Механическое движение и его характеристики. Система отсчёта

На этом уроке вы:

• узнаете физический смысл понятий траектория, материальная точка, путь и перемещение.

Ключевые слова: механическое движение, траектория движения, материальная точка, путь и перемещение тела.

Как вы думаете, какие из изображенных на рисунке 6.1 тел меняют свое положение, а какие — нет?

Рис. 6.1

В окружающем нас мире все находится в непрерывном движении. Движение — это неотъемлемое свойство, присущее всем телам и предметам в природе, т. е. всему материальному миру.

Когда мы наблюдаем движущуюся машину, летящий самолет, плавание рыб, облако, плывущее по небу, то говорим, что тело движется. Все эти движения очень разные. Однако объединяет их одно общее свойство: тела, находящиеся как на Земле, так и в космосе, меняют свое положение в пространстве относительно других тел.

Изменение положения тела или отдельных его частей в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением.

Механическое движение является самым простым видом движения.

Материальная точка. При изучении движения тела довольно часто достаточно описать движение только одной его точки. Так, например, размер самолета, летящего в небе, по сравнению с пройденным им путем, ничтожно мал, поэтому при описании движения самолета его рассматривают как точку.

Во многих случаях при изучении движения тел, если его истинные размеры не играют главной роли, тело можно принимать за материальную точку.

Важно помнить, что материальная точка отличается от геометрической тем, что обладает конкретной массой.

Обратите внимание! Землю можно принимать за материальную точку при изучении ее движения вокруг Солнца. В то же время ее нельзя считать материальной точкой в тех случаях, когда изучают движение каких-либо тел на поверхности Земли.

Траектория. Предположим, что два путешественника решили посетить Алматы, находясь в Астане. Один из них полетел на самолете, а другой поехал на поезде (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Вы можете видеть, что самолет летит почти по прямой линии, а поезд движется по кривой линии. Линии, по которым в действительности движутся самолет и поезд, не совпадают друг с другом. Подобная линия, вдоль которой движется тело, представляет собой траекторию движения.

Траекторией движения называется линия, в каждой точке которой последовательно побывало тело в процессе своего движения.

Траектория представляет собой как бы след, оставленный телом за время движения. Иногда этот след реален, как след от реактивного самолета в небе или от колес автомобиля на песке и др. (рис. 6.3). В большинстве случаев траекторию увидеть невозможно, а иногда ее приходится дорисовывать мысленно, как «след» от полета пчелы, или птицы, или брошенного мяча.

Рис. 6.3

Для упрощения изучения механического движения вводят понятие материальной точки.

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Путь и перемещение. Если мы хотим изучить движение тела, то нам необходимо знать, из какой точки оно начало двигаться, в какую точку переместилось и какое расстояние при этом прошло. Для определения результата движения необходимо одновременно указать и направление движения, и расстояние между точками начального и конечного положения тела. Для того чтобы определить, куда переместилось тело, вводят особую физическую величину, которая одновременно указывает и направление движения, и величину расстояния между этими точками. Эту величину называют перемещением.

Перемещение — это направленный отрезок, соединяющий начальное и конечное положение тела.

Перемещение тела — векторная величина, имеющая направление и числовое значение (модуль). Перемещение обозначают символом $\vec{s}$ со стрелочкой сверху, а модуль перемещения — символом $s$ без стрелочки.

В системе СИ единицей измерения перемещения является метр. Записывается это так: $[\vec{s}] = \text{м}$.

Тела могут попасть из одной и той же точки в другую точку, двигаясь по разным траекториям. Все механические движения по форме траектории делятся на прямолинейные и криволинейные.

Длина траектории, по которой двигалась точка, называется пройденным путем.

В отличие от перемещения, путь — скалярная величина, имеющая только числовое значение.

Пройденный путь будем обозначать той же буквой $s$, что и модуль перемещения. Единицей измерения пути тоже является метр, т. е. $[s] = \text{м}$. Если траектория прямая линия, то пройденный путь равен величине перемещения. Часто пройденный путь обозначают символом $l$.

Вопросы

1. Что называют механическим движением?
2. Какие виды механического движения вы знаете? Приведите примеры.
3. Какое тело в физике называют материальной точкой? С какой целью используется понятие «материальная точка»?
4. В каких случаях движущееся тело обычно рассматривают как материальную точку?
5. Приведите пример, показывающий, что одно и то же тело в одной ситуации можно считать материальной точкой, а в другой — нет.
6. Что называют траекторией движения?
7. Какую физическую величину называют путем?
8. Каковы единицы измерения пути и перемещения в системе СИ?
9. Может ли численное значение перемещения быть: а) больше; б) меньше; в) равным численному значению пути? Приведите примеры таких движений.

Творческая мастерская

Экспериментируйте.

1. С помощью сантиметровой ленты измерьте длину своего шага. По пути в школу подсчитайте число шагов и определите путь. На листе бумаги изобразите траекторию своего движения и пути.
2. Измерение пути и модуля перемещения: а) положите угольник на лист бумаги формата А4 и отметьте точками A, B и C вершины треугольника и произвольные точки D и E вдоль катетов (см. рис. 6.4). Затем переместите конец карандаша из точки D в точку E, ведя его сначала вдоль сторон треугольника в направлении DABE, а затем в направлении DCE; б) измерьте пути, пройденные концом карандаша относительно листа бумаги в обоих случаях, и запишите данные измерения в тетрадь; в) постройте вектор перемещения конца карандаша относительно листа бумаги; измерьте его длину и данные измерения запишите в тетрадь; г) сравните длины путей, пройденные концом карандаша, с модулем перемещения; д) отметьте на стороне AB треугольника произвольные точки K и M и переместите конец карандаша из точки K в точку M в направлении KACBM; е) измерьте длину пути, пройденного концом карандаша, и модуль перемещения в этом случае; ж) сравните длину пути с модулем перемещения во втором опыте; з) сделайте выводы по результатам работы.

Рис. 6.4

Решите. Поезд прошел расстояние в 300 км за 12 часов. Определите, за сколько секунд было преодолено это расстояние. Сколько метров в 300 км?