06. Прямолинейное равноускоренное движение. Ускорение

Введение

Тема урока «Неравномерное прямолинейное движение, прямолинейное равноускоренное движение. Ускорение». Для описания такого движения мы введем важную величину – ускорение.

Неравномерное движение

На предыдущих занятиях обсуждался вопрос о прямолинейном равномерном движении, т. е. таком движении, когда скорость остается величиной постоянной. А что, если скорость изменяется? В этом случае говорят в том, что движение неравномерное, то есть скорость от точки к точке меняется. Важно понимать, что скорость может увеличиваться, тогда движение будет ускоренным, или уменьшаться (рис. 1) (в этом случае мы будем говорить о движении замедленном).

В общем случае изменение скорости можно характеризовать величиной уменьшения или увеличения скорости.

Средняя скорость

Когда мы говорим о неравномерном движении, то, помимо понятия «мгновенная скорость», которым мы будем часто пользоваться, крайнюю важность приобретает и понятие «средняя скорость». Более того, именно это понятие позволит нам дать корректное определение мгновенной скорости.

Что же такое средняя скорость? Это можно понять на простом примере. Представьте себе, что вы едете на автомобиле из Москвы в Санкт-Петербург и проезжаете 700 км за 7 часов. Какова была ваша скорость во время этого перемещения? Если автомобиль проехал 700 км за 7 часов, то его скорость составляла 100 км/ч. Но это не значит, что спидометр в каждый момент времени показывал 100 км/ч, так как где-то автомобиль стоял в пробке, где-то он разгонялся, где-то он обгонял или вообще останавливался. В этом случае можно сказать, что мы искали не мгновенную скорость, а какую-то другую.

Именно для таких ситуаций в физике и вводится понятие средней скорости (а также средней путевой скорости). Сегодня мы рассмотрим и одну, и другую и выясним, какой пользоваться удобнее и практичнее.

Средней скоростью называют отношение модуля полного перемещения тела ко времени, за которое это перемещение совершено: .

Представим пример: вы вышли в магазин за покупками и вернулись домой, модуль вашего перемещения равен нулю, но ведь скорость не была равна нулю, поэтому понятие средней скорости в данном случае неудобно.

Перейдем к более практичному понятию – средняя путевая скорость. Средняя путевая скорость – отношение полного пути, которое пройдено телом, к полному времени, за которое этот путь пройден: .

Это понятие удобное, ведь путь – скалярная величина, он может только нарастать. Часто понятия средней скорости и средней путевой скорости путают, и мы также часто будем под средней скоростью иметь в виду среднюю путевую скорость.

Существует множество интересных задач на нахождение средней скорости, самые интересные из которых мы вскоре рассмотрим.

Определение мгновенной скорости через среднюю скорость движения

Для того чтобы описать неравномерное движение, мы вводим понятие мгновенной скорости, называя ее скоростью в данной точке траектории в данный момент времени. Но такое определение не будет корректным, потому что мы знаем всего два определения скорости: скорость равномерного прямолинейного движения и средняя скорость, которой мы пользуемся в случае, когда хотим найти отношение полного пути к полному времени. Эти определения в данном случае не подходят. Как же корректно найти мгновенную скорость? Здесь можно воспользоваться понятием средней скорости.

Посмотрим на рисунок, на котором изображен произвольный участок криволинейной траектории с точкой , в которой нам нужно найти мгновенную скорость (рис. 2). Для этого рассмотрим участок , который содержит точку , и нарисуем вектор перемещения на этом участке. Средней скоростью на этом участке будет отношение перемещения ко времени .

Будем уменьшать этот участок и найдем аналогичным образом среднюю скорость уже для меньшего участка. Совершая таким образом предельный переход от  к  и т. д., мы приходим к очень маленькому перемещению за очень маленький промежуток времени.

Безусловно, сначала средние скорости будут сильно отличаться от мгновенной скорости в точке , но, чем ближе мы будем приближаться к точке , тем меньше за это время будут меняться условия движения, тем больше движение будет походить на равномерное движение, для которого мы знаем, что такое скорость.

Итак, при устремлении промежутка времени к нулю средняя скорость практически совпадает со скоростью в данной точке траектории, и мы переходим к мгновенной скорости. Мгновенная скорость в данной точке траектории – это отношение малого перемещения, которое совершает тело ко времени, за которое оно произошло.

Интересно, что в английском языке для понятия скорости существует два отдельных определения: speed (модуль скорости), отсюда спидометр; velocity, первая буква которого – , отсюда обозначение вектора скорости.

Мгновенная скорость имеет направление. Вспомним, что когда мы говорили о мгновенной скорости, то рисовали перемещения ,  и т.тд. (рис. 2). По отношению к участку криволинейной траектории они являются секущими. Если ближе приближаться к точке , они станут касательными (рис. 3). Мгновенная скорость на участке траектории всегда направлена по касательной к траектории.

Например, в дождь, когда проезжающая мимо машина забрызгивает нас каплями, они летят именно по касательной к окружности, а данной окружностью является колесо автомобиля (рис. 4).

Другой пример: если к жгуту привязать камень и раскрутить, то, когда камень оторвется, он тоже полетит по касательной к траектории, по которой движется жгут.

Другие примеры мы рассмотрим при изучении равноускоренного движения.

Мгновенная скорость

Для характеристики неравномерного движения вводится новая физическая величина – мгновенная скорость. Мгновенная скорость – это скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории. Прибор, который показывает мгновенную скорость, есть на любом транспортном средстве: в автомобиле, поезде и т. д. Это прибор, который называется спидометр (от англ. speed – «скорость»).

Обращаем ваше внимание на то, что мгновенная скорость определяется как отношение перемещения ко времени, в течение которого это перемещение произошло. Если перемещение будет уменьшаться, стремиться к точке, то в этом случае можно говорить о мгновенной скорости: .

Обратите внимание, что  и  – это координаты тела (рис. 5). Если промежуток времени будет очень маленьким, то и изменение координаты произойдет очень быстро, а изменение скорости на малом промежутке будет незаметным. Скорость на данном промежутке мы характеризуем мгновенной скоростью.

Ускорение

Таким образом, неравномерное движение имеет смысл характеризовать изменением скорости от точки к точке, тем, как быстро это происходит. Это изменение скорости характеризуется величиной, которая называется ускорением. Обозначается ускорение , это векторная величина.

Ускорение – физическая величина, которая характеризует быстроту изменения скорости. По сути скорость изменения скорости – это есть ускорение. Поскольку это вектор, значение проекции ускорения может быть отрицательным и положительным.

Ускорение измеряется в  и находится по формуле: . Ускорение  определяется как отношение изменения скорости  ко времени , в течение которого это изменение произошло.

Важный момент – это разность векторов скоростей. Обратите внимание, что разность  мы обозначим  (рис. 6).

В заключение отметим, что проекция ускорения на ось точно так же, как любая векторная величина, может иметь отрицательные и положительные значения в зависимости от направления. Важно отметить, что, куда направлено изменение скорости, туда будет направлено ускорение (рис. 7). Особое значение это приобретает при криволинейном движении, когда изменяется не только значение скорости, но и направление.

Список литературы

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: учебник для 9 класса средней школы. – М.: Просвещение.

2. Слободянюк А.И. Физика 10. Часть 1. Механика. Электричество.

3. Физика. Механика. 10 класс / Под ред. Мякишева Г.Я. – М.: Дрофа.

4. Филатов Е.Н. Физика 9. Часть 1. Кинематика. – ВШМФ: Авангард.

Домашнее задание

1. Чем отличается средняя скорость от мгновенной?

2. Начальная скорость велосипедиста 36 км/ч, затем он замедлил движение до 18 км/ч. Он тормозил на протяжении 10 секунд. С каким ускорением двигался велосипедист и куда оно было направлено?

3. Мальчик вышел из пункта В и направился в пункт С, при этом пройдя 400 м, и оттуда вернулся в пункт А. Чему равна средняя путевая скорость, если расстояние от пункта А до пункта В равно 150 метров, а на всю дорогу мальчик потратил 12 минут?