Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014



Pdf көрінісі
бет2/19
Дата20.04.2022
өлшемі1,26 Mb.
#139967
түріКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19
Байланысты:
Конспект лекций по физике

системе
 
отсчёта

представляющей
собой
тело
отсчёта

жестко
связанную
с
ним
систему
координат
и
вы
-
бранный
способ
измерения
времени

Пример

Пусть
материальная
точка
переместилась
за
время


из
позиции

в
позицию
M, 
которые
мы
фиксируем
в
прямоугольной
(
декартовой

системе
координат

рис
. 1.1. 


Конспект
лекций
 
6
В
заданный
момент
времени
положение
точки
по
отношению
к
этой
системе
характеризуется
тремя
координатами
x, y, z 
или
ра
-
диусом
-
вектором
r
(t), 
проведённым
из
начала
координат
в
данную
точку

Движение
материальной
точки
определяется
скалярными
уравнениями
x=x(t); y=y(t); z=z(t),
(1.1) 
которым
соответствует
векторное
уравнение
r
=
r
(t),
(1.2) 
где
r
=x
i
+y
j
+z
k

В
данном
обозначении
i

j
и
k
являются
единичными
векторами
(
ортами

координатных
осей
x, y 
и
z. 
Совокупность
последовательных
положений

которые
зани
-
мает
материальная
точка
при
своём
движении

называется
траекто
-
рией
(
годограф
вектора
r
(t)). 
Путь
— 
это
неотрицательная
скалярная
величина

равная
рас
-
стоянию

пройденному
материальной
точкой
вдоль
её
траектории
(s 
или
в
обозначении
на
рис
. 1.1 — 

s). 
Вектор

r

проведённый
из
начального
положения
движущей
-
ся
точки
(
в
момент
времени
t, 
см

рис
. 1.1) 
в
положение

занимаемое
ей
в
данный
момент
времени
(
приращение
радиуса
-
вектора
точки
за
рассматриваемый
промежуток
времени

t), 
называется
перемещени
-
ем
(
при
этом
r
(t+

t)=
r
(t)+

r
). 
y

r
(
перемещение

N

S (
путь

r
(t) 

j
r
(t+

t)
k
x
О
i
у
z

x
Рис
. 1.1


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 

При
прямолинейном
движении
модуль
перемещения

r

ра
-
вен
пройденному
телом
пути

s, 
если
движение
происходило
в
неиз
-
менном
направлении

Векторную
величину

характеризующую
направление
и
быст
-
роту
перемещения
материальной
точки
относительно
тела
отсчёта

называют
скоростью

В
нашем
случае

v

=

r
/

t [
м
/
с
]
(1.3) 
является
вектором
средней
скорости

его
направление
совпадает
с
на
-
правлением

r
и
зависит
от

t. 
При
неограниченном
уменьшении


средняя
скорость

v

стремится
к
предельному
значению

которое
по
-
лучило
название
мгновенной
 
скорости
(
начало
дифференциального
исчисления
в
математике
): 
dt
d
t
lim
0
t
r
r
v







(1.4) 
Таким
образом

мгновенная
 
скорость
 v
есть
векторная
вели
-
чина

равная
первой
производной
радиуса
-
вектора
движущейся
мате
-
риальной
точки
по
времени

В
пределе
(
см

рис
. 1.1) 
вектор
v
будет
совпадать
с
касательной
к
траектории
в
направлении
движения

путь


будет
практически
неотличим
от

r


т
.
к

1
lim
0





s
t
r

поэтому
модуль
мгновенной
скорости
можно
представить
в
виде

dt
ds
t
lim
0
t








r
v
.
(1.5) 
Часто
приходится
рассчитывать
среднюю
 
путевую
 
скорость
(
скалярная
величина


п
=
s
t
,
(1.6) 
которую
на
транспорте
называют
маршрутной
скоростью
(
маршрут
-
ная
скорость
московского
метро
составляет
около
40 
км
/
ч
). 
Пример
.
Катер
двигался
по
течению
реки
из
пункта
А
в
пункт
Б
со
скоростью

1

а
обратно
со
скоростью

2

Найти
маршрутную
скорость
катера
при
движении



Конспект
лекций
 
8
Решение


п
2
1
2
1
2
1
2
2










s
s
s

Скорость
тел
при
движении
может
изменяться

Физическую
величину

характеризующую
быстроту
изменения
скорости
по
моду
-
лю
и
направлению

назвали
ускорением

Средним
ускорением
является
отношение







2
с
м
t
v
a

(1.7) 
мгновенным
— 
первая
производная
скорости
по
времени
dt
d
t
t
v
v






0
lim
a

(1.8) 
В
декартовой
системе
координат
модуль
мгновенного
ускоре
-
ния
определяется
как
2
z
2
y
2
x
a
a
a
a




(1.9) 
Как
показывает
эксперимент

вектор
ускорения
при
криволинейном
дви
-
жении
направлен
под
произвольным
углом
к
направлению
вектора
скоро
-
сти
(
рис
. 1.2, 
подробнее
в
динамике
). 
Его
можно
разложить
на
две
состав
-
ляющих

a

— 
касательное
или
тан
-
генциальное
ускорение
и
a
n
— 
нор
-
мальное
или
центростремительное
ускорение

то
есть
dt
d



a

и
n
R
2


n
a

(1.10) 
при
этом
a
=
a

+
a
n

a
a
a
n


2
2

.
В
данном
случае

и
n
— 
единичные
векторы
в
направлении
соответственно
вдоль
и
перпендикулярно
вектору
скорости
, R — 
ра
-
диус
кривизны
траектории

Дело
в
том

что
любой
небольшой
участок


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 

произвольно
искривленной
линии
можно
приближённо
рассматри
-
вать
как
дугу
окружности

которая
будет
сливаться
с
линией
на
бес
-
конечно
малом
её
участке

Радиус
этой
окружности
и
получил
назва
-
ние
радиуса
кривизны
траектории

Нормальное
 
ускоре
-
ние
a
n
характеризует
быстроту
изменения
скорости
по
на
-
правлению

касательное
a

 – 
по
модулю

Пример

Баллистиче
-
ское
движение

рис
. 1.3. 
Примечание

для
слу
-
чая
свободного
падения
(
в
ва
-
кууме

Галилей
постулировал

что
все
тела
будут
падать
с
одинаковым
постоянным
ускорением
g

его
значение
равно
g

9,8 
м
/c
2

Пример

Равномерное
(

v

=const) 
движение
точки
по
окружности

рис
. 1.4. 
Примечание

из
подобия
треугольников
имеем
R
r
v




или
t
R
t








r
v

откуда
a


2
R

в
пределе
при

t

0, 
a

a
 n


2
R
n

1.3. 
Виды
 
движения
 
1.3.1. 
Общие
 
замечания
 
Реальное
движение
тел
обычно
носит
сложный
характер

Для
упрощения
задачи
пользуются
законом
 
независимости
 
движений

со
-
гласно
которому
любое
сложное
движение
можно
представить
как
ре
-
Ба
ш
ня
x
Рис
. 1.3
v
0
=
v
x
v
x
v
g
a
n


v
y
a

y
Горизонтальная
поверхность
Земли
 
Рис
. 1.4
0

v
R
n
v

v

r

Рис
. 1.4 
 
Рис
. 1.3 


Конспект
лекций
 
10
зультат
наложения
независимых
простейших
движений

Например

про
-
стейшими
движениями
являются
поступательное
и
вращательное

В
первом

поступательном
движении
все
точки
тела
движут
-
ся
по
траекториям
одинаковой
формы
и
при
этом
имеют
одинаковые
скорости
и
ускорения

В
этом
плане
рассмотрение
поступательного
движения
тела
удобно
свести
к
изучению
движения
материальной
точки

По
виду
траектории
поступательное
движение
можно
разде
-
лить
на
два
типа
движений

прямолинейное
движение
(
траектория
— 
прямая
линия

и
криволинейное

где
траектория
представляет
собой
произвольную
кривую

Во
втором

вращательном
движении
все
точки
абсолютно
твёрдого
тела
движутся
по
окружностям

центры
которых
находятся
на
одной
прямой

называемой
осью
вращения

при
этом
окружности
лежат
в
плоскостях

перпендикулярных
этой
оси

Примером
сложного
движения

которое
можно
разбить
на
по
-
ступательную
и
вращательную
составляющие
является
движение
ко
-
леса
по
дороге

Если
материальная
точка
участвует
одновременно
в
несколь
-
ких
движениях

то
результирующее
перемещение
и
результирующая
скорость
находятся
по
правилу
сложения
векторов

1.3.2. 
Равномерное
 
движение
 
Если
материальная
точка
за
равные

сколь
угодно
малые
про
-
межутки
времени

проходит
одинаковые
пути

то
такое
её
движение
называется
равномерным
(

=const). 
В
случае
равномерного
прямолинейного
движения
сохраняет
-
ся
и
направление
вектора
скорости

то
есть
v
=const . 
(1.11) 
Согласно
(1.5) 
модуль
вектора
скорости
можно
представить
как
первую
производную
от
пути
по
времени

откуда
t
dt
ds
s
t
0
s
0








(1.12) 


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 
11 
Пример

Материальная
точка
равномерно
движется
вдоль
пря
-
мой

Если
ось
координат

взять
вдоль
направления
движения

то
проекция
скорости
точки

x
,
будет
равна
величине
вектора
скорости

x
=


поэтому

опуская
индекс
x, 
запишем
t
x
x
0




(1.13) 
где
x
0
— 
координата
материальной
точки
в
момент
времени
t=0. 
В
результате
имеем
x = x
0
+

t . 
(1.14) 
Если
скорость
направлена
в
направлении
противоположном
оси
x, 
то
часто
записывают
x = x
0


t ,
(1.15) 
где
под

уже
однозначно
понимают
модуль
вектора
скорости

или
же
в
выражении
(1.15) 
сохраняют
знак
плюс

в
таком
случае
считая

величиной
вектора
скорости

Рассмотрим
равномерное
движение
при
вращении
какого
-
либо
тела

выделяя
в
нём
конкретную
точ
-
ку

поворачивающуюся
относитель
-
но

например

оси

на
угол

или
взяв
в
качестве
примера
обращение
материальной
точки
относительно
этой
же
оси

рис
. 1.5 (
точка
0 — 
нача
-
ло
координат

точка
0

— 
центр
ок
-
ружности

ось
y — 
ось
вращения
). 
При
вращательном
движении
вводят
понятие
— 
вектор
 
угла
 
поворота
 


который
направлен
вдоль
оси
вращения

Ориентация
этого
вектора
определяется
правилом
буравчика
(
рукоятка
буравчика
вращается
вслед
за
рассматриваемой
точкой
— 
рис
. 1.5, 
а
направление
его
посту
-
пательного
движения
задаёт
направление
вектора
 

). 
При
векторной
форме
задания
угла
поворота

его
величина
считается
небольшой

у

 

v
R
O



r
O
Рис
. 1.5


Конспект
лекций
 
12
Векторная
величина

(
омега
), 
характеризующая
быстроту
поворота
точки

называется
её
угловой
 
скоростью


t





или
лучше

dt
d



.
(1.16) 
При
равномерном
вращении
угловая
скорость
постоянна


t



(1.17) 
где

— 
угол
поворота
за
время
t. 
Угол
поворота
измеряется
в
радиа
-
нах
(
рад
), 
угловая
скорость
(
рад
/
с
). 
При
равномерном
вращении
постоянен
и
модуль
линейной
скорости

v

(
упрощённо
просто

). 
Исходя
из
того

что
радиан
соот
-
ветствует
расстоянию
по
окружности

равному
её
радиусу
имеем




R . 
(1.18) 
В
более
общем
плане

= [

,
r
].
 
Равномерное
вращение
характеризуется
периодом
вращения
T, 
под
которым
понимают
промежуток
времени
за
который
рассматривае
-
мая
точка
поворачивается
на
угол

= 2


В
результате
можем
записать





1
2
R
2
T



,
(1.19) 
где

— 
частота
вращения

равная
числу
оборотов
в
единицу
времени

Модуль
угловой
скорости

часто
называют
круговой
частотой

1.3.3. 
Равнопеременное
 
движение
 
Равнопеременное
 
движение
точки
соответствует
условию

когда
касательное
ускорение
(
в
случае
прямолинейного
движения
полное
ускорение

постоянно

Важно
понять

что
движение
с
посто
-
янным
ускорением
может
и
не
быть
прямолинейным

например

при
невертикальном
бросании
тела
с
башни
(
рис
. 1.3) 
полное
ускорение
g
всегда
направлено
к
центру
Земли

если

конечно

отсутствует
боко
-
вое
усилие
в
процессе
его
полёта

В
качестве
примера
равнопеременного
движения
рассмотрим
движение
материальной
точки
в
направлении
оси
x, 
рис
. 1.6. 


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 
13 
Если
при
равнопеременном
прямоли
-
нейном
движении
направление
вектора
ускорения
a
совпадает
с
направлением
вектора
начальной
скорости
v
0

то
такое
движение
называется
равномерно
 
ус
-
коренным
(
обычно
называют
просто
— 
равноускоренным
), 
если
— 
проти
-
воположно

то
 
равномерно
 
замедленным
(
равнозамедленным
). 
Из
определения
ускорения
имеем

0
0
t
-
t
v
-
v

a

(1.20) 
если
для
удобства
анализа
возьмём
t
0
=0, 
то
получим
v
=
v
0
+
a
t . 
(1.21) 
В
нашем
примере
(
рис
. 1.6) 

0
>0, 
так
как
вектор
v
0
направлен
вдоль
положительного
направления
оси
x. 
Если
ускорение
a
совпада
-
ет
с
направлением
вектора
v
0

то
a
>0, 
если
не
совпадает

то
a
<0. 
Сле
-
дует
иметь
в
виду

что
при
a
<0 
величина
вектора
скорости
может
ока
-
заться
и
отрицательной

Можно
внести
знак
плюс
или
минус
в
саму
формулу
(1.21), 
тогда

=

0

a
t , 
(1.22) 
в
этом
варианте

— 
величина
скорости
материальной
точки
и
a
представляет
собой
модуль
её
ускорения

С
учётом
(1.22) 
координата

может
фиксироваться
с
помо
-
щью
уравнения
2
t
t
x
t
2
x
t
x
x
2
0
0
0
0
0
a












.
(1.23) 
Если
направление
вектора
v
0
по
оси

имеет
два
варианта
(
вдоль
и
против
положительного
направления
), 
то
выражение
(1.23) 
запишется
как
2
t
t
x
x
2
0
0
a




,
(1.24) 
где

0
— 
модуль
вектора
начальной
скорости

Если
в
системе
уравнений
(1.22), (1.23) 
исключить
время

то
получим
весьма
полезное
при
решении
ряда
задач
уравнение
(
следует
запомнить
): 
)
x
x
(
2
0
2
0
2





a
,
(1.25) 
0
t
0
=0
x
0
v
0
x
Рис
. 1.6


Конспект
лекций
 
14
которое
при
движении
в
одном
направлении
имеет
вид
*
s
2
2
0
2
a





(1.26) 
Мы
рассмотрели
движение
материальной
точки
вдоль
одной
из
осей
координат

Это
удобно

так
как
при
прямолинейном
движении
декартову
систему
координат
можно
развернуть
таким
образом

что
-
бы
движение
происходило
в
направлении
выбранной
оси

В
общем
случае

если
мы
имеем
в
пространстве
векторы

ха
-
рактеризующие
движение

равномерное
прямолинейное
v
=const, 
r
=
r
0
+
v
t
(1.27) 
равноускоренное
движение
v
=
v
0
+
a
t, 
a
=const, 
2
2
0
0
t
t
a



v
r
r
,
(1.28) 
то
для
построения
графиков
движения
и
проведения
расчётов
(
век
-
торную
функцию
нельзя
изобразить
в
виде
графика

осуществляют
проекцию
векторов
на
оси
координат

1.3.4. 
Графики
 
движения
 
Возьмём
за
основу
вариант
движения

показанный
на
рис
. 1.6. 
Зная
аналитические
выражения

характеризующие
отдельные
виды
дви
-
жений
(
п
. 1.3.3) 
легко
получить
и
их
графические
представления

рис
. 1.7.
На
графиках
представлены
путь
s, 
координата

и
проекции
векторов
v
и
a
на
ось

в
зависимости
от
времени
для
равномерного
и
равнопеременного
движений

Следует
иметь
в
виду

что
площадь
под
кривой

описывающей
зависимость
модуля
вектора
скорости
от
времени

можно
рассматривать
как
путь

пройденный
телом
за
интервал
времени
t
2
-t
1
=

t, 
так
как



2
t
1
t
dt
)
t
(
s

(1.29) 
*
Вывод
важных
кинематических
формул
(1.22, 1.23, 1.26) 
значительно
уп
-
рощается

если
воспользоваться
понятием
производной
и
интеграла
(
рас
-
смотрим
на
практических
занятиях
). 


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 
15 
1.4. 
Кинематика
 
в
 
примерах
 
Пример
 

 1

В
чём
неточность
в
определении
равномерного
прямолинейного
движения

… 
за
равные
промежутки
времени
тело
совершает
одинаковые
перемещения
вдоль
прямой

Дело
в
том

что
за
определённый
промежуток
времени

на
-
пример
за

час

тело
может
иметь
и
одинаковые
перемещения

до
-
пустим
50 
км
(
на
автомобиле
), 
но
в
первые
30 
мин

можно
проехать
20 
км

а
во
вторые
— 30 
км

в
целом
будет
50 
км

движение
уже
не
будет
равномерным

Поэтому
важно
подчеркнуть

что
тело
за
любые
равные
про
-
межутки
времени
имеет
одинаковые
перемещения
или
за
равные

сколько
угодно
малые
промежутки
времени

наблюдаются
одинако
-
вые
перемещения

то
есть
v
=

v

=const. 
a
a
0
0
a
0
t=

-

0
a
=
 a
0
>0
t
a
0
a
0

-

0

a
=
 a
0
<0
t
t
0


0
tg

=
a
x-x
0


=

0
+
a
t

s=s*+s**

r

=

s*-s**

t
0


0
s*
s**
a
=const
t
0
x,s
x
0
s(t)
x(t)
2
t
t
x
x
2
0
0
a




t
0
x
x
0

tg

=

a
=0
a
t
0

=const
0


0
t=x-x
0

=

0
<0

=

0
>0
t

x
0
x
0
x=x
0
+

0
t
tg

=

0
>0
tg

=

0
<0

t
Рис
. 1.7


Конспект
лекций
 
16
Пример
 

 2

Каков
характер
движения
материальной
точки

показанного
на
рис
. 1.8? 
Обычно
отвечают

что
это
движение
тела

брошенного
под
углом
к
горизонту

В
этом
случае
путается
зависимость
координаты
y=f(t) 
с
уравне
-
нием
траектории
y=f(x). 
Зависимость

показанная
на
рис
. 1.8 
может
соответствовать
и
телу

брошен
-
ному
вертикально
вверх
вдоль
оси
y: 
2
t
g
t
y
2
0




Пример
 

3

Дан
график
проекции
скорости
при
движении
вдоль
оси
x, 
рис
. 1.9. 
Найти
график
координаты
x(t), 
пути
s(t) 
и
проек
-
ции
ускорения
на
ось
x – 
a
(t). 
Примечание

путь
— 
это
скалярная

неотрицательная
вели
-
чина

которая
не
может
уменьшать
-
ся

Пример
 

 4

С
моста
вы
-
сотой
h, 
бросают
одновременно
два
шарика

один
— 
вертикально
вверх
со
скоростью

10

а
другой
— 
вертикально
вниз
со
скоростью

20

рис
. 1.10. 
Найти
промежуток
времени

t, 
отделяющий
момен
-
ты
их
падения
в
воду

а

1
2
1
1
10
t
h
2
t
g
t
y







2
2
2
2
20
t
h
2
t
g
t
y







t = t
1
– t
2

0
t
Рис
. 1.8
y
t
t
t
0

0
0
x, s
a
Рис
. 1.9
x(t)
s(t)
 


В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 
17 
v
20
y
h
g
v
10
x
а
)
0
x
0
g
v
20
y
h
v
10
б
)
0
v
20
y
h/2
v
10
x
в
)
h/2
45

v
x
Рис
. 1.10
б

0
2
t
g
t
h
y
2
1
1
10






0
2
t
g
t
h
y
2
2
2
20







t = t
1
– t
2

в

На
половине
высоты
моста
происходит
абсолютно
упругий
удар

и
шарики
отскакивают
горизонтально
.
Изменится
ли
t
1
и
t
2

Да

не
будет
скорости

y
после
отскока
(
задержка
); x=

x

t . 
 
Пример
 

5

С
моста
высотой

под
углом

к
горизонту
бросают
мяч

рис
. 1.11. 
Найти
дальность
полёта
s, 
если
начальная
скорость

0


0
х
=

0
cos



0y
=

0
sin

x: s= 

0
х

y: 
0
2
t
g
t
sin
h
y
2
0







Чему
равна

y
в
верхней
точке
подъё
-
ма

Ответ


y
=0. 
А
ускорение

Ответ

g
— 
везде
одинаково

Найти
приращение
вектора
скорости
точки
за
время
от
начала
полёта
до
достижения
наибольшей
высоты
подъёма


v

=

0
sin



s-?
v
0x

v
0x

v
v
0
v
0
v
0y
y
h
0
x
Рис
. 1.11


Конспект
лекций
 
18
 
Пример
 

6

Человек
идёт
по
плоту
перпендикулярно
берегу
со
ско
-
ростью
r
v

относительно
плота

Ско
-
рость
течения
реки
относительно
берега
(
ровные
берега
) — 
v
р

Найти
скорость
человека
относительно
берега

В
данном
случае
работает
закон
сложения
скоростей

скорость
тела
от
-
носительно
неподвижной
системы
от
-
счёта
равна
векторной
сумме
скорости
тела
относительно
подвижной
системы
отсчёта
и
скорости
подвиж
-
ной
системы
относительно
неподвижной

рис
. 1.12. 
В
результате
2
2
)
(
r
р
r







Пример
 

 7

Изобразить
график
зависимости
центростреми
-
тельного
(
нормального

ускорения
a
n
от
радиуса
окружности

по
ко
-
торой
движется
тело

Рис
. 1.13 
В
заключение

касаясь
единиц
измерения
физических
вели
-
чин

заметим

что
в
кинематике
(
из
семи
используемых
в
системе
СИ

вводятся

метр
(
м
) — 
единица
длины
и
секунда
(
с
) — 
единица
вре
-
мени

Дополнительной
единицей
Международной
системы
является
радиан
— 
единица
плоского
угла

Основными
единицами
измерения
являются
семь
следующих

метр

килограмм

секунда

ампер

кельвин

кандела
(
свеча

и
моль

1.5. 
Глоссарий
 
r
v

0
x
y
y

x

0

v
r
v
р
пл
от
Рис
. 1.12
a
n
a
n

R
2



= const 
 

a
n
a
n
=

2
R, 

= const 
О





В
.
А

Никитенко

А
.
П

Прунцев
 
19 
Движение
вращательное
– 
движение

когда
все
точки
тела
движутся
с
одинаковой
угловой
скоростью
по
окружно
-
стям

центры
которых
находятся
на
одной
прямой
(
ось
вращения

и
расположенных
в
плоскостях

перпендикулярных
оси
враще
-
ния

Движение
поступательное
– 
движение

когда
все
точки
тела
движутся
по
траекториям
одинаковой
формы
и
при
этом
имеют
одинаковые
скорости
и
ускорения

Кинематика
– 
изучает
движение
тел

отвлекаясь
от
причин

вызвавших
это
движение

Классическая
механика
– 

Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19




©engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет