Решение задач по кинематике | Студенческая жизнь
В области раздела физики, который изучает движение материальных точек по криволинейной траектории, в основном изучаются процессы, называемые равноускоренными. Решение задач по кинематике включает в себя, прежде всего, методику преобразования формул в единую конечную. Если это невозможно сделать, действия производятся поэтапно, до тех пор, когда формулу в пределах одной области расчета невозможно упростить. Рассмотрим на примерах.
Пример задачи, связанной с изменением параметров физического тела
Дано: есть маховик, который вращается, частота составляет 10 оборотов в секунду. Прилагают усилия для замедления скорости вращения. В результате такого действия маховик стал вращаться с частотой 6 оборотов в секунду. Требуется найти время, в течение которого прилагалось усилие, если известно, что маховик во время торможения сделал 50 оборотов.
Решение
Задача состоит в том, чтобы определить величину углового ускорения, которое образовалось во время торможения. Таким образом, решение на первом этапе сводится к пониманию и упрощению основных формул. Сначала запишем данные, которые известны, приведя их в систему СИ.
- начальная частота вращения n0 = 10 1/c;
- конечная частота n = 6 1/c;
- число оборотов N = 50.
Как видим, все параметры уже стандартизированы и не требуют преобразования.
Угловое ускорение связано с начальной и конечной угловой скоростью. Формула такова:
w=w0+2*e*µ
Здесь
w0 — начальная угловая скорость вращения, рад/с;
w — конечная скорость вращения, рад/с;
µ — общий угол поворота.
Начинаем упрощать формулу. Приводим все неизвестные величины к параметрам, которые есть по условиям задачи.
Угловая скорость связана с частотой вращения следующим образом:
w=2*П*n
Угол поворота, в свою очередь, связан с количеством оборотов, которое маховик сделал за время торможения:
µ=2*П*n
Подставив полученные выражения в формулу углового ускорения, получим итоговую формулу для вычисления:
e=(w^2-w0^2)/2 µ = П*(n^2-n0^2)/N
Здесь решение задач по кинематике сводится к анализу двух процессов. Один — снижение скорости вращения, грубо говоря, равноускоренный процесс. Второй — нахождение времени — можно рассматривать с позиции прохождения вращения с постоянной скоростью. То есть, анализировать средние показатели величин, как это делалось бы при прямолинейном движении с постоянной скоростью.
Искомое время удобно определить с помощью простой формулы, определяющей угол поворота:
µ=w/t
средняя угловая скорость вращения в пределах диапазона измерения, деленная на вычисляемое время. Так как торможение, согласно условиям задачи, производилось равномерно, можно вычислить среднюю угловую скорость простым расчетом:
w=(w+w0)/2
Тогда угол поворота можно записать следующим образом:
µ=(w+w0)*t/2
Подставив в выражение базовые формулы, приведенные выше, получим готовое выражение, основанное на известных значениях:
µ=(w+w0)*t/2 = П*(n0+n)/t
t= µ/ (П*(n0+n)) = 2*N/( n0+n)=6.25c
Такое решение задач по кинематике на основе одновременного анализа двух процессов встречается довольно часто и не представляет никаких трудностей.
Еще одна задача на криволинейное движение
Дано: автомобиль движется по дороге. Участок представляет собой сектор окружности известного радиуса, который составляет 50 м. Координата машины определяется по следующему уравнению: e = A+B*t+C*t^2, причем коэффициент А равен 10 м, В — 10 метров в секунду, ускорение С составляет -0,5 метров на секунду в квадрате. Требуется найти скорость в момент времени, равный 5 с с момента начала отсчета. А также все ускорения — полное, тангенциальное и нормальное.
Решение задачи
Все рассмотрение процесса движения рассматривается, исходя из простых базовых понятий и правил. Решение задач по кинематике такого типа сводится к элементарным преобразованиям формул и вычислениям.
По известному уравнению движения, которое приводится в условии задачи, можно найти скорость. Она будет определяться как первая производная от координаты по времени. Это простое базовое правило, применимое не только к подобным задачам. Запишем формулу, полученную простым математическим преобразованием:
v=de/dt = B+2*C
Все единицы измерения параметров находятся в системе СИ, поэтому можно просто подставить известные значения в формулу и получить готовый ответ:
v=de/dt = B+2*C = 10+2*(-0.5)*5=5м/с
Еще одно основное правило — тангенциальное ускорение представляет собой первую производную от скорости по времени. Проведем математическое преобразование ранее полученной формулы, подставим нужные значения параметров и получим готовый ответ:
at = dv/dt=2C=-1м/c^2
Формула нормального ускорения представляет собой базовую формулу кинематики.
Все параметры уже найдены и известны. Подставляем и получаем готовый ответ.
an=v^2/R = 0.5 м/c^2
Полное ускорение представляет собой сумму тангенциального и нормального ускорений. Речь идет о векторах, а не о числах, поэтому значение находится как модуль и представляет собой:
a= √at^2 + an^2
В формулу не имеет смысла подставлять ранние базовые выражения, поскольку в ходе решения задачи мы поэтапно вычисляли значения ускорений. Поэтому просто используем числа и получим ответ:
a= √at^2 + an^2=1.12м/c^2
Оценка правильности ответа может быть произведена методом соответствия величин. Все найденные значения скорости, а также ускорения — лежат в области начальных данных, соответствуют порядку величин, следовательно — достоверны.
Краткое резюме
Как видно из приведенных примеров, решение задач по кинематике всегда использует метод аналитического преобразования формул. Для упрощения, было произведено поэтапное вычисление. Так процесс выглядит нагляднее и проще для понимания. Но нужно понимать, что все формулы для нахождения нужных величин могут быть записаны в полностью самостоятельном символьном виде и применяться для подстановки в другие выражения.
life-students.ru
Примеры механического движения. Механическое движение: физика, 10 класс
Примеры механического движения известны нам из повседневной жизни. Это проезжающие мимо автомобили, пролетающие самолеты, проплывающие корабли. Простейшие примеры механического движения мы создаем сами, проходя мимо других людей. Ежесекундно наша планета совершает движение в двух плоскостях: вокруг Солнца и своей оси. И это тоже примеры механического движения. Так давайте же сегодня поговорим об этом конкретнее.
Какая бывает механика
Прежде чем говорить, какие существуют примеры механического движения, давайте разберемся вообще в том, что называется механикой. Мы не будем вдаваться в научные дебри и оперировать огромным количеством терминов. Если говорить уж совсем просто, то механика – это раздел физики, изучающий движение тел. А какой она может быть, эта механика? Школьники на уроках физики знакомятся с ее подразделами. Это кинематика, динамика и статика.
Каждый из подразделов также изучает движение тел, но имеет характерные только для него особенности. Что, кстати, повсеместно используется при решении соответствующих задач. Начнем с кинематики. Любой современный школьный учебник или электронный ресурс даст ясно понять, что движение механической системы в кинематике рассматривается без учета причин, приводящих к движению. В то же время мы знаем, что причиной ускорения, которое приведет тело в движение, является именно сила.
Что, если силы нужно учитывать
А вот рассмотрением уже взаимодействий тел при движении занимается следующий раздел, который называется динамикой. Механическое движение, скорость в котором является одним из важных параметров, в динамике неразрывно связано с этим понятием. Последний из разделов – статика. Она занимается изучением условий равновесия механических систем. Простейшим статическим примером является уравновешивание час весов. На заметку учителям: урок по физике “Механическое движение” в школе следует начать именно с этого. Сначала привести примеры, затем разделить механику на три части, и только потом приступать к остальному.
Какие бывают задачи
Даже если мы обратимся всего лишь к одному разделу, предположим, это будет кинематика, нас тут ожидает огромное количество самых разных задач. Все дело в том, что существует несколько условий, исходя из которых, одна и та же задача может быть представлена в разном свете. Причем задачи на кинематическое движение могут быть сведены к случаям свободного падения. Об этом мы сейчас и поговорим.
Что такое свободное падение в кинематике
Этому процессу можно дать несколько определений. Однако все они неизбежно будут сводиться к одному моменту. При свободном падении на тело действует только сила тяжести. Она направлена от центра массы тела по радиусу к центру Земли. В остальном можно “крутить” формулировки и определения как только угодно. Однако наличие одной лишь силы тяжести в процессе такого движения является обязательным условием.
Как решаются задачи на свободное падение в кинематике
Для начала нам нужно “разжиться” формулами. Если вы спросите современного учителя по физике, то он ответит вам, что знание формул – уже половина решения задачи. Четверть отводится на понимание процесса и еще одна четверть – на процесс вычислений. Но формулы, формулы и еще раз формулы – вот то, что составляет подспорье.
Мы можем назвать свободное падение частным случаем равноускоренного движения. Почему? Да потому что у нас есть все, что для этого нужно. Ускорение не изменяется, оно равно 9,8 метров на секунду в квадрате. На этом основании мы можем двигаться дальше. Формула расстояния, пройденного телом при равноускоренном движении, имеет вид: S = Vot +(-) at^2/2. Здесь S – расстояние, Vo – начальная скорость, t – время, a – ускорение. Теперь попробуем подвести эту формулу под случай свободного падения.
Как мы говорили ранее, это есть частный случай равноускоренного движения. И если a – это условное общепринятое обозначение ускорения, то g в формуле (заменит а) будет иметь вполне определенное численное значение, называемое также табличным. Давайте перепишем формулу расстояния, пройденного телом для случая со свободным падением: S = Vot +(-) gt^2/2.
Понятно, что в подобном случае движение будет происходить в вертикальной плоскости. Обращаем внимание читателей на то, что ни один из параметров, которые мы можем выразить из написанной выше формулы, не зависит от массы тела. Бросите ли вы коробку или камень, например, с крыши, или же два разных по массе камня – эти объекты при одновременном начале падения и приземлятся почти одновременно.
Свободное падение. Механическое движение. Задачи
Кстати, существует такое понятие, как мгновенная скорость. Оно обозначает скорость в любой момент времени движения. И при свободном падении мы можем ее запросто определить, зная всего лишь начальную скорость. А уж если она равна нулю, то дело вообще плевое. Формула мгновенной скорости при свободном падении в кинематике имеет вид: V = Vo + gt. Заметьте, что знак “-” пропал. Ведь он ставится, когда тело замедляется. А как при падении тело может замедляться? Таким образом, если начальная скорость не была сообщена, мгновенная будет равна просто произведению ускорения свободного падения g на время t, прошедшее с момента начала движения.
Физика. Механическое движение при свободном падении
Давайте перейдем к конкретным задачам на эту тему. Допустим, условие следующее. Дети решили позабавиться и сбросить теннисный мячик с крыши дома. Узнайте, какой была скорость теннисного мяча в момент соударения с землей, если дом насчитывает двенадцать этажей. Высоту одного этажа принять равной трем метрам. Мяч выпускают из рук.
Решение этой задачи будет не одношаговым, как можно подумать сначала. Вроде бы все кажется донельзя простым, только подставить нужные числа в формулу мгновенной скорости и все. Но при попытке сделать это мы можем столкнуться с проблемой: нам неизвестно время падения мяча. Давайте разберем остальные детали задачи.
Уловки в условиях
Во-первых, нам дано количество этажей, и мы знаем высоту каждого из них. Она равняется трем метрам. Таким образом, мы можем сразу же рассчитать нормальное расстояние от крыши до земли. Во-вторых, нам сказано, что мяч выпускают из рук. Как обычно, в задачах на механическое движение (да и в задачах вообще) присутствуют мелкие детали, которые на первый взгляд могут показаться ничего не значащими. Однако тут это выражение говорит о том, что теннисный мяч не имеет начальной скорости. Отлично, одно из слагаемых в формуле тогда отпадает. Теперь нам нужно узнать время, которое мяч провел в воздухе до соударения с землей.
Для этого нам потребуется формула расстояния при механическом движении. Перво-наперво убираем произведение начальной скорости на время движения, поскольку она равняется нулю, а значит, и произведение будет равно нулю. Далее умножаем обе части уравнения на два, чтобы избавиться от дроби. Теперь мы можем выразить квадрат времени. Для этого удвоенное расстояние делим на ускорение свободного падения. Нам остается только извлечь квадратный корень из этого выражения, чтобы узнать, сколько времени прошло до соударения мяча с землей. Подставляем числа, извлекаем корень и получим примерно 2,71 секунды. Теперь это число подставляем в формулу мгновенной скорости. Получим примерно 26,5 метров в секунду.
На заметку учителям и ученикам: можно было бы пойти немного другим путем. Чтобы не путаться в этих числах, следует максимально упрощать конечную формулу. Это будет полезно тем, что возникнет меньший риск запутаться в собственных вычислениях и допустить в них ошибку. В данном случае мы могли бы поступить следующим образом: выразить из формулы расстояния время, но не подставлять числа, а подставить это выражение уже в формулу мгновенной скорости. Тогда бы она выглядела следующим образом: V = g*sqrt(2S/g). Но ведь ускорение свободного падения можно внести в подкоренное выражение. Для этого его представим в квадрате. Получим V = sqrt (2S*g^2/g). Теперь сократим ускорение свободного падения в знаменателе, а в числителе сотрем его степень. В итоге получим V = sqrt (2gS). Ответ будет тем же, только вычислений станет меньше.
Итоги и заключение
Итак, что же мы сегодня узнали? Есть несколько разделов, которые изучает физика. Механическое движение в ней подразделяется в ней на статику, динамику и кинематику. Каждая из этих мини-наук имеет свои характерные особенности, которые и учитываются при решении задач. Однако при этом мы можем дать общую характеристику такому понятию, как механическое движение. 10 класс – время наиболее активного изучения этого раздела физики, если верить школьной программе. Механика включает в себя и случаи свободного падения, поскольку они являются частными видами равноускоренного движения. А с этими ситуациями у нас работает именно кинематика.
fb.ru
Е.А.
Строковский
I Лекции 1 и 2
II Лекции 3 и 4
III Лекции 5 и 6
IV. Лекции 7 и 8
V. Лекции 9 и 10
VI. Лекции 11 и 12
VII. Лекции 13 и 14 162
VIII. Заключение
IX. Приложения
X. Задачи и упражнения
XI. Рекомендуемая литература
Вступление
Екклезиаст Анализ кинематики реакций с участием элементарных частиц и ядер – основа основ в физике элементарных частиц. С него начинается обсуждение почти любого вопроса; без него фактически невозможно не только получить физический результат эксперимента, но даже ясно сформулировать предмет обсуждения. Вопросы релятивистской кинематики нечасто становятся исключительной темой монографий, но весьма часто рассеяны в оригинальных статьях. Закон сохранения углового момента также является строгим, а элементарные частицы и ядра, как правило, обладают внутренним угловым моментом (спином). Результаты, получаемые как следствия закона сохранения углового момента, также являются точными и не зависят от моделей. Поэтому вполне допустимо понимать кинематику элементарных частиц в широком смысле, как дисциплину, рассматривающую следствия строго выполняющихся законов, основанных на точных симметриях нашего мира. Однако, как правило, вопросы, связанные со спином, в этом курсе не рассматриваются. Иными словами, считается, что состояние частиц полностью характеризуется только их 4-импульсом и массой. Вместе с тем, в ряде случаев, например, при обсуждении трехчастичных распадов частиц, все же придется вспоминать о других квантовых числах, определяющих состояния частиц, и исходить из расширенного понимания кинематики. * * * Рекомендуемые книги и статьи по кинематике и физике элементарных частиц. Книги А.М.Балдина, В.И.Гольданского, В.М.Максименко и И.Л.Розенталя [1], Г.И.Копылова [2], Е.Бюклинга и К.Каянти [3]. В.И.Гольданского, Ю.П.Никитина и И.Л.Розенталя [4] давно уже стали настольными справочниками любого физика, работающего в физике элементарных частиц и релятивистской ядерной физике. В них рассмотрены разные аспекты релятивистской кинематики элементарных процессов, и все четыре книги, имея много общего, взаимно дополняют друг друга. В этом ряду выделяется прекрасная книга Г.И.Копылова своим живым и поэтичным стилем изложения и в частности – яркой характеристикой предмета кинематики. Статья Л.Б.Окуня [6], где обсуждается физический смысл понятия массы частицы, очень важна для понимания принципиальной разницы между понятием энергии (компоненты 4-вектора энергии-импульса) и инвариантной величиной, связанной с этим 4-вектором: его скалярного произведения на самого себя, которое имеет смысл квадрата его “длины” в четырехмерном пространстве и обозначается как Статья Р.Фейнмана [7] дана в списке общей литературы потому, что в ней очень ясно изложены основы партонной картины взаимодействия частиц. * * * В курсе лекций по основам кинематики элементарных процессов для студентов, специализирующихся в области физики элементарных частиц и ядерной физики, представляется уместным дать некоторые рекомендации по литературе, вводящей в эту область физики. Соответствующий список дан в хронологическом порядке. Материал пособия сгруппирован по тематическому принципу. Принятое разделение на части, соответствующие одной паре лекций, достаточно условно: объем отдельной части не обязательно соответствует по времени четырем академическим часам, если в них не выделено время на разбор задач по теме курса. Вполне очевидно, что тематика этой части наиболее субъективна и отражает научные интересы автора в первую очередь. О сборниках задач по физике элементарных частиц и ядерной физике. Удивительно, но оказывается, что современного специализированного отдельного задачника по основам релятивистской кинематики практически нет, хотя во всех рекомендованных книгах по кинематике есть задачи и упражнения практически ко всем их главам. То же самое можно сказать и по отношению к сборникам задач по физике ядра и частиц, хотя все же есть несколько интересных задачников довольно почтенного возраста [26]-[27]. * * * Соглашения о единицах измерений и обозначениях. Здесь приняты обычные для физики элементарных частиц соглашения о том, что энергии частиц измеряются в ГэВ, импульсы – в ГэВ/с, массы – в ГэВ/с2, углы – в радианах. Скорости частиц измеряются в единицах скорости света (то есть, скорость света в пустоте принята за 1). Рекомендуемые книги по кинематике элементарных частиц [1] А.М.Балдин, В.И.Гольданский, В.М.Максименко, И.Л.Розенталь, “Кинематика ядерных реакций”, изд. 2, Атомиздат, М., 1968. Рекомендуемые книги по физике частиц [8] Г. Челлен, “Физика элементарных частиц”, пер. с англ. Г.В. Ефимова, под ред. P.M. Рындина, “Наука”, Главн. ред. физико-математической литературы, М. 1966. Рекомендуемые сборники задач [26] А.Камал, “Задачи по физике элементарных частиц”, пер. с англ. К.П.Павлова, А.Д.Суханова под ред. Ю.М.Широкова, “Наука”, Гл. ред. физ.-мат. литературы, М., 1968. |
nuclphys.sinp.msu.ru