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

30.11.2023
2241
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
Способы описания прямолинейного движения. Прямолинейное равномерное движение. Скорость прямолинейного равномерного движения
Кинематика
Следующий урок
Простые механизмы
Статика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Правописание приставок

    Русский язык

  • Прямой и обратный порядок слов

    Русский язык

  • Health issues. Здоровье

    Английский язык

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