§4.
түЗуСЫЗЫҚтЫ тЕңАйНЫМАЛЫ ҚОЗҒАЛЫСтЫң
жЫЛдАМдЫҒЫ. ОрЫН АуЫСтЫру
20
ПРОЕКТ
2. 7-сынып физикасында түзусызықты қозғалыстың жылдамдығы
∆x
орын ауыстырудың оған кеткен ∆
t уақытқа қатынасы арқылы анық-
талатын шама деген едік:
=
∆x
/∆
t. Бұл өрнектен орын ауыстыруды
анықтайық:
∆x
=
· ∆
t.
Ох өсіндегі түзусызықты қозғалыста орын ауыстырудың |
∆x
| модулі
жүрілген s жолға тең:
|
∆x
| =
х – х
0
=
s = ϑ
x
· ∆
t.
Егер түзусызықты қозғалыс бірқалыпты болса (ϑ = cons
t, a = 0), онда
орын ауыстырудың модулі, яғни жүрілген жол, 7-сыныпта айтқанымыз-
дай, мына формуламен анықталады:
s = ϑ · t.
(1.8)
ϑ м/с
a
x
= 0
ϑ
0
A
0
t
t, c
C
D
S
= ϑ
0
t
ϑ м/с
ϑ
0
β
A
0
t
t, c
C
D
a
= cons
t
ϑ
–
ϑ
0
B
ϑ
а)
ә)
Сурет 1.12.
а) түзусызықты бірқалыпты қозғалыс жылдамдығының уақытқа тәуелділік
графигі (ϑ =
s/t),
ә) түзусызықты теңүдемелі қозғалыс жылдамдығының уақытқа тәуелділік графигі
(ϑ = ϑ
0
+
at).
ϑ
0
= cons
t
ϑ
A cons
t
3. Түзусызықты бірқалыпты қозғалыс жылдамдығының уақытқа
тәуелділік ϑ(
t) графигін сызып көрсетейік. Егер горизонталь өске уақыт-
тың, ал вертикаль өске жылдамдықтың шамаларын салатын болсақ,
онда ϑ(
t) тәуелділігі горизонталь өске параллель АD кесіндісімен сипат-
талады (сурет 1.12,
а). Өйткені дене түзусызықты бірқалыпты қозғалыс
кезінде өзінің бастапқы ϑ
0
жылдамдығын уақыттың барлық кезеңінде
өзгеріссіз сақтайды (ϑ
0
= const). Енді жылдамдықтың уақытқа тәуел-
ділігін сипаттайтын
АD кесіндісінің ұштарынан горизонталь өске пер-
пендикулярлар түсірсек,
ОАDС тік төртбұрышын аламыз. Бұдан мына-
дай қорытынды туындайды:
жылдамдықтың уақытқа тәуелділігін
сипаттайтын кесіндімен және осы кесіндінің ұштарынан горизон-
таль өске түсірілген перпендикулярлармен шектелген фигураның
ауданы орын ауыстырудың модуліне тең.
21
ПРОЕКТ
Расында да, біздің мысалымыздағы түзусызықты бірқалыпты қозға-
лыстың орын ауыстыруының модулі (яғни жүрілген жол) |
∆x
| =
s = ϑ
0
·
t
шамасына тең. Мұндағы ϑ
0
·
t көбейтіндісі ОАDС тік төртбұрышының
ауданы болып табылады (
S = ϑ
0
·
t).
4. Жоғарыдағы қорытынды түзусызықты теңайнымалы қозғалыс
кезіндегі орын ауыстырудың модулін анықтау үшін де қолданылады. Ол
үшін мысал ретінде түзусызықты теңүдемелі қозғалыстың ϑ
= ϑ
0
+
at
формуласымен сипатталатын жылдамдықтың уақытқа тәуелділік гра-
фигін салайық. Формуладағы бастапқы жылдамдық пен үдеу тұрақты
шамалар болып табылады (ϑ
0
= const,
a = const). Бұл формуладағы ϑ
жылдамдықтың мәндерін вертикаль өске, ал
t уақыттың шамаларын
горизонталь өске салып, ϑ(
t) тәуелділік кесіндісінің де түзу сызық (АВ)
болатынына көз жеткіземіз. Алайда түзусызықты бірқалыпты қозғалыс
үшін ϑ(
t) тәуелділік сызығы (АD) горизонталь өске параллель болса
(сурет 1.12,
а), түзусызықты теңүдемелі қозғалыста жылдамдықтың
уақытқа тәуелділік кесіндісі (
АВ) горизонталь өске көлбеу бұрыш жа-
сап орналасады (сурет 1.12,
ә).
Жоғарыда жасалған қорытындыға сәйкес
ОАВС трапециясының
ауданы теңүдемелі қозғалыс кезіндегі орын ауыстырудың модуліне,
яғни жүрілген жолға тең (
S
тр.
= |∆x
| =
s). Суреттен трапецияның ауданы
ОАDС тік төртбұрыштың ауданы мен АВD тікбұрышты үшбұрыштың
ауданының қо-сындысына тең екендігі көрініп тұр:
S
тр.
= S
т.т
+ S
үш.
.
Тік төртбұрыштың ауданы, жоғарыда көрсеткеніміздей,
S
т.т.
= ϑ
0
· t
шамасына тең. Ал үшбұрыштың ауданы, геометриядан білетініміздей,
табаны мен биіктігінің көбейтіндісінің жартысына тең. Суреттегі
АВD
үшбұрыштың
ВD табаны ϑ – ϑ
0
шамасына, ал биіктігі
t уақытқа тең.
Ендеше,
АВD үшбұрыштың ауданы мына шаманы құрайды: S
үш.
= (ϑ –
– ϑ
0
)
t/2. Мұндағы ϑ – ϑ
0
айырымын үдеудің
а = (ϑ – ϑ
0
)/
t формуласы-
нан анықтап (ϑ – ϑ
0
=
аt), үшбұрыштың ауданын мына түрде жазамыз:
S
үш.
=
аt
2
/2.
Сонымен, трапецияның ауданы:
S
тр.
= S
т.т
+ S
үш.
= ϑ
0
· t +
at
2
2
қосындысымен анықталады. Олай болса, түзусызықты теңүдемелі қоз-
ғалыс кезіндегі орын ауыстырудың модулі немесе жүрілген жол мына
формула бойынша анықталады:
|
∆x
| =
s = ϑ
0
· t +
at
2
2
.
22
ПРОЕКТ
Әдетте, соңғы өрнекті теңкемімелі қозғалыстарды да ескеріп, мына
түрде жазады:
s = ϑ
0
· t ±
at
2
2
.
(1.10)
Егер бастапқы жылдамдық нөлге тең болса (ϑ
0
= 0), онда теңайныма-
лы қозғалыстағы орын ауыстырудың модульдерін мына формуламен
анықтайды:
s = ±
at
2
2
.
(1.11)
5. Теңайнымалы қозғалыс жылдамдығының (ϑ = ϑ
0
±
at) уақытқа
тәуелділік графигіндегі (сурет 1.12, ә)
АВ кесіндісінің горизонталь өске
көлбеулік бұрышының үлкен физикалық мағынасы бар. Расында да,
β бұрышының тангенсі түзусызықты теңайнымалы қозғалыстағы
үдеудің модуліне тең: tg = a.
Математикадан білетініміздей,
АВD тік бұрышты үшбұрыштың
(сурет 1.12,
ә) бұрышына қарсы жатқан ϑ – ϑ
0
катетінің іргелес жат-
қан
t катетіне қатынасы осы бұрыштың тангенсі деп аталады: tg = (ϑ –
– ϑ
0
)/
t. Екінші жағынан бұл қатынас (1.6) формуласы бойынша теңайна-
лымы қозғалыстың
а үдеуіне тең: a
t
=
#
0
. Ендеше, tgβ
ϑ ϑ
=
=
#
0
t
a .
s, м
a
x
< 0
t
1
t, c
a
x
> 0
α
0
а)
ә)
ϑ, м/с
0
a
x
< 0
t, c
a
x
= 0
a
x2
> 0
β
1
β
2
Сурет 1.13.
а) теңайнымалы (ϑ = ϑ
0
+
at) және бірқалыпты қозғалыс (ϑ = s/t)
жылдамдықтарының уақытқа тәуелділік графиктері,
ә) теңайнымалы қозғалыстардағы орын ауыстырулардың (s = ± at
2
/
2
) уақытқа
тәуелділік графиктері.
ϑ
0
a
x1
>
0
a
x1
>
a
x2
Көлбеулік бұрышы үлкен болған сайын (
1
>
2
) үдеудің сан мәні де
арта береді (
x1
>
x2
, сурет 1.13,
a). Суреттегі қоңыр және қызыл сы-
зықтар теңүдемелі қозғалыс жылдамдығының (ϑ = ϑ
0
+
at), жасыл сы-
зық теңкемімелі қозғалыс жылдамдығының (ϑ = ϑ
0
–
at), ал көк сызық
бірқалыпты қозғалыс жылдамдығының (ϑ =
s/t) уақытқа тәуелділігін
сипаттайды.
23
ПРОЕКТ
Бастапқы жылдамдығы жоқ (ϑ
0
= 0) теңайнымалы қозғалыстың
s = ±аt
2
/2 формуласы бойынша салынған жолдың уақытқа тәуелді-
лік графигі (сурет 1.13,
ә) координаталар өстерінің бас нүктесінен
басталатын парабола қисықтарымен сипатталады. Суреттегі қызыл
түспен көрсетілген парабола қисығы бастапқы жылдамдығы нөлге
тең түзусызықты теңүдемелі (
s = аt
2
/2), ал көк түсті парабола қисығы
теңкемімелі (
s = –аt
2
/2) қозғалыстардағы орын ауыстырулардың уақыт-
қа тәуелділігін сипаттайды.
Көптеген жағдайларда есептердің шарты графиктер түрінде бері-
леді. Тура пропорционалдық сызықтық байланыстарды бейнелейтін
графиктер арқылы физикалық шамаларды табу қиынға соқпайды. Ал
өзара тәуелділік байланыстар қисықсызықты графиктер түрінде беріл-
се, онда біршама күрделі физика-математикалық есептеулер жүргізуге
тура келеді.
Мысалы,
есептерде сурет 1.13, ә-ге ұқсас қызыл түсті парабола
бе-ріліп, бұл қандай қозғалыс және дененің t
1
= 10 с уақытқа сәйкес
келетін орын ауыстыруы қандай? деп сұрауы мүмкін. Әрине, мұн-
дай парабола жоғарыда айтқанымыздай, бастапқы жылдамдығы жоқ
түзусызықты теңүдемелі қозғалысты сипаттайды. Мұндай қозға-
лыстағы дененің орын ауыстыруының модулі жүрілген жолға тең.
Сондықтан
t
1
уақытқа сәйкес келетін орын ауыстыруды анықтау үшін
s = а(t
1
)
2
/2 формуласын пайдаланамыз. Формуладағы
t
1
графикте бе-
рілген. Алайда үдеудің мәні белгісіз. Уақыттың
t
1
мезетіндегі үдеуді
графиктен табу үшін горизонталь өстегі
t
1
нүктеден вертикаль өске
параллель сызық жүргіземіз. Осы сызықтың параболамен қиылысқан
нүктесі арқылы қисыққа жанама жүргіземіз. Жанаманың горизонталь
өспен жасайтын бұрышын транспортирдің көмегімен анықтаймыз
да, үдеуді tg мәні арқылы есептеп шығарамыз. Мұндай есептерді
шығару үшін бірінші кезекте физикалық шамаларды байланыстыратын
заңдылықтар мен оларды сипаттайтын формулаларды терең меңгеріп,
практикада қолдануға жалықпай машықтану қажет.
1. Түзусызықты теңайнымалы қозғалыстың жылдамдығы қалай және қан-
дай векторлық-скалярлық формулалармен анықталады?
2. Түзусызықты бірқалыпты қозғалыстың жылдамдығының уақытқа
тәуелділік графигі қандай сызықпен сипатталады және осы график не-
гізінде қандай қорытынды жасалады?
Сұрақтар
?
24
ПРОЕКТ
3. Түзусызықты теңүдемелі қозғалыстың жылдамдығының уақытқа тәуел-
ділік графигі қандай сызықпен сипатталады және осы график негізінде
қандай қорытынды жасалады?
4. Түзусызықты теңайнымалы қозғалыс кезіндегі орын ауыстырудың мо-
дулі қалай анықталады және қандай формулалармен сипатталады?
5. Түзусызықты теңайнымалы және бірқалыпты қозғалыс кезіндегі жыл-
дамдықтардың, орын ауыстырулардың уақытқа тәуелділік графиктері
қандай қисықпен сипатталады?
6. Түзусызықты теңайнымалы қозғалыстардағы жолдың уақытқа тәуелді-
лік графигінен үдеудің мәні қалай анықталады?
7. Төмендегі мысалда келтірілген есептің шығару жолдарын түсіндіріңдер.
Есеп шығару мысалы
Есеп.
Ox өсінің бойымен қозғалып бара жатқан материялық нүкте
үшін координатаның уақытқа тәуелділігі
x = 6 – 4t + t
2
(1)
теңдеуімен өрнектеледі, мұндағы барлық шамалар ХБЖ жүйесіндегі
бірліктермен берілген. Нүктенің қозғалыс басталғаннан кейін 5 с өткен
кездегі координатасын, жылдамдығы мен жүрген жолын анықтаңдар.
Берілгені
x = 6 – 4t + t
2
t
1
= 5 с
x
1
– ?
v
1
x
– ?
s
– ?
Есеп мазмұнын талдау
Есептің шартындағы теңдеуде уақыт квадратпен
(
t
2
) берілген. Ендеше, материялық нүкте
Ох өсінің бо-
йында тұрақты үдеумен теңайнымалы қозғалыс жаса-
ған. Теңайнымалы қозғалыстың скалярлық теңдеуле-
рі жалпы түрде төмендегі формулалармен өрнектеледі:
x = x
0
+
v
0
x
t +
a t
x
2
2
,
(2)
v
x
=
v
0
x
+
a
x
t.
(3)
(1) және (2) теңдеулерді салыстыра отырып, мына шамаларды табамыз:
x
0
= 6 м,
v
0
x
= –4 м/с,
a
x
= 2 м/с
2
. Анықталған шамаларды (3) теңдеуге
қойып, мына өрнекті аламыз:
v
x
= –4 + 2
t.
(4)
Уақыттың
t
1
= 5 c мәнін (1) және (4) теңдеулеріне қойып, нүктенің
осы уақыт мезетіндегі координатасы мен жылдамдығын табамыз:
x
1
= 6 – 4
t
1
+
t
1
2
= 11 м;
v
1
x
= –4 + 2 · 5 = 6 м/с.
(4) өрнегінен
t = 0 болған кездегі дене қозғалысы жылдамдығының
Ox өсіндегі проекциясы теріс сан (v
0
x
= –4 м/с), ал
t=5 с болған кезде-
25
ПРОЕКТ
гі проекциясы оң сан (
v
1
x
= 6 м/с) екенін
көреміз. Сол сияқты
t
= 0 болған кездегі дене-
нің координаты
x
0
= 6 – 4
t
0
+
t
0
2
= 6 м болғанына
көз жеткіземіз. Олай болса, дене алғашқыда
x
0
нүктесінен бастап
Ох өсінің бағытына қарсы
бағытта қозғалған (сурет 1.14), ал
x
2
нүктесіне
жеткен соң, яғни
t
2
уақыттан бастап кері қа-
рай қозғала бастаған. Ендеше
x
2
нүктеде жыл-
дамдықтың
Ох өсіндегі проекциясы нөлге тең (v
x
= 0). Олай болса, (4)
теңдеуге сәйкес 0 = –4 + 2
t
2
өрнегін аламыз. Бұдан
t
2
= 2 c.
Уақыттың осы мезетіндегі дененің координатасы мына теңдеуден
анықталады:
x
2
= 6 – 4
t
2
+
t
2
2
;
x
2
= 2 м.
Материялық нүктенің жүрген жолы сурет 1.14-тен көріп отырғанымыз-
дай,
Ох өсіне қарсы бағыттағы жүрген s
1
= |
x
2
–
x
0
| = 4 м жолы мен өске
бағыттас қозғалғандағы
s
2
= |
x
1
–
x
2
| = 9 м жолының қосындысына тең:
s = s
1
+
s
2
x
x
x
x
x
=
−
+
−
=
2
0
1
2
13 ì.
Жауабы: x
1
= 11 м;
v
1
x
= 6 м/с;
s = 13 м.
1. Қозғалысын 1 м/с
2
үдеумен бастаған автокөліктің 5 с және 10 с өткеннен
кейінгі орын ауыстыруы қандай болатынын анықтаңдар.
2. Денені биіктігі 25 м балконнан жоғары қарай 20 м/с жыл-дамдықпен
лақтырды. Оның 2,0; 4,0; 5,0 с өткеннен кейін-гі орын ауыстыруы
қандай? Үдеу
a
x
= –10 м/с
2
-қа тең.
3. Бекетке жақындағанда электр пойызының жүргізушісі қозғалтқышты
сөндірді, одан кейін пойыз үдеуі 0,1 м/с
2
-қа бірқалыпты кеміп оты-
ратын қозғалысқа түсті. Егер тежегішті іске қосқан кездегі пойыз-
дың жылдамдығы 54 км/сағ болса, тоқтағанға дейін ол қандай арақа-
шықтықты жүріп өтті?
4. Зымыран старт алып, 5 мин ішінде 8 км/с жылдамдықпен тік жоғары
көтерілді. Осы кездегі үдеу қалай бағытталған және оның мәні неге тең?
5. Бала 2 м/с жылдамдықпен бірқалыпты қозғала отырып, тепловоздың
тұсынан жүгіріп өткен кезде тепловоз теңүдемелі қозғала бастайды.
Тепловоздың баланы қуып жеткен мезеттегі жылдамдығы қандай?
6. Үш дененің (сурет 1.5,
а) қозғалыс жылдамдықтары проекцияларының
графиктерін пайдаланып, мына сұрақтарға жауап беріңдер: Денелер
қозғалыстарының сипаты қандай? Графиктің
А және В нүктелеріне
y
O
x
2
x
0
x
1
x
Сурет 1.14
Жаттығу 1.2
26
ПРОЕКТ
8
6
4
2
8
6
4
2
ϑ
x
, м/с
ϑ
x
, м/с
2
3
1
A
B
O 2 4 6 8
O 2 4 6 8
t, c
ϑ
x
, м/с
8
6
4
2
O 2 4 6 8 t, c
3
1
2
B
A
3
2
1
t, c
B
С
Сурет 1.15
а)
ә)
б)
сәйкес уақыт мезеттеріндегі денелер қозғалыстарының жылдамдық-
тары туралы не айтуға болады?
7. Үш дене үшін берілген жылдамдық проекцияларының графиктерін
(сурет 1.15,
ә) пайдаланып, мына тапсырма-ларды орындаңдар: а) осы
денелердің үдеулерін анықтаңдар; ә) әрбір дене үшін жылдамдықтың
уақытқа тәуелділігінің формуласын жазыңдар; б) 2 және 3-графиктер-
ге сәйкес келетін қозғалыстардың ұқсастығы мен айырмашылығын
табыңдар.
8. Үш дененің қозғалыс жылдамдықтары проекцияларының графиктері
(сурет 1.15,
б) бойынша: а) координаталар өстеріндегі ОА, ОВ және
ОС кесінділері неге сәйкес келетінін анықтаңдар; ә) денелердің қандай
үдеумен қозғалатынын табыңдар; б) әрбір дене үшін жылдамдық пен
орын ауыстыру өрнектерін жазыңдар.
1.
s
x
Sx
x
x
=
+
0
2
t формуласын s
t
= · формуласы-
мен салыстырып,
0
2
x
x
+
өрнегі теңүдемелі
қозғалыс жылдамдығының
х өсіндегі проек-
циясы екендігін дәлелдеңдер.
2. Жылдамдық проекциясының графигі (сурет
1.16) бойынша жылдамдық модулінің графигін
сызыңдар.
№1 зертханалық жұмыс
Теңүдемелі қозғалыс кезiндегi дененiң үдеуiн анықтау
Жұмыстың мақсаты: көлбеу науамен домалайтын кішкене шардың үдеуін
есептеу.
Ол үшін шардың белгілі бір
t уақытта жүріп өтетін s орын ауыстыруының
Тапсырма
ϑ
x
ϑ
0x
О
О
t
τ
τ
Сурет 1.16
27
ПРОЕКТ
ұзындығын өлшейді. Бастапқы жылдамдықсыз (ϑ
0
= 0) теңүдемелі қозғалыс
кезінде
s
at
=
2
2
болатындықтан,
s пен t-ны өлшеп алып, шардың үдеуін
анықтауға болады:
a
s
t
=
2
2
.
Құрал-жабдықтар: науа, шар, қысқышы бар тұрғы, металл цилиндр, өл-
шеуіш таспа, метроном.
Жұмысты орындау.
1. Тұрғы арқылы науаны көкжиекпен кішкене бұрыш жасайтындай етіп
бекіту керек (сурет 1.17). Науаның төменгі шетіне металл цилиндрді қоясыңдар.
Сурет 1.17
2. Метроном дыбыс берген бойда шарды науаның жоғарғы басынан жіберіп,
ол цилиндрге барып соғылғанға дейін метрономның неше рет соққанын санаң-
дар. Тәжірибе жүргізерде метрономды минутына 120 рет соғатын етіп қойыңдар.
3. Науаның көкжиекке көлбеулік бұрышын өзгерте отырып, шарды жібер-
ген мезеттен бастап, оның цилиндрге барып соғылуына дейін метроном 4 рет
соғатындай етуге болады (соғу арасы – үш толас).
4. Шардың қозғалыс уақытын есептеңдер.
5. Өлшеуіш таспаның көмегімен шарды
s орын ауыстыруының ұзындығын
табыңдар. Науаның көлбеулігін өзгертпей (тәжірибе шарты өзгермеуі тиіс),
метрономның төртінші соғуы мен шардың металл цилиндрге соғылуы дәл
келетіндей етіп алып (ол үшін цилиндрді аздап қозғауға болады), тәжірибені бес
рет қайталау керек.
6.
s
орт.
=
s
s
s
s
s
1
2
3
4
5
5
+
+
+
+
формуласы бойынша орын ауыстыру модулінің
орташа мәнін, ал содан соң үдеу модулінің орташа мәнін табыңдар:
а
орт.
=
2
2
s
t
îðò.
.
Тәжірибе
нөмірі
s, м
s
орт.
, м
Метрономның соғу
саны
t, с
а
орт.
, м/с
2
1.
2.
3.
28
ПРОЕКТ
4.
5.
7. Өлшеу және есептеу нәтижелерін кестеге жазыңдар.
Ешбір өлшеу абсолют дәл болмайды. Өлшеу құралдарының жетілмеуіне
және басқа себептерге байланысты қалай да қателік кетеді. Қателіктерді
мейлінше азайту үшін тәжірибе шартын өзгертпей, өлшеу жұмыстарын бірнеше
рет қайталап орындаған жөн. Содан кейін олардың арифметикалық орташа мәні
есептеледі. Бұл жұмысты да осылай орындау ұсынылады.
1. 7-сынып физикасында ауырлық күші
F = mg формуласымен
анықталатынын айтқан едік. Мұндағы
m массаның алдында тұрған
коэффициентті
g таңбасымен белгілеп, оның шамасы 9,81 санына
тең болатынын (
g ≈ 9,81 м/с
2
) және
еркін түсу үдеуі деп аталатынын
ескерткенбіз. Міне, осы шаманы ғылыми эксперименттік физиканың
негізін салушы италияндық ұлы ғалым Галилео
Галилей 1583 жылы алғаш рет тәжірибе жасап
анықтаған болатын. Кейінірек ауырлық күшінің
Жердің денелерді тартатын
гравитациялық күші
екендігі белгілі болды. «Гравитация» атауының
төркіні де латынның «
гравио» – « тарту» деген
сөзінен шыққан. Тарту күшінің әрекетінен Жер
бетіне жақын денелердің бәрі де оның центріне
қарай құлайды.
Дененің еркін түсуі
деп ауырлық күші әре-
кетінен туындайтын теңайнымалы қозға-лыс-
тарды айтады.
Еркін түсу қозғалыстарына дененің ауасыз
кеңістіктегі вертикаль бойымен құлағандағы неме-
се тік жоғары лақтырған кездегі қозғалыстары (су-
рет 1.18,
а), сондай-ақ горизонтқа параллель лақ-
тырған (сурет 1.18,
ә) немесе горизонтқа бұрыш
жасай лақтырылған денелердің қозғалыстары жа-
тады. Өйткені мұндай қозғалыстардың барлығын-
да да денелерге тек Жердің центріне бағытталған
ауырлық күштері ғана әрекет етеді.
Достарыңызбен бөлісу: |