Механика. Механическое движение. Материальная точка. Система отсчета

ГЛАВА I. ЗАКОНЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ

Тема: Механика. Механическое движение. Материальная точка. Система отсчета.

Цели урока: Знакомство с одним из важнейших разделов физики - механикой. Опре­деление структуры механики. Основные понятия.

Демонстрации:

1. Движение тел по наклонной плоскости;

2. Относительное движение тел.

План изложения нового материала:

1. Механика - наука о движении тел; кинематика как раздел ме­ханики;

2. Механическое движение;

3. Понятие материальной точки; система отсчета;

4. Относительность и абсолютность движения;

5. История развития учения о механике.

Ход урока

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.

Опр. Физика - эго 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:

• Механика

• Термодинамика

• Электродинамика

Изучение нового материала

Опр. Механика - 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 движение тел без учета тех причин, которые вы­зывают данное движение.

Кинематика изучает, как движется тело, но не изучает, почему тело движется так, а не иначе. Причины, которыми обусловлено то или иное движение, изучаются в динамике (от греческого слова «динамис» - сила).

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.

Механическое движение

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.

Опр. Изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называются механическим движением.

«Дайте мне материю и движение, и я построю Вселенную», говорил французский ученый Рене Декарт (1596-1650). Но что такое движение? Согласно Декарту, «движение, в обычном понимании этого слова, есть не что иное, как действие, посредством которого данное тело переходит с од­ного места на другое». В наши дни движение иногда определяют как изме­нение положения тела в пространстве с течением времени. Однако еще Эйнштейн предупреждал, что, согласившись с таким определением, мы «примем на свою совесть не один тяжкий грех», ибо «неясно, что следует понимать здесь под словами «место» и «пространство».

Действительно, представьте, что перед вами на столе лежит яблоко. Кроме вас, в комнате больше никого нет. Закройте глаза на секунду, а затем откройте их. Можно ли утверждать, что яблоко, которое вы снова видите перед собой, продолжает находиться в том же самом месте пространства, в каком находилось за секунду до этого?

Если вы уже готовы ответить «да», то подумайте, не забыли ли вы о том, что за эту секунду яблоко вместе с земным шаром успело пролететь в пространстве путь в 30 км? Но, если вы это учтете и скажете, что яблоко окажется в 30 км от первоначального места, то и в таком случае ответ нель­зя будет признать удовлетворительным. Ведь и Солнце движется вокруг центра Галактики, а сама Галактика - относительно других скоплений звезд.

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.

Понятие материальной точки. Система отсчета.

Из выше указанных 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 на 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.

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

В каких случаях данное тело является материальной точкой, а в каких - нет:

1. движение большого (малого) бруска по прямой на опоре;

2. выруливание самолета на взлетную полосу, и его полет из Моск­вы в Киев;

3. движение слона в «посудной лавке», и движение Земли по орбите вокруг Солнца.

- 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. Не указан 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.

Опр. Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для измерения времени образуют систему отсчета, относительно которой рассматривается движение тела.

Система координат 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).

• При помощи одной координаты определяют положение тела, которое движется по прямой (рис. 1).

• При помощи прямоугольной системы координат XOY определяют по­ложение тела на плоскости (рис. 2).

• И, наконец, трехмерная система координат определяет положение тела в пространстве (рис. 3).

Относительность и абсолютность движения

Механическое движение относительно. Это значит, что:

1. бессмысленно говорить о движении тела, не указав тело отсчета, относительно которого рассматривается это движение;

2. о тносительно разных тел отсчета (например, Земли, Солнца, самолета и т.д.) одно и то же движение может выглядеть по-разному: разными могут быть траектории движения, пройденные пути, перемещения, скорости и т.д.

Учитель может продемонстрировать от­носительность движения на примере бру­ска, неподвижно лежащего на двигающей­ся тележке (рис.). Брусок неподвижен относительно тележки, но перемещается относительно земли.

Можно рассмотреть траекторию паде­ния мяча относительно точки падения, и сбоку, относительно земли.

Все эти опыты показывают относи­тельность механического движения.

Но механическому движению присуща и абсолютность.

Опр. Абсолютными называют такие свойства движения, которые не зависят от выбора тела отсчета.

Например, если относительно Земли два тела А и В приближаются друг к другу, то их сближение будет происходить и относительно любого другого тела отсчета (автомобиля, Луны, Солнца и т.д.). Другими словами, нельзя найти такое тело отсчета, по отношению к которому эти два тела А и В не сближались бы, а, например, удалялись бы друг от друга. Сближение этих тел имеет абсолютный характер.

Скорость сближения двух тел одинакова и с точки зрения наблюдателя, и из окна поезда. Невозможно найти такую систему отсчета, в которой данные тела не сближались бы, а, например, удалялись друг от друга.

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.)

Качественные задачи на понятие системы отсчета, матери­альной точки:

1. В движущемся вагоне пассажирского поезда на столе лежит книга. В покое или движении находится эта книга относительно: а) рельсов; б) стола?

2. Как движется токоприемник, расположенный на крыше вагона элек­тропоезда, относительно: а) вагона; б) контактного провода?

3. Автомобиль и комбайн движутся прямолинейно, так что некоторое время расстояние между ними не меняется. Укажите, относительно каких тел они находятся в это время в покое, и относительно каких тел движутся?

4. Сидящий на вращающемся «чертовом колесе» видит, что колесо от­носительно него неподвижно, а деревья и строения движутся. С ка­ким телом в данном случае связана система отсчета?

5. Изобразите схематически траекторию движения точек винта самоле­та относительно земли.

6. Приведите примеры задач, в которых спортсмена а) можно считать материальной точкой; б) нельзя считать материальной точкой.

7. Можно ли при определении объема стального шарика с помощью мензурки считать этот шарик материальной точкой?

8. Из центра горизонтально расположенного вращающегося диска по его поверхности вдоль радиуса пущен шарик. Каковы траектории шарика относительно земли и диска?

Итог урока

1. Что изучает механика?

2. На какие разделы делится механика?

3. Что изучает кинематика как раздел механики?

4. Вспомните определение механического движения.

5. Приведите примеры относительности и абсолютности механиче­ского движения.

6. Что такое материальная точка?

Домашнее задание: § 1, записи в тетради; упр. 1 (учебник, стр. 9); Сборник задач № 137, 142.

Материал для учителя

Кинематики материальной точки

В конце XVIII - начале XIX вв. в науке о движении тел (механике) по­степенно стал формироваться раздел, в котором давалось лишь математи­ческое описание того, как движутся тела, без выяснения причин, почему они так движутся. В 1818 г. польский математик и философ Юзеф Врон­ский (1776-1853) назвал этот раздел форономией. Однако более широкое распространение получило другое его название - кинематика (от греч. «кинематос» - «движение»), которое впервые появилось в 1834 г. в одной из работ французского ученого Андре Мари Ампера (1775-1836).

Кинематика дает в руки исследователя мощный «инструмент», позво­ляющий работать в области изучения движения. Она объясняет, какими способами и какими математическими средствами можно описать переме­щение тела из одного места в другое. Из множества факторов, влияющих на движение тел, здесь учитывается лишь то, что оно происходит в простран­стве и во времени. Но соотношения между расстояниями в пространстве изучаются в геометрии, а свойства времени - в науке, называемой хроно­метрией (от греч. «хронос» - «время» и «метрео» - «измеряю»). Поэтому можно сказать, что кинематика представляет собой объединение геометрии и хронометрии (или геометрию пространства - времени).

В кинематике рассматриваются физические свойства тел (инертность и способность взаимодействовать) и поэтому отсутствуют такие понятия, как масса и сила. Основными в ней являются лишь геометрические характери­стики движения - перемещение, скорость и ускорение. Наиболее «моло­дое» из перечисленных понятий - ускорение. В качестве особой физиче­ской величины оно было введено в физику в 1841 г. французским ученым Жаном Виктором Понселе (1788-1867). Вот почему именно этот год счи­тают годом создания кинематики как самостоятельной науки.