Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Положение тела в пространстве. Механическое движение. Относительность механического движения

Кинематика

29.05.2024
3166
0

Положение тела в пространстве. Механическое движение. Относительность механического движения

План урока

  • Положение тела в пространстве. Система отсчёта
  • Относительность механического движения

Цели урока

  • знать, что такое система отсчёта и из чего она состоит
  • понять принцип относительности механического движения

Разминка

  • Подумайте, как можно описать положение дерева, стоящего у вас во дворе.
  • Какое движение называют равномерным?
  • Как вы понимаете выражение «механическое движение относительно»?

Положение тела в пространстве. Система отсчета

Итак, чтобы определить положение любого тела в пространстве, сначала нужно выбрать тело, по отношению к которому это положение определятся. Это выбранное тело называют телом отсчёта, потому что расстояние будет отсчитываться от него. Если нам понадобится определять положение сразу многих тел в пространстве, то удобнее выбрать для всех них одно тело отсчёта. К примеру, дети водят хоровод вокруг ёлки. Разумнее всего ёлку выбрать телом отсчёта, а положение детей определять относительно неё. 

 

Рассмотрим другой пример. Допустим, группа детей вышла из палатки и разбрелась по лесу, а нам нужно знать, где сейчас находится каждый ребёнок. Проще всего телом отсчёта выбрать палатку. Тогда на вопрос, где находятся, скажем, Маша и Вася, мы получим понятный ответ: «Маша находится в 100 метрах на север от палатки, а Вася — в 200 метрах на восток» (рис. 1).

Рис. 1. Выбор тела отсчёта


Тело отсчета — это тело, относительно которого определяют положение всех других тел в пространстве.


Из предыдущего примера видно, что кроме тела отсчёта нам понадобилось указывать направление на искомое тело и расстояние до него. Другими словами, мы ввели оси координат, связанные с телом отсчёта.
 

Ось координат — это прямая, обладающая следующими свойствами:

 

  1. На оси выбрано начало отсчёта — точка, координата которой принята равной нулю. Начало отсчёта совпадает с телом отсчёта.
  2. У оси координат выбрано положительное направление. В положительном направлении координаты всех точек положительны и увеличиваются по мере удаления от начала отсчёта. Противоположное направление оси называется отрицательным и координаты всех точек там отрицательны.
  3. Указан шаг оси, соответствующий выбранной единице измерения расстояния. Другими словами, на ось нанесены метки через одинаковое расстояние друг от друга и указано это расстояние (например, 1 м или 1 км).


Для любой точки на оси координат можно указать конкретное число, равное расстоянию в заданных единицах длины от начала отсчёта до этой точки. Это число называют координатой точки на этой оси.


С течением времени координаты тел могут меняться из-за их движения. Поэтому в дополнение к оси координат нам понадобятся часы — любое устройство для отсчёта времени. Обычно время отсчитывают с удобного момента, который называют началом отсчёта времени. К примеру, дали команду «старт» и вы начали бежать стометровку. Удобнее этот момент времени обозначить как 0 секунд, что обычно и делают, обнуляя секундомер. Затем, когда говорят о координате тела, обязательно указывают момент времени.


Совокупность тела отсчёта, с которым связана система координат, и часов называют системой отсчёта


Разберём теперь систему отсчёта на наглядном примере (рис. 2). 

Рис. 2. Координаты двух тел в разные моменты времени

В момент времени t = 0 координата велосипедиста вдоль оси X была xв = 3 м, а координата пешехода была xп = −2 м. Оба тела двигались в положительном направлении оси, поэтому их координата возрастала со временем. Спустя секунду координата велосипедиста стала xв = 5 м, а координата пешехода xп = 0 м.

Относительность механического движения

Если спросить любого прохожего, какого физика, лауреата Нобелевской премии, он знает, то большинство ответят: «Альберта Эйнштейна». А если уточнить: «За что Эйнштейну присвоили Нобелевскую премию?», то многие вспомнят: «За теорию относительности». «Наверное, эта относительность очень важна для физики, раз уж за неё дают такую награду», — подумаете вы и будете правы. Так что же означает термин «относительность» применительно к механическому движению, которое мы сейчас изучаем? Давайте разберёмся.

 

Итак, мы теперь знаем, какие шаги нужно сделать, чтобы описать положение точечного тела в пространстве. Эти шаги состоят в том, чтобы построить систему отсчёта. А когда система отсчёта уже построена, т. е. определены начала координат и времени, а также направления и масштаб осей, то в любой момент мы сможем определить координату тела.


Однако мы помним, что начало отсчёта координат и начало отсчёта времени мы выбирали произвольно, как нам удобнее. И направление осей, если честно, мы выбирали тоже как вздумается. Не будет ли ошибки в таком произвольном выборе? Получим ли мы другой результат, если выберем начало отсчёта в другом месте или направим ось в другую сторону? Эти вопросы не такие простые, как кажется на первый взгляд. Почти 600 лет ушло у физиков на то, чтобы дать на них правильный и исчерпывающий ответ.
 

Попробуем и мы ответить на эти вопросы. Выберем для начала три неподвижных тела: пусть это будут человек, дерево и куст (рис. 3). В первом случае начало отсчёта координат совместим с деревом. Тогда координата дерева будет xд = 0, координата человека xч = −2 м, а координата куста xк = 3 м. Во втором случае начало отсчёта координат совместим с человеком. Тогда получится, что xд = 2 м, xч = 0 м, а координата куста xк = 5 м. 

 

Казалось бы, всё поменялось. Да, значения координат всех тел изменились, но не случайным образом, а одинаково увеличились на 2 м. Это произошло потому, что мы сместили начала отсчёта координат левее на 2 м. Но как мы помним, задача кинематики состоит не в том, чтобы найти координату тела, а в том, чтобы найти положение тела в пространстве. А положение тела в пространстве определяется по отношению к другим телам или, как говорят, относительно других тел. Как мы видим из рисунка 1, относительное положение тел не изменилось. Например, расстояние между человеком и деревом сохранилось равным 2 м, а между человеком и кустом — равным 5 м.


Изменение положения начала координат не влияет на правильное нахождение положения тел в пространстве.


Рис. 3. Системы отсчёта с одинаковым направлением оси, но разным началом отсчёта

В условиях рисунка 3 выбрано текущее время 0 с, т. е. начало отсчёта времени. 

Если бы мы стали отсчитывать время от другого момента, например, раньше 
на 10 с, то текущее время было бы уже не 0 с, а 10 с. Это бы никак не отразилось на взаимном положении выбранных тел.


Изменение начала отсчёта времени не влияет на относительное положение тел в пространстве.


Поменяем теперь направление оси координат, не меняя начала координат 
(рис. 4). В этом случае координаты всех тел поменяют знак. Координата человека поменяется с xч = −2 м на xч = +2 м, а координата куста с xк = +3 м на xк = −3 м. Однако и в этом случае взаимное положение тел в пространстве сохранится.


Изменение направления оси координат не влияет на относительное положения тел в пространстве.


Рис. 4. Системы отсчёта с одинаковым началом отсчёта, но разным направлением оси

Рассмотрим теперь более общий случай, когда тела движутся (рис. 5).
 

Пусть дерево неподвижно (имеет постоянную координату xд = 1 м), а человек и велосипедист движутся в одном направлении с одинаковыми скоростями. В начальный момент времени человек имеет координату xч = −2 м, а через секунду его координата стала xч = −1 м. Координата велосипедиста изменится между нулевой и первой секундой с xв = 3 м до xв = 4 м. Легко заметить, что человек и велосипедист движутся относительно дерева, причём человек приблизился к дереву на 1 м, а велосипедист удалился на 1 м. 

 

Другими словами, можно сказать, что в системе отсчёта, связанной с деревом, человек и велосипедист движутся, а дерево покоится.

Рис. 5. Система отсчёта, связанная с неподвижным деревом

Перейдём теперь в систему отсчёта, связанную с человеком (рис. 6). В этой системе человек имеет постоянную координату xч = 0 м, а велосипедист — постоянную координату xв = 5 м. 

 

При этом координата дерева уменьшается с xд = 3 м до xд = 2 м. Если считать человека неподвижным (он всё время находится в начале отсчёта), то получается, что дерево приближается к человеку. Таким образом, в системе отсчёта, связанной с человеком, велосипедист неподвижен, а дерево движется в отрицательном направлении оси.

Рис. 6. Система отсчёта, связанная с движущимся человеком

В итоге мы пришли к следующему выводу: одни и те же тела в одной системе отсчёта могут покоиться, а в другой — двигаться. 


Нельзя говорить, как движется данное тело, если не указать, относительно какого тела отсчёта рассматривается его положение в пространстве.


При этом в разных системах одно и то же тело может двигаться по-разному (иметь разную величину и направление скорости). Однако относительное положение тел или скорость тел относительно друг друга при смене системы отсчёта не меняются. В этом и состоит принцип относительности механического движения.


Знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей обобщил этот принцип на все законы механики. Он экспериментально доказал, делая опыты с земными предметами, что выбор начала отсчёта времени, координаты или направления оси не влияют на законы механики.


Гораздо позже, уже почти в наше время, знаменитый физик-теоретик Альберт Эйнштейн (1879–1955) доказал, что законы механики не будут меняться и в космосе, даже если мы летим со скоростью света или находимся вблизи чёрной дыры. Теперь мы знаем, почему это происходит. Вселенная везде одинакова, в любой точке пространства и времени. 

 

Поэтому, где и когда бы мы не взяли начало отсчёта, ничего не изменится.


Итоги

 

  • Чтобы указать положение тела в пространстве, необходимо: 
    1) выбрать тело отсчёта и начало отсчёта на этом теле; 
    2) выбрать координатную ось, проходящую через начало отсчёта; 
    3) выбрать положительное направление и единицу длины оси; 
    4) выбрать начало отсчёта времени.
  • Расстояние от начала отсчёта до данного тела, указанное в выбранных единицах длины и взятое с соответствующим знаком, называют координатой этого тела.
  • Координата тела в общем случае меняется со временем из-за движения тела.
  • Совокупность тела отсчёта, с которым связана система координат, и часов называют системой отсчёта .
  • Если координата тела не изменяется с течением времени в выбранной системе отсчёта, то говорят, что это тело в данной системе отсчёта неподвижно или покоится.
  • Если координата тела в выбранной системе отсчёта увеличивается со временем, то говорят, что тело движется в положительном направлении координатной оси.
  • Если координата тела в выбранной системе отсчета со временем уменьшается, то говорят, что тело движется в отрицательном направлении координатной оси.
  • Одно и то же тело в одной системе отсчёта может покоиться, а в другой — двигаться. Поэтому нельзя говорить, как движется данное тело, если не указать, относительно какого тела отсчёта рассматривается его положение в пространстве.
  • Положение тел в пространстве относительно друг друга и скорости их движения относительно друг друга не зависят от выбора системы отсчёта.


Контрольные вопросы


1. Дайте определения следующим терминам: ось координат, координата точки, тело отсчёта, часы.
2. Что входит в систему отсчёта?
3. Может ли координата тела быть отрицательной?

4. Что означает, что тело неподвижно в некоторой системе отсчёта?
5. Может ли то же самое тело в другой системе отсчёта двигаться?
6. Приведите какой-нибудь пример из жизни, демонстрирующий относительность механического движения.


Предыдущий урок
Скорость. Единицы скорости. Расчет пути и времени движения
Кинематика
Следующий урок
Способы описания прямолинейного движения. Прямолинейное равномерное движение. Скорость прямолинейного равномерного движения
Кинематика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Оформление реферата «История вычислительной техники»

    Информатика

  • Действие одного тела на другое. Закон инерции. Инерциальные системы отсчёта. Первый закон Ньютона

    Физика

  • Деление с остатком

    Алгебра

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке