
Аналогично строим график для оси Y. Теперь у нас есть два графика:
Построим траекторию движения в плоскости. Для этого нам нужны оси Х и Y одновременно!
Давай построим их:
Всегда бери длину с запасом! Чтобы потом не перечерчивать оси. Наибольшее значение по Х – 17м. По Y – 15м. На всякий случай будем брать 20Х20.
Давай будем анализировать по секундам. Каковы были координаты тела в момент начала отсчета? Давай посмотрим.
В начальный момент времени координата по Х равна 1м, по Y – 3м. В конечный момент по Х координата равна 13, по Y – 15м.
Отметим эти точки:
Дальше будем рассматривать «переломные моменты». Для первого графика это 8 и 10с, для второго – 4 и 6с.
То есть секунды: 4, 6, 8, 10.
Запишем координаты точек для нужных нам секунд:
4: (9;15)
6: (13; 9)
8: (17;11)
10: (17;13)
Отметим их и соединим прямой, укажем последовательность:
Задача решена!
Теперь ты знаешь, как работать с графиками равномерного прямолинейного движения и их уравнениями! Движемся дальше. Иронично звучит 🙂
Средняя скорость по перемещению. Средняя путевая скорость
Хочешь, покажу фокус?
Смотри.
Из горной пещеры вылетает дракон, а за ним в ту же секунду выбегает доблестный рыцарь. Дракон хочет разрушить замок, находящийся от пещеры на расстоянии 7 километров. Задача рыцаря – добраться до замка первым и остановить дракона.
Рыцарь скачет на лошади прямо к замку по равнине в течении 20 минут. Он обнаруживает, что мост через реку на пути к замку разрушен, поэтому решает переплыть реку, и (спасибо его хорошей подготовке) у него уходит лишь 5 минут на то, чтобы снять с себя доспехи и сделать это. Затем в течении 10 минут он продолжает движение к замку.
Дракон после вылета из пещеры движется вперед и вверх, на это у него уходит 15 минут. На какой-то высоте он останавливается, потому что видит стаю пролетающих мимо уток. Драконы, динозавры, птицы… Смекаешь, да? Он решает поиграться со своими «родственниками», на что у него уходит 15 минут. Затем он вспоминает о замке и стремительно пикирует к нему на протяжении 5 минут.
Давай всё это изобразим для наглядности:
Дракон и рыцарь совершили одинаковые перемещения, так? 7 км, ведь они оказались у замка, двигаясь из пещеры.
Давай посчитаем время каждого в пути. И для дракона, и для рыцаря оно составило 35 минут. Они прибыли к замку одновременно.
Так что ж получается… Они совершили одинаковое перемещение за одинаковый промежуток времени.
Но их траектории были очень различны! И двигались они по-разному!
Для того, чтобы описать это, существует средняя скорость по перемещению.
Средняя скорость тела – векторная физическая величина, равная отношению перемещения тела на определенном участке траектории ко времени, за которое оно совершено.
Можно в виде формулы: ({{vec{V}}_{cp}}=frac{{vec{S}}}{t})
Средняя скорость дракона и рыцаря по перемещению одинакова, ведь они пришли одновременно в одно и то же место.
Есть подвох, о котором тебе на математике не рассказали. Ты все время работал не с этой средней скоростью. А с этой:
Средняя путевая скорость — это отношение длины пути, пройденного телом, ко времени, за которое этот путь был пройден.
Понял, да? Путевая – про путь, а не про перемещение. Средняя путевая скорость совпадает (по модулю) со средней скоростью по перемещению только в том случае, если тело двигалось по прямой в одном направлении.
Средняя путевая скорость дракона сильно отличается от средней путевой скорости рыцаря.
Если не помнишь, в чем отличие пути от перемещения, советую посмотреть основные определения кинематики!
Относительность движения. Операции над скоростями
Давай вспомним одну из важнейших вещей, когда мы говорим про движение. Мы давали ему определение, когда говорили о кинематике в целом.
Это тело отсчета. То тело, относительно которого мы рассматриваем движение.
Мы уже знаем, что относительно одного тела тело может нестись с бешеной скоростью, а относительно другого не двигаться вовсе.
От системы отсчета зависит изменение положения тела. А что еще от нее зависит? Траектория зависит?
Оказывается, да!
Однажды человек изобрел колесо и изменил мир. Давай воспользуемся этим изобретением для того, чтобы найти ответ на вопрос выше.
Возьмем какую-то точку на колесе и пусть оно катится по дороге! Как движется эта точка относительно оси колеса? По кругу.
А относительно Земли?
Вот так:
Круто, да?
Эта кривая называется циклоида. И она точно отличается от траектории движения точки относительно оси колеса.
Сегодня мы научимся определять и связывать скорости в разных системах отсчета.
А еще на относительности основан главный закон скоростей – закон об их сложении.
Поступим как настоящие ученые. Готовые формулы – для слабаков. Мы будем выводить их сами.
Рассмотрим ситуацию.
По реке плывет плот (П) со спортсменом (С). На берегу реки сидит рыбак (Р) и наблюдает за этим. В какой-то момент пловец прыгает с плота и движется к другому берегу реки. Их несёт течение реки.
Давай изобразим это:
Давай нарисуем вектор перемещения спортсмена относительно плота и назовем его относительным перемещением:
Теперь нарисуем вектор перемещения плота, которого несет течение. Назовем этот вектор переносным:
А теперь посмотрим, как спортсмен двигался относительно рыбака, и назовем вектор этого перемещения абсолютным:
Ты только посмотри! У нас тут треугольник!
Нет, оставь свои теории заговора и иллюминатов. Не тот треугольник. Треугольник суммы векторов!
Переносное перемещение и относительное в сумме дают абсолютное!
({{vec{S}}_{a}}={{vec{S}}_{n}}+{{vec{S}}_{o}})
Как связать перемещение со скоростью? Нужно поделить его на время!
Та-а-ак… А его откуда брать?
Оно для всех течёт одинаково. Смело делим:
(frac{{{{vec{S}}}_{a}}}{t}=frac{{{{vec{S}}}_{n}}}{t}+frac{{{{vec{S}}}_{o}}}{t})
И получаем:
({{vec{V}}_{a}}={{vec{V}}_{n}}+{{vec{V}}_{o}})
А теперь давай разбираться.
Что такое абсолютная скорость? В нашем случае это скорость пловца относительно берега.
Абсолютная скорость – скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчета.
Что такое переносная скорость? Скорость плота, скорость течения реки относительно берега.
Переносная скорость – скорость движущейся системы отсчета относительно неподвижной.
Что такое относительная скорость? Это скорость спортсмена относительна плота.
Относительная скорость – скорость движения тела относительно подвижной системы отсчета.
Таким образом,
Скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости этого тела относительно движущейся системы отсчета и скорости движущейся системы отсчета относительно неподвижной.
Иначе говоря:
Абсолютная скорость есть векторная сумма относительной и переносной скоростей.
Чем хороши векторные уравнения? Они не заставляют тебя думать о знаках.
Знаки ты определишь в проекциях. Это будет зависеть от условия задачи.
Внимание, практика!
Решение задач на среднюю скорость и действия со скоростями
Задача 8 (продолжение задачи 3 🙂 ). Поймавший Петю директор пишет замечание в его дневник, его ручка движется по листу бумаги со скоростью 0.05 м/с. Через 3 секунды Петя взмолится перед Максимом Михайловичем, его ручка станет двигаться со скоростью 0.03 м/с на протяжении 4 секунд.
А если бедному ученику повезёт и ручка начнет плохо писать, то, чтобы расписать ее, директор будет давить на нее сильнее в течение 5 секунд и скорость ее станет равна 0.01 м/с.
Найдите среднюю путевую скорость ручки. Зная, что длина красноречивого замечания равна 24 см, найдите среднюю скорость ручки по перемещению.
Решение:
Если в задаче много букв – составляй ее план. Давай это сделаем и переведем все в СИ, если необходимо.
3с – 0.05 м/с
4с – 0.03 м/с
5с – 0.01 м/с
24см=0.24м
Что значит «длина замечания»? Фактически, расстояние от начала до конца, то есть это кратчайшая ПРЯМАЯ. Запишем ее как вектор – получим перемещение.
Ведь перемещение есть вектор, проведенный из начального положение в конечное.
Давай посчитаем, сколько времени директор писал замечание:
(3+4+5=12) с
Значит, мы уже можем найти среднюю скорость по перемещению!
Сделаем это:
({{V}_{cp}}=frac{0.24}{12}=0.02) м/с
Почему там не вектор? Помни: мы не можем приравнивать векторные величины к скалярным. Когда нам сказали, чему равно перемещение, нам дали ДЛИНУ вектора перемещения. А длина есть величина скалярная.
Приступим к средней путевой скорости. Для начала нам нужно найти путь, время у нас уже есть.
Путь будет состоять из трёх участков, в которых тело двигалось с разными скоростями:
(L={{L}_{1}}+{{L}_{2}}+{{L}_{3}})
Каждый из них можно найти умножением скорости на участке на время движения с этой скоростью. Вот так:
(L={{V}_{1}}cdot {{t}_{1}}+{{V}_{2}}cdot {{t}_{2}}+{{V}_{3}}cdot {{t}_{3}})
Давай подставим:
(L=0.05cdot 3+0.03cdot 4+0.01cdot 5=0.32)
А теперь можем найти среднюю путевую скорость:
({{V}_{cpL}}=frac{0.32}{12}approx 0.027) м/с
Задача решена!
Задача 9. В небе летят два вертолёта. Скорость одного из них – 350 км/ч, другого – 400 км/ч. Найти скорость второго вертолёта относительно первого.
Решение:
Вот тебе дело: найди одно очень важное потерянное условие.
Дело в том, что в задаче не сказано, летят ли они в одном направлении или в разных. Рассмотрим оба случая.
Случай 1. Вертолеты движутся в одном направлении.
Давай вспомним главное уравнение:
({{vec{V}}_{a}}={{vec{V}}_{n}}+{{vec{V}}_{o}})
Мы ищем скорость одного вертолета относительно другого. Скорость одного движущегося тела относительно другого движущегося тела называется относительной. Выразим ее:
({{vec{V}}_{o}}={{vec{V}}_{a}}-{{vec{V}}_{n}})
Помним, что с векторами рука об руку идут их проекции. Давай начертим схему задачи и построим ось, на которую будем проецировать векторы скорости:
Всё это, конечно, здорово, но какая скорость абсолютная, а какая переносная?
Давай разбираться.
Переносная скорость – скорость движущейся системы отсчета относительно неподвижной.
В система отсчета, которую требует задача, все происходит относительно первого вертолета. Он – тело отсчета.
Значит, переносная скорость – скорость первого вертолета относительно земли.
Абсолютная скорость – скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчета. То есть это скорость второго вертолета, данная в задаче.
Вернемся к уравнению и запишем его по-новому:
({{vec{V}}_{o}}={{vec{V}}_{a}}-{{vec{V}}_{n}})
({{vec{V}}_{o}}={{vec{V}}_{2}}-{{vec{V}}_{1}})
Мы помним, что с векторами рука об руку идут проекции. Давай запишем это уравнение в проекции на ось Х.
Обе этих скорости направлены по направлению оси. Значит, их проекции положительны:
({{V}_{ox}}={{V}_{2x}}-{{V}_{1x}})
Мы выбрали ось так, чтобы векторы были ей параллельны, поэтому мы смело можем утверждать, что проекции по модулю равны длинам векторов:
({{V}_{o}}={{V}_{2}}-{{V}_{1}})
Считаем:
({{V}_{o}}=400-350=50) км/ч
Случай 2. Вертолеты движутся в разных направлениях.
Нарисуем схему снова:
Нетрудно догадаться, что теперь проекция уравнения на ось будет иметь другой вид. Проекция скорости первого вертолета будет отрицательна: она направлена против оси.
({{vec{V}}_{o}}={{vec{V}}_{2}}-{{vec{V}}_{1}})
({{V}_{o}}={{V}_{2}}-(-{{V}_{1}})={{V}_{2}}+{{V}_{1}})
Скорости складываются. И правда: оба вертолета стремятся отдалиться друг от друга, никто никого не догоняет.
({{V}_{o}}=400+350=750) км/ч
Таким образом, скорость второго вертолета относительно первого равна 50 км/ч, если они движутся в одном направлении, и 750 км/ч, если движутся в разных.
Задача 10. Дядя Стэн, с уверенностью открыв сезон рыбалки, мчится на моторной лодке против течения реки в течение 3 ч и преодолевает 4 км, пока не вспоминает, что забыл дома свой любимый сборник анекдотов. Скорость течения реки – 2.5 км/ч.
Сколько времени понадобится Стэну, чтобы преодолеть то же самое расстояние, возвращаясь обратно?
Решение:
Давай сделаем рисунок. Это в большинстве случаев упрощает задачу!
Сначала нарисуем реку с течением:
А теперь лодку Стэна, которая плывет против течения. Обозначим ее собственную скорость.
Давай посмотрим, как мы можем связать эти две скорости с путем и временем.
Для начала вспомним формулу:
({{vec{V}}_{a}}={{vec{V}}_{n}}+{{vec{V}}_{o}})
Пройденный путь и время будет определять абсолютная скорость – та, что характеризует движение тела относительно неподвижной системы отсчета. В нашем случае – берега.
Можно объяснять проекциями, а можно просто понять. Куда легче плыть? По течению или против? Конечно, по течению! Оно подгоняет тебя.
В нашей ситуации Стэн сначала плывет против течения. Абсолютная скорость будет меньше собственной скорости лодки, ведь ее тормозит течение.
Давай запишем:
({{V}_{a1}}={{V}_{L}}-{{V}_{T}}) или (frac{L}{{{t}_{1}}}={{V}_{L}}-{{V}_{T}}), где ({{t}_{1}}) — время против течения.
Хорошо. Посмотрим, что может дать нам вторая часть задачи.
Здесь лодка идет по течению. Уравнение имеет вид:
(frac{L}{{{t}_{2}}}={{V}_{L}}+{{V}_{T}}), где ({{t}_{2}}) — время по течению
Таким образом, у нас есть система уравнений:
(frac{L}{{{t}_{2}}}={{V}_{L}}+{{V}_{T}})
(frac{L}{{{t}_{1}}}={{V}_{L}}-{{V}_{T}})
Нам неизвестна собственная скорость лодки. А нам она и не нужна! Вычтем одно уравнение из другого и получим:
(frac{L}{{{t}_{2}}}-frac{L}{{{t}_{1}}}=2cdot {{V}_{T}})
Отсюда нужно выразить время по течению:
({{t}_{2}}=frac{L}{2cdot {{V}_{T}}+frac{L}{{{t}_{1}}}})
Считаем:
({{t}_{2}}=frac{4}{2cdot 2.5+frac{4}{3}}approx 0.6) ч
36 минут потребуется Стэну, чтобы приплыть обратно.
Задача 11. По узкой лесной тропе колонной длиной в 30 метров идут туристы со скоростью 5 км/ч. Замыкающий посылает одного туриста в начало строя, чтобы тот передал гиду карту местности. Турист бежит в начало строя со скоростью 8 км/ч и, выполнив поручение, тут же бежит обратно с той же скоростью.
Сколько времени потребуется туристу, чтобы добежать до начала строя и вернуться обратно?
Решение:
Начнем с рисунка. Есть колонна определенной длины (пусть будет l), она движется с определенной скоростью. Из начала выходит турист (Т) и движется с другой скоростью:
Смотри. Пока турист движется, колонна тоже движется. Значит туда он пробежит путь больше, чем обратно:
Выглядит сложно.
Ну да, конечно! Это как идти в школу в соседнем дворе и для этого каждый раз покупать билет в Антарктиду.
Нужно выбрать удобную систему отсчета!
Сделаем так, чтобы колонна была неподвижна. Будем рассматривать все относительно нее. Можно даже представить, что ты один из туристов 🙂
Сделаем другую картинку!
Если ты один из туристов, будет очевидно, что туда и обратно «посыльный» будет двигаться с разной скоростью.
Например, когда ты едешь по шоссе, кто кажется быстрее: машины, которые обгоняют твою или машины, которые едут на встречу? Очевидно, что те, кто едут навстречу.
Теперь осталось определить, с какой скоростью турист движется туда и обратно.
Изначально он движется с колонной в одном направлении, то есть пытается ее обогнать. Результирующая скорость будет меньше его собственной:
({{V}_{1}}={{V}_{T}}-{{V}_{K}})
({{V}_{1}}=8-5=3) км/ч
Когда он движется обратно, колонна будет идти ему навстречу. Результирующая скорость будет больше:
({{V}_{2}}={{V}_{T}}+{{V}_{K}})
({{V}_{2}}=8+5=13) км/ч
Слишком быстро? Посиди и подумай. Мне не удастся просто вложить знания в твою голову. Ты сам тоже должен стараться!
Итак, из чего складывается время, затраченное туристом? Из времени туда и обратно!
(t={{t}_{1}}+{{t}_{2}})
Время в пути есть путь, деленный на скорость. Давай подставим:
(t=frac{l}{{{V}_{1}}}+frac{l}{{{V}_{2}}}=frac{l}{{{V}_{T}}-{{V}_{K}}}+frac{l}{{{V}_{T}}+{{V}_{K}}})
Теперь можем посчитать!
(t=frac{0.03}{3}+frac{0.03}{13}approx 0.0123)ч
Или приблизительно 44 секунды!
Задача решена! Оказывается, она очень простая, если верно выбрать систему отсчета.
Задачи в плоскости
Задача 12. Индейцы переплывают реку. Один из них, Красный Джо, встает напротив маленького причала и прыгает в воду, начиная плыть в его сторону со скоростью 2 м/с. Расстояние от причала до берега – 120 м. Течение реки имеет скорость 3 км/ч.
Куда на самом деле приплывет Красный Джо, позабывший духовную (и не только) связь своей скорости с рекой, и сколько времени на это уйдет?
Решение.
Итак, в мыслях индейцах он плыл бы так:
И это было бы верно, если бы он плыл в стоячей воде! Но течение изменяет его движение:
Он движется вперед и его еще переносит река! Обозначим расстояние, на которое его перенесет от причала, за Х. Его и нужно найти.
Еще нам дано расстояние до причала. Покажем на рисунке:
Как можно найти Х? Давай посмотрим, как движется тело по горизонтали. Оно просто смещается со скоростью течения, верно?
Значит, Х можно найти самым простым уравнением пути, которое мы знаем еще с пятого класса!
(X={{V}_{T}}cdot t)
Но как найти время?
Для этого нужно понять, что сносить его будет ровно столько времени, сколько он движется вперед.
То есть это то же время, что он затратил бы в стоячей воде, чтобы переплыть реку!
(t=frac{l}{{{V}_{K}}})
Подставим в уравнение выше:
(X={{V}_{T}}cdot frac{l}{{{V}_{K}}})
Теперь можем ответить на все вопросы задачи! Только не забудь перевести все в единую систему единиц измерения.
В задачах на движение не особенно важно (если не сказано иное), какие использовать единицы измерения. Главное, чтобы везде в решении они были одинаковые, например, везде километры или везде метры, везде часы или везде секунды. Как тебе удобно.
3 км/ч примерно равняется 0.83 м/с.
Подставляем значения в формулы:
(X=0.83cdot frac{120}{2}=49.8)м
Найдем время:
(t=frac{120}{2}=60)c
Таким образом, Красному Джо потребуется 1 минута на то, чтобы переплыть реку и оказаться на расстоянии 49.8 метров от причала.
Но есть и другой способ решения, если этот кажется тебе подозрительно легким 🙂
Попробуем решить эту задачу геометрией!
Вектор скорости течения параллелен отрезку Х, который нам нужно найти. Давай используем параллельный перенос и поставим его в более удобное место:
Сумма векторов скорости Красного Джо и течения даст нам абсолютную скорость – скорость, с которой тело движется относительно берега.
Вектор абсолютной скорости будет лежать на пунктире, конец которого – положение Джо после преодоления реки.
А теперь рассмотрим подобные треугольники:
Теперь запишем для них уравнение подобия, используя известные нам величины:
(frac{l}{{{V}_{K}}}=frac{X}{{{V}_{T}}})
Отсюда можем легко найти Х:
(X=frac{lcdot {{V}_{T}}}{{{V}_{K}}})
У нас получилась та же самая формула!
Задача 13. При скорости ветра 12 м/с капли дождя падают под углом 30 градусов к вертикали. При какой скорости ветра они будут падать под углом 45 градусов?
Решение:
Приятно и легко смотреть на дождь в окне. А еще легче решить эту задачу.
Если в физике видишь углы, ты точно будешь использовать тригонометрию. От нее не убежишь.
Начертим рисунок. Прежде всего, у нас есть вектор скорости ветра и какая-то вертикаль:
Как бы падали капли без ветра? Просто вниз:
Для удобства будем рассматривать одну каплю.
В этой задаче ветер можно сравнить с течением реки! Давай сделаем рисунок по этому сравнению!
Но где тут угол? Все просто: это будет угол вектора суммы!
Именно этот вектор принадлежит абсолютной скорости – той, что описывает движение капли относительно земли (и вертикали)
Давай разбираться. Скорость капли при отсутствии ветра нам неизвестна.
Не пугайся. Надежда на то, что неизвестные сократятся, всегда умирает последней.
Нам известна скорость ветра. И угол.
Рассмотрим получившийся у нас треугольник: он прямоугольный, его гипотенуза – абсолютная скорость. Она тоже неизвестна.
Давай попробуем с помощью угла связать два катета этого треугольника! Здесь поможет тангенс. Это отношение противолежащего катета к прилежащему, то есть:
(tgalpha =frac{{{V}_{B}}}{{{V}_{K}}})
Без векторов, потому что мы рассматриваем их длины и работаем с треугольником!
Давай выразим скорость капли в безветренную погоду, она ведь не изменится, она просто дана (вообще-то не дана, ну ладно) нам как факт.
({{V}_{K}}=frac{{{V}_{B}}}{tgalpha })
То есть когда скорость ветра и угол изменятся, мы все еще можем записать:
({{V}_{K}}=frac{{{{{V}’}}_{B}}}{tgbeta })
Давай приравняем:
(frac{{{V}_{B}}}{tgalpha }=frac{{{{{V}’}}_{B}}}{tgbeta })
Нужно найти новую скорость ветра. Выразим ее:
(frac{{{V}_{B}}cdot tgbeta }{tgalpha }={{V}_{B}}^{prime })
Можем подставить значения:
({{{V}’}_{B}}=frac{12cdot tg{{45}^{o}}}{tg{{30}^{o}}}=frac{12cdot 3}{sqrt{3}}approx 20.8) м/с
Задача решена!
Подготовка к ЕГЭ на 90+ в мини-группах
Алексей Шевчук — ведущий мини-групп
математика, информатика, физика
+7 (905) 541-39-06 — WhatsApp/Телеграм для записи
alexei.shevchuk@youclever.org — email для записи
- тысячи учеников, поступивших в лучшие ВУЗы страны
- автор понятного всем учебника по математике ЮКлэва (с сотнями благодарных отзывов);
- закончил МФТИ, преподавал на малом физтехе;
- репетиторский стаж — c 2003 года;
- в 2021 году сдал ЕГЭ (математика 100 баллов, физика 100 баллов, информатика 98 баллов — как обычно дурацкая ошибка:);
- отзыв на Профи.ру: «Рейтинг: 4,87 из 5. Очень хвалят. Такую отметку получают опытные специалисты с лучшими отзывами».
Заключение
Мы разобрались с самым простым видом движения.
Необходимо очень хорошо разбираться даже в тех вещах, которые кажутся очевидными.
Дальше будет легче, ведь у нас уже есть хорошая база! Теперь будут меняться лишь характеристики движения.
Надеюсь, тебе понравились задачи 🙂
Все ли было понятно? Узнал ли ты что-то, о чем не рассказывали в школе?
Механическое движение имеет множество характеристик. Вы уже узнали, что оно относительно и бывает разных видов: прямолинейное и криволинейное, равномерное и неравномерное.
Тела движутся по воображаемым линиям, которые называются траекториями, а длина траектории – это путь, который проходит тело.
В этом уроке мы рассмотрим новую физическую величину, характеризующую движение – скорость.
Скорость при равномерном движении
Взгляните на рисунок 1. Если мы предположим, что бегуны, велосипедисты и автомобили двигаются равномерно, то чем будет отличаться их движение?
В таких случаях обычно мы говорим, что машина будет двигаться быстрее, чем велосипедист, а велосипедист – быстрее, чем бегун. Здесь в физике появляется такая величина, как скорость.
Скорость – это физическая величина, характеризующая быстроту движения тел.
В нашем случае люди пробегают 15 км за 1 час, велосипедисты проезжают 25 км за 1 час, а машина за то же время – 60 км, то есть движутся с различными скоростями.
Что показывает скорость при равномерном движении?
Скорость при равномерном движении тела показывает, какой путь проходит тело в единицу времени.
Скорость при равномерном движении постоянна.
Как вычислить скорость
По какой формуле определяют скорость тела, если известен его путь и время, за которое он пройден?
Чтобы определить скорость при равномерном движении, нужно путь, пройденный телом за выбранный промежуток времени, разделить на этот промежуток времени:
$Скорость = frac{Путь}{Время}$
или
$upsilon = frac{S}{t}$.
Здесь $upsilon$ — скорость, $S$ – путь, $t$ — время.
Дадим определение.
Cкорость тела при равномерном движении – это величина, равная отношению пути ко времени, за которое пройден этот путь.
Соответственно, если автомобиль проезжает в течение 10 с путь, равный 20 метрам (рисунок 2), то его скорость будет равна $frac{20 space м}{10 space с} = 2 frac{м}{с}$ (2 метра в секунду).
Скорость при неравномерном движении
При неравномерном движении тело проходит разные пути за равные промежутки времени, т.е. скорость тела изменяется от одного участка пути к другому.
Как же определить скорость на всем пути? Здесь нам поможет понятие средней скорости.
Как определяют среднюю скорость при неравномерном движении?
Чтобы определить среднюю скорость тела при неравномерном движении, надо весь пройденный путь разделить на все время движения:
$upsilon_{ср} = frac{S}{t}$.
Отметим, что средняя скорость описывает движение тела за весь промежуток времени. В это время тело можно замедляться, разгоняться, останавливаться.
Например, если вы выезжаете на автомобиле из Москвы в Санкт-Петербург (рисунок 3), то весь путь займет у вас 10 ч. В это время машина будет то набирать скорость, то тормозить, сделает остановку. Общий путь, который вы при этом проедите, будет равен 600 км.
Средняя скорость движения автомобиля будет равна:
$upsilon_{ср} = frac{S}{t} = frac{600 space км}{10 space ч} = 60 frac{км}{ч}$.
Взгляните на таблицу 1, где приведены различные средние скорости.
| Тело | Скорость, $frac{м}{с}$ | Тело | Скорость, $frac{м}{с}$ |
|---|---|---|---|
| Улитка | 0,0014 | Пассажирский самолет | 220 |
| Черепаха | 0,05-0,14 | Звук в воздухе при $0 degree C$ | 332 |
| Муха | 5 | Пуля автомата Калашникова | 760 |
| Пешеход | 1,5 | Луна вокруг Земли | 1000 |
| Конькобежец | 13 | Молекула водорода при $0 degree C$ | 1693 |
| Скворец | 20 | Молекула водорода при $25 degree C$ | 1770 |
| Страус | 22 | Земля вокруг Солнца | 30 000 |
| Автомобиль | 20 | Свет и радиоволны | 300 000 000 |
Единицы измерения скорости
Какова единица измерения скорости в СИ?
В Международной системе (СИ) скорость измеряется в метрах в секунду $frac{м}{с}$.
За единицу скорости принимают скорость такого равномерного движения, при котором за 1 секунду тело проходит путь длиной 1 метр.
Следственно, скорость в системе СИ — количество метров, которое тело пройдёт за 1 секунду.
В повседневной жизни мы чаще видим, что скорость измеряют в километрах в час $frac{км}{ч}$. Также можно использовать километры в секунду $frac{км}{с}$ и сантиметры в секунду $frac{см}{с}$.
Наиболее часто встречаемое ограничение скорости в городах – $ 60 frac{км}{ч}$. Переведем это значение в $frac{м}{с}$:
$60 frac{км}{ч} = 60 cdot frac{1 space км}{1 space ч} = 60 cdot frac{1000 space м}{3600 space с} = frac{60 cdot 1000}{3600} frac{м}{с} approx 17 frac{м}{с}$
Так мы увидели, что числовое значение скорости зависит от выбранной единицы измерения.
Скорость как вектор
Чем, кроме числового значения, характеризуется скорость тела?
Логично, что, кроме числового значения, скорость имеет и направление. Например, чтобы узнать, где будет находиться велосипедист через 1 час после того, как он выехал из дома, нам необходимо знать скорость движения и ее направление.
Физические величины делятся на те, которые имеют направление и те, которые его не имеют — на векторные и скалярные:
1. Векторные величины – это величины, которые, кроме числового значения (модуля), имеют еще и направление.
Скорость – это векторная физическая величина
Векторные величины обозначаются буквами со стрелочками. Скорость обозначается как $vec{upsilon}$, а модуль скорости — $upsilon$.
На рисунке 4 стрелкой показано направление скорости (направление движение тела).
2. Скалярные величины – это физические величины, которые не имеют направления и характеризуются только числовым значением. Это путь, объем, время, длина, масса и др.
Примеры задач на нахождение скорости
Задача №1
Равномерно двигаясь, поезд за 3 часа прошел путь длиной 152 км. Найдите скорость движения поезда в единицах СИ.
Дано:
$S = 152 space км$
$t = 3 space ч$
$upsilon -?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Скорость рассчитывается по формуле:
$upsilon = frac{S}{t}$.
$upsilon = frac{152}{3} frac{км}{ч} approx 51 frac{км}{ч}$.
Выразим в единицах СИ:
$51 frac{км}{ч} = frac{51 000}{3600} frac{м}{c} approx 14 frac{м}{c}$.
Ответ: $upsilon = 14 frac{м}{с}$.
Задача №2
Скорость лыжника первую часть пути составляла $20 frac{км}{ч}$ в течение 15 мин. Следующие 45 мин его скорость была $10 frac{км}{ч}$. Найдите среднюю скорость лыжника.
Обозначим первую часть пути как $s_1$, вторую как $s_2$. Время, соответствующее движению на этих участках, $t_1$ и $t_2$ (рисунок 5). Скорости — $upsilon_1$ и $upsilon_2$.
Дано:
$upsilon_1 = 20 frac{км}{ч}$
$t_1 = 15 space мин$
$upsilon_2 = 10 frac{км}{ч}$
$t_2 = 45 space мин$
$upsilon_{ср} -?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Скорость лыжника на первой и второй частях пути:
$upsilon_1 = frac{S_1}{t_1}$; $upsilon_2 = frac{S_2}{t_2}$.
Выразим из этих уравнений неизвестные $s_1$ и $s_2$:
$s_1 = upsilon_1t_1$; $s_2 = upsilon_2t_2$.
Чтобы найти среднюю скорость лыжника, нужно его полный путь разделить на все время движения:
$upsilon_{ср} = frac{s_1+s_2}{t_1+t_2} = frac{upsilon_1t_1+upsilon_2t_2}{ t_1+t_2}$.
Выпишем отдельно часть выражения и переведем в часы:
$t_1+t_2 = 15 space мин + 45 space мин = 1space ч$.
Тогда:
$t_1 = frac{1}{4} space ч = 0.25 space ч$,
$t_2 = frac{3}{4} space ч = 0.75 space ч$.
$upsilon_{ср} = frac{20 frac{км}{ч} cdot 0.25 space ч+10 frac{км}{ч} cdot 0.75 space ч}{1 space ч} = frac{5 space км +7.5 space км}{1 space ч} = 12.5 frac{км}{ч}$.
Ответ: $upsilon_{ср} = 12,5 frac{км}{ч}$.
Упражнения
Упражнение №1
Выразите скорости тел: $90 frac{км}{ч}$ и $36 frac{км}{ч}$ в $frac{м}{с}$.
Показать решение
Скрыть
Решение:
$upsilon_1 = 90 frac{км}{ч} = 90 cdot frac{1000 space м}{3600 space с} = frac{1000}{40} frac{м}{с} = 25 frac{м}{с}$.
$upsilon_2 = 36 frac{км}{ч} = 36 cdot frac{1000 space м}{3600 space с} = frac{1000}{100} frac{м}{с} = 10 frac{м}{с}$.
Упражнение №2
Поезд идет со скоростью $72 frac{км}{ч}$. Выразите его скорость в $frac{м}{с}$.
Показать решение
Скрыть
Решение:
$upsilon = 72 frac{км}{ч} = 72 cdot frac{1000 space м}{3600 space с} = frac{1000}{50} frac{м}{с} = 20 frac{м}{с}$.
Упражнение №3
Гоночный автомобиль за $10 space мин$ проезжает путь, равный $50 space км$. Определите его среднюю скорость.
Дано:
$t = 10 space мин$
$S = 50 space км$
СИ:
$t = 600 space с$
$S = 50 space 000 space м$
$upsilon_{ср} — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Средняя скорость при неравномерном движении рассчитывается по формуле:
$upsilon_{ср} = frac{S}{t}$.
$upsilon_{ср} = frac{50 space 000 space м}{600 space с} approx 83.3 frac{м}{с}$.
Ответ: $upsilon_{ср} approx 83.3 frac{м}{с}$.
Упражнение №4
Лучшие конькобежцы дистанцию $1500 space м$ пробегают за $1 space мин$ и $52.5 space с$. С какой средней скоростью они проходят эту дистанцию?
Дано:
$t =1 space мин space 52.5 space с$
$S = 1500 space м$
СИ:
$t = 112.5 space с$
$upsilon_{ср} — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Средняя скорость при неравномерном движении рассчитывается по формуле:
$upsilon_{ср} = frac{S}{t}$.
$upsilon_{ср} = frac{1500 space м}{112.5 space с} approx 13.3 frac{м}{с}$.
Ответ: $upsilon_{ср} approx 13.3 frac{м}{с}$.
Упражнение №5
Лыжник, спускаясь с горы, проходит $50 space м$ за $5 space с$. Спустившись с горы и продолжая двигаться, он до полной остановки проходит еще $30 space м$ за $15 space с$. Найдите среднюю скорость лыжника за все время движения.
Дано:
$S_1 = 50 space м$
$t_1 = 5 space с$
$S_2 = 30 space м$
$t_2 = 15 space с$
$upsilon_{ср} — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Средняя скорость при неравномерном движении рассчитывается по формуле:
$upsilon_{ср} = frac{S}{t}$, где $S$ — весь путь, пройденный лыжником, $t$ — общее время движения.
Общий путь равен: $S = S_1 + S_2$.
Общее время движения: $t = t_1 + t_2$.
Подставим эти значения в формулу для средней скорости и рассчитаем ее:
$upsilon_{ср} = frac{S_1 + S_2}{t_1 + t_2}$,
$upsilon_{ср} = frac{50 space м + 30 space м}{5 space с + 15 space с} = frac{80 space м}{20 space с} = 4 frac{м}{с}$.
Ответ: $upsilon_{ср} = 4 frac{м}{с}$.
Задание
Найдите с помощью интернета фамилии советских летчиков, совершивших впервые в мире беспосадочный перелет Москва-Северный полюс-США. Известно, что расстояние в $8582 space км$ они пролетели за $63 space ч$ и $16 space мин$. Определите, с какой скоростью летел самолет.
Первый беспосадочный перелет Москва-Северный полюс-США совершили советские авиаторы 18-20 июня в 1937 году. Перелет был совершен на самолете АНТ-25. Состав: командир экипажа В. П. Чкалов, второй пилот Г. Ф. Байдуков и штурман А. В. Беляков.
Дано:
$S = 8582 space км$
$t = 63 space ч space 16 space мин$
СИ:
$S = 8 space 582 space 000 space м$
$t = 227 space 760 space с$
$upsilon — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитаем скорость:
$upsilon = frac{S}{t}$,
$upsilon = frac{8 space 582 space 000 space м}{227 space 760 space с} approx 37.7 frac{м}{с}$.
Ответ: $upsilon approx 37.7 frac{м}{с}$.
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: 13.5k
