Графическое представление уравнений механического движения

Графическое представление уравнений механического движения

Графическое представление равномерного прямолинейного движения

Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:

V (t) — изменение скорости со временем

S(t) — изменение перемещения (пути) со временем

a(t) — изменение ускорения со временем

За висимость ускорения от времени. Так как при равномерном движении ускорение равно нулю, то зависимость a(t) — прямая линия, которая лежит на оси времени.

Зависимость скорости от времени. Так как тело движется прямолинейно и равномерно ( v = const ), т.е. скорость со временем не изменяется, то график с зависимостью скорости от времени v(t) — прямая линия, параллельная оси времени.

Проекция перемещения тела численно равна площади прямоугольника АОВС под графиком, так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.

Правило определения пути по графику v(t): при прямолинейном равномерном движении модуль вектора перемещения равен площади прямоугольника под графиком скорости.

Зависимость перемещения от времени. График s(t) — наклонная линия :

Из графика видно, что проекция скорости равна:

Рассмотрев эту формулу, мы можем сказать, чем больше угол, тем быстрей движется тело и оно проходит больший путь за меньшее время.

Правило определения скорости по графику s(t): Тангенс угла наклона графика к оси времени равен скорости движения.

Неравномерное прямолинейное движение.

Равномерное движение это движение с постоянной скоростью. Если скорость тела меняется, говорят, что оно движется неравномерно.

Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным или переменным движением.

Для характеристики неравномерного движения вводится понятие средней скорости.

Средняя скорость движения равна отношению всего пути, пройденного материальной точкой к промежутку времени, за который этот путь пройден.

В физике наибольший интерес представляет не средняя, а мгновенная скорость, которая определяется как предел, к которому стремится средняя скорость за бесконечно малый промежуток времени Δt:

Мгновенной скоростью переменного движения называют скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории.

Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке.

Различие между средней и мгновенной скоростями показано на рисунке.

Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равноускоренным или равнопеременным движением.

Ускорение — это векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:

V_x — Скорость тела при равноускоренном движении по прямой

V_x o — Начальная скорость тела

a_x — Ускорение тела

t — Время движения тела

Ускорение показывает, как быстро изменяетcя скорость тела. Если ускорение положительно, значит скорость тела увеличивается, движение ускоренное. Если ускорение отрицательно, значит скорость уменьшается, движение замедленное.

Единица измерения ускорения в СИ [м/с 2 ].

Ускорение измеряют акселерометром

Уравнение скорости для равноускоренного движения: v_x = v_xo + a_xt

Уравнение равноускоренного прямолинейного движения (перемещение при равноускоренном движении):

S_x — Перемещение тела при равноускоренном движении по прямой

V_x o — Начальная скорость тела

V_x — Скорость тела при равноускоренном движении по прямой

a_x — Ускорение тела

t — Время движения тела

Еще формулы, для нахождения перемещения при равноускоренном прямолинейном движении, которые можно использовать при решении задач:

— если известны начальная, конечная скорости движения и ускорение.

— если известны начальная, конечная скорости движения и время всего движения

Графическое представление неравномерного прямолинейного движения

Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:

V(t) — изменение скорости со временем

S(t) — изменение перемещения (пути) со временем

a(t) — изменение ускорения со временем

Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) — прямая линия, параллельная оси времени.

Зависимость скорости от времени. При равномерном движении скорость изменяется, согласно линейной зависимости v_x = v_xo + a_xt . Графиком является наклонная линия.

Правило определения пути по графику v(t): Путь тела — это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.

Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела — это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.

Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно квадратной зависимости:

В координатах зависимость имеет вид:

Реферат: Графический метод изучения механического движения

ГОУ Гимназия №1505

«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»

Графический метод изучения механического движения.

автор : ученика 10 класса «Б»

Руководитель: Пурышева Н.С.

Первый параграф: Механическое движение, его виды характеристики и виды………………………………………………………………………… 4-5

Второй параграф: Виды графиков функциональной зависимости… 6-9

Третий параграф: Решение кинематических задач………………… 10-11

Параграф первый: конспект урока…………………………………….. 12-14

Параграф второй: система кинематических задач………………… 14-20

Физика и математика, как науки, очень тесно связаны между собой. Можно сказать, что это даже родственные науки. Если происходят открытия в сферах одной из этих наук, то и непременно начинают развиваться схожие сферы в другой. В конце XVII века, например, было открыто дифференциальное и интегральное исчисление И. Ньютоном, Г. Лейбницем и сформулированы основные законы классической механики и закон всемирного тяготения тем же И. Ньютоном. Из этой последовательности видно, что открытие в математике (дифференциальное и интегральное исчисление) дало ход новым открытиям и в физике (классической механики и закон всемирного тяготения). Уловить и почувствовать эту связь удаётся не каждому. Жаль, что часто во многих школах очень слабо дают понять ученикам эту самую связь. И я решил, что с помощью использования графического метода решения механических задач я смогу уловить связь между этими науками.

Выявит и реализовать связь физики и математики в решении механических задач – это основная цель моего диплома. Для реализации этой цели я поставил перед собой следующие задачи:

1) Изучить литературу по теме;

2) Рассмотреть графики функциональной зависимости всех видов;

3) Рассмотреть виды механического движения и графики зависимости движения от времени;

4) Разработать систему графических задач по теме, с использованием математического представления.

Метод решения, поставленных передо мной задач, один: анализ и обобщение литературы.

Результатов, которых я хочу добиться, два: во-первых, выявит и реализовать связь физики и математики, а во-вторых, разработать систему задач, с примерами их решения.

Мой диплом состоит из двух частей: теоретической и практической. В теоретической части я подробно опишу всё что связано с механическим движением и все виды графиков функциональной зависимости. В практической части будет представлен подробный план урока, который я собираюсь провести у 9-ых классов профиля физика, а также система задач по кинематике, которые решаются графическим методом, т.е. с использованием математического аппарата.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ, ЕЁ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВИДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЕ. ВИДЫ ГРАФИКОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ. РЕШЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ.

Первый параграф: Механическое движение, его виды характеристики и виды.

Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. В физике за тело, которое совершает такое движение, принято принимать материальную точку [1] . Положение такого тела во время совершения механического движения задаётся с помощью системы отсчёта , которую составляют тело отсчёта , система координат и способ измерения времени (часы). Последовательность точек, которые проходит тело во времени движения, называют траекторией движения тела в пространстве . Расстояние, пройденное телом вдоль траектории за рассматриваемый промежуток времени ∆t, называют путём S , который является величиной скалярной[2] . Вектором перемещения принято называть вектор, соединяющий начальное и конечное положение тела. Чтобы получить значение модуля вектора перемещения, нужно вычислить корень квадратный из суммы квадратов проекций (скалярные величины) перемещения на оси системы координат. Все эти понятия можно объединить в группу, которая называется кинематическими[3] характеристиками движения материальной точки .

В зависимости от формы траектории тела есть два вида механического движения: прямолинейное и криволинейное , которое в свою очередь может быть произвольным , например траектория представляет собой зигзаг, или движение по окружности . В зависимости от изменения скорости тела механическое движение также можно разделить на два вида: равномерное , т.е. за любые равные промежутки времени тело совершает одинаковое перемещение, и неравномерное . Неравномерное бывает двух видов: неравномерное произвольное , т.е. за равные промежутки времени тело совершает абсолютно разные перемещения, и неравномерное равноускоренное , т.е. за любые равные промежутки времени скорость тела изменяется на одинаковые величины, т.е. это имеет постоянное ускорение . Ускорение есть векторная физическая величина, равная отношению изменения скорости ко времени, за которое это изменение произошло (∆V/∆t). Скоростью , или точнее мгновенной скоростью , называют векторную величину, равную отношению малого перемещения к малому промежутку времени, за который это перемещение произошло (∆r/∆t).

Поскольку и перемещение, и скорость, и ускорение есть векторные величины, то можно сказать о том, что их можно задать тремя проекциями на оси координат.

Для представления движения часто удобно пользоваться графиками, так как они дают наглядное представление о характере изменения величин с течением времени. В кинематике используются графики зависимости скорости движения от времени; график зависимости модуля перемещения от времени; графики зависимости координаты тела от времени, графики зависимости пути, пройденного телом при движении, от времени.

Второй параграф: Виды графиков функциональной зависимости.

Как известно, анализируя график движения, можно получить исчерпывающие сведения о характере движения. Так, из анализа графиков скорости, показанных на рисунке:

можно сказать, что движение 1 есть равномерное прямолинейное движение со скоростью 2 м/сек в сторону положительного направления оси координат. Движения 2 и 3 – равноускоренное прямолинейные движения (линейная зависимость y = a + bx ) с начальной скоростью 2 м/сек положительного направления оси выбранной системы отсчёта (V>0 в течение всего времени движения). Более того, если выбрать любой промежуток времени ∆t и определить изменение скорости за этот промежуток, то отношение ∆V/∆t определит величину ускорения, с которым двигалось тело. Из ∆ABC видно, что отношение V/t равно тангенсу угла наклона графика к оси абсцисс.

Графическое представление движения

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 85.

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 85.

Большую часть информации о мире человек получает с помощью зрения. Поэтому одними из наиболее используемых способов описания физических явлений являются графики. Рассмотрим особенности графического представления движения.

График координаты

Движение тела состоит в изменении его координат с течением времени. У тела всегда есть некоторые координаты, на прямой – одна, на плоскости – две, в пространстве – три. А значит, для любой координаты можно построить график ее зависимости от времени. По оси абсцисс на графике откладываются единицы времени, по оси ординат – единицы расстояния. Точки на графике будут представлять координату тела в соответствующие моменты.

Равномерное движение

В простейшем случае тело равномерно движется вдоль прямой, для описания такого движения достаточно одной координаты. Формула перемещения при равномерном движении:

Используя эту формулу, строим график.

Допустим, в начальный момент времени тело имеет координату 5, скорость движения 2. Получаем точки:

t

x

Построенный график – это прямая. По нему можно найти координату тела в любой момент времени.

Графическое представление равномерного движения всегда представляет собой прямую, пересекающую ось ординат в точке, равную начальной координате. Наклон прямой характеризует скорость равномерного движения – чем она больше, тем круче поднимается график. Если скорость отрицательна – то график будет нисходящим.

Неравномерное движение

Если тело движется неравномерно, и скорость его меняется, то график координаты будет более сложным.

Если тело сперва двигалось с одной скоростью, потом с другой, и так далее – он будет состоять из ряда прямолинейных участков, каждый из которых можно рассматривать, как отдельный график равномерного движения, при котором начальная координата участка равна конечной координате предыдущего участка. Например, пусть тело сперва двигается вперед (восходящая прямая), потом некоторое время стоит (горизонтальная прямая), а потом вернется (нисходящая прямая).

Рис. 2. График координаты от времени в виде трапеции.

Наиболее сложный случай – когда тело постоянно плавно изменяет свою скорость. В этом случае график будет представлять собой плавную кривую. Например, если скорость равномерно увеличивается, то движение получается равноускоренным, и его графиком является восходящая парабола.

График скорости

Иногда удобно построить график скорости движения. Строится он точно так же, как и график координаты, но при этом по оси ординат откладываются значения скорости.

При равномерном движении скорость постоянна, а график постоянной величины представляет собой горизонтальную прямую. При нулевой скорости эта прямая совпадает с осью абсцисс.

Рис. 3. График скорости равномерного движения.

Если движение равноускоренное – то прямая будет восходящей или нисходящей.

График координаты и траектория

Иногда путают траекторию и график координаты. Это – не одно и то же.

Траектория – это линия, вдоль которой происходит движение. График же показывает зависимость координаты от времени. Например, если тело движется прямолинейно с остановками – его траектория будет прямой линией, а график координаты – ломанной, состоящей из наклонных и горизонтальных участков. Если тело движется равномерно по окружности, его траектория будет представлять собой круг, а графики обоих координат – синусоиды.

Что мы узнали?

Удобным способом описания движения является построение графиков координат. Для графического представления прямолинейного движения достаточно одного графика, для описания движения на плоскости – требуются два графика, в пространстве – три. Скорость также можно представить в виде графика.