Что такое движение в физике? Основные проблемы изучения темы «Механика» в средней школе Движение его причина и направление.

Аристотель – движение возможно только под действием силы; при отсутствии сил тело будет покоится.

Галилей – тело может сохранять движение и в отсутствии сил. Сила необходима для того чтобы уравновесить другие силы, например, силу трения

Ньютон – сформулировал законы движения

Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчёта.

Инерциальные – системы отсчета, в которых выполняется закон инерции (тело отсчета покоится или движется равномерно и прямолинейно)

Неинерциальные – закон не выполняется (система движется неравномерно или криволинейно)

Первый закон Ньютона :Тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если действие других тел скомпенсированы (уравновешены)

(Тело будет двигаться равномерно или покоиться, если сумма всех приложенных к телу равна нулю)

Второй закон Ньютона : Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

Масса – это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой.

Сила – это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую причину: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной. Векторная сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой.

Третий закон : При взаимодействии двух тел, силы равны по величине и противоположны по направлению

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.
А. С. Пушкин

Что такое механическое движение? Что означает относительность механического движения? Какими характеристиками описывается механическое движение? Что является причиной механического движения? В чем же был прав «упрямый Галилей»?

Урок-лекция

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ . Движение как изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называют механическим движением . Тело, относительно которого рассматривают движение, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета .

Еще Галилей установил характер относительности движения . С давних времен людей интересовал вопрос, не существует ли какой-либо абсолютно покоящейся системы отсчета. Древний философ Птолемей считал, что такой системой является наша Земля, а остальные небесные тела и другие объекты движутся относительно Земли. На рисунке 61, а приведена схема движения небесных тел по Птолемею.

Рис. 61. Система движения планет: по Птолемею (а); по Копернику (б, современные представления)

Коперник предложил описывать движение планет в другой системе отсчета, где неподвижным является Солнце. Схема движения планет в этом случае выглядит так, как показано на рисунке 61, б.

Во времена Галилея споры о правильном описании движения планет носили нешуточный характер. Но в силу относительности движения оба описания можно признать эквивалентными, они просто соответствуют описанию движений в разных системах отсчета. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактика, как и другие наблюдаемые астрономами галактики, также движется. Чего-то, что можно было бы считать абсолютно неподвижным во Вселенной, не обнаружено.

Так в чем же прав «упрямый Галилей»? На первый взгляд может показаться, что схема движения по Копернику проще, чем схема движения по Птолемею. Но простота эта кажущаяся. Чтобы наблюдать движение планет вокруг Солнца, нам необходимо удалиться от Солнечной системы на значительное расстояние, чего мы не можем сделать даже в настоящее время. Мы наблюдаем движение, находясь на нашей планете, и наблюдаем, как и написал Пушкин, что «пред нами солнце ходит». Может быть, Галилею не стоило упрямиться? Оказывается, это не совсем так. Описания движения в различных системах отсчета (Птолемея и Коперника) эквивалентны, пока мы исследуем кинематику движения, т. е. не рассматриваем причины, вызывающие движения.

Механическое движение имеет относительный характер, т е движение всегда происходит относительно некоторой системы отсчета. При кинематическом описании движения все системы отсчета эквивалентны.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ . До сих пор мы говорили лишь о качественном описании движения. Но в естественных науках важно уметь описывать процессы количественно. Сделать это, вообще говоря, не так просто. Попробуйте описать движение птицы в полете. Но еспи вас не интересуют отдельные детали, вы можете моделировать движение птицы как движение некоторого малого объекта. В физике для обозначения такого объекта используют понятие материальная точка .

Движение материальной точки описывается наиболее просто. Происходит это при помощи введения системы координат . При движении материальной точки ее координаты изменяются.

Важной характеристикой движения материальной точки является траектория движения . Траекторией называют воображаемую линию в пространстве, по которой движется материальная точка. Однако иногда траекторию можно увидеть. Например, трассирующие пули оставляют след в виде светящейся линии в темноте. Другой пример - след «падающей звезды» (метеора) в атмосфере. Мы можем увидеть траектории движения звезд на небесной сфере, если сделаем фотографию небесной сферы, открыв объектив фотоаппарата на длительное время (рис. 62).

Рис. 62. Фотографии: метеоритный дождь (а); движение звезд, снятое при длительной экспозиции (б)

Напомним, что характеристику движения, показывающую, насколько изменяются координаты со временем, называют скоростью. Движение, при котором скорость остается постоянной по модулю и направлению, называют равномерным движением. Изменение скорости называют ускорением. Материальная точка движется с ускорением, если скорость изменяется по числовому значению, по направлению или одновременно по значению и направлению.

До сих пор говорилось о движении материальной точки. Как описать движение более сложных объектов? Для этого необходимо мысленно разбить объект на отдельные точки и описать движение каждой точки. В простейшем случае, например при движении футбольного мяча или Земли вокруг Солнца, такое движение можно представить как поступательное движение плюс вращение. В более сложном случае, например при полете птицы, движение каждой точки придется описывать отдельно. Именно так поступают компьютерные программы, анимирующие движения какого-либо персонажа на экране монитора.

ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ . Раздел механики, который описывает причины изменения движения тел, называется динамикой . Историческое развитие динамики шло непростым путем.

Древнегреческий философ Аристотель считал, что для равномерного движения тела необходимо воздействие на него некоторой силы. Галилей, проделав ряд опытов, пришел к выводу, что тело движется равномерно в случае, когда оно не взаимодействует с другими телами. В том, что это не совсем так, вы можете убедиться на простейшем опыте (хотя бы мысленном). Представьте, что в поезде метро посередине пустого вагона лежит мячик. Что будет с мячом, когда вагон тронется? Без действия дополнительных сил мяч начнет двигаться с ускорением. Чтобы уточнить формулировку Галилея, Ньютон ввел понятие инерциальная система отсчета . Инерциальной системой отсчета называют такую систему, в которой тело в отсутствие взаимодействия с другими телами покоится или движется равномерно. В нашем примере вагон метро является неинерциальной системой отсчета. Такой системой является любая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета.

Для описания движения объекта вводится система координат. Простейшее движение - движение материальной точки - описывается как изменение координат. Для описания движения сложных объектов необходимо описать движение каждой точки. на которые можно мысленно разбить объект.

Оказывается, что, строго говоря, инерциальных систем отсчета в природе нет. Например, стол учителя в вашем классе вращается вместе с Землей, а следовательно, движется с ускорением. Однако во многих случаях, например при демонстрации школьных опытов, такая система отсчета может рассматриваться как приближенно инерциальная. А вот если мы попытаемся описать в этой системе отсчета движение планет, то это будет совершенно неправильно. Для описания движения планет инерциальной системой отсчета можно приближенно считать систему, центр которой находится в центре Солнца, а оси ориентированы по звездам. Именно по этой причине движение небесных тел в системе Коперника описывается лучше, чем в системе Птолемея.

Мы приходим, таким образом, к выводу, который известен как первый закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно .

Но равномерное движение есть лишь частный, практически нереализуемый случай движения. Все реально наблюдаемые нами тела движутся с ускорением. Причины движения с ускорением формулируются во втором законе Ньютона, который вам также знаком из курса физики.

Ускорение тела в инерциальной системе отсчета пропорционально сумме всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально массе тела.

• В чем смысл относительности механического движения?
• Что является причиной движения тел?
• По плоту, движущемуся по течению реки, перпендикулярно скорости движения плота и со скоростью, в два раза большей скорости течения, идет человек. Нарисуйте траекторию движения человека относительно берега.

Причиной того, что тело начинает двигаться, является действие на это тело других тел. Мяч покатится только, если ударить его. Человек подпрыгнет, если оттолкнётся от пола. Некоторые тела действуют на расстоянии. Так, Земля притягивает всё вокруг, поэтому, если выпустить из рук мяч, то он сразу начнёт двигаться вниз. Скорость движения тела тоже может изменяться только при действии на это тело других тел. Например, мяч резко изменяет скорость движения, наталкиваясь на стену, а птица делает крутой вираж, отталкивая воздух своими крыльями и хвостовым опереньем.

Все вышеперечисленные примеры и множество других, с которыми мы встречаемся на каждом шагу, говорят о том, что тело может изменить свою скорость только тогда, когда на него подействуют другие тела. И наоборот, если на тело не действуют никакие другие тела, то тело будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно. Впервые к такому выводу пришёл Г. Галилей в начале XVII века, а век спустя И. Ньютон назвал это одним из основных законов механики.

Способность тела сохранять свою скорость называют его инерцией. Поэтому закон, открытый Г. Галилеем и сформулированный И. Ньютоном, называют законом инерции или первым законом Ньютона.

Закон инерции справедлив далеко не во всех системах отсчёта. Например, в системе отсчёта, связанной с движущимся автомобилем, его водитель при резком торможении начинает двигаться вперёд, хотя никакие тела на него не действуют. Стоя на диске, который начинает вращаться вокруг своей оси, мы чувствуем, как какая-то неведомая сила заставляет двигаться нас от центра этого диска. Очевидно, что в этих двух системах отсчёта – тормозящий автомобиль и вращающийся диск, закон инерции не выполняется.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта. Систему отсчёта, связанную с Землёй, можно считать инерциальной, хотя, как известно, Земля (как диск в одном из предыдущих примеров) вращается вокруг своей оси, но так медленно, что только очень точные измерения показывают несоблюдение закона инерции в этой системе отсчёта.

Если тело отсчёта движется равномерно, прямолинейно и поступательно относительно инерциальной системы отсчёта, то система отсчёта, связанная с этим телом тоже является инерциальной. Докажем это, используя правило преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчёта к другой (см. § 2). Пусть скорость тела М (см. рис.7), измеренная в системе отсчёта С 1 равна v 1 , тогда скорость v2 того же тела, но измеренная в системе отсчёта С 2 , движущейся относительно С 1 со скоростью v, равна:

v 2 = v 1 - v (7.1)

Из (7.1) следует, что изменения скоростей Dv 1 и Dv 2 за промежуток времени Dt должны быть одинаковы, так как скорость v остаётся неизменной. Поэтому величины ускорения тела М, измеренные в обеих системах, отсчёта тоже будут одинаковы. В частности, если тело М, на которое не действуют другие тела, движется без ускорения, т.е равномерно, в системе отсчёта С 1 , то его движение относительно системы С2 тоже будет равномерным, а значит систему отсчёта С 2 тоже можно считать инерциальной. Так, например, если считать Землю инерциальной системой отсчёта, то вагон поезда, движущийся равномерно, прямолинейно и поступательно, можно тоже считать инерциальной системой отсчёта.

Вопросы для повторения:

· Что изучает динамика?

· Что является причиной ускорения тела?

· Дайте определение инерции тела и сформулируйте закон инерции.

· Какие системы отсчёта называют инерциальными?

· Приведите примеры инерциальных систем отсчёта и тех, в которых закон инерции не соблюдается.

Рис. 7. Система отсчёта С2 является инерциальной, так как движется относительно инерциальной системы С1 поступательно, равномерно и прямолинейно со скоростью v. Показан способ вычисления скорости v2 тела М относительно системы С2 по известной скорости v1 этого тела в системе С1 .

§ 8. СИЛА – МЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ: ВИДЫ СИЛ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ

Часть 2. Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение. Отвечает на вопрос:Почему движение тела меняется?

Часть 3. Статика изучает условия (законы) равновесия тела или системы тел. Отвечает на вопрос:Что надо, чтобы тело не двигалось?

Часть 4. Законы сохранения задают фундаментальные инварианты во всех изменениях. Отвечают на вопрос:Что сохраняется в системе при данных в ней изменениях?

Объектом рассмотрения бывает одно тело или система тел. Например, есть разница в том, что называется импульсом одного тела и что есть импульс системы тел. Дай соответствующие определения!

Материальная точка – модель тела, обладающего массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Изучение движения произвольного тела (имеющего размеры и некоторую форму) сводится к изучению движения системы материальных точек.

Методические указания. Необходимо отметь, что в основном все, что изучается на уровне средней школы, относится лишь к механике материальной точки . Так, координаты задают положение лишь одной точки, и если имеется в виду тело, всегда имеющее некоторые размеры, то задать его положение с помощью одной тройки (в пространстве) координат нельзя! Можно лишь указать положение некоторой его точки, чаще имеется в виду центр масс (точка С) этого тела.

Кроме того, смысл термина «расстояние» (в случае когда речь идет о двух объектах) всегда сводится к расстоянию между двумя точками . Если два тела имеют формы шаров, то за расстояние между ними можно принять расстояние между точками их центров. Например, если рассматривать движение Земли вокруг Солнца, то, пренебрегая линейными размерами этих тел, за расстояние между ними принимают расстояние между точками их центров тяжести (считая Землю и Солнце симметричными по плотности шарами, получим, что центр тяжести каждого из них совпадает по положению в пространстве с его геометрическим центром). Если формы тел произвольны, то, скорее всего, расстоянием между ними будет считается кратчайшее расстояние между какими-то двумя точками их поверхностей.

В связи с этим использование модели материальной точки теоретически избавляет нас от многих неудобств и двусмысленностей. Но важно также следить за тем, насколько сильно отличаются результаты, полученные при использовании этой абстракции, от того, что есть в реальности. Иначе говоря, насколько точно модель соответствует изучаемой реальной ситуации. Необходимость введения абстракций (моделей) часто обусловлена требованием использования точного математического аппарата.

Если тело моделируется материальной точкой, то оно может двигаться одним из следующих простых 1 способов:

прямолинейно и равномерно,

прямолинейной с постоянный ускорением (равнопеременно),

равномерно по окружности,

по окружности с ускорением,

колебание – периодическое движение или движение с повторением.

Движение тела, брошенного под углом к горизонту – составной вид движения: =1+2, т.е. равномерно по оси х и равнопеременно по осиу . Сложение этих движений дает движение по данному типу.

Если тело моделируется как АТТ, то и виды движения иные и это отражается в терминологии.

Поступательное движение - движение, при котором любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной своему первоначальному положению. Траектории всех точек совершено одинаковы (полностью совмещаются), одинаковы параметры движения в любой момент времени. А потому для описания поступательного движения АТТ, достаточно описать движение любой одной его точки.

Вращательное движение – движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемойосью вращения. У всех точек одинаковы угловыехарактеристики движения и различны линейные.

Для описания механического движения нужны свои средства. Их совокупность названа системой отсчета.

Учет относительности движения предполагает задание положения материальной точки по отношению к какому-то другому, произвольно выбранному телу, называемому телом отсчета. С ним связывается система координат.Система отсчета – совокупность тела отсчета, системы координат и часов. Начало отсчета времени начинается с момента «включения» часов (часы будем понимать как прибор для отсчета промежутков времени). Понятия «момент времени» и «промежуток времени» различны! Значение промежутка времени не зависит от того, по каким именно часам его засекают (в случае, если все рассматриваемые часы измеряют время в одинаковых единицах). Момент времени, напротив, полностью определяется тем, когда часы «были включены», т.е. положениемначала отсчета времени .

Описывать движение можно на разных языках:

Формула, выражающая зависимость координат тела (или пройденного пути) от времени, называется законом движения.

Замечание . Относительность движения выражается в том, что положение (координата или расстояние от тела отсчета), скорость и время движения рассматриваемого тела могут быть различными в разных системах отсчета. В этой связи и формула закона движения одного и того же объекта имеет различный вид в разных системах отсчета, т.е. форма записи закона движения (одного и того же вида движения) зависит от выбора положения начал отсчета времени и расстояния (а в случае задания координаты еще и от выбора положительного направления координатной оси). Чаще всего, в связи с этим, выбираемое начало отсчета времени совпадает с началом рассматриваемого движения тела, а начало координат помещают в точку начального положения этого тела.

Заметим также, что и вид движения какого-то тела может быть различным при его рассмотрении относительно разных систем отсчета.

Траектория –линия , вдоль которой движется тело.

Путь –длина траектории (расстояние, пройденное телом вдоль траектории); скалярная неотрицательная величина. Обозначаютl , иногдаS .

П
еремещение –вектор , соединяющий начальное и конечное положения тела. Обозначают.

Скорость –векторная физическая величина (характеризующая изменение положения точки),равная первой производной от пути (или координаты) по времени инаправленная по касательной к траектории в сторону движения. Обозначают.Замечание. Скорость всегда направлена по касательной к траектории в соответствующей точке в сторону движения.

Средняя скорость – величина, равная отношению всего пути к затраченному на его прохождение времени (соответствует некоторомупромежутку времени).Мгновенная скорость характеризует скорость в какой-томомент времени.

Ускорение –векторная величина, характеризующая изменение скорости (по величинеравно первой производной от скорости по времени или второй производной от пути(или координаты)по времени;направлено как и вызывающая егосила ).

Методические указания. Необходимо подчеркнуть, что в физике надо четко различать два типа величин: вектор и скаляр. Скалярная физическая величина полностью задается своей величиной (иногда с учетом знака «+» или «-»). Векторная физическая величина определяется по меньшей мере двумя характеристиками: числовым значением (числовое значение иногда называют модулем векторной величины, оно в некотором масштабе равно ДЛИНЕ изображающего его отрезка, а потому - всегда положительное число) и направлением (которое можно изобразить на рисунке или задать численно через угол, образованный этим вектором с каким-либо выделенным направлением: горизонт, вертикаль и пр.). Будем говорить, что вектор (векторная физическая величина) известен, если мы можем точно сказать про него: 1) чему он равен, И 2) как направлен. Это особенно важно иметь в виду при анализе изменения любой векторной физической величины!

При решении задач возможны следующие ситуации: 1) речь идет о векторной величине (скорости, силе, ускорении и т.д.), но рассматривается только ее значение (направление в этом случае или очевидно, или не важно, или просто не требует определения и др.). Об этом может, в частности, свидетельствовать вопрос задачи (например, «С какой скоростью v движется …», т.е. дано обозначение лишь модуля скорости. 2) Требуется найти величину как вектор: «Какова скорость v тела?» – где жирным курсивом обозначены векторные величины. 3) Нет прямого указания на тип искомого: «Какова скорость тела?». В этом случае, если позволяют данные задачи, необходимо дать полный ответ (как о векторе), исходя из определения (скорости или др.).

Нелегко найти взрослого человека, который ни разу в жизни не слыхал крылатой фразы «Движение - это жизнь».


Существует и другая формулировка данного высказывания, звучащая несколько иначе: «Жизнь - это движение». Авторство данного афоризма принято приписывать Аристотелю - древнегреческому ученому и мыслителю, который считается основоположником всей «западной» философии и науки.

Сегодня трудно сказать с полной уверенностью, действительно ли великий древнегреческий философ когда-либо произносил подобную фразу, и как именно она звучала в те далекие времена, но, взглянув на вещи непредвзято, следует признать, что приведенное выше определение движения является хотя и звучным, но довольно расплывчатым и метафоричным. Попробуем разобраться, что же представляет собой движение с научной точки зрения.

Понятие движения в физике

Физика дает понятию «движение» вполне конкретное и однозначное определение. Раздел физики, изучающий движение материальных тел и взаимодействие между ними, называют механикой.

Раздел механики, изучающий и описывающий свойства движения без учета его конкретных причин, называется кинематика. С точки зрения механики и кинематики движением считается происходящее с течением времени изменение положения физического тела относительно других физических тел.

Что такое броуновское движение?

В задачи физики входит наблюдение и изучение любых проявлений движения, которые происходят или могли бы происходить в природе.

Одним из видов движения является так называемое броуновское движение, известное большинству читателей данной статьи из школьного курса физики. Для тех, кто по каким-то причинам не присутствовал при изучении данной темы или успел основательно ее подзабыть, поясним: броуновским движением называют беспорядочное движение мельчайших частиц вещества.


Броуновское движение происходит везде, где присутствует какая-либо материя, температура которой превышает абсолютный нуль. Абсолютным нулем называют температуру, при которой броуновское движение частиц вещества должно прекращаться. По шкале Цельсия, которой мы привыкли пользоваться в повседневной жизни для определения температуры воздуха и воды, температура абсолютного нуля составляет 273,15 °C со знаком минус.

Создать условия, вызывающие такое состояние вещества, ученым пока не удалось, более того, существует мнение, что абсолютный нуль является чисто теоретическим допущением, но на практике он недостижим, так как полностью остановить колебания частиц вещества невозможно.

Движение с точки зрения биологии

Поскольку биология тесно связана с физикой и в широком смысле совершенно от нее неотделима, в этой статье мы рассмотрим движение также и с точки зрения биологии. В биологии движение рассматривается как одно из проявлений жизнедеятельности организма. С этой точки зрения движение является результатом взаимодействия сил, внешних по отношению к отдельно взятому организму, с внутренними силами самого организма. Другими словами, внешние раздражители вызывают определенную реакцию организма, которая проявляется в движении.

Следует отметить, что хотя формулировки понятия «движение», принятые в физике и биологии, несколько отличаются друг от друга, по своей сути они не вступают ни в малейшее противоречие, являясь просто различными определениями одного и того же научного понятия.


Таким образом мы убеждаемся в том, что крылатое выражение, о котором шла речь в начале данной статьи, вполне согласуется с определением движения с точки зрения физики, поэтому нам остается лишь еще раз повторить прописную истину: движение - это жизнь, а жизнь - это движение.