Уравнения равномерного и равноускоренного движения материальной точки

Скорость, ускорение, равномерное и равноускоренное прямолинейное движение

Основные понятия и законы кинематики

Часть механики, в которой изучают движение, не рассматривая причины, вызывающие тот или иной характер движения, называют кинематикой.
Механическим движением называют изменение положения тела относительно других тел
Системой отсчёта называют тело отсчёта, связанную с ним систему координат и часы.
Телом отсчёта называют тело, относительно которого рассматривают положение других тел.
Материальной точкой называют тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.
Траекторией называют мысленную линию, которую при своём движении описывает материальная точка.

По форме траектории движение делится на:
а) прямолинейное — траектория представляет собой отрезок прямой;
б) криволинейное — траектория представляет собой отрезок кривой.

Очень важно понимать, чем путь отличается от перемещения. Самое главной отличие в том, что перемещение — это вектор с началом в точке отправления и с концом в точке назначения (при этом абсолютно неважно, каким маршрутом это перемещение совершалось). А путь — это, наборот, скалярная величина, отражающая длину пройденной траектории.

Равномерным прямолинейным движением называют движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения
Скоростью равномерного прямолинейного движения называют отношение перемещения ко времени, за которое это перемещение произошло:

Для неравномерного движения пользуются понятием средней скорости. Часто вводят среднюю скорость как скалярную величину. Это скорость такого равномерного движения, при котором тело проходит тот же путь за то же время, что и при неравномерном движении:

Мгновенной скоростью называют скорость тела в данной точке траектории или в данный момент времени.
Равноускоренное прямолинейное движение — это прямолинейное движение, при котором мгновенная скорость за любые равные промежутки времени изменяется на одну и ту же величину

Зависимость координаты тела от времени в равномерном прямолинейном движении имеет вид: x = x₀ + V_xt, где x₀ — начальная координата тела, V_x — скорость движения.
Свободным падением называют равноускоренное движение с постоянным ускорением g = 9,8 м/с 2 , не зависящим от массы падающего тела. Оно происходит только под действием силы тяжести.

Скорость при свободном падении рассчитывается по формуле:

Перемещение по вертикали рассчитывается по формуле:

Одним из видов движения материальной точки является движение по окружности. При таком движении скорость тела направлена по касательной, проведённой к окружности в той точке, где находится тело (линейная скорость). Описывать положение тела на окружности можно с помощью радиуса, проведённого из центра окружности к телу. Перемещение тела при движении по окружности описывается поворотом радиуса окружности, соединяющего центр окружности с телом. Отношение угла поворота радиуса к промежутку времени, в течение которого этот поворот произошёл, характеризует быстроту перемещения тела по окружности и носит название угловой скорости ω:

Угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением

где r — радиус окружности.
Время, за которое тело описывает полный оборот, называется периодом обращения. Величина, обратная периоду — частота обращения — ν

Поскольку при равномерном движении по окружности модуль скорости не меняется, но меняется направление скорости, при таком движении существует ускорение. Его называют центростремительным ускорением, оно направлено по радиусу к центру окружности:

Основные понятия и законы динамики

Часть механики, изучающая причины, вызвавшие ускорение тел, называется динамикой

Принцип относительности Галилея:
во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково, т.е. подчиняются одинаковым законам
Масса — это мера инертности тела
Сила — это количественная мера взаимодействия тел.

Сложение сил заключается в нахождении равнодействующей нескольких сил, которая производит такое же действие, как и несколько одновременно действующих сил.

III закон Ньютона подчёркивает, что действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. Если тело A действует на тело B, то и тело B действует на тело A (см. рис.).

Или короче, сила действия равна силе противодействия. Часто возникает вопрос: почему лошадь тянет сани, если эти тела взаимодействуют с равными силами? Это возможно только за счёт взаимодействия с третьим телом — Землёй. Сила, с которой копыта упираются в землю, должна быть больше, чем сила трения саней о землю. Иначе копыта будут проскальзывать, и лошадь не сдвинется с места.
Если тело подвергнуть деформации, то возникают силы, препятствующие этой деформации. Такие силы называют силами упругости.

При движении тел друг относительно друга возникают силы, препятствующие движению. Эти силы называются силами трения. Различают трение покоя и трение скольжения. Сила трения скольжения подсчитывается по формуле

где N — сила реакции опоры, µ — коэффициент трения.
Эта сила не зависит от площади трущихся тел. Коэффициент трения зависит от материала, из которого сделаны тела, и качества обработки их поверхности.

Трение покоя возникает, если тела не перемещаются друг относительно друга. Сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения

Гравитационными силами называют силы, с которыми любые два тела притягиваются друг к другу.

Закон всемирного тяготения:
любые два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Здесь R — расстояние между телами. Закон всемирного тяготения в таком виде справедлив либо для материальных точек, либо для тел шарообразной формы.

Весом тела называют силу, с которой тело давит на горизонтальную опору или растягивает подвес.

Сила тяжести — это сила, с которой все тела притягиваются к Земле:

При неподвижной опоре вес тела равен по модулю силе тяжести:

Если тело движется по вертикали с ускорением, то его вес будет изменяться.
При движении тела с ускорением, направленным вверх, его вес

Видно, что вес тела больше веса покоящегося тела.

При движении тела с ускорением, направленным вниз, его вес

В этом случае вес тела меньше веса покоящегося тела.

Невесомостью называется такое движение тела, при котором его ускорение равно ускорению свободного падения, т.е. a = g. Это возможно в том случае, если на тело действует только одна сила — сила тяжести.
Искусственный спутник Земли — это тело, имеющее скорость V1, достаточную для того, чтобы двигаться по окружности вокруг Земли
На спутник Земли действует только одна сила — сила тяжести, направленная к центру Земли
Первая космическая скорость — это скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось вокруг планеты по круговой орбите.

где R — расстояние от центра планеты до спутника.
Для Земли, вблизи её поверхности, первая космическая скорость равна

1.3. Основные понятия и законы статики и гидростатики

Тело (материальная точка) находится в состоянии равновесия, если векторная сумма сил, действующих на него, равна нулю. Различают 3 вида равновесия: устойчивое, неустойчивое и безразличное. Если при выведении тела из положения равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть это тело обратно, это устойчивое равновесие. Если возникают силы, стремящиеся увести тело ещё дальше из положения равновесия, это неустойчивое положение; если никаких сил не возникает — безразличное (см. рис. 3).

Когда речь идёт не о материальной точке, а о теле, которое может иметь ось вращения, то для достижения положения равновесия помимо равенства нулю суммы сил, действующих на тело, необходимо, чтобы алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на тело, была равна нулю.

Здесь d —плечо силы. Плечом силы d называют расстояние от оси вращения до линии действия силы.

Условие равновесия рычага:
алгебраическая сумма моментов всех вращающих тело сил равна нулю.
Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на площадку, перпендикулярную этой силе, к площади площадки:

Для жидкостей и газов справедлив закон Паскаля:
давление распространяется по всем направлениям без изменений.
Если жидкость или газ находятся в поле силы тяжести, то каждый вышерасположенный слой давит на нижерасположенные и по мере погружения внутрь жидкости или газа давление растёт. Для жидкостей

где ρ — плотность жидкости, h — глубина проникновения в жидкость.

Однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне. Если в колена сообщающихся сосудов залить жидкость с разными плотностями, то жидкость с большей плотностью устанавливается на меньшей высоте. В этом случае

Высоты столбов жидкости обратно пропорциональны плотностям:

Гидравлический пресс представляет собой сосуд, заполненный маслом или иной жидкостью, в котором прорезаны два отверстия, закрытые поршнями. Поршни имеют разную площадь. Если к одному поршню приложить некоторую силу, то сила, приложенная ко второму поршню, оказывается другой.
Таким образом, гидравлический пресс служит для преобразования величины силы. Поскольку давление под поршнями должно быть одинаковым, то

Тогда A1 = A2.
На тело, погружённое в жидкость или газ, со стороны этой жидкости или газа действует направленная вверх выталкивающая сила, которую называют силой Архимеда
Величину выталкивающей силы устанавливает закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости или газа, вытесненного телом:

где ρ_жидк — плотность жидкости, в которую погружено тело; V_погр — объём погружённой части тела.

Условие плавания тела — тело плавает в жидкости или газе, когда выталкивающая сила,действующая на тело, равна силе тяжести, действующей на тело.

1.4. Законы сохранения

Импульсом тела называют физическую величину, равную произведению массы тела на его скорость:

Импульс — векторная величина. [p] =кг·м/с. Наряду с импульсом тела часто пользуются импульсом силы. Это произведение силы на время её действия
Изменение импульса тела равно импульсу действующей на это тело силы. Для изолированной системы тел (система, тела которой взаимодействуют только друг с другом) выполняется закон сохранения импульса: сумма импульсов тел изолированной системы до взаимодействия равна сумме импульсов этих же тел после взаимодействия.
Механической работой называют физическую величину, которая равна произведению силы, действующей на тело, на перемещение тела и на косинус угла между направлением силы и перемещения:

Мощность — это работа, совершённая в единицу времени:

Способность тела совершать работу характеризуют величиной, которую называют энергией. Механическую энергию делят на кинетическую и потенциальную. Если тело может совершать работу за счёт своего движения, говорят, что оно обладает кинетической энергией. Кинетическая энергия поступательного движения материальной точки подсчитывается по формуле

Если тело может совершать работу за счёт изменения своего положения относительно других тел или за счёт изменения положения частей тела, оно обладает потенциальной энергией. Пример потенциальной энергии: тело, поднятое над землёй, его энергия подсчитывается по формуле

где h — высота подъёма

Энергия сжатой пружины:

где k — коэффициент жёсткости пружины, x — абсолютная деформация пружины.

Сумма потенциальной и кинетической энергии составляет механическую энергию. Для изолированной системы тел в механике справедлив закон сохранения механической энергии: если между телами изолированной системы не действуют силы трения (или другие силы, приводящие к рассеянию энергии), то сумма механических энергий тел этой системы не изменяется (закон сохранения энергии в механике). Если же силы трения между телами изолированной системы есть, то при взаимодействии часть механической энергии тел переходит во внутреннюю энергию.

1.5. Механические колебания и волны

Колебаниями называются движения, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени. Колебания называются периодическими, если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени.
Гармоническими колебаниями называются такие колебания, в которых колеблющаяся физическая величина x изменяется по закону синуса или косинуса, т.е.

Величина A, равная наибольшему абсолютному значению колеблющейся физической величины x, называется амплитудой колебаний. Выражение α = ωt + ϕ определяет значение x в данный момент времени и называется фазой колебаний. Периодом T называется время, за которое колеблющееся тело совершает одно полное колебание. Частотой периодических колебаний называют число полных колебаний, совершённых за единицу времени:

Частота измеряется в с -1 . Эта единица называется герц (Гц).

Математическим маятником называется материальная точка массой m, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити и совершающая колебания в вертикальной плоскости.
Если один конец пружины закрепить неподвижно, а к другому её концу прикрепить некоторое тело массой m, то при выведении тела из положения равновесия пружина растянется и возникнут колебания тела на пружине в горизонтальной или вертикальной плоскости. Такой маятник называется пружинным.

Период колебаний математического маятника определяется по формуле

где l — длина маятника.

Период колебаний груза на пружине определяется по формуле

где k — жёсткость пружины, m — масса груза.

Распространение колебаний в упругих средах.
Среда называется упругой, если между её частицами существуют силы взаимодействия. Волнами называется процесс распространения колебаний в упругих средах.
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны.
Длиной волны называется расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе:

где v — скорость распространения волны.

Звуковыми волнами называют волны, колебания в которых происходят с частотами от 20 до 20 000 Гц.
Скорость звука различна в различных средах. Скорость звука в воздухе равна 340 м/c.
Ультразвуковыми волнами называют волны, частота колебаний в которых превышает 20 000 Гц. Ультразвуковые волны не воспринимаются человеческим ухом.

Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение. Материальная точка.

Опубликовано 29.09.2020Подготовка к ЕГЭ

Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение. Материальная точка.

В данной статье рассмотрены наиболее популярные задания ЕГЭ по физике 2020, которые могут встретиться в КИМах. Они помогут вам более глубоко и подробно ознакомиться с темами ЕГЭ из раздела механики, данные темы рассмотрены в соответствии с кодификатором элементов содержания и требований к подготовке выпускников.

Итак, перейдём к рассмотрению. Довольно часто в ЕГЭ по физике встречаются задачи на движение, поэтому просим заранее запоминать необходимые определения и формулы.

Равномерное прямолинейное движение – движение, имеющее постоянную скорость. При таком движении тело должно передвигаться по прямой, за одинаковые промежутки времени пройдёт равные пути.

Неравномерное движение – это движение, в котором за одинаковый промежуток времени сделают разные перемещения. В таком движении скорость будет изменяться с отпрядённым течением времени.

Равнопеременное движение – движение, при котором скорость тела изменится за одинаковое время. То есть такой вид движения включает в себя постоянное ускорение.

Равноускоренное движение – движение, в соответствии с которым скорость постоянно увеличивается.

Равнозамедленное – движение, в соответствии с которым скорость уменьшается.

Рассмотрим прямолинейное движение. Для его описания требуется в начале движения измерить координаты тела в разные промежутки времени.

Для описания прямолинейного движения в определённой системе отсчёта нужно в начале движения воспользоваться часами и измерить координаты тела.

Материальная точка

Также распространённой темой в ЕГЭ по физике является материальная точка, дополнительно рассмотрим здесь её траекторию, перемещение, путь и сложение перемещений.

Механическое движение считается более простым. Дадим определение механическому движению – это процесс, когда тело меняет своё положение по отношению к другим телам.

Рассмотрим основные характеристики движения тела в разное время:

— Путь, который пройден;

— И другие характеристики, используемые в целях решения заданий, если такие задания связаны с движением тел в пространстве.

Рассмотрим пример. При запускании спутника на другую планету, ученые рассчитывают расстояние до местонахождения исследуемой планеты по отношению к Земле. Также выясняют скорость планеты, её направление и траекторию движения. Положение точек определяют с помощью координатной прямой ил системы координат. Посмотрим пример (рис. 1):

Здесь возникает вопрос как же изобразить объёмное тело с множеством точек, имеющих координаты. Рассмотрим рисунок (рис. 2):

На этом этапе возникают и другие немаловажные вопросы, такие как: что является скоростью планеты, если она одновременно вращается вокруг своей оси. Это обусловлено тем, что скорость различных точек отличается по своему направлению и модулю. Следует учитывать, что чем меньше расстояние точки к оси, тем меньше будет её скорость.

Обычно разные тела рассматривают в качестве материальных точек, при условии, что расстояние, которое проходят данные точки больше размера самих тел.

Формулы, которые необходимо использовать при решении задач на данную тему:

— s = v0t + ( at^2 / 2 );

Рассмотрим пример решения задачи.

Условие задачи: По прямой движется материальная точка. Скорость в соответствии с временем равна: v ( t ) = t^3 – 2t.

Найти ускорение, при t = 3.

v ( t ) = t^2 – 2t = 3 * t^2 – 2.

v3 = 3 * 3^2 – 2 = 25.

Ответ: a ( 3 ) = 25.

Обратим внимание на то, что материальных точек не существует. Это понятие введено в целях решения задач с наиболее точными результатами.

Радиусом-вектором материальной точки является вектор, который соединяет координатную плоскость с самой материальной точкой. Рассмотрим пример (рис. 3).

Траектория – это невидимая линия, которую можно представить на графике, она будет описывать точку в процессе движения.

Путь – длина невидимой линии.

Перемещением является вектор, который соединяет положение тела в начале и в конце движения.

Нужно помнить, что перемещение может быть нулевое, даже при прохождении большого пути. Примером будет служить поход в школу (10 км), далее – в магазин (15 км) и обратно домой – 20 км. Пройденный путь составляет 45 км, но перемещение = 0. Это объясняется тем, что путь домой совпадает с началом и концом движения. Вектор, который соединяет начало и конец движения равен нулю.

В случае, когда мы знаем координаты точек, для определения их перемещения применяем формулы:

Обратите внимание на то, что путь является скалярной величиной, а вектор с перемещением – векторной.

Если мы с объектом в разных системах отсчёта, воспользуемся ещё одной формулой: r (t) = r (t) + R (t).

Скорость материальной точки

Если движение рассматриваемой в условии задачи точки является прямолинейным, следует применять формулу: u = s / t. В случае, когда скорость изменяет направление движения, то она постоянна в определённом времени.

u = ds / dt = s, ds – расстояние, dr – перемещение.

Путь – s, который пройден за промежуток времени t = t2 – t1, будет равен интегралу u по t.

U – вектор, который направлен к траектории. Расстояние и величина перемещения, которые пройдены за небольшой промежуток времени равны, то есть ds = dr.

Формула скорости в векторном виде: u = dr / dt.

Средняя скорость движения высчитывается по формуле: u ср = r / t.

При описании движения материальных точек используют координаты х, у, z. В начале вычисляют проекции на осях: ux = dx / dt = x1, uy = dy / dt = y1, uz = dz / dt = z1.

Ускорение материальной точки

Часто в ЕГЭ по физике встречаются задачи на ускорение, оно показывает, как быстро меняется скорость материальной точки. Применяем формулу: а = du / dt, где du – изменение скорости за небольшое время. Также можно вывести формулу тангенциального ускорения: а = at + an. Такой вид ускорения возникает в случае изменения величины скорости, оно будет равно производной скорости и времени: aт = du / dt = u. При движении со скоростью аt = 0: an = u^2 / p, р – кривизна в точке, её радиус.

В случае, когда траекторией точки является окружность, радиус будет такой же как у окружности, то есть p = R.

Тангенциальное ускорение всегда направляется к траектории с помощью касательной.

Также в процессе подготовки к сдаче экзамена рекомендуем прочесть методические рекомендации ЕГЭ по физике 2020 и просмотреть демонстрационные варианты, размещённые в открытом доступе. С помощью них вы сможете ознакомить со структурой КИМов, количеством содержащихся заданий, их формулировками и уровнем сложности. Задания из демонстрационных вариантов, как правило, не попадаются на ЕГЭ, встречаются обычно похожие, с разными условиями задач.

В завершение отметим, что ознакомившись с данной статьёй, материалами, изложенными в ней, а также дополнительными рекомендациями, вы будете готовы к ЕГЭ по физике. Встретив в КИМах задания подобных планов, вам не составит труда решить их. Таким образом, мы рассмотрели и разобрали тему и решение задач, наиболее часто встречающихся на едином государственном экзамене.

Равномерное и равноускоренное движение

В процессе такого перемещения скорость тела периодически изменяется, поэтому для описания данного процесса применяют понятия средней и мгновенной скоростей.

Средняя скорость переменного движения \(v_<ср>\) является векторной величиной, и определяется отношением длины пути \(S\) к промежутку времени \(t\) , за которое данный путь был преодолен:

Мгновенная скорость – это скорость движения тела, которая фиксируется в конкретный момент времени в заданной точке пути. Другими словами, мгновенной скоростью \(v\) есть предел стремления средней скорости тела \(v_<ср>\) при бесконечно малом промежутке времени:

Известно, что предел отношения приращения функции к приращению аргумента, в случае стремления последнего к нулю, – это главная производная функции по аргументу.

Рассмотрим пример скатывания шарика по наклонной поверхности. При этом мы наблюдаем, что шарик движется неравномерно: расстояния, которые он проходит за одинаковые последовательные интервалы времени, постоянно увеличиваются. То есть, темп его движения постоянно растёт. Данное движение, как и скачивание любого предмета, является классикой прямолинейного равноускоренного перемещения.

Еще одним примером такого движения является перемещение транспорта, когда он разгоняется, а так же когда тормозит. То есть равноускоренным движением может считаться не только ускоренное, но и замедленное движение.

Дело в том, что понятие «ускорение» в физическом смысле более широкое, нежели мы привыкли использовать в ежедневной жизни. Слово ускорение в широком потреблении понимается как увеличение скорости, но физически под ускорением понимается передвижение тела с постоянным изменением скорости, при этом неважно увеличивается она или уменьшается.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Понятие прямолинейного равноускоренного движения достаточно широко используется при изучении законов механики.

Стоит отметить, что при влиянии постоянной силы тело будет перемещаться равноускорено.

Равномерное движение

Равномерное движение – это такое механическое перемещение тела, когда за равные промежутки времени оно преодолевает равные расстояния.

Для равномерного перемещения характерно постоянное значение скорости:

где \(v\) – скорость равномерного перемещения, м/с;

\(l\) – расстояние, преодоленное объектом, м;

\(δt\) – промежуток времени перемещения, с.

При равномерном перемещении скорость предмета остаётся равной на каждом промежутке пути.

Если перемещение тела не только равномерное, а также прямолинейное, то его путь равен модулю его перемещения. Значит, аналогично предыдущему выражению, определяем скорость равномерного прямолинейного перемещения:

где \(\overline \) – скорость равномерного прямолинейного перемещения, м/с;

\(\overline\) – перемещение тела, м;

\(δt\) – промежуток времени перемещения, с.

Скорость равномерного прямолинейного перемещения является векторной величиной. То есть её направление также имеет значение, как и модуль.

Равноускоренное движение тела

При равноускоренном перемещении скорость постоянно изменяется. Если речь идет об убыстрении, скорость постоянно растет. То есть ускорение остаётся величиной постоянной, а темп постоянно растет.

Помимо равноускоренного движения еще выделяют равнозамедленное, где темп постоянно уменьшается с одинаковой быстротой.

Различают одномерное и многомерное ускорение. Первое происходит вдоль одной оси координат, а второе – в плоскости или в пространстве.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Ускорение тела

Формулы равномерного движения для расчета ускорения могут применяться без учёта времени в разных плоскостях. Например, при расчёте свободного падения жестких тел, можно определять их местоположение. Это бывает полезно при различных геометрических расчётах.

Неравномерное перемещение тела, так же как и равноускоренное, характеризуется изменением скорости. Но в чём же тогда их отличие? При равноускоренном – скорость тела не просто изменяется, она равно ускоряется.

Понятие ускорения часто ассоциируют с ростом скорости. Поскольку скорость растет одинаково, говорят о равном возрастании скорости. Как же определить, скорость растет равномерно или нет? Для этого засекают время, оценивают приращение скорости за равные промежутки времени, если при этом приращение одинаково на каждом новом участке, передвижение считается равноускоренным.

Ускорение – это физическая величина, показывающая на сколько возрастает скорость.

Замедленным движением есть перемещение с уменьшающейся скоростью. Поскольку в физике любое перемещение с меняющейся скоростью называется ускоренным, то неважно разгоняется автомобиль либо тормозит, в любом случае он передвигается с ускорением.

Значит, ускорение описывает быстроту изменения скорости. Оно показывает на сколько меняется скорость за одну секунду. Чем больше величина ускорения, тем стремительнее тело набирает скорость либо сбрасывает её. Ускорение обозначается буквой a и определяется соотношением изменения скорости δv к промежутку времени δt, за которое оно осуществлено: