Наглядная физика. Основы кинематики
ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ
1. Тело отсчета
2. Две системы отсчета
3. Поступательное движение
4. Вращательное движение
5. Равномерное движение
6. График равномерного движения
7. График неравномерного движения
8. Вектор мгновенной скорости
9. Путь и перемещение
10. Сложение перемещений
11. Сложение скоростей
12. Равноускоренное движение
13. Ускорение и скорость
14. Путь при неравномерном движении
15. Угловая и линейная скорости
16. Вектор ускорения при равномерном вращении
17. Длина вектора центростремительного ускорения
18. Связь между угловой и линейной скоростью
Чтобы рассматривать движение данного тела, необходимо сначала выбрать тело отсчета, а затем уже описывать изменение положения рассматриваемого тела относительно выбранного тела отсчета. Модель показывает, как изменяется вид окружающей обстановки при различном выборе наблюдателя. Человек (наблюдатель), рассматривая окружающие его тела, всегда воспринимает их движение относительно своего тела (или точнее, относительно своей головы, глаз). Но наша система восприятия устроена так, что в большинстве случаев движение тел рассматривается как движение относительно земной поверхности. Например, глядя из окна движущегося вагона, мы всегда считаем, что это именно вагон едет, а все внешние предметы (телеграфные столбы и др.) неподвижны вместе с земной поверхностью. Аналогично, мы знаем, что Земля вращается, совершая один оборот за сутки, но наши органы чувств показывают нам, что Солнце, Луна и звезды на небе медленно поворачиваются вокруг нас. В физике стараются описывать явления независимо от наблюдателя и поэтому заменяют наблюдателя телом отсчёта. Механическим движением тела называется процесс изменения его положения относительно тела отсчета. Заметим, что покой --- это частный случай движения, покой тоже относителен. Чтобы рассматривать движение данного тела, необходимо сначала выбрать тело отсчета, а затем уже описывать изменение положения рассматриваемого тела относительно выбранного тела отсчета. Но этот выбор не всегда можно сделать однозначно. Существует много различных тел отсчёта, которые физически совершенно равноправны. Поэтому нет (физически) выделенного тела отсчёта. Итак, движение тела, а значит, и описание его причин, может выглядеть по-разному, при выборе различных тел отсчёта. Модель показывает, как изменяется вид окружающей обстановки при различном выборе наблюдателя.
Тело отсчета, связанную с ним систему координат и часы называют системой отсчета. Модель позволяет сравнить описание движения тела (гири) в двух системах отсчета. Показаны обе системы координат.
Для задания положения материальной точки в пространстве можно указать её координаты (x, y, z), но для этого в пространстве должна быть выбрана система координат. Для измерения времени используются часы. Тело отсчета, связанную с ним систему координат и часы называют системой отсчета. Две системы отсчёта, тела отсчёта и системы координат выделены красным цветом для первой системы отсчёта и синим - для второй. Начальная точка O' второй системы координат описывается в первой радиусом-вектором r0. Относительно первой системы координат тело отсчёта второй системы координат движется со скоростью v0. Заметим, что вектор v0 показан красным, т. к. он изображён в первой системе отсчёта. Материальная точка M в первой системе координат описывается радиусом-вектором r0, а во второй - вектором r'. Выполняется равенство: Если вторая система отсчета движется относительно первойс постоянной скоростью v0, то: Модель позволяет сравнить описание движения тела (гири) в двух системах отсчета. Первая связана с берегом (неподвижная система отсчета), а вторая связана с летящим вертолетом (подвижная система отсчета). Из наблюдений следует, что не только скорость, но и траектория тела, и пройденный им путь относительны, т. е. зависят от системы отсчета. Шаг 1. Система отсчета, связанная с берегом. Вертолет летит горизонтально с постоянной скоростью. Траекторией сброшенной гири является парабола. В окне справа показан вид из люка вертолета падающей вниз гири. В системе отсчета, связанной с вертолетом,траекторией сброшенной гири является прямая линия. Шаг 2. Добавляется система координат системы отсчета, неподвижной относительно берега. Шаг 3. Добавляется система координат системы отсчета, неподвижной относительно вертолета. Шаг 4. Показаны обе системы координат. Одна связана с берегом, а другая - с вертолетом.
При поступательном движении отрезок, соединяющий две точки тела, сохраняет свое направление. Модель наглядно показывает, что при поступательном движении тела траектории всех его точек можно получить сдвигом одной из этих траекторий.
При движении тела каждая его точка описывает линию в пространстве, называемую траекторией этой точки. Если траектории всех точек движущегося тела одинаковы (точнее, отличаются друг от друга сдвигом). То движение называют поступательным. При поступательном движении отрезок, соединяющий две точки тела, сохраняет свое направление (точнее, все положения этого отрезка в процессе движения параллельны друг другу). Модель наглядно показывает, что при поступательном движении тела траектории всех его точек можно получить сдвигом одной из этих траекторий. Задавайте различные поступательные движения тела и убедитесь в совпадении траекторий его точек.
При вращательном движении тела траектории всех его точек являются окружностями. Точнее, точки тела, лежащие на оси вращения остаются неподвижными, а остальные точки тела движутся по окружностям. Модель демонстрирует вращение плоского тела. Показаны траектории различных точек тела.
При вращательном движении тела траектории всех его точек являются окружностями. Точнее, точки тела, лежащие на оси вращения остаются неподвижными, а остальные точки тела движутся по окружностям. Каждая из этих траекторий-окружностей лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, а центр окружности лежит на оси вращения. Модель демонстрирует вращение плоского тела. Траектории трёх выделенных точек тела показаны различными цветами.
Равномерным движением материальной точки называют движение, при котором точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. Модель демонстрирует равномерное движение шарика в жидкости
Равномерным движением материальной точки называют движение, при котором точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. При равномерном движении пройденный путь и модуль перемещения одинаковы,и скорость пути, и модуль скорости перемещения также равны. При равномерном движении за промежуток времени Δt перемещение тела (точнее, перемещение каждой точки тела) равно где V - вектор скорости равномерного движения. Модель демонстрирует равномерное движение шарика в жидкости. Снимки фиксируют положение шарика через одинаковые промежутки времени (2 секунды), сравнение перемещений показывает, что эти перемещения одинаковы, а значит, движение шарика равномерное.
График равномерного движения очень прост, но есть график координаты, график перемещения, график скорости. Модель демонстрирует равномерное движение двух шариков. Показаны графики их движений, векторы скорости и "следы", оставляемые шариками.
Равномерное движение можно описывать, используя одну координатную ось Ox, направленную вдоль вектора скорости v (если начальная скорость не равна 0). Графиком проекции vx скорости движения на эту ось будет прямая, параллельные оси времени. Если тело движется в направлении, противоположном оси Ox, то проекция скорости будет отрицательной, если же в направлении оси Ox, то - положительной. При равномерном движении путь и проекции перемещения изменяются прямо пропорционально времени, и графические зависимости пути и проекции Δx перемещения на ось Ox от времени будут линейными. График координаты будет параллелен графику проекции перемещения. Модель демонстрирует равномерное движение двух шариков. Для каждого из них (соответствующим цветом) показаны графики проекции vx скорости, проекции Δrx перемещения и график координаты x. Перемещая мышкой выделенные точки графиков, можно установить начальные положения шариков и их начальные скорости. Чек-боксы позволяют включить или отключить показ вектора скорости или "следы", оставляемые шариками через равные промежутки времени. Предусмотрены четыре режима работы модели: Следующее изменение параметров возможно только после нажатия кнопки Отмена.
"Движение 1" - движение синего шарика.
"Движение 2"- движение красного шарика.
"Движение 1 и 2" - движение двух шаров.
"Пошаговый режим". На оси времени графика координаты появляются зеленые треугольники, перемещая которые можно выбирать моменты времени.