Механическое движение, его характеристики. Относительность скорости, перемещения, траектории механического движения

Механическим движением тела называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. При рассмотрении вопросов, связанных с движением тел, можно не принимать во внимание размеры тела. Тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют материальной точкой. Положение тела (точки) в пространстве можно определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы составляют систему отсчета. Характеристики механического движения тела: траектория (линия, вдоль которой движется тело), перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M₁с его последующим положением M₂), скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения). Характеристики механического движения относительны, т. е. они могут быть различными в разных системах отсчета. Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы и скорости этой системы относительно неподвижной.

Виды механического движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности

В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным и криволинейным. Движение называется прямолинейным и равномерным, если за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Запишем математическое выражение этого определения. Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называется равноускоренным движением. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость, а также ускорение. Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается. Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости. При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому угловая скорость измеряется в рад/с. При этом движении модуль скорости постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет направление, поэтому возникает центростремительное ускорение

Законы Ньютона. Примеры проявления законов Ньютона в природе и использование этих законов в технике.

Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются). Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией.

Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. - ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально массе тела.

Третий закон Ньютона. Силы взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут уравновешивать друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу.

Законы Ньютона выполняются одновременно, они позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды, движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей, кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.

Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике.

Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Обычно вычисляют ускорение одного тела (того, движение которого изучается). Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой. В механике рассматриваются сила тяжести, сила упругости и сила трения. Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности. Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз (рис. 1а). Сила упругости возникает при деформации тела (рис. 1б), она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению. Сила упругости направлена в сторону, противоположную удлинению. Жесткость(пружины) зависит от ее геометрических размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения, где N - сила реакции опоры, m - коэффициент трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела. Сила тяжести и сила упругости - это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел относительно друг друга. Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения)

На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная разности показаний динамометра и направленная вертикально вверх. Значение этой силы установил Архимед. Закон Архимеда. На тело, погруженное в жидкость (газ), действует направленная вертикально вверх выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости (газа), взятой в объеме погруженного в нее тела (или погруженной части тела. Возникновение архимедовой силы объясняется тем, что с увеличением глубины растет давление жидкости (газа). Поэтому силы давления, действующие на нижние элементы поверхности тела, превосходят аналогичные силы, действующие на верхние элементы поверхности. На плавающие тела действуют силы: F_A и F_ТЯЖ 1. Если F_A < F_ТЯЖ (так как , , то ) значит, тело тонет. 2. Если F_A = F_ТЯЖ(=, ), то тело находится в равновесии на любой глубине. 3. Если F_A > F_ТЯЖ (> , ).то тело всплывает до тех пор, пока силы не уравновесятся. Приведенные выше соотношения применимы для плавающих судов и воздухоплавания.

Импульс тела. Закон сохранения импульса.Примеры проявления закона сохранения импульса в природе и использования этого закона в технике.

Импульс тела - это произведение массы тела на его скорость. Импульс тела - величина векторная. Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела (тележки) с массами m₁и m₂, движущиеся относительно выбранной системы отсчета с соответственными скоростями. На тела при их взаимодействии действовали соответственно силы, и после взаимодействия скорости их изменились. Если сравнить сумму импульсов обоих тел (тележек) до взаимодействия и сумму импульсов тех же тел после взаимодействия, то можно заметить, что импульс каждой тележки изменился, а сумма осталась неизменной. Это справедливо для замкнутых систем, к которым относят группы тел, которые не взаимодействуют с другими телами, не входящими в эту группу. Отсюда вывод, т. е. закон сохранения импульса: Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Примером проявления закона сохранения импульса является реактивное движение. Оно наблюдается в природе (движение осьминога) и очень широко в технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и маневрирование космических кораблей).

Потенциальная и кинетическая энергия. Примеры перехода энергии из одного вида в другой. Закон сохранения энергии.

Энергия - характеристика состояния тела. Кинетическая энергия - энергия движущегося тела. Если на тело массой m действует постоянная сила P, совпадающая с направлением движения, то работа. Работа - мера изменения энергии. Кинетическая энергия. Работа действующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии. При, - кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, действующая на тело, чтобы сообщить данную скорость. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Работа - потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h над нулевым уровнем (например, над уровнем Земли). Знак «-» означает, что, когда работа силы тяжести положительна, потенциальная энергия тела уменьшается. Потенциальная энергия не зависит от скорости, а зависит от координаты тела (от высоты). Потенциальная энергия деформированной пружины. Сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют его полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается неизменной при любых движениях тел системы. Это утверждение является законом сохранения энергии в механических процессах. На примере свободно падающего тела можно показать, что при его движении потенциальная энергия переходит в кинетическую. При этом потенциальная энергия уменьшается ровно на столько, на сколько увеличивается кинетическая энергия, т. е. полная механическая энергия во все время падения остается неизменной.

Представления о дискретном состоянии вещества. Газообразное, жидкое и твердое состояния вещества. Опытное обоснование характера движения и взаимодействия частиц, из которых состоят вещества в различных агрегатных состояниях.

Все вещества, независимо от их агрегатного состояния, состоят из огромного числа частиц (молекул и атомов), эти частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют между собой. Эти положения имеют опытное подтверждение. Опытным обоснованием дискретности строения вещества является растворение краски в воде, приготовление чая и многие технологические процессы. Непрерывность, хаотичность движения частиц вещества подтверждается существованием ряда явлений: диффузии - самопроизвольного перемешивания разных веществ, вследствие проникновения частиц одного вещества между частицами другого; броуновского движения - беспорядочного движения взвешенных в жидкостях мелких частиц под действием ударов молекул жидкости. О том, что частицы вещества взаимодействуют между собой, говорят опытные факты: притяжение (слипание, смачивание, усилие при растяжении), отталкивание (упругость, несжимаемость твердых и жидких тел). Силы взаимодействия частиц вещества проявляются только на расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц. Агрегатное состояние вещества зависит от характера движения и взаимодействия. Газообразное состояние (газы легко сжимаются, занимают весь объем, имеют малую плотность) характеризуются большими расстояниями и слабым взаимодействием частиц вещества; жидкое состояние (жидкости практически не сжимаются, принимают форму сосуда) характеризуется плотной упаковкой и ближним порядком в упаковке частиц; твердое состояние (несжимаемы, кристаллическое строение) характеризуется плотной упаковкой и дальним порядком в упаковке частиц.

Твердые тела передают производимое на них давление в сторону действия силы. Для определения давления (p) необходимо силу (F), действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности - Давление измеряют в паскалях: 1 Па = 1Н/м². Давление, производимое на жидкость и газ, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Это объясняется подвижностью частиц газа и жидкости. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа. Подтверждением закона являются опыты с шаром Паскаля и работа гидравлических машин. Остановимся на работе этой машины (см. рис.). F₁ и F₂ - силы, действующие на поршни, S₁ и S₂ - площади поршней. Давление под малым поршнем. Под большим поршнем. По закону Паскаля p₁=p₂, т. е. давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, или, откуда. Машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Это наблюдается в работе гидравлического пресса, используемого для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес или выжимания масла на маслобойных заводах, а также в гидравлических домкратах.

Атмосфера - воздушная оболочка вокруг Земли, простирающаяся на высоту нескольких тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего и передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают атмосферное давление. Впервые измерил атмосферное давление итальянский физик Торричелли с помощью стеклянной трубки, запаянной с одного конца и заполненной ртутью (см. рис.). Давление в трубке на уровне а создается силой тяжести столба ртути высотой h = 760 мм, в тоже время на поверхность ртути в чашке действует атмосферное давление. Эти давления уравновешивают друг друга. Так как в верхней части трубки после опускания ртутного столба осталось безвоздушное пространство, то, измерив высоту столба можно определить численное значение атмосферного давления по формуле: р = = 9, 8 Н/кг × 13 600 кг/м³ × 0, 76 м =101 300 Па = 1013 ГПа. Приборами для измерения атмосферного давления являются ртутный барометр и барометр-анероид. Принцип действия последнего основан на сжатии пустотелой гофрированной металлической коробочки и передачи ее деформации через систему рычагов на стрелку- указатель. Барометр-анероид имеет две шкалы: внутренняя проградуирована в мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133, 3 Па), внешняя - в килопаскалях. Знание атмосферного давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни. Тропосфера (нижний слой атмосферы) представляет собой благодаря диффузии однородную смесь азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Эта смесь газов и поддерживает нормальную жизнедеятельность всего живого на Земле. Вредные выбросы в атмосферу загрязняют окружающую среду. Например, авария на Чернобыльской АЭС, аварии на атомных подводных лодках, выбросы в атмосферу промышленных предприятий и т. п.

Принцип действия тепловой машины. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых машин на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия.

Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (см. рис.).Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Q_Н от нагревателя, совершает работу A' и передает холодильнику количество теплоты Q_Х. В соответствии с законом сохранения энергии А' < Q_Н - Q_Х. В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии. Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД). Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.

Явление электромагнитной индукции. Примеры проявления электромагнитной индукции и ее использование в технических устройствах.

Если электрический ток создает магнитное поле, то нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток? - такую задачу поставил английский физик Фарадей, узнав об открытии Эрстеда. Многочисленные опыты и раздумья привели Фарадея к успеху. Если к катушке с большим числом витков подключить гальванометр, то, перемещая вдоль катушки постоянный магнит (рис. 1), можно наблюдать отклонение стрелки прибора, т.е. возникновение индукционного электрического тока. При остановке магнита ток прекращается, при движении магнита в обратную сторону меняется направление тока. Многочисленные опыты подтверждают, что при любом изменении магнитного поля, пронизывающего катушки, в ней возникает индукционный ток. Это явление назвали электромагнитной индукцией. Она возникает при перемещении магнита (электромагнита) относительно катушки или катушки относительно магнита; при замыкании - размыкании цепи или изменении тока во второй катушке, если она находится на одном железном сердечнике с первой катушкой. Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия индукционных генераторов(постоянного и переменного тока), трансформаторов, микрофонов и громкоговорителей. Электродинамический микрофон (рис. 2) состоит из ГП - образного постоянного магнита 3, в промежутке между полюсами магнита находится катушка 1, каркас которой соединен с мебраной 2. Под действием звуков мембрана будет колебаться и в катушке возникает индукционный ток, который усиливается с помощью усилителя низкой частоты и воспроизводится громкоговорителем. Таким образом, микрофон преобразует механическую энергию звуковых колебаний в электрическую энергию индукционного тока.

Закон Ома для участка цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников.

Напряжение, сила тока и сопротивление - физические величины, характеризующие явления, происходящие в электрических цепях. Эти величины связаны между собой. Эту связь впервые изучил немецкий физик 0м.Закон Ома звучит так: Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке (при заданном сопротивлении) и обратно пропорциональна сопротивлению участка (при заданном напряжении): I = U / R, из формулы следует, что U = I× R и R = U / I. Так как сопротивление данного проводника не зависит ни от напряжения, ни от силы тока, то последнюю формулу надо читать так: сопротивление данного проводника равно отношению напряжения на его концах к силе протекающего по нему тока. В электрических цепях чаще всего проводники (потребители электрической энергии) соединяются последовательно (например, лампочки в елочных гирляндах) и параллельно (например, домашние электроприборы). При последовательном соединении (рис. 1) сила тока в обоих проводниках (лампочках)одинакова: I = I₁ = I₂, напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжения на первой и второй лампочках: U = U₁ + U₂. Общее сопротивление участка равно сумме сопротивлений лампочек R = R₁ + R₂. При параллельном соединении (рис. 2) резисторов напряжение на участке цепи и на концах резисторов одинаково: U = U₁ = U₂.сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных резисторах: I = I₁ + I₂. Общее сопротивление участка меньше сопротивления каждого резистора. Если сопротивления резисторов одинаковы (R₁ = R₂) то общее сопротивление участка. Если в цепь включено параллельно три и более резисторов, то общее сопротивление может быть найдено по формуле: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ +... + 1/R_N. Параллельно соединяются сетевые потребители, которые рассчитаны на напряжение, равное напряжению сети.

Электрическое и магнитное поля. Источники этих полей и индикаторы для их обнаружения. Примеры проявления этих полей

Пространство, окружающее наэлектризованное тело, отличается от пространства, находящегося вокруг не наэлектризованных тел. Иначе говоря, с каждым зарядом обязательно связано электрическое поле, которое непосредственно действует с некоторой силой на все остальные заряды. Электрическое поле материально. Оно может быть обнаружено по его воздействию на заряженные тела. Это подтверждается следующим (одним из многочисленных) опытом. Если заряженной палочкой прикоснуться к подвешенной на нити гильзе (из металлической фольги), то она оттолкнется. Чем ближе гильза к палочке, тем с большей силой действует на нее электрическое поле палочки. Следовательно, вблизи заряженных тел действие поля сильнее, а при удалении от них поле ослабевает. Электрическое поле исследуют с помощью пробного заряда, находящегося на шарике малых размеров. Магнитное поле проявляется около постоянных магнитов и проводников, по которым идет электрический ток. Широко распространенным индикатором магнитного поля является магнитная стрелка (компас). С помощью этого индикатора можно обнаружить, что разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные - отталкиваются. Это взаимодействие описывается по схеме: магнит - поле - магнит. Иначе говоря, вокруг магнита существует магнитное поле, которое действует на другие магниты, в частности на магнитные стрелки или намагничивающиеся частицы железа. Как и электрическое поле, магнитное поле материально. Электрические и магнитные поля играют исключительно важную роль в природе и технике. Электрические поля проявляют себя в атмосферном электричестве (интенсивно во время грозы), магнитные - во многих космических явлениях. В технике электрические поля используются при покраске изделий и в фильтрах, магнитные - в электромагнитах, электрических генераторах и двигателях.

12 Следующая ⇒