Система відліку у фізиці - що це, визначення та види. Що таке механічний рух: визначення переміщення у фізиці
Сторінка 1
Тіло відліку разом із сукупністю приладів для вимірювання часу та відстаней називають системою відліку.
Тіло відліку, пов'язана з ним координатна система та прилад для вимірювання часу (годинник) утворюють систему відліку. IMiMgl As, називають довжиною пройденого шляху.
Тіло відліку разом з поміщеним на нього годинником утворюють систему відліку.
Тіло відліку – це тіло, умовно прийняте за нерухоме.
Тіло відліку, з яким пов'язують ту чи іншу систему координат, умовно вважають нерухомим і щодо нього досліджують рух інших тіл. Наприклад, розглядаючи кулю, що лежить на столі, можна як тіло відліку прийняти стіл або стіни кімнати. Насправді стіл і кімната беруть участь у добовому обертанні Землі навколо своєї осі, а разом із Землею - і в річному русі по замкнутій орбіті навколо Сонця. Отже, рухається це тіло чи перебуває у стані спокою, визначається лише тілом відліку, стосовно якого розглядається його рух.
Тіл відліку, або систем координат - безліч: описувати рух можна щодо чого завгодно. Однак фізики давно вже виділили в особливий клас тіла відліку, що рухаються за інерцією. Їх так і називають – інерційні, або Галілеєві системи координат.
Тілами відліку можуть бути Земля, Сонце, зірки та інші тіла. Від вибору тіла відліку залежить опис руху тіла. Наприклад, пасажир, що сидить у вагоні поїзда, що рухається, знаходиться в стані спокою, якщо тілом відліку вибрати стіну вагона. Якщо ж тілом відліку є будівля станції, то щодо нього пасажир перебуватиме в стані руху. У природі немає нерухомих тіл. Тіло, що знаходиться у стані спокою щодо одних тіл, рухається по відношенню до інших тіл. Абсолютного спокою у природі не існує. Механічне рух тіла так само, як і стан спокою, відносно.
Тілом відліку називається тіло (система тіл), щодо якого визначається положення в просторі об'єкта, що цікавить нас.
Якщо тіло відліку рівномірно обертається, то для підтримки цього руху не потрібно жодних зовнішніх силта систему можна вважати замкненою. Однак ті тіла, що знаходяться там, відчувають (з точки зору спостерігача в НІСО) дію відцентрових сил інерції, якщо вони нерухомі щодо системи відліку.
Зв'яжемо тіло відліку із Землею, а ось ординат направимо вниз.
Вибираємо тіло відліку, щодо якого розглядатимемо рух.
За тіло відліку приймемо пасажира, а вісь координат направимо рухом зустрічного поїзда.
Сукупність тіла відліку та пов'язаних з ним координат та синхронізованих між собою годинників утворює так звану систему відліку. Поняття системи відліку є фундаментальним у фізиці. Просторово-часовий опис руху за допомогою відстаней та проміжків часу можливий лише тоді, коли обрано певну систему відліку.
З тілом відліку можна пов'язати будь-яку систему координат; найчастіше використовують прямокутну (декартову) систему. Фізичне тіло, з розмірами та внутрішньою структурою якого можна не зважати на вивчення його руху, називається матеріальною точкою.
З курсу фізики сьомого класу ми пам'ятаємо, що механічний рух тіла – це його рух у часі щодо інших тіл. Виходячи з таких відомостей, ми можемо припустити необхідний набірінструменти для розрахунку руху тіла.
По-перше, нам необхідно щось, щодо чого ми робитимемо наші розрахунки. Далі, нам потрібно буде домовитися, яким чином ми визначатимемо положення тіла щодо цього «щось». І, нарешті, треба буде якось фіксувати час. Таким чином, для того, щоб розрахувати, де буде в конкретний момент тіло, нам знадобиться система відліку.
Система відліку у фізиці
Системою відліку у фізиці називають сукупність тіла відліку, системи координат, що з тілом відліку, і годинник чи інший прилад для відліку часу. При цьому слід пам'ятати, що будь-яка система відліку умовна і відносна. Завжди можна прийняти іншу систему відліку, щодо якої будь-який рух матиме зовсім інші характеристики.
Відносність - це взагалі важливий аспект, який слід враховувати практично за будь-яких розрахунків у фізиці. Наприклад, у багатьох випадках ми далеко не в будь-який момент часу можемо визначити точні координати тіла, що рухається.
Зокрема, ми не можемо розставити спостерігачів з годинником на кожних сто метрах уздовж залізничної коліївід Москви до Владивостока. У такому разі ми розраховуємо швидкість та місце розташування тіла приблизно протягом якогось відрізка часу.
Нам не важлива точність до одного метра при визначенні розташування поїзда на дорозі кілька сотень або тисяч кілометрів. Для цього у фізиці існують наближення. Одним із таких наближень є поняття «матеріальна точка».
Матеріальна точка у фізиці
Матеріальною точкою у фізиці позначають тіло, у випадках, коли його розмірами та формою можна знехтувати. У цьому вважається, що матеріальна точка має масу вихідного тіла.
Наприклад, при розрахунку часу, який знадобиться літаку, щоб долетіти з Новосибірська до Новополоцька, нам не важливі розміри та форма літака. Достатньо знати, яку швидкість він розвиває та відстань між містами. У випадку ж, коли нам треба розрахувати опір вітру на певній висоті і при певній швидкості, то аж ніяк не обійтися без точного знання форми і розмірів того ж літака.
Практично будь-яке тіло вважатимуться матеріальної точкою або коли відстань, долається тілом велике проти його розмірами, або коли всі точки тіла рухаються однаково. Наприклад, автомобіль, який проїхав кілька метрів від магазину до перехрестя, цілком можна порівняти з цією відстанню. Але навіть у такій ситуації його можна вважати матеріальною точкою, тому що всі частини автомобіля переміщалися однаково на однакову відстань.
А от у випадку, коли нам треба розмістити той же автомобіль у гаражі, його вже ніяк не вважаєш матеріальною точкою. Доведеться враховувати його розміри та форму. Це теж приклади, коли необхідно враховувати відносність, тобто щодо чого ми робимо конкретні розрахунки.
ВИЗНАЧЕННЯ
Відносність рухупроявляється в тому, що поведінка будь-якого тіла, що рухається, може бути визначена лише по відношенню до якогось іншого тіла, яке називають тілом відліку.
Тіло відліку та система координат
Тіло відліку вибирають довільно. Слід зазначити, що тіло, що рухається, і тіло відліку рівноправні. Кожне з них при розрахунку руху у разі потреби можна розглядати або як тіло відліку, або як тіло, що рухається. Наприклад, людина стоїть на Землі та спостерігає, як дорогою їде автомобіль. Людина нерухома щодо Землі і вважає Землю тілом відліку, літак і автомобіль в цьому випадку тіла рухаються. Однак пасажир автомобіля, який каже, що дорога тікає з-під коліс, теж має рацію. Він вважає тілом відліку автомобіль (він нерухомий щодо автомобіля), Земля при цьому – тіло, що рухається.
Щоб фіксувати зміну положення тіла у просторі, з тілом відліку потрібно зв'язати систему координат. Система координат – це спосіб завдання розташування об'єкта у просторі.
При вирішенні фізичних завдань найпоширенішою є декартова прямокутна системакоординат із трьома взаємно перпендикулярними прямолінійними осями – абсцисою (), ординатою () та аплікатою (). Масштабною одиницею вимірювання довжини СІ є метр.
При орієнтуванні біля користуються полярної системою координат. По карті визначають відстань до потрібного населеного пункту. Напрямок руху визначають по азимуту, тобто. куті, який становить нульовий напрямок з лінією, що з'єднує людину з потрібним пунктом. Таким чином, у полярній системі координат координатами є відстань та кут .
У географії, астрономії та при розрахунках рухів супутників та космічних кораблівстановище всіх тіл визначається щодо центру Землі у сферичній системі координат. Для визначення положення точки у просторі у сферичній системі координат задають відстань до початку відліку та кути та — кути, які складає радіус-вектор із площиною нульового грінвічського меридіана (довгота) та площиною екватора (широта).
Система відліку
Система координат, тіло відліку, з яким вона пов'язана, та прилад для вимірювання часу утворюють систему відліку, щодо якої розглядається рух тіла.
При вирішенні будь-якої задачі про рух насамперед має бути зазначена та система відліку, в якій розглядатиметься рух.
При розгляді руху щодо рухомої системи відліку справедливий класичний закон складання швидкостей: швидкість тіла щодо нерухомої системи відліку дорівнює векторній сумі швидкості тіла щодо рухомої системи відліку та швидкості рухомої системи відліку щодо нерухомої:
Приклади розв'язання задач на тему «Відносність руху»
ПРИКЛАД
| Завдання | Літак рухається щодо повітря зі швидкістю 50 м/с. Швидкість вітру щодо землі 15 м/с. Яка швидкість літака щодо землі, якщо він рухається за вітром? проти вітру? перпендикулярно до напрямку вітру? |
| Рішення | У даному випадкушвидкість – швидкість літака щодо землі (нерухомої системи відліку), відносна швидкість літака – це швидкість літака щодо повітря (рухомої системи відліку), швидкість рухомої системи відліку щодо нерухомої – це швидкість вітру щодо землі. Направимо вісь у напрямку вітру.
Запишемо закон складання швидкостей у векторному вигляді: У проекції на вісь ця рівність перепишеться у вигляді: Підставивши у формулу чисельні значення, обчислимо швидкість літака щодо землі:
У разі користуємося системою координат , направивши координатні осі, як показано малюнку. Складаємо вектор і за правилом складання векторів. Швидкість літака щодо землі: |
У фізиці існує таке поняття, як механічний рухвизначення якого трактується як зміна координат тіла в тривимірному просторі щодо інших тіл з витратою часу. Хоч як дивно, але можна нікуди не рухаючись перевищити, наприклад, швидкість автобуса. Ця величина відносна та залежна від заданої точки. Головне, зафіксувати систему відліку, щоб спостерігати за точкою до предмета.
Опис
Поняття з фізики:
- Матеріальна точка - частина тіла або предмет з невеликими параметрами та масою, які не беруться до уваги при вивченні процесу. Це величина, якої у фізиці нехтують.
- Переміщення - це відстань, пройдена матеріальною точкою з однієї координати в іншу. Поняття годі було плутати з рухом, оскільки у фізиці це визначення шляху.
- Пройдений шлях - це ділянка, яка пройшла предмет. Що таке пройдений шлях розглядає розділ фізики під назвою «Кінематика».
- Траєкторія в просторі - це пряма або ламана лінія, якою об'єкт проходить шлях. Уявити, що таке траєкторія, згідно з визначенням з галузі фізики, можна подумки накреслити лінію.
- Механічним називають переміщення заданою траєкторією.
Увага!Взаємодія тіл здійснюється за законами механіки і цей розділ називається кінематикою.
Зрозуміти, що таке система координат і що таке траєкторія на практиці?
Досить подумки знайти точку в просторі і від неї провести координатні осі, щодо неї рухатиметься предмет по ламаній або прямій лінії, причому види руху теж будуть різні, у тому числі поступальний, що здійснюється при коливанні та обертанні.
Наприклад, кіт знаходиться в кімнаті, переміщається до будь-якого об'єкта або змінює своє перебування в просторі, рухаючись різними траєкторіями.
Відстань між об'єктами може відрізнятися, оскільки вибрані траєкторії неоднакові.
Типи
Відомі види руху:
- Поступальне.Характеризується паралельністю двох з'єднаних між собою точок, що однаково рухаються в просторі. Предмет рухається поступально, коли відбувається по одній лінії. Достатньо уявити заміну стрижня в кульковій ручцітобто стрижень рухається поступально по заданому шляху, при цьому кожна його частина рухається паралельно і однаково. Досить часто таке трапляється у механізмах.
- Обертальне.Предмет описує коло у всіх площинах, які розташовані паралельно один до одного. Осі обертання - центри описуваних, а точки, розташовані на осі нерухомі. Сама вісь, що обертає, може бути розташована всередині тіла (ротаційне), а також з'єднаються із зовнішніми його точками (орбітальне). Щоб зрозуміти, що це таке, можна взяти звичайну голку з ниткою. Останню затиснути між пальцями та поступово розкручувати голку. Голка описуватиме коло, і такі види руху слід відносити до орбітальних. Приклад ротаційного вигляду: розкручування предмета на твердій поверхні.
- Коливальне. Усі точки тіла, що переміщається заданою траєкторією, з точністю або наближено повторюються через однаковий час. Наочний приклад- шайба, підвішена на шнурі, коливається праворуч і ліворуч.
Увага!Особливість поступального руху. Предмет рухається по прямій лінії, і в будь-який часовий проміжок всі його точки переміщуються в одному напрямку - це поступальний рух. Якщо їде велосипед, то будь-коли можна окремо розглянути траєкторію його будь-якої точки, вона буде однаковою. При цьому не важливо, рівна поверхня чи ні.
Дані види руху зустрічаються щодня на практиці, тому програти їх подумки не складе труднощів.
Що таке відносність
Відповідно до законів механіки, рухається предмет щодо будь-якої точки.
Наприклад, якщо людина стоїть на місці, а автобус рухається, це і називається відносність руху. транспортного засобудо об'єкту.
З якою швидкістю переміщається об'єкт по відношенню до певному тілуу просторі також враховується щодо цього тіла і, відповідно, прискорення також має відносну характеристику.
Відносність - пряма залежність заданої при русі тіла траєкторії, прохідного шляху, швидкісної характеристики, а також переміщення по відношенню до систем відліку.
Як проводиться відлік
Що являє собою система відліку та як вона характеризується? Відлік у взаємозв'язку з просторовою системою координат, первинним відліком часу пересування — це система відліку. У різних системахв одного тіла може бути різне місцезнаходження.
Крапка знаходиться в системі координат, коли вона починає рухатися, враховується її час переміщення.
Тіло відліку -це абстрактний предмет, що знаходиться в заданій точціпространства.При орієнтації з його становище розглядаються координати інших тел. Наприклад, машина стоїть дома, а людина рухається, у разі тіло відліку — це машина.
Рівномірне переміщення
Поняття рівномірний рух - це визначення у фізиці трактується так.
