Относительность механического движения. Относительность движения: основные положения

Еще в школьной программе есть положение о том, что любое движение одного тела можно зафиксировать только лишь относительно иного тела. Это положение и называют термином «относительность движения». По картинкам учебников было понятно, что для стоящего на берегу реки плывущей мимо лодки складывается из ее скорости и скорости течения реки. После такого детального рассмотрения становится ясно, что относительность движения окружает нас во всех аспектах нашей жизни. Скорость объекта - величина относительная, но и производная от нее, ускорение, также становится Важность такого вывода состоит в том, что именно ускорение имеется в составе формулы второго закона Ньютона (основного закона механики). По этому закону любая сила, воздействующая на тело, дает ему пропорциональное ей ускорение. Относительность движения заставляет задать дополнительный вопрос: относительно какого тела придается ускорение?

В данном законе нет никаких пояснений на этот счет, но путем простых логических умозаключений можно прийти к выводу, что, поскольку сила является мерой воздействия одного тела (1) на другое (2), то эта же сила сообщает телу (2) ускорение относительно тела (1), а не просто какое-то абстрактное ускорение.

Относительность движения - это зависимость определенной какого-либо тела, определенного пути, скорости и перемещения от выбранных систем отсчета. В аспекте кинематики любые применяемые системы отсчета равноправны, но при этом все кинематические характеристики этого движения (траектория, скорость, перемещение) в них разные. Все величины, зависящие от выбранной системы отсчета, с помощью которой будут производиться их измерения, называются относительными.

Относительность движения, определение которой довольно сложно дать без детального рассмотрения других понятий, требует точного математического расчета. Говорить о том, движется тело или нет, можно тогда, когда абсолютно ясно, относительно чего (тела отсчета) меняется его положение. Система отсчета представляет собой совокупность таких элементов, как тело отсчета, а также связанных с ним системы координат и системы отсчета времени. По отношению к этим элементам и рассматривается движение любых тел или Математически движение объекта (точки) по отношению к избранной системе отсчета описывается уравнениями, устанавливающими, как изменяются во времени координаты, которые определяют положение объекта в этой системе. Такие уравнения, определяющие относительность движения, называют уравнениями движения.

В современной механике любое движение объекта является относительным, поэтому его следует рассматривать только по отношению к другому объекту (телу отсчета) или целой системе тел. Например, нельзя просто указать, что Луна движется вообще. Правильным высказыванием будет то, что Луна движется по отношению к Солнцу, Земле, звездам.

Часто в механике и систему отсчета увязывают не с телом, а с целым континуумом базовых тел (настоящих или вымышленных), которые определяют систему координат.

В кинофильмах нередко показывают движение относительно различных тел. Так, например, в одних кадрах показывают поезд, который движется на фоне какого-то пейзажа (это движение относительно поверхности Земли), а в следующих - купе вагона, в окнах которого мелькают деревья (движение относительно одного вагона). Любое движение или покой тела, являющийся частным случаем движения, относительны. Поэтому, отвечая на простой вопрос, движется или покоится тело, и как оно движется, нужно уточнять, относительно каких объектов рассматривается его движение. Выбор систем отсчета, как правило, производится в зависимости от поставленных условий задачи.

Повседневный опыт показывает, что все макротела находятся в движении по отношению друг к другу. Говорить о движении или покое данного тела просто так, не уточняя по отношению к чему оно происходит, - бессмысленно. Предварительно следует договориться о теле отсчета. За него принимают любой объект, который условно считается неподвижным на весь период наблюдений. С телом отсчета связывают систему координат и хронометр для измерения интервалов времени.

Если движение прямолинейное, то путь и перемещение совпадают. В любом случае скорость движения и ускорение определяются формулами:

Значение скорости относится к той системе отсчета, в которой ее измерили. Пусть мы выбрали телом отсчета светофор и знаем значения скоростей автомобилей в этой системе для наблюдателя №1.

Для наблюдателя в движущейся системе отсчета (колобок №2) величина и направление вектора скорости обгоняющего автомобиля будут совсем другими. Если движение происходит в одном направлении, то скорости вычитаются:U 12 = V 1 - V 2 . Привстречном движении необходимо суммировать значения скоростей. Так преобразуются скорости при переходе из одной системы отсчета в другую.

Найдем связь координат для рассматриваемых двух систем. Пусть один автомобиль остановился на расстоянии Y от начала координат (от светофора). Примем, что при t = 0 Y 0 = Y 0 * = 0, то есть начала координат систем совпадают. Для всех последующих значений времени второй наблюдатель уедет от начального положения на расстояние Ut (заменим V 2 на U - на скорость движения подвижной системы). Тогда можно записать соотношение: Y*=Y-Ut . (Минус - так как второй наблюдатель подъезжает к остановившемуся автомобилю).
Если же известно расстояние Y*, то Y = Y* + Ut.

Таким образом, скорости и координаты объектов относительны. Более того, относительны и координаты событий

Итак, в классической физике относительность движения проявляется в том, что относительны координаты, скорости и места событий. Но всегда сохраняется одномоментность событий, где бы в пространстве они ни происходили.

Зажигается и гаснет желтый свет светофора для всех наблюдателей (пешехода и водителей) одновременно, во всех системах отсчета .

План-конспект урока по теме « »

Дата:

Тема: Механическое движение. Относительность покоя и движения. Траектория, путь, время. Единицы пути и времени

Цели:

Образовательная: получение представлений о механическом движении тел и его относительности; усвоение смысла физических понятий, характеризующих механическое движение: «траектория», «путь», «промежуток времени»;

Развивающая: развитие и формирование умений классифицировать механическое движение по виду траектории, переводить основные единицы пути и времени в дольные и кратные (наблюдать, сравнивать, размышлять, применять знания, делать выводы), развивать познавательный интерес;

Воспитательная: прививать культуру умственного труда, аккуратность, учить видеть практическую пользу знаний, продолжить формирование коммуникативных умений, воспитывать внимательность, наблюдательность.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Оборудование и источники информации:

Исаченкова, Л. А. Физика: учеб. для 7 кл. учреждений общ. сред. образования с рус. яз. обучения / Л. А. Исаченкова, Г. В. Пальчик, А. А. Сокольский; под ред. А. А. Сокольского. Минск: Народная асвета, 2017;

Карточки по теме «Механическое движение. Относительность покоя и движения. Траектория, путь, время. Единицы пути и времени».

Структура урока:

Организационный момент(2 мин)

Актуализация опорных знаний(3мин)

Изучение нового материала (17 мин)

Физкультминутка (1 мин)

Закрепление знаний (17 мин)

Итоги урока(5 мин)

Содержание урока

Организационный момент (проверка присутствующих в классе, проверка выполнения домашнего задания, озвучивание темы и основных целей урока)

Актуализация опорных знаний

Вы уже знаете, каким сложным является хаотическое движение молекул. В повседневной жизни мы встречаемся с более простыми видами движения. Движутся люди, автомобили (рис. 76), самолеты, Солнце, Луна и другие тела. Окружающий нас мир немыслим без движения. Характеристики многих движений можно легко определить и описать с помощью несложных математических формул.

Изучение нового материала

Как установить, движется или нет данное физическое тело? Рассмотрим пример. Вы стоите на остановке и вдали видите автобус (рис. 77).

Движется он или нет? Несмотря на то что вращения колес не видно, вы уверенно определяете, что автобус движется. Изменяется с течением времени его положение относительно киоска, деревьев, домов, неподвижных относительно поверхности Земли. Точно так же мы судим о движении облаков и птиц в небе, рыб в аквариуме, футболистов на поле, поездов и любых других тел.

Изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением. Следовательно, движение происходит в пространстве и во времени.

Рассмотрим еще один пример. Вы едете в электричке (рис. 78).

Можно ли сказать, что, сидя в ней, вы находитесь в состоянии покоя? И да, и нет. Да - потому, что вы не движетесь по электричке, т. е. с течением времени ваше положение относительно электрички не меняется. Нет - потому, что вместе с электричкой вы движетесь относительно поверхности Земли. А если электричка остановилась? Теперь вы находитесь в состоянии покоя относительно электрички и поверхности Земли, но движетесь вместе с Землей вокруг Солнца (рис. 79), перемещаясь за каждую секунду примерно на 30 км относительно звезд.

Таким образом, покой и движение относительны. Относительны и характеристики движения. Это легко увидеть на опыте. Укрепите светоотражатель (фликер) на ободе колеса вашего велосипеда. Какова будет кривая, которую опишет фликер (ее называют траекторией) при движении колеса? Относительно вас или вашего друга, едущего рядом с вами, фликер будет двигаться по окружности. А стоящий человек, мимо которого вы проезжаете, увидит, что фликер описывает не окружность, а сложную кривую (рис. 80). Следовательно, траектория тоже относительна.

В дальнейшем мы в основном будем рассматривать механическое движение тел относительно поверхности Земли.

Какими физическими величинами описывается механическое движение?

Проведите мелом по доске. Мел при движении описывает линию, которая хорошо видна на доске.

В голубом небе часто отчетливо видны белые следы позади летящих самолетов (рис. 81). Быстро мчащийся катер оставляет на поверхности воды пенистую дорожку (рис. 82).

Линия, которую описывает тело при своем движении, называется траекторией.

Мы привели примеры движений, когда траектория - видимая линия. Но чаще всего она невидима. Однако траекторию всегда можно изобразить, если отметить точками положения движущегося тела в различные моменты времени, а затем соединить эти точки. Несложно, например, представить траекторию летящего ядра (рис. 83).

Если траектория движения - прямая линия, движение называется прямолинейным. Например, такова траектория падающего с дерева яблока (рис. 84).

Если же траектория - кривая линия, то движение называется криволинейным. (см. рис. 83).

Длина той части траектории, которую описывает тело за данный промежуток времени, называется путем, пройденным телом за этот промежуток времени.

Обозначается путь обычно буквой s . Путь - это физическая величина. Его можно измерить или вычислить по формуле. Единицей пути в СИ является 1 метр (1 м). На практике путь часто измеряют в кратных единицах - километрах - или в дольных - сантиметрах, миллиметрах, микрометрах.

А что такое промежуток времени? Допустим, вы отправляетесь в путешествие на поезде «Минск - Москва». Поставим вопрос: за какой промежуток времени поезд пройдет путь s = 212 км от Минска до Орши? Ответить на этот вопрос очень легко. Во-первых, нужно знать момент времени, когда поезд отправляется из Минска. Обозначим его буквой t с индексом 1, т. е. . Во-вторых, нужно знать момент времени, когда поезд прибывает в Оршу. Обозначим его. Промежуток времени, за который поезд проходит путь от Минска до Орши, равен:

(Δ - греч. «дельта» - знак, обозначающий в математике и физике изменение величины, т. е. разность ее конечного и начального значений). Так, если в нашем примере = 20 ч 10 мин, - 23 ч 15 мин, то Δ t = 3 ч 5 мин.

Для краткости вместо «промежуток времени» будем говорить «время».

Единицей времени в СИ является 1 секунда (1 с). Иногда удобнее использовать кратные единицы времени: минуту (мин) и час (ч). Существуют и такие единицы времени, как сутки (сут), год. Вы, конечно, знаете, что одни сутки равны 24 ч, 1 год равен 365 (366) сут.

Для измерения времени служат различные приборы, например метроном (рис. 85), часы (рис. 86), секундомер (рис. 87).

Для практических целей полезно научиться отсчитывать про себя секунды, произнося числа через равные интервалы времени.

При прохождении лечебных процедур иногда необходимо фиксировать определенный промежуток времени, например 1 мин или 5 мин. В таких случаях удобно использовать песочные часы (рис. 88).

Положение тела в пространстве всегда задается относительно какого-то другого тела - тела отсчета. С этим телом связывают систему координат, и положение тела задается его координатами.

Но за тело отсчета можно выбрать любое тело и с каждым из них связать систему координат. Тогда положение одного и того же тела можно рассматривать относительно разных систем отсчета. Координаты одного и того же тела относительно разных тел отсчета могут оказаться различными. Например, положение автомобиля на дороге (рис. 32) можно задать, указав, что он находится на расстоянии l 1 к северу от населенного пункта l. Но можно сказать, что автомобиль расположен на расстоянии 1 2 к востоку от населенного пункта 2. Это и значит, что положение тела относительно: оно различно относительно разных систем координат.

Но относительно не только положение тела. Относительно и его движение. В чем состоит относительность движения?

Ребенок, впервые попавший на берег реки во время ледохода, спросил: «На чем это мы едем?» Очевидно, ребенок «выбрал» в качестве тела отсчета плывущую по реке льдину. Находясь в покое относительно берега, ребенок двигался вместе с берегом относительно «выбранной» им системы отсчета - льдины.

В стихотворении И. А. Бунина «В поезде» есть такие строки:

Вот мост железный над рекой

Промчался с грохотом под нами...

На первый взгляд они кажутся бессмысленными: ведь не мост под поездом, а поезд по мосту мчится «с грохотом». Здесь писатель-пассажир «выбрал» систему отсчета, связанную с поездом. Поэтому поезд условно считается неподвижным. Относительно этой системы отсчета мост в самом деле движется. Относительно же Земли (системы отсчета, связанной с ней), наоборот, покоится мост, а движется поезд.

В двустишии отмечается также, что не только движение тела, но и его положение относительно: мост расположен под поездом, но над рекой.

Еще один всем известный пример относительности движения и покоя. Каждому, наверное, приходилось наблюдать, как иногда трудно, находясь в вагоне поезда и глядяв окно на проходящий мимо по соседнему пути поезд, выяснить, какой из поездов движется, а какой покоится. Строго говоря, если видеть только соседний вагон и не видеть земли, строений, облаков и т. д., то узнать, какой из поездов движется прямолинейно и равномерно, а какой покоится, невозможно. Если пассажир одного из поездов утверждает, что движется «его» поезд, то пассажир другого поезда с таким же правом может сказать, что движется «его» поезд, а соседний неподвижен. Правы оба пассажира - движение и покой относительны.

Предлагаю игру: выбрать предмет в комнате и описать его местонахождение. Выполнить это так, чтобы угадывающий не смог ошибиться. Вышло? А что выйдет из описания, если другие тела не использовать? Останутся выражения: "слева от...", "над..." и подобное. Положение тела можно задать толькоотносительно какого-нибудь другого тела .

Местонахождение клада: "Стань у восточного угла крайнего дома села лицом на север и, пройдя 120 шагов, повернись лицом на восток и пройди 200 шагов. В этом месте вырой яму в 10 локтей и найдешь 100 слитков золота". Клад найти невозможно, иначе его давно откопали бы. Почему? Тело, относительно которого совершается описание не определено, неизвестно в каком селе находится тот самый дом. Необходимо точно определиться с телом, которое возьмется за основу нашего будущего описания. Такое тело в физике называетсятелом отсчета . Его можно выбрать произвольно. Например, попробуйте выбрать два различных тела отсчета и относительно их описать местонахождение компьютера в комнате. Выйдет два непохожих друг на друга описания.

Система координат

Рассмотрим картинку. Где находится дерево, относительно велосипедиста I, велосипедиста II и нас, смотрящих на монитор?

Относительно тела отсчета - велосипедист I - дерево находится справа, относительно тела отсчета - велосипедист II - дерево находится слева, относительно нас оно впереди. Одно и то же тело - дерево, находящееся постоянно в одном и том же месте, одновременно и "слева", и "справа" и "впереди". Проблема не только в том, что выбраны различные тела отсчета. Рассмотрим его расположение относительно велосипедиста I.

На этом рисунке деревосправа от велосипедиста I

На этом рисунке деревослева от велосипедиста I

Дерево и велосипедист не меняли своего месторасположения в пространстве, однако дерево одновременно может быть "слева" и "справа". Для того, чтобы избавиться от неоднозначности описания самого направления, выберем определенное направление за положительное, противоположное выбранному будет отрицательным. Выбранное направление обозначают осью со стрелкой, стрелка указывает положительное направление. В нашем примере выберем и обозначим два направления. Слева направо (ось, по которой движется велосипедист), и от нас внутрь монитора к дереву - это второе положительное направление. Если первое, выбранное нами направление, обозначить за X, второе - за Y, получим двухмернуюсистему координат .

Относительно нас велосипедист движется в отрицательном направлении по оси X, дерево находится в положительном направлении по оси Y

Относительно нас велосипедист движется в положительном направлении по оси X, дерево находится в положительном направлении по оси Y

А теперь определите, какой предмет в комнате находится в 2 метрах в положительном направлении по оси X (справа от вас), и в 3 метрах в отрицательном направлении по оси Y (позади вас).(2;-3) - координаты этого тела. Первой цифрой "2" принято обозначать расположение по оси X, вторая цифра "-3" указывает расположение по оси Y. Она отрицательная, потому что по оси Y находится не в стороне дерева, а в противоположной стороне. После того, как выбрано тело отсчета и направления, месторасположение любого предмета будет описано однозначно. Если вы повернетесь спиной к монитору, справа и позади вас будет уже другой предмет, но и координаты у него будут другие (-2;3). Таким образом, координаты точно и однозначно определяют расположение предмета.

Пространство, в котором мы живем, - пространство трех измерений, как говорят, трехмерное пространство. Кроме того, что тело может находится "справа" ("слева"), "впереди" ("позади"), оно может быть еще "выше" или "ниже" вас. Это третье направление - принято обозначать его осью Z

Можно ли выбирать не такие направления осей? Можно. Но нельзя менять их направления в течение решения, например, одной задачи. Можно ли выбрать другие названия осей? Можно, но вы рискуете тем, что вас не поймут другие, лучше так не поступать. Можно ли поменять местами ось X с осью Y? Можно, но не путайтесь в координатах:(x;y) .

При прямолинейном движении тела для определения его положения достаточно одной координатной оси.

Для описания движения на плоскости используется прямоугольная система координат, состоящая из двух взаимно перпендикулярных осей (декартовая система координат).

С помощью трехмерной системы координат можно определить положение тела в пространстве.

Система отсчета

Каждое тело в любой момент времени занимает определенное положение в пространстве относительно других тел. Определять его положение уже умеем. Если с течением времени положение тела не изменяется, то оно покоится. Если же с течением времени положение тела изменяется, то это означает, что тело движется. Все в мире происходит где-то и когда-то: в пространстве (где?) и во времени (когда?). Если к телу отсчета, системе координат, которые определяют положение тела, добавить способ измерения времени - часы, получимсистему отсчета . При помощи которой можно оценить движется или покоится тело.

Относительность движения

Космонавт вышел в открытый космос. В состоянии покоя или движения он находится? Если рассматривать его относительно друга космонавта, находящегося рядом, он будет покоиться. А если относительно наблюдателя на Земле, космонавт движется с огромной скоростью. Аналогично с поездкой в поезде. Относительно людей в поезде вы неподвижно сидите и читаете книгу. Но относительно людей, которые остались дома, вы двигаетесь со скоростью поезда.

Примеры выбора тела отсчета, относительно которого на рисунке а) поезд движется (относительно деревьев), на рисунке б) поезд покоится относительно мальчика.

Сидя в вагоне, ожидаем отправления. В окне наблюдаем за электричкой на параллельном пути. Когда она начинает двигаться, трудно определить кто движется - наш вагон или электричка за окном. Для того, чтобы определиться, необходимо оценить движемся ли мы относительно других неподвижных предметов за окном. Мы оцениваем состояние нашего вагона относительно различных систем отсчета.

Изменение перемещения и скорости в разных системах отсчета

Перемещение и скорость изменяются при переходе из одной системы отсчета в другую.

Скорость человека относительно земли (неподвижной системы отсчета) различная в первом и втором случаях.

Правило сложения скоростей:Скорость тела относительно неподвижной системы отсчета - это векторная сумма скорости тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной.

Аналогично вектора перемещения. Правило сложения перемещений:Перемещение тела относительно неподвижной системы отсчета - это векторная сумма перемещения тела относительно подвижной системы отсчета и перемещения подвижной системы отсчета относительно неподвижной.

Пусть человек идет по вагону по направлению (или против) движения поезда. Человек - тело. Земля - неподвижная система отсчета. Вагон - подвижная система отсчета.

Изменение траектории в разных системах отсчета

Траектория движения тела относительна. Например, рассмотрим пропеллер вертолета, спускающегося на Землю. Точка на пропеллере описывает окружность в системе отсчета, связанного с вертолетом. Траектория движения этой точки в системе отсчета, связанной с Землей, представляет собой винтовую линию.

Поступательное движение

Движение тела - это изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Каждое тело имеет определенные размеры, иногда разные точки тела находятся в разных местах пространства. Как же определить положение всех точек тела?

НО! Иногда нет необходимости указывать положение каждой точки тела. Рассмотрим подобные случаи. Например, это не нужно делать, когда все точки тела движутся одинаково.

Одинаково движутся все токи чемодана, машины.

Движение тела, при котором все его точки движутся одинаково, называетсяпоступательным

Материальная точка

Не нужно описывать движение каждой точки тела и тогда, когда его размеры очень малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит. Например, корабль, преодолевающий океан. Астрономы при описании движения планет и небесных тел друг относительно друга не учитывают их размеров и их собственное движение. Несмотря на то, что, например, Земля громадная, относительно расстояния до Солнца она ничтожно мала.

Нет необходимости рассматривать движение каждой точки тела, когда они не влияют на движение тела всего целиком. Такое тело можно представлять точкой. Все вещество тела как бы сосредотачиваем в точку. Получаем модель тела, без размеров, но она имеет массу. Это и естьматериальная точка .

Одно и то же тело при одних его движениях можно считать материальной точкой, при других - нельзя. Например, когда мальчик идет из дома в школу и при этом проходит расстояние 1 км, то в этом движении его можно считать материальной точкой. Но когда тот же мальчик выполняет зарядку, то точкой его считать уже нельзя.

Рассмотрим движущихся спортсменов

В этом случае можно спортсмена моделировать материальной точкой

В случае прыжка спортсмена в воду (рисунок справа) нельзя моделировать его в точку, так как от любого положения рук и ног зависит движение всего тела

Главное запомнить

1) Положение тела в пространстве определяется относительно тела отсчета;
2) Необходимо задать оси (их направления), т.е. систему координат, которая определяет координаты тела;
3) Движение тела определяется относительно системы отсчета;
4) В разных системах отсчета скорость тела может быть разной;
5) Что такое материальная точка

Более сложная ситуация сложения скоростей. Пусть человек переправляется на лодке через реку. Лодка - это исследуемое тело. Неподвижная система отсчета - земля. Подвижная система отсчета - река.

Скорость лодки относительно земли - это векторная сумма

Чему равно перемещение какой-либо точки, находящейся на краю диска радиусом R при его повороте относительно подставки на 600? на 1800? Решить в системах отсчета, связанных с подставкой и диском.

В системе отсчета, связанной с подставкой, перемещения равны R и 2R. В системе отсчета, связанной с диском, перемещение все время равно нулю.

Почему дождевые капли в безветренную погоду оставляют наклонные прямые полосы на стеклах равномерно движущегося поезда?

В системе отсчета, связанной с Землей, траектория капли - вертикальная линия. В системе отсчета, связанной с поездом, движение капли по стеклу есть результат сложения двух прямолинейных и равномерных движений: поезда и равномерного падения капли в воздухе. Поэтому след капли на стекле наклонный.

Каким образом можно определить скорость бега, если тренироваться на беговой дорожке со сломанным автоматическим определением скорости? Ведь относительно стен зала не пробегаешь ни одного метра.