Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 10 клас>>Фізика: Фізичне тіло і матеріальна точка.

ФІЗИЧНЕ ТІЛО І МАТЕРІАЛЬНА ТОЧКА. ПОСТУПАЛЬНИЙ РУХ. СИСТЕМА ВІДЛІКУ
Під час дослідження руху якогось тіла постає завдання визначати його положення у просторі у певні моменти часу. Наприклад, ми хочемо описати рух каменя, який кинули у річку. Камінь має певні розміри і форму, складається з величезної кількості атомів, під час польоту він безладно обертається, окремі його точки рухаються по-різному. Щоб описати детально рух такого тіла, треба дослідити рух усіх його частинок — це настільки складна задача, що на її розв'язання не вистачить обчислювальних потужностей і часу.
Проте у фізиці часто задачу, залежно від її умов, можна розв'язати наближено й отримати цілком задовільний результат. Для цього замість реального тіла розглядають його спрощену ідеальну модель, тобто об'єкт, у якому нехтують несуттєвими для даної задачі властивостями заданого тіла, залишаючи лише його основні, визначальні риси.
Якщо камінь у наведеному прикладі до падіння у воду подолав відстань, значно більшу за його розміри, то вони не будуть суттєво впливати на характер його руху й у граничному випадку тіло можна вважати точкою.

Крім того, на рух тіла не впливають його атомна структура, теплові, електричні, оптичні властивості тощо. Для опису у спрощеній моделі руху тіла, а пізніше і причин цього руху, досить, щоб геометрична точка мала масу, що дорівнює масі даного тіла, і могла рухатись. Таку ідеальну модель реального тіла називають матеріальною точкою. Матеріальною точкою є тіло, розмірами якого за даних умов руху можна знехтувати.
У наведеному визначенні дуже важливі слова «за даних умов руху», які виражають обмеженість застосування даного поняття. Матеріальна точка — поняття відносне, а не абсолютне. Одне й те саме тіло в одній задачі можна розглядати як матеріальну точку (рух космічного корабля на орбіті, рух океанського лайнера, які є малими порівняно з протяжністю шляхів, що вони долають), а в іншій — як тіло скінченних розмірів і певної форми (стикування одного космічного корабля з іншим). У більшості випадків далі у нашому курсі вважатимемо рухомі тіла матеріальними точками. Зрозуміло, що задача опису механічного руху тіл дуже спроститься.
У наведених вище прикладах усі точки рухомого тіла рухалися по-різному. Але на практиці дуже часто тіла рухаються так, що всі їх точки рухаються однаково. Однаково рухаються точки кузова автомобіля на прямій ділянці дороги, різця токарного верстата, вантажу на канаті підіймального крана (мал. 1, а), кабінок колеса огляду (мал. 1, б), поршня у циліндрі двигуна автомобіля, шухляди, що витягують зі столу, санчат, що опускаються з гори, голки швейної машини, ручки під час писання (мал. 1, в) тощо.
Рух тіла, під час якого всі його точки рухаються однаково, називають поступальним.
Коли тіло рухається поступально, будь-який виділений напрям у тілі, наприклад пряма вздовж планки висувної шухляди, залишається паралельним своєму положенню у будь-який момент часу. Іншими словами, тіло при поступальному русі не обертається. Зрозуміло, що під час дослідження поступальних рухів досить описати рух лише однієї точки тіла, що також значно спрощує розв'язання основної задачі механіки.
Місцезнаходження досліджуваного тіла під час руху можна визначити, вказавши його розташування відносно іншого тіла.
Тіло, відносно якого визначають положення інших тіл у різні моменти часу, називають тілом відліку.
Для визначення положення тіла відносно тіла відліку математично користуються певною системою координат. За початок декартової системи координат беруть довільну точку тіла відліку, з якою жорстко пов'язують осі системи. Користуючись одиничним масштабом, можна визначити координати х, у, г будь-якої точки простору, відкладаючи масштаб у напрямі координатних осей. Положення кожної точки у просторі визначається трьома координатами, на площині — двома, на прямій — однією (мал. 2).

Якщо точка рухається відносно тіла відліку, то потрібно знати не тільки де, а й коли вона перебуває у відповідному місці. Отже, для одержання повної інформації про рух тіла (точки), треба вміти вимірювати час. Час вимірюють, використовуючи який-небудь перебіг рівномірного періодичного процесу, наприклад хід годинника.
Тіло відліку, з яким пов'язана система координат, і годинник для вимірювання часу утворюють сисему відліку. Наведемо приклад системи відліку, яка відрізняється від описаної вище. Щоб виявити місцезнаходження літака, радіолокатор посилає сигнал і через час і приймає відбитий сигнал (мал. 3).

Місцезнаходження літака відносно радіолокатора у цьому разі визначається також трьома координатами: відстанню до літака І і двома кутами, які визначають за розташуванням антени під час вимірювань, — кутом азимуту напряму на літак відносно напряму на північ і кутом між горизонталлю та напрямом на літак.
Під час руху положення тіла змінюється відносно системи координат, тобто з часом змінюються і значення координат певної точки тіла. Розглянемо, як у фізиці визначають зміну фізичної величини з часом. Наприклад, координати точки, відлічені вздовж осей координат у момент часу, який прийняли за початковий (і0 = 0), дорівнювали відповідно х0, у0, г0. Через певний інтервал часу і - і0 (або просто і, оскільки і0 = 0) вони змінилися і набули значень х, у, г. Це означає, що за час і координата х змінилася на (х - х0), координата у — на (у - у0), координата г — на (г - г0). Кожна з різниць х - х0, у - у0, г - г0 є також фізичною величиною — зміною координат х, у, г за відповідний інтервал (зміну) часу і - і0. Щоб визначити зміну будь-якої фізичної величини, треба від її кінцевого значення відняти її початкове значення.
Часто застосовують скорочений запис зміни фізичної величини за допомогою знака А (грецька літера дельта), який пишуть перед позначенням змінюваної фізичної величини.

_____________________________________________________________________

В. Д. Сиротюк, В. І. Баштовий, Фізика, 10 клас
Надслано читачами інтернет-сайтів

КІНЕМАТИКА.  ВСТУП. ОСНОВНА ЗАДАЧА МЕХАНІКИ. МЕХАНІЧНИЙ РУХ. СИСТЕМИ КООРДИНАТ І СИСТЕМИ ВІДЛІКУ
Товарний потяг їде зі швидкістю 50 км/год. Позаду нього на відстані 1 км з-за повороту з'являється експрес, що проходить за 1 годину 70 км. Машиніст експреса, помітивши попереду товарний потяг, починає гальмувати. При цьому необхідно не менш ніж 2 км, щоб експрес зупинився. Чи станеться катастрофа? Чому потрібні 2 км, щоб зупинити експрес? На ці та багато інших запитань відповідає розділ фізики, який називається «Механіка».
Що таке механічний рух
Усі ви напевне знаєте вислів давньогрецького філософа Гераклі-та Ефеського (кін. VI — поч. V ст. до н. е.): «Все тече, все змінюється». Інакше кажучи, все у світі перебуває в русі. Найпростішою з форм руху є механічний рух.
Механічний рух — зміна з часом положення тіла або частин тіла у просторі відносно інших тіл.
Нагадаємо, що Всесвіт за розмірами матеріальних тіл у ньому ділять на три рівні: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт. До мікросвіту належать атоми, молекули та частинки, що їх складають; до макросвіту — планети, фізичні тіла, що оточують людину, сама людина; до мегасвіту — зорі, галактики та інші величезні космічні об'єкти. Механічний рух — це рух об'єктів макро- та мегасвіту.
Механічний рух умовно ділять на два найпростіші види: поступальний рух і обертальний рух.
■ Поступальний рух — це такий рух тіла, у ході якого всі точки тіла рухаються однаково.
Поступально рухаються сходи ескалатора метро, курсор на моніторі комп'ютера, потяг на прямолінійній ділянці шляху тощо. Під час поступального руху будь-яка пряма лінія, уявно проведена в тілі, залишається паралельною сама собі (рис. 5.1).

Обертальний рух, або обертання,— це такий рух тіла, коли всі точки тіла рухаються по колах, центри яких розташовані на одній прямій лінії — на осі обертання.
Добове обертання Землі, обертання дзиґи, обертання Землі навколо Сонця — усе це приклади обертального руху.
Якщо перевернути велосипед колесами догори і розкрутити їх, то одержимо обертальний рух коліс; при цьому віссю обертання кожного колеса буде вісь, на якій воно прикріплене до корпусу велосипеда. А от під час звичайного руху велосипеда точки на його колесах здійснюють складніший рух, який являє собою суму поступального та обертального рухів. Слід зазначити, що, як правило, рух будь-якого тіла — це сума поступального та обертального рухів.
Що вивчає механіка
Механіка — наука про механічний рух матеріальних тіл і взаємодії, що відбуваються при цьому між тілами.
■ Основна задача механіки — пізнати закони механічного руху матеріальних тіл, взаємодій між тілами; передбачати поведінку тіл на основі законів механіки; визначати механічний стан (координати та швидкість руху) тіла у будь-який момент часу.
Наприклад, блискучим досягненням механіки Ньютона було пізнання законів руху планет Сонячної системи, визначення часу сонячних затемнень у майбутньому й минулому.
Знайомство з механікою традиційно почнемо з кінематики.
■ Кінематика (від грецьк. кіпєтаіов — рух) — розділ механіки, що вивчає рух тіл і при цьому не розглядає причини, якими цей рух викликаний.
Інакше кажучи, кінематика не відповідає на запитання на зразок: «Чому потрібні саме 2 км, щоб зупинити експрес?» — вона займається тільки описом руху. А от причини зміни руху тіл розглядають у розділі механіки, що називається динамікою.
Чому без вибору системи відліку неможливо розв'язати основну задачу механіки
Зверніть увагу: будь-який механічний рух є відносним. У природі немає нерухомих тіл, а отже, немає якогось абсолютно «зручного» тіла, відносно якого можна розглядати рух решти тіл. Тому залежно від поставленого завдання спостерігач обирає певне тіло й, умовно вважаючи його нерухомим, розглядає рух решти тіл саме відносно обраного тіла. Таке тіло називають тілом відліку.
Тіло відліку — це тіло, яке в умовах даної задачі вважається нерухомим і відносно якого вивчають рух усіх інших тіл, що розглядаються в цій задачі.
Взагалі, за тіло відліку можна взяти будь-яке тіло, однак слід виходити з міркувань зручності. Так, якщо розглядається рух потяга з пункту А до пункту В, то за тіло відліку доцільно взяти тіло, нерухоме відносно Землі, наприклад залізничну станцію. А от якщо розглядається рух пасажира в цьому потязі, то за тіло відліку зручно обрати полицю вагона або будь-яке інше тіло, нерухоме відносно потяга.
Механічний рух відбувається в просторі і часі, тому для опису механічного руху насамперед необхідно вміти визначати положення тіла в просторі. Для цього з тілом відліку пов'язують систему координат.
Зручно використовувати прямокутну (декартову) систему координат, яка задається за допомогою трьох взаємно перпендикулярних координатних осей (ОХ, ОУ і О2) *, які перетинаються в одній точці — у початку відліку. По осях відкладають відстані в обраній шкалі довжин, наприклад у метрах. Значення відстаней, відлічуваних від початку відліку в напрямку осі координат, вважаються додатними, у протилежному напрямку — від'ємними. В обраній системі координат положення точки у просторі задається трьома координатами (х; у; г) або радіус-вектором (г) (рис. 5.2).
ІРадіус-вектор — вектор, що сполучає початок відліку з положенням точки в довільний момент часу.
Скажімо, щоб задати положення підводного човна (рис. 5.3), спочатку потрібно обрати тіло відліку (наприклад, будівля порту), а потім з тілом відліку зв'язати осі координат (ОХ, ОУ і Ог), на яких задати одиничний відрізок (200 м). Відповідно положення точки А на підводному човні буде задане трьома координатами: х = 600 м, у = 500 м, г = -700м.
На практиці часто доводиться мати справу з рухами, які відбуваються тільки в одній площині (рух човна по поверхні води, біг спортсмена по колу стадіону) або тільки вздовж однієї прямої (рухи автомобіля або
пішохода на прямій ділянці дороги, каменя, що падає вертикально вниз). У таких випадках для опису положення тіла досить використати відповідно двовимірну (рис. 5.4) або одновимірну (рис. 5.5) систему координат.

При цьому, щоб визначити положення тіла в який-небудь момент часу, недостатньо задати систему координат і пов'язати її з тілом відліку, необхідний ще прилад для відлічування часу.
■ Тіло відліку, пов'язана з ним система координат і прилад для відлічування часу утворюють систему відліку.
Зверніть увагу: судити про механічний рух без зазначення системи відліку (далі —
СВ) неможливо. Дуже часто СВ уже визначено умовою задачі. Наведемо приклад найпростішої задачі про механічний рух.
Задача. Автомобіль рухається прямолінійним шосе з пункту А до пункту В, відстань між якими 100 км. Де перебуватиме автомобіль через 1 год, якщо відомо, що всю відстань він подолає за 2 год? Швидкість руху автомобіля вважати постійною.
У задачі не визначено тіло відліку, але очевидно, що це тіло на поверхні Землі. Тобто Земля — це зручне для даного випадку умовно нерухоме тіло, яке й беруть за тіло відліку. Автомобіль рухається прямолінійним шосе, отже, у задачі слід використати од-новимірну систему координат. Вісь координат доцільно напрямити вздовж прямої АВ, а початок відліку сумістити з точкою А. Одиничний відрізок уже задано — 1 км. Також у задачі визначено одиницю часу (1 год) і момент початку відліку часу (момент, коли автомобіль виїхав із пункту А).
Розв'язуючи задачу, легко визначимо, що через 1 год автомобіль перебуватиме в точці, координата якої х = 50 км. Також можна визначити положення автомобіля й у будь-який інший момент часу його руху з пункту А до пункту В, іншими словами — розв'язати основну задачу механіки.
4 Які задачі розв'язує механіка в наш час
Механіка вивчає закони, яким підпорядковуються різні види рухів,— від руху планет і космічних кораблів до руху газу та нафти трубопроводами. Усе це дуже важливе для практичної діяльності
людей, тому механіка, що є найдавнішим розділом фізики, і нині інтенсивно розвивається. Наведемо кілька прикладів.
На початку минулого століття потужний імпульс розвиткові механіки дала авіація: було потрібно визначити, якою має бути форма крила літака, щоб піднімальна сила літака була найбільшою, яким повинен бути корпус, щоб на надзвукових швидкостях опір його руху був найменшим, і т. д.
У середині XX ст. виникла низка задач, пов'язаних із космічними польотами, наприклад розрахунок траєкторії руху ракети.
З кінця XX ст. велику увагу приділяють механіці нелінійних коливань — коливань великої амплітуди (нелінійних коливань, наприклад, зазнає земна поверхня під час землетрусів у 6-7 балів за шкалою Ріхтера). Дослідженнями нелінійних коливань займались українські фізики М. М. Крилов, М. М. Боголюбов, Ю. О. Митропольський.
Звичайно механіка розв'язує також інші важливі задачі.
Підбиваємо підсумки
Механіка — наука про рух матеріальних тіл у мегасвіті й макросвіті та про взаємодії, що відбуваються при цьому між тілами.
Основна задача механіки — пізнати закони руху матеріальних тіл, взаємодій між ними й передбачити їхню поведінку на основі законів механіки.
Механічний рух — зміна з часом положення тіла або частин тіла у просторі відносно інших тіл. Найпростіші види руху — поступальний і обертальний. У ході поступального руху всі точки тіла рухаються по паралельних один одному відрізках прямих ліній. У ході обертального руху точки тіла рухаються по колах, центри яких розташовані на осі обертання тіла. На практиці тіло зазвичай здійснює обидва види рухів одночасно.
Будь-який рух відбувається як у просторі, так і в часі. Тіло відліку, пов'язана з ним система координат і прилад для відлічування часу утворюють систему відліку (СВ). Розв'язуючи будь-яку задачу про механічний рух, обов'язково слід обрати систему відліку.
_________________________________________________________________

В. Г. Бар'яхтар, Ф. Я. Божинова, Фізика, 10 клас
Надіслано читачами інтернет-сайтів

ФІЗИЧНЕ ТІЛО ТА МАТЕРІАЛЬНА ТОЧКА
Як ви вже знаєте, у фізиці тілом (точніше, фізичним тілом) називають будь-який предмет: це може бути, наприклад, планета, автомобіль чи навіть піщинка.
У багатьох задачах для опису руху тіла достатньо задати рух тільки однієї його точки. У такому разі тіло по думки замінюють однією точкою.
Тіло, розмірами якого в даній задачі можна знехтувати,
називають матеріальною точкою.
Матеріальна точка є найпростішою моделлю тіла, використання якої значно спрощує опис його руху.
Далі ми розглядатимемо в основному задачі, у яких тіло можна вважати матеріальною точкою.
КОЛИ ТІЛО МОЖНА ВВАЖАТИ МАТЕРІАЛЬНОЮ ТОЧКОЮ?
Чи можна вважати тіло матеріальною точкою, залежить не від розмірів тіла («велике» воно чи «маленьке»), а від поставленої задачі. Тому те саме тіло в одних задачах може розглядатися як матеріальна точка, а в інших — ні.
Так, тіло можна вважати матеріальною точкою, якщо розміри тіла малі порівняно з відстанню, пройденою тілом, оскільки в цьому випадку розбіжність у русі різних точок тіла є несуттєвою. Розглянемо приклади.
Рух літака. Якщо треба знайти час перельоту літака між двома містами, літак можна вважати матеріальною точкою, оскільки розміри літака набагато менші, ніж відстань між містами (рис. 1.1).
Якщо ж потрібно описати рух літака під час виконання фігур вищого пілотажу, то літак не можна вважати матеріальною точкою, адже слід враховувати, що при цьому різні точки літака рухаються по-різному: літак може похитувати крилами, піднімати й опускати ніс. Для опису руху літака треба при цьому задавати положення декількох точок літака (наприклад, А, В, С на рис. 1.2), тобто в цьому випадку літак не можна вважати матеріальною точкою.
Рух Землі. Розглядаючи рух Землі навколо Сонця, Землю можна вважати матеріальною точкою, адже розміри Землі набагато менші, ніж відстань від Землі до Сонця (рис. 1.3). Розглядаючи силу, що діє на Землю з боку Сонця, Землю також часто можна вважати матеріальною точкою.
Якщо ж нас цікавить положення різних точок Землі в різні моменти під час її добового обертання, Землю не можна розглядати як матеріальну точку (рис. 1.4).

Тіло можна вважати матеріальною точкою також за умови поступального руху тіла, тобто під час такого руху, коли всі точки тіла рухаються однаково (при цьому будь-який відрізок, що з'єднує дві точки тіла, залишається паралельним самому собі), оскільки під час поступального руху для опису руху тіла достатньо задати рух тільки однієї точки тіла. Розглянемо приклад.
Політ лижника з трампліна. Під час стрибка з трампліна лижник у польоті рухається практично поступально. Тому для опису руху лижника достатньо задати рух тільки однієї його точки (рис. 1.5). Отже, описуючи рух лижника, людину можна вважати матеріальною точкою.

________________________________________________________

Л. Е. Генденштейн, І. Ю. Ненашев, Фізика, 10 клас
Надіслано читачами інтернет-сайтів

_{уроки фізики, програма з фізики, реферати з фізики для 10 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.