Материальная точка. Система отсчёта.

Цели урока: дать представление о кинематике; познакомить с целями и задачами курса физики; ввести понятия: механическое движение, траектория, путь, материальная точка.

Ход урока

I. Вступление. Во вступительной части учитель рассказывает, что будут изучать учащие­ся в этом учебном году, какие задания их ждут. Так же необходимо напомнить технику безопасности на уроках физики и во время проведения лаборатор­ных работ. Далее необходимо вспомнить, что такое физика. Физика - это наука, занимающаяся изучением самых общих свойств окружающего нас материального мира. Физика - наука экспериментальная, ее цели, во-первых, отыскать наибо­лее общие законы природы, во-вторых, объяснить конкретные процессы дей­ствием этих общих (фундаментальных) законов. В то же время физика и ко­личественная наука. Все основные законы физики формируются на матема­тическом языке. И этот язык надо знать, а он не прост. Основные разделы физики: 1) Механика; 2) Термодинамика; 3) Электродинамика.

II. Новый материал

Механика, к изучению основ которой мы приступаем, - это наука о движении и взаимодействии макроскопических (от греческого слова makros — большой. длинный) тел. Название «механика» происходит от греческого слова mechanike, что означает наука о машинах, искусство постройки машин. Пер­вые простейшие машины (рычаг, клин, колесо, наклонная плоскость и т.д.), которые теперь называют простыми механизмами, появились в древности. Первое орудие человека - палка - это рычаг. Каменный топор - сочетание рычага и клина. Колесо появилось в бронзовом веке, позже стали применять наклонную плоскость.

Уже в V в. до н. э. в афинской армии применялись стенобитные машины -тараны, метательные приспособления - баллисты и катапульты. Строитель­ство плотин, мостов, пирамид, а также ремесленное производство, с одной стороны, способствовали накоплению знанию о механических явлениях, а с другой стороны, - требовали от них новых знаний. В ответ на запросы прак­тики в новых знаниях и возникла наука механика.

Первые дошедшие до нас сочинения по механике, в которых описаны про­стейшие машины, принадлежат ученым Древней Греции. К ним относится сочинение «Физика» Аристотеля (IV в. до н.э.), в котором впервые введен в науку термин «механика». В III в. до н.э. древнегреческий ученый Архимед впервые применил математику для анализа и описания механических явле­ний. Архимед сформулировал закон равновесия рычага и закон плавания тел. С этого времени начинается развитие механики как науки.

Новый этап связан с работой Г. Галилея, сформулирован закон инерции, установил законы падения тел и колебаний маятника. Английский физик И. Ньютон, опираясь на работы Галилея и его современников, а так же на результаты своих собственных исследований, создал цельное учение о меха­ническом движении и взаимодействии тел, которое получило название клас­сической механики. Классическая механика состоит из трех частей: кинема­тика, динамика, статика. Слово кинематика происходит от греческого слова kinematos - движение. Кинематика изучает, как движется тело, но не изучает, почему тело движется так, а не иначе. Основными задачами кинематики являются: а) Описание с помощью математических формул, графиков или таблиц совершаемых телом движений. б) Определение кинематических величин, характеризующих это движение. Для описания движения в кинематике вводятся специальные понятия (ма­териальная точка, система отсчета, траектория) и величины (путь, перемеще­ние, скорость, ускорение), которые важны не только в кинематике, но и в дру­гих разделах физики. Первое, что бросается в глаза при наблюдении окружающего мира, - это его изменчивость. - Какие изменения вы замечаете? (Ночь меняет день, вода при охлажде­нии замерзает, падают капли, лает собака, едет автомобиль, двига­ются литься деревьев в ветреную погоду.) - Поведем итог: наиболее частые ответы связаны с изменением положе­ния тел относительно друг друга.

Изменение положении тела в пространстве относительно других тел с течением времени называются механическим движением. Однако одно и то же тело одновременно может и двигаться и не двигаться, если наблюдать его с различных точек зрения.

Пример 1. В купе вагона на столике лежит яблоко. Пассажир видит, что расстояние до яблока с течением времени сохраняется. Яблоко не совершает механического движения. Но с точки зрения провожающего, яблоко движет­ся, т.к. расстояние от яблока до перрона с течением времени растет.

Пример 2. Вы находитесь в классе в покое (сидя за партой) относительно Земли, но движетесь вместе с Землей вокруг Солнца.

Из этих примеров следует: нет, и не может быть абсолютно неподвижных тел. Даже самое простое движение тела оказывается сложным для изучения. Для того чтобы облегчить исследования, вводят ряд упрощений. Если мы рассматриваем движение автомобиля, длина которого 5 м, прошедшего 100 км, то пройденное им расстояние в 200000 раз больше его собственной длины. Очевидно, что автомобиль можно рассмотреть как точку. В этом случае пользуются термином материальная точка. Но если мы будем исследовать силу сопротивления воздуха, действующего па движущийся автомобиль, счи­тать его материальной точкой нельзя, т.к. сила сопротивления зависит от раз­меров автомобиля. Материальная точка - это абстрактное понятие, введенное для упрощения изучения многих физических явлений.

Материальной точкой называют тело, размерами и формой которого в рассматриваемом случае можно пренебречь.

- Как же определить положение тела (материальной точки)? В одном древнем документе, относящемуся к началу нашей эры, сказано: «Стань у восточной стены крайнего дома лицом на север, и, пройдя 120 ша­гов, повернись лицом на восток. Затем, пройдя 200 шагов, вырой яму в 10 локтей и найдешь 100 золотых монет».

- Если бы этот документ попал в Ваши руки, смогли бы найти клад? {У каж­дого человека разные шаги и локти. Неуказан населенный пункт. Мест­ность сильно изменилась. Нет дома, от которого нужно считать.)

Итак, необходимо тело отсчета. Если через него провести оси коорди­нат, то положение тела в пространстве можно задать его координатами. Но при движении тела его положение меняется с течением времени. Значит, ну­жен прибор для измерения времени (часы), связанные с телом отсчета.

Все вместе: а) тело отсчета, б) система координат, в) прибор для определе­ния времени, - образуют систему отсчета. С истема отсчета может быть: а) одномерной, когда положение тела опре­деляется одной координатой (рис. 1); б) двухмерной, если положение тела определяется двумя координатами (рис. 2); в) трехмерной, т.е. положение тела определяется тремя координатами (рис. 3).

III. Упражнения и вопросы для повторения

- В каких из перечисленных случаев можно считать тела материальными точками, а в каких - нельзя?

1. На станке изготавливают спортивный диск. (Не материальная точка.)

2. Тот же диск после броска спортсмена летит на расстояние 55 м. (Материальная точка.)

3. Конькобежец проходит дистанцию соревнования. (Материаль­ная точка, но не всегда: не надо забывать про фотофиниш.)

4. Фигурист выполняет упражнения произвольной программы. (Не материальная точка.)

5. За движением космического корабля следят из Центра управле­ния полетов на Земле. (Материальная точка.)

6. За тем же кораблем наблюдает космонавт, осуществляющий с ним стыковку. (Не материальная точка.)

7. Земля вращается вокруг своей оси. (Нематериальная точка.)

8. Земля движется по круговой орбите вокруг Солнца. (Материаль­ная точка.)

Домашнее задание:

1. § 1 (с. 5-9);

2. Упражнение 1 (с. 9);

3. Материал для повторения: а) Из формулы υ = at выразите a через υ и t; t через а и υ.

б) Из формулы υ = υ₀ + at выразите υ₀, а, t.