Механическое движение. Относительность движения. Система отсчета. Материальная точка

Вспомните: вы сидите в вагоне поезда и смотрите на поезд, стоящий рядом. Вдруг вам показалось, что ваш поезд тронулся с места, ведь за окном начали проплывать вагоны соседнего поезда. И тут вы смотрите в окно напротив и... понимаете, что ваш поезд по-прежнему стоит на перроне, а движется поезд, который стоял рядом. А если бы окна напротив не было, смогли бы вы определить, какой поезд тронулся — ваш или соседний?

Знакомимся с механическим движением

Все в мире находится в движении (рис. 6.1): миллиарды лет, которые существует Вселенная, разлетаются в разные стороны галактики; Земля вращается вокруг Солнца, делая один оборот за год; за несколько часов самолет перелетает из Киева в Мадрид; в капле воды множество микробов ежесекундно передвигаются с места на место; все время движутся молекулы.

Несмотря на разнообразие примеров движения, у них есть общее: во-первых, все движущиеся тела изменяют свое положение в пространстве относительно других тел; во-вторых, изменение положения тел происходит с течением времени.

Простейшей разновидностью движения является механическое движение.

Механическое движение — это изменение со временем положения тела или частей тела в пространстве относительно других тел.

Даем определение системы отсчета

Когда тело движется, его положение в пространстве изменяется. Для определения положения тела в пространстве используют систему координат, которую связывают с телом отсчета.

Тело отсчета — это тело, относительно которого рассматривают положение движущегося тела.

Выбор тела отсчета является произвольным. За тело отсчета можно взять любое тело исходя из соображений удобства. Это может

быть как вагон поезда, так и платформа вокзала, как дерево на обочине дороги, так и мчащийся автомобиль. Телом отсчета могут быть и планета Земля, и Солнце, и далекая галактика.

Какое тело, по вашему мнению, целесообразно принять за тело отсчета, исследуя ваше движение на перемене; на уроке физкультуры; во время путешествия?

После того как тело отсчета выбрано, с ним связывают систему координат, которую задают с помощью одной, двух или трех координатных осей. Вдоль осей откладывают расстояния в выбранном масштабе, например в километрах или метрах (рис. 6.2, 6.3).

Изменение положения тела происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, поэтому для исследования механического движения необходим прибор для отсчета времени — часы.

Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета.

Выясняем, когда тело можно считать материальной точкой

Обычно во время движения тела каждая его точка движется по-разному. На практике исследовать движение всех точек тела довольно сложно и, как правило, нет необходимости. Описывая движение тела, размеры которого намного меньше, чем расстояния, которые оно преодолевает, тело заменяют физической моделью — материальной точкой. Материальная точка не имеет размеров, а ее масса равна массе данного тела.

Материальная точка — это физическая модель тела, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Одно и то же тело в условиях одной задачи можно считать материальной точкой, а в условиях другой — нельзя.

Представьте автомобиль, который движется по трассе из Одессы в Киев, и этот же автомобиль, когда он паркуется на автостоянке. В первом случае, исследуя движение автомобиля, его размерами можно пренебречь.

То есть можно не учитывать, что при движении автомобиля его отдельные точки двигались по-разному, ведь расстояние, которое проехал автомобиль, было намного больше, чем, скажем, его длина. А вот во втором случае пренебречь размерами автомобиля нельзя.

Попробуйте привести аналогичные примеры, взяв в качестве исследуемых тел человека, Землю, карандаш, дерево.

Обратите внимание! Когда мы определяем координаты тела, то считаем это тело материальной точкой. Далее, когда будем говорить о движении тела, будем считать, что речь идет о движении материальной точки.

Узнаем об относительности движения и покоя

То, что тело отсчета выбирается произвольно, означает, что состояние движения и состояние покоя относительны.

Представьте пассажира, который сидит в вагоне движущегося поезда (рис. 6.4). Относительно сиденья и вагона пассажир не изменяет своего положения со временем, то есть находится в состоянии покоя, а относительно деревьев за окном — движется.

I Читая этот текст, вы, скорее всего, сидите в классе за партой или дома за столом. Назовите тела, относительно которых вы движетесь, и тела, относительно которых вы пребываете в состоянии покоя. Относительность движения дает возможность «остановить» движущийся автомобиль. Для этого нужен еще один автомобиль, который будет ехать рядом с первым, не отставая и не обгоняя его. В таком случае автомобили относительно друг друга будут пребывать в состоянии покоя. Вспомните, как каскадеры пересаживаются с одного мчащегося автомобиля на другой, который движется рядом! Тот же принцип используют и для заправки самолета топливом во время полета (рис. 6.5).

Подводим итоги

Механическое движение — изменение со временем положения тела или частей тела в пространстве относительно других тел. Тело, относительно которого рассматривают положение движущегося тела, называется телом отсчета.

Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета. Состояния движения и покоя зависят от выбора системы отсчета, то есть являются относительными.

В физике для упрощения описания движения тела используют физическую модель — материальную точку. Материальная точка — это тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение механического движения. Приведите примеры.

2. Что такое тело отсчета? 3. Как задают систему координат? 4. Какие объекты образуют систему отсчета? 5. В каких случаях движущееся тело можно рассматривать как материальную точку? 6. Как вы понимаете выражение «механическое движение относительно»?

Упражнение № 6

1. Определите, относительно каких тел рассматривается движение в следующих примерах: а) кусок пенопласта неподвижно лежит на поверхности воды в реке; б) мимо автомобиля «пролетают» придорожные столбы; в) Солнце утром встает на востоке, а вечером садится на западе.

2. Яков Исидорович Перельман (1882-1942) в своей книге «Занимательная физика» описывает случай, который произошел с пилотом самолета в начале XX в. (самолеты тогда летали сравнительно медленно, а кабина пилота была открытой). Поднявшись на высоту 2 км, пилот заметил у своего лица какой-то предмет. Подумав, что это насекомое, пилот поймал предмет рукой. Но «насекомое» оказалась ружейной пулей. Почему пилот смог поймать пулю?

3. Можно ли считать космический корабль материальной точкой, когда он: а) осуществляет перелет Земля — Марс? б) совершает посадку на поверхность Марса?

4. Координаты дерева, камня и светофора, расположенных на обочине прямолинейного участка дороги, соответственно таковы: х_д = -1 км; х_к = 2 км; х_с = 3,5 км. Начертите ось координат, обозначьте на ней начало координат и положения указанных тел. Определите расстояния между телами.

Экспериментальное задание

Свяжите с вашим столом двухмерную систему координат, приняв за начало координат любой угол стола, а в качестве осей координат — края стола, прилегающие к этому углу. Определите координаты ластика, настольной лампы или других предметов на столе. Представьте отчет в виде рисунка в определенном масштабе. На рисунке укажите масштаб, оси координат, расположение предметов и их координаты.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий