Прямолинейное и криволинейное движение. Виды механического движения (прямолинейное и криволинейное) Прямолинейное равномерное и криволинейное движение

Криволинейное движение – это движение, траектория которого представляет собой кривую линию (например, окружность, эллипс, гиперболу, параболу). Примером криволинейного движения является движение планет, конца стрелки часов по циферблату и т.д. В общем случае скорость при криволинейном движении изменяется по величине и по направлению.

Криволинейное движение материальной точки считается равномерным движением, если модуль постоянен (например, равномерное движение по окружности), и равноускоренным, если модуль и направление изменяется (например, движение тела, брошенного под углом к горизонту).

Рис. 1.19. Траектория и вектор перемещения при криволинейном движении.

При движении по криволинейной траектории направлен по хорде (рис. 1.19), а l – длина . Мгновенная скорость движения тела (то есть скорость тела в данной точке траектории) направлена по касательной в той точке траектории, где в данный момент находится движущееся тело (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Мгновенная скорость при криволинейном движении.

Криволинейное движение – это всегда ускоренное движение. То есть ускорение при криволинейном движении присутствует всегда, даже если модуль скорости не изменяется, а изменяется только направление скорости. Изменение величины скорости за единицу времени – это :

Где v τ , v 0 – величины скоростей в момент времени t 0 + Δt и t 0 соответственно.

В данной точке траектории по направлению совпадает с направлением скорости движения тела или противоположно ему.

— это изменение скорости по направлению за единицу времени:

Нормальное ускорение направлено по радиусу кривизны траектории (к оси вращения). Нормальное ускорение перпендикулярно направлению скорости.

Центростремительное ускорение – это нормальное ускорение при равномерном движении по окружности.

Полное ускорение при равнопеременном криволинейном движении тела равно:

Движение тела по криволинейной траектории можно приближённо представить как движение по дугам некоторых окружностей (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Движение тела при криволинейном движении.

Кинематика изучает движения тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

1. Материальная точка – тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Материальная точка – абстракция, но ее введение облегчает решение практических задач(например, движущиеся вокруг Солнца планеты при расчетах можно принять за материальные точки).

Система отсчета - совокупность тела отсчета, системы координат, прибора для измерения времени.

Простейшими видами механического движения тел являются поступательное и вращательное движения. Движение тела называется поступательным , если все его точки движутся одинаково.

Траектория – линия, по которой движется тело (материальная точка).

Путь – длина траектории, скалярная величина.

Перемещение – направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение точки с его конечным положением. Векторная величина.

Виды механического движения (прямолинейное и криволинейное).

Равномерным прямолинейным движением называют движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения.

Скоростью равномерного прямолинейного движения тела называют величину, равную отношению перемещения тела к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло: .

Движение, при котором скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равнопеременным движением .

Величина характеризует быстроту изменения скорости. Ее называют ускорением: а = .

Ускорением движущегося тела называют величину, равную отношению изменения скорости тела к промежутку времни, в течение которого это изменение произошло.

Равноускоренное движение	Равнозамедленное движение

При вращательном движении тела его точки описывают концентрические окружности,расположенные в параллельных плоскостях.

Криволинейное движение – движение тела, траектория которого представляет собой кривую линию.

Примеры.

ЛЕКЦИЯ 2

Динамика

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.

1. Первый закон Ньютона .

Существуют такие системы отсчета, относительно которых движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела (или влияние других тел компенсируется). Такие системы отсчета называются инерциальными (ИСО).

Под понятием «сила» подразумевают меру воздействия одного тела на другое. Сила – векторная величина; она характеризуется модулем (абсолютной величиной), направлением и точкой приложения. За единицу силы в СИ принимается сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с 2 . Эта единица называется ньютоном , 1Н=1кг ∙1 м/с 2 =1 кг∙ м/с 2 .

Второй закон Ньютона .

Ускорение, получаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил и обратно пропорционально массе тела:

Запишем следствия из второго закона Ньютона:

а) если на два тела разных масс действуют равные по модулю силы, то отношение ускорений тел обратно пропорционально их массам. Сделаем вывод:

Так как , то , или по модулю ,

б) если на два тела разных масс действуют равные по модулю силы, то ускорения, приобретаемые телами, прямо пропорциональны действующим силам. Сделаем вывод:

; так как , то

Третий закон Ньютона формулируется так: при взаимодействии двух тел они действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

Эти силы приложены к разным телам, взаимодействующим между собой.

2. Закон всемирного тяготения был открыт Исааком Ньютоном; закон формулируется так: сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

где G = 6,67∙10 -11 - гравитационная постоянна.

Физический смысл гравитационной постоянной заключается в следующем: она показывает, что два тела массами по 1 кг, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, притягиваются с силой 6,67∙10 -11 Н .

Пример : сила тяжести . Если на тело действует только сила тяжести, то оно совершает свободное падение.

Весом тела называется сила, с которой тело, притягиваясь к Земле, действует на горизонтальную опору или на подвес.

Вообще во всех инерциальных системах отсчета вес тела равен по модулю силе тяжести. Вес тела – это сила, приложенная к опоре, а сила тяжести приложена к телу.

При помощи данного урока вы сможете самостоятельно изучить тему «Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью». Вначале мы охарактеризуем прямолинейное и криволинейное движение, рассмотрев, как при этих видах движения связаны вектор скорости и приложенная к телу сила. Далее рассмотрим частный случай, когда происходит движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью.

На предыдущем уроке мы рассмотрели вопросы, связанные с законом всемирного тяготения. Тема сегодняшнего урока тесно связана с этим законом, мы обратимся к равномерному движению тела по окружности.

Ранее мы говорили, что движение - это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Движение и направление движения характеризуются в том числе и скоростью. Изменение скорости и сам вид движения связаны с действием силы. Если на тело действует сила, то тело изменяет свою скорость.

Если сила направлена параллельно движению тела, то такое движение будет прямолинейным (рис. 1).

Рис. 1. Прямолинейное движение

Криволинейным будет такое движение, когда скорость тела и сила, приложенная к этому телу, направлены друг относительно друга под некоторым углом (рис. 2). В этом случае скорость будет изменять свое направление.

Рис. 2. Криволинейное движение

Итак, при прямолинейном движении вектор скорости направлен в ту же сторону, что и сила, приложенная к телу. А криволинейным движением является такое движение, когда вектор скорости и сила, приложенная к телу, расположены под некоторым углом друг к другу.

Рассмотрим частный случай криволинейного движения, когда тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Когда тело движется по окружности с постоянной скоростью, то меняется только направление скорости. По модулю она остается постоянной, а направление скорости изменяется. Такое изменение скорости приводит к наличию у тела ускорения, которое называется центростремительным .

Рис. 6. Движение по криволинейной траектории

Если траектория движения тела является кривой, то ее можно представить как совокупность движений по дугам окружностей, как это изображено на рис. 6.

На рис. 7 показано, как изменяется направление вектора скорости. Скорость при таком движении направлена по касательной к окружности, по дуге которой движется тело. Таким образом, ее направление непрерывно меняется. Даже если скорость по модулю остается величиной постоянной, изменение скорости приводит к появлению ускорения:

В данном случае ускорение будет направлено к центру окружности. Поэтому оно называется центростремительным.

Почему центростремительное ускорение направлено к центру?

Вспомним, что если тело движется по криволинейной траектории, то его скорость направлена по касательной. Скорость является векторной величиной. У вектора есть численное значение и направление. Скорость по мере движения тела непрерывно меняет свое направление. То есть разность скоростей в различные моменты времени не будет равна нулю (), в отличие от прямолинейного равномерного движения.

Итак, у нас есть изменение скорости за какой-то промежуток времени . Отношение к - это ускорение. Мы приходим к выводу, что, даже если скорость не меняется по модулю, у тела, совершающего равномерное движение по окружности, есть ускорение.

Куда же направлено данное ускорение? Рассмотрим рис. 3. Некоторое тело движется криволинейно (по дуге). Скорость тела в точках 1 и 2 направлена по касательной. Тело движется равномерно, то есть модули скоростей равны: , но направления скоростей не совпадают.

Рис. 3. Движение тела по окружности

Вычтем из скорость и получим вектор . Для этого необходимо соединить начала обоих векторов. Параллельно перенесем вектор в начало вектора . Достраиваем до треугольника. Третья сторона треугольника будет вектором разности скоростей (рис. 4).

Рис. 4. Вектор разности скоростей

Вектор направлен в сторону окружности.

Рассмотрим треугольник, образованный векторами скоростей и вектором разности (рис. 5).

Рис. 5. Треугольник, образованный векторами скоростей

Данный треугольник является равнобедренным (модули скоростей равны). Значит, углы при основании равны. Запишем равенство для суммы углов треугольника:

Выясним, куда направлено ускорение в данной точке траектории. Для этого начнем приближать точку 2 к точке 1. При таком неограниченном прилежании угол будет стремиться к 0, а угол - к . Угол между вектором изменения скорости и вектором самой скорости составляет . Скорость направлена по касательной, а вектор изменения скорости направлен к центру окружности. Значит, ускорение тоже направлено к центру окружности . Именно поэтому данное ускорение носит название центростремительное .

Как найти центростремительное ускорение?

Рассмотрим траекторию, по которой движется тело. В данном случае это дуга окружности (рис. 8).

Рис. 8. Движение тела по окружности

На рисунке представлены два треугольника: треугольник, образованный скоростями, и треугольник, образованный радиусами и вектором перемещения. Если точки 1 и 2 очень близки, то вектор перемещения будет совпадать с вектором пути. Оба треугольника являются равнобедренными с одинаковыми углами при вершине. Таким образом, треугольники подобны. Это значит, что соответствующие стороны треугольников относятся одинаково:

Перемещение равно произведению скорости на время: . Подставив данную формулу, можно получить следующее выражение для центростремительного ускорения:

Угловая скорость обозначается греческой буквой омега (ω), она говорит о том, на какой угол поворачивается тело за единицу времени (рис. 9). Это величина дуги в градусной мере, пройденной телом за некоторое время.

Рис. 9. Угловая скорость

Обратим внимание, что если твердое тело вращается, то угловая скорость для любых точек на этом теле будет величиной постоянной. Ближе точка располагается к центру вращения или дальше - это не важно, т. е. от радиуса не зависит.

Единицей измерения в этом случае будет либо градус в секунду (), либо радиан в секунду (). Часто слово «радиан» не пишут, а пишут просто . Для примера найдем, чему равна угловая скорость Земли. Земля делает полный поворот на за ч, и в этом случае можно говорить о том, что угловая скорость равна:

Также обратите внимание на взаимосвязь угловой и линейной скоростей:

Линейная скорость прямо пропорциональна радиусу. Чем больше радиус, тем больше линейная скорость. Тем самым, удаляясь от центра вращения, мы увеличиваем свою линейную скорость.

Необходимо отметить, что движение по окружности с постоянной скоростью - это частный случай движения. Однако движение по окружности может быть и неравномерным. Скорость может изменяться не только по направлению и оставаться одинаковой по модулю, но и меняться по своему значению, т. е., кроме изменения направления, существует еще изменение модуля скорости. В этом случае мы говорим о так называемом ускоренном движении по окружности.

Что такое радиан?

Существует две единицы измерения углов: градусы и радианы. В физике, как правило, радианная мера угла является основной.

Построим центральный угол , который опирается на дугу длиной .

https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Подумай и ответь! 1. Какое движение называется равномерным? 2. Что называется скоростью равномерного движения? 3. Какое движение называется равноускоренным? 4. Что такое ускорение тела? 5. Что такое перемещение? Что такое траектория?

Тема урока: Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по окружности.

Механические движения Прямолинейное Криволинейное Движение по эллипсу Движение по параболе Движение по гиперболе Движение по окружности

Цели урока: 1. Знать основные характеристики криволинейного движения и связь между ними. 2. Уметь применять полученные знания при решении экспериментальных задач.

План изучения темы Изучение нового материала Условие прямолинейного и криволинейного движения Направление скорости тела при криволинейном движении Центростремительное ускорение Период обращения Частота обращения Центростремительная сила Выполнение фронтальных экспериментальных заданий Самостоятельная работа в форме тестов Подведение итогов

По виду траектории движение бывает: Криволинейное Прямолинейное

Условия прямолинейного и криволинейного движения тел (Опыт с шариком)

стр.67 Запомнить! Работа с учебником

Движение по окружности – частный случай криволинейного движения

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Характеристики движения – линейная скорость криволинейного движения () – центростремительное ускорение () – период обращения () – частота обращения ()

Запомнить. Направления движения частиц совпадает с касательной к окружности

При криволинейном движении скорость тела направлена по касательной к окружности Запомнить.

При криволинейном движении ускорение направлено к центру окружности Запомнить.

Почему ускорение направлено к центру окружности?

Определение скорости - скорость - период обращения r - радиус окружности

При движении тела по окружности модуль вектора скорости может меняться или оставаться постоянным, но направление вектора скорости обязательно меняется. Поэтому вектор скорости является величиной переменной. Значит движение по окружности всегда происходит с ускорением. Запомнить!

Предварительный просмотр:

Тема: Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по окружности.

Цели: Изучить особенности криволинейного движения и, в частности, движения по окружности.

Ввести понятие центростремительного ускорения и центростремительной силы.

Продолжить работу по формированию ключевых компетенций учащихся: умения сравнивать, анализировать, делать выводы из наблюдений, обобщать опытные данные на основе имеющихся знаний о движении тела формировать умения использовать основные понятия, формулы и физические законы движения тела при движении на окружности.

Воспитывать самостоятельность, учить детей сотрудничеству, воспитывать уважение к мнению других, пробуждать любознательность и наблюдательность.

Оборудование урока: компьютер, мультемедийный проектор, экран, шарик на резинке, шарик на нити, линейка, метроном, юла.

Оформление: «Мы истинно свободны, когда сохранили способность рассуждать самостоятельно». Цецерон.

Вид урока: урок изучения нового материала.

Ход урока:

Организационный момент:

Постановка проблемы: Какие виды движений мы изучили?

(Ответ: Прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное.)

План урока:

Актуализация опорных знаний (физическая разминка) (5 мин)

Какое движение называется равномерным?
Что называется скоростью равномерного движения?
Какое движение называется равноускоренным?
Что такое ускорение тела?
Что такое перемещение? Что такое траектория?

Основная часть. Изучение нового материала. (11 мин)

Постановка проблемы:

Задание учащимся: Рассмотрим вращение юлы, вращение шарика на нити (демонстрация опыта). Как можно охарактеризовать их движения? Что общего в их движении?

Учитель: Значит, наша задача на сегодняшнем уроке ввести понятие прямолинейного и криволинейного движения. Движения тела по окружности.

(запись темы урока в тетрадях).

Тема урока .

Слайд № 2.

Учитель: Для постановки целей я предлагаю проанализировать схему механического движения. (виды движения, научность)

Слайд № 3.

Какие цели к нашей теме поставим?

Слайд № 4.

Я предлагаю изучить эту тему по следующему плану . (Выделить основное)

Вы согласны?

Слайд № 5.

Взгляните на рисунок. Рассмотрите примеры видов траекторий, встречающихся в природе и технике.

Слайд № 6.

Действие на тело силы в одних случаях может привести только к изменению модуля вектора скорости этого тела, а в других – к изменению направления скорости. Покажем это на опытах.

(Проведение опытов с шариком на резинке)

Слайд № 7

Сделайте вывод от чего зависит вид траектории движения.

(Ответ)

А теперь сравним данное определение с тем, которое дается в вашем учебнике на стр. 67

Слайд № 8.

Рассмотрим рисунок. Как можно связать криволинейное движение с движением по окружности.

(Ответ)

То есть кривую линию можно переставить в виде совокупности дуг окружностей разных диаметров.

Сделаем вывод :…

(Записать в тетрадь)

Слайд № 9.

Рассмотрим какие физические величины характеризуют движение по окружности.

Слайд № 10.

Рассмотрим пример движения автомобиля. Что вылетает из под колес? Как она движется? Как направлены частицы? Чем защищаются от действия этих частиц?

(Ответ)

Сделаем вывод : …(о характере движения частиц)

Слайд № 11

Давайте рассмотрим как направлена скорость при движении тела по окружности. (Анимация с лошадкой.)

Сделаем вывод : …(как направлена скорость.)

Слайд № 12.

Выясним, как направлено ускорение при криволинейно движении, которое появляется здесь в связи с тем, что происходит изменение скорости по направлению.

(Анимация с мотоциклистом.)

Сделаем вывод : …(как направлено ускорение)

Запишем формулу в тетрадь.

Слайд № 13.

Рассмотрите рисунок. Сейчас мы выясним почему ускорение направлено к центру окружности.

(объяснение учителя)

Слайд № 14.

Какие выводы можно сделать о направлении скорости и ускорения?

Существуют и другие характеристики криволинейного движения. К ним относятся период и частота обращения тела по окружности. Скорость и период связаны соотношением, которую установим математически:

(Учитель пишет на доске, учащиеся делают запись в тетрадях)

Известно , а путь , то .

Так как , то

Слайд № 15.

Какой же общий вывод моно сделать о характере движения по окружности?

(Ответ)

Слайд № 16. ,

По II закону Ньютона ускорение всегда сонаправлено с силой, в результате действия которой оно возникает. Это справедливо и для центростремительного ускорения.

Давайте сделаем вывод : Как же направлена сила в каждой точке траектории?

(ответ)

Такая сила называется центростремительной.

Запишем формулу в тетрадь.

(Учитель пишет на доске, учащиеся делают запись в тетрадях)

Центростремительная сила создается всеми силами природы.

Приведите примеры действия центростремительных сил по их природе:

сила упругости (камень на веревке);
сила тяготения (планеты вокруг солнца);
сила трения (движение на поворотах).

Слайд № 17 .

Для закрепления я предлагаю провести эксперимент. Для этого создадим три группы.

I группа установит зависимость скорости от радиуса окружности.

II группа измерит ускорение при движении по окружности.

III группа установит зависимость центростремительного ускорения от числа оборотов в единицу времени.

Слайд № 18.

Подведение итогов . Как зависит скорость и ускорение от радиуса окружности?

Проведем тестирование для первичного закрепления. (7 мин)

Слайд № 19.

Оцените свою работу на уроке. Продолжите предложения на листочках.

(Рефлексия. Отдельные ответы учащиеся озвучивают вслух.)

Слайд № 20.

Домашнее задание: §18-19,

Упр. 18 (1, 2)

Дополнительно упр. 18 (5)

(Учитель комментирует)

Слайд № 21.

Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью
Законы взаимодействия и движения тел

Если сила направлена параллельно движению тела, то такое движение будет прямолинейным (рис. 1).

Рис. 1. Прямолинейное движение

Рис. 2. Криволинейное движение

Рис. 6. Движение по криволинейной траектории

Почему центростремительное ускорение направлено к центру?

Рис. 3. Движение тела по окружности

Рис. 4. Вектор разности скоростей

Вектор направлен в сторону окружности.

Рассмотрим треугольник, образованный векторами скоростей и вектором разности (рис. 5).

Рис. 5. Треугольник, образованный векторами скоростей

Как найти центростремительное ускорение?

Рассмотрим траекторию, по которой движется тело. В данном случае это дуга окружности (рис. 8).

Рис. 8. Движение тела по окружности

Рис. 9. Угловая скорость

Также обратите внимание на взаимосвязь угловой и линейной скоростей:

Что такое радиан?

Построим центральный угол , который опирается на дугу длиной .