Механическое движение. Относительность движения. Система отсчёта. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорост

Билет 1.

Вопрос 1.  Механическое движение. Относительность  движения. Система  отсчёта. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорость. Ускорение. Равномерное и равноускоренное движение.

Механическим движением называют изменение положения тела (или его частей) относительно других тел. Например, человек едущий на эскалаторе в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен туннеля; Гора Эльбрус находится в покое относительно Земли и движется вместе с Землёй относительно Солнца. Из этих примеров видно, что всегда надо указать тело, относительно которого рассматривается движение, его называют телом отсчёта. Система координат, тело отсчёта с которым она связана, и выбранный способ измерения времени образуют систему отсчёта. Рассмотрим два примера. Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать, а рассчитывая траекторию движения космического корабля на стыковке со станцией, без учёта её размеров не обойтись. Таким образом, иногда размерами тела по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь, в этих случаях тело считают материальной точкой. Линию, вдоль которой движется материальная точка, называют траекторией. Длину части траектории между начальным и конечным положением точки называют путем (l). Единица пути – метр.

Механическое  движение характеризуется тремя  физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением. Направленный отрезок прямой, проведённый из начального положения движущейся точки в её конечное положение, называется перемещением (S). Это величина векторная. Единица перемещения – метр.

Скорость – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток времени считается достаточно малым если скорость в течение этого промежутка не менялась. Определяющая формула скорости имеет вид Единица измерения скорости – м/с. На практике – км/ч. Измеряют скорость спидометром.

Ускорение – 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 Единица измерения ускорения м/с².

Характеристики  механического движения связаны  между собой основными кинематическими  уравнениями:

.

Предположим, что  тело движется без ускорения (самолёт на маршруте), его скорость в течение продолжительного времени не меняется, а=0. Тогда кинематические уравнения будут иметь вид: V=const, S=Vt.

Движение, при  котором скорость тела не меняется, т.е. тело за любые равные промежутки времени перемещается на одну и ту же величину, называют равномерным прямолинейным движением.

Во время старта скорость ракеты быстро возрастает, т.е. ускорение а>0, а=const.

В этом случае кинематические уравнения выглядят так:

При таком движении скорость и ускорение имеют одинаковые направления, причём скорость изменяется одинаково за любые равные промежутки времени. Этот вид движения называют равноускоренным.

При торможении автомобиля скорость уменьшается одинаково  за любые равные промежутки времени, ускорение меньше нуля; т.к. скорость уменьшается, то уравнение принимает вид:

Такое движение называется равнозамедленным.

Все физические величины, характеризующие движение тела (скорость, ускорение, перемещение), а также вид траектории, могут изменяться при переходе из одной системы к другой, т.е. характер движения зависит от выбора системы отсчёта, в этом и проявляется относительность движения. Например, в воздухе происходит дозаправка самолёта топливом. В системе отсчёта, связанной с самолётом, другой самолёт находится в покое, а в системе отсчёта, связанной с Землёй, оба самолёта находятся в движении. При движении велосипедиста точка колеса в системе отсчёта, связанной с осью, имеет траекторию: 

В системе отсчёта, связанной с Землёй вид траектории будет таким: 

Билет 2.

Взаимодействие  тел. Сила. Второй закон  Ньютона.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками, приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют сохраняет свою скорость неизменной, б) Ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действие других тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчёта.

Взаимодействия  отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что  чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие её витков. Или чем ближе два одноимённых заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила – причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчёта или их деформации. Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.

Единица силы – ньютон. Один ньютон – это  сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с² в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу 

R=F₁+F₂+…+F_n. 

Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое  и магнитное взаимодействия связаны  с наличием зарядов у частиц либо с движением заряжённых частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера – F=IlBsina, Сила Лоренца – F=qvBsina, Кулоновская сила – и гравитационные силы: закон всемирного тяготения - Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия. Для их расчёта необходимо использовать формулы: закон Гука – F_упр=-kx, сила трения – F_тр=-mN.

На основании  опытных данных были сформулированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено также, как и равнодействующая сила: Для решения задач закон часто записывают в виде F=ma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Билет 3.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Закон сохранения энергии.

Простые наблюдения и опыты доказывают, что  покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчёта; по второму закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое  или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только при действии силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Это энергия и импульс. Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается p. Единица измерения импульса – кг м/с. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: p=mv. Направление вектора импульса p совпадает с направлением вектора скорости тела v. Рис. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Для импульса тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых  физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая  не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в неё. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае p₁=p₂, где p₁ – начальный импульс системы, а p₂ – конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m₁v₁+m₂v₂=m₁v₁’+m₂v₂’, где m₁ и m₂ – массы тел, v₁ и v₂ – скорости до взаимодействия, v₁’ и v₂’ – скорости после взаимодействия. Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы; т.е. в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае не замкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Однако если в системе существует направление, по которому внешние силы не взаимодействуют или их действия скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае не замкнутой системы внешние силы не значительно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчётов в этом случае тоже можно применять закон сохранения импульса.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных  тел - от планет и звёзд до атомов и элементарных частиц – показали, что в любой системе взаимодействующих  тел при отсутствии действия со стороны  других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остаётся неизменной.

В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой m в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется от v₀ до v, то ускорение движения a тела равно На основании второго закона Ньютона для силы F можно записать F=ma=m , отсюда следует Ft=mv-mv₀.

Ft – векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время t её действия, называют импульсом силы. Единица импульса в СИ – 1 Н с.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Билет 4.

Основные  положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул. Постоянная Авогадро.

МКТ –  это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании  молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат  три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом состоянии, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Основные  положения МКТ подтверждаются многими  опытными фактами. Существование молекул, атомов ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных  микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объём объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твёрдых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твёрдые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твёрдыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии – способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого – тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твёрдых тел в жидкостях, сварка металлов путём их расплавления или путём давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение – непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, не растворимых в жидкости.