Что такое направление в физике?
Содержание:
В направление в физике Это установленная линия, по которой движется тело или объект, когда они совершают движение. Направление имеет первостепенное значение именно в опытах механики, поскольку в нем изучается движение тела и его направление (с учетом временной переменной).
В области физики направление является частью элементов движения, так как оно представляет собой линию, на которой движущийся объект или тело опирается.
Направление тела может меняться слева направо, справа налево, сверху вниз или наоборот. Если мы рисуем стрелку, направленную вверх, мы говорим, что направление стрелки имеет угол 90 ° по отношению к начальной точке.
Направление и векторы
Как упоминалось ранее, направление строго связано с движением и может быть найдено в элементе, известном как вектор смещения.
Более ясным примером этого может быть:
Если поезд идет по правому рельсу, это будет его направление.
С другой стороны, если поезд решает ехать вперед или назад по тому же пути, это будет считаться направлением поезда.
Векторы могут быть направлены на стороны света, такие как север, юг, восток и запад (образуя своего рода крест), но в то же время возможно, что направление вектора направлено на северо-восток (диагональная линия).
Характеристики направления векторов
Направление вектора также может быть определено как путь, пройденный линией или любой параллельной линией, содержащейся в векторе. Есть 2 основных характеристики направления вектора:
-Направление векторов измеряется от начальной точки к сторонам света, и его мера может быть выражена с помощью системы углов.
-Направление векторов вычисляется по направлению против часовой стрелки от начальной точки к сторонам света. Примером этого может быть поворот вектора на 30 °. Тогда он переместится на 30 ° против часовой стрелки.
Уравнения для определения направления вектора
Есть много способов вычислить направление, в котором движется вектор. Ниже приведены два наиболее часто используемых в физических экспериментах:
Содержание:
Кинематика, изучает конкретные механические та их взаимодействия с другими телами. Она фактически объединяет простейшие пространственно-временные зависимости, в частности изменение координат тела со временем (как функцию времени).
Поэтому кинематику часто называют геометрией движения.
Кинематика изучает механические движения тел без учета их взаимодействия с другими телами.
Кинематика
Физика изучает разнообразные явления и процессы, происходящие вокруг нас. Как вам известно, в зависимости от их природы различают механические, тепловые, электрические, магнитные, световые и другие физические явления. Раздел физики, который объясняет движение и взаимодействие тел, называется механикой.
Основная задача механики состоит в том, чтобы найти уравнение движения тела с помощью параметров, описывающих это движение.
Т. е. если мы при помощи этих физических величин сможем установить положение тела в любой момент времени, то основная задача механики считается решенной. В зависимости от способов ее решения в механике выделяют три раздела: кинематика, динамика и статика.
Кинематика изучает, как движется тело, не вникая в причины, вызывающие именно такое движение. Поэтому кинематические уравнения состоят лишь из пространственных характеристик механического движения: пройденного пути, изменения координат тела, скорости и т. д. В них нет сил, изменяющих это движение.
В переводе с греческого слово кинематика» (kinematos) означает движение.
Механическое движение и траектория движения
Чаще всего в обыденной жизни мы наблюдаем явление, которое называется механическим движением. Например, автомобиль едет по дороге, в небе «плывут» тучи, ребенок катается на качелях, Луна вращается вокруг Земли и т. д. Во всех этих случаях происходит изменение положения одного тела или его частей относительно других. Чтобы убедиться в этом, необходимо выбрать тело отсчета, относительно которого можно фиксировать положение движущегося тела в любой момент времени. Тело отсчета выбирают произвольно. В приведенных примерах это может быть столб или дерево возле дороги, дом, поверхность Земли и т. д.
Для того чтобы описать движение тела, необходимо точно знать его местоположение в пространстве в произвольный момент времени, т. е. уметь определять изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Как известно, легче всего это можно сделать с помощью системы координат. Например, зафиксировать «адрес» тела как определенное его положение в пространстве, измерив расстояния или углы в некоторой системе координат.
Систему координат, как правило, связывают с телом отсчета. В данном случае движущееся тело характеризуется изменением положения в пространстве относительно тела отсчета, т. е. изменением его координат с течением времени.
Математически это можно записать в таком виде: х = x(t); у = y(t).
Для того чтобы определить такое изменение в любой момент времени, с телом отсчета и системой координат необходимо связать средство измерения времени, к примеру секундомер или хронометр. Тогда тело отсчета, связанную с ним систему координат и секундомер как единое целое называют системой отсчета.
Как известно, реальные физические тела имеют форму и объем. Поэтому однозначно задать их положение в пространстве не всегда представляется возможным, поскольку различные их части имеют разные координаты. Однако эту проблему можно упростить, если не брать во внимание размеры тела. Такое возможно лишь при определенных условиях.
Часто кроме движущихся предметов мы наблюдаем тела, пребывающие в состоянии покоя. Однако абсолютно неподвижных тел в природе не существует.
Следовательно, состояние покоя является относительным, равно как и состояние движения, поскольку зависит от выбранной системы отсчета. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении движения тела мы в первую очередь будем определяться с выбором системы отсчета, потому что от этого нередко зависит сложность уравнений, описывающих данное движение. Правильный выбор системы отсчета ведет к упрощению уравнений движения.
Состояние покоя и состояние движения тела относительны, поскольку зависят от выбора системы отсчета.
Рассмотрим движущееся тело, последовательно фиксируя его положение в определенные моменты времени. Если теперь соединить все точки, в которых побывало тело во время своего движения, то получим мнимую линию, которая называется траекторией движения. Траектория движения может быть видимой (след от самолета на небосклоне, линия от карандаша или ручки при записи в тетради) и невидимой (полет птички, движение теннисного мяча и т. д.).
По форме траектории механическое движение бывает прямолинейным и криволинейным (рис. 1.3).
Положение броуновской частички через определенные промежутки времени.
Рис. 1.3. Различные формы траектории
Поскольку движение тел происходит в определенных системах отсчета, то и траектория рассматривается относительно них. Ведь она отображает во времени последовательные положения тела в некоторой системе отсчета. Поэтому она будет отличаться формой в различных системах отсчета, т. е. траектории движения также относительны. Например, все точки колеса велосипеда относительно его оси описывают окружность, однако в системе отсчета, связанной с землей, эта линия более сложная (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Траектория движения точки обода колеса велосипеда
Путь и перемещение
Зная траекторию движения, можно определить путь, пройденный телом: для этого необходимо измерить длину траектории между начальной и конечной точками движения.
Часто, для того чтобы более полно охарактеризовать движение тела и найти его новое положение, кроме пройденного пути (длины траектории), необходимо указать также направление, в котором двигалось тело. Например, водителю автомобиля приходится ехать по извилистой дороге (рис. 1.5).
Путь и перемещение могут отличаться своими значениями. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим движение велосипедиста по окружности радиуса R= 100 м (рис. 1.6).
Допустим велосипедист стартует в точке А. Проехав половину окружности, он окажется в точке В. Пройденный им путь равен дуге 
а модуль перемещения 
= 2R = 200 м.
В момент времени, когда велосипедист проедет 
окружности, пройденный им путь будет равен 
значение перемещения 
Когда велосипедист сделает полный оборот, пройденный путь будет равен 
модуль перемещения при этом равен нулю 
Таким образом, перемещение может равняться нулю даже в том случае, если тело перед этим осуществляло движение. Это возможно, когда начальное и конечное положения тела совпадают.
Путь и перемещение имеют также одинаковые значения, когда тело движется прямолинейно лишь в одном направлении.
В рассмотренном нами примере пройденный путь и перемещение разные, отличаются по своему значению. Возникает вопрос: могут ли они совпадать, быть одинаковыми? Можно легко убедиться в том, что такое возможно, если, во-первых, траектория движения будет прямой, во-вторых, движение происходит в одну сторону. Как подтверждение этого, рассмотрим — такой пример.
Допустим, что автомобиль движется прямолинейно по шоссе из пункта А в пункт В, а затем возвращается в пункт С. Расстояние между пунктами 2 км и 4 км соответственно, все они размещены на одной прямой (рис. 1.7).
Двигаясь из пункта А в пункт В, автомобиль проходит путь 
= 2 км + 4 км = 6 км, и модуль его перемещения равен 
= 6 км. Т. е. в данном случае путь и перемещение совпадают: 
После того как автомобиль развернулся и приехал в пункт С, его перемещение равно 
= 2 км, а пройденный путь составляет 
= 6 км + 4 км = 10 км, т. е. пройденный путь и перемещение отличаются: 
Следовательно, пройденный путь и перемещение по своему значению одинаковы лишь в том случае, если тело движется по прямой и не изменяет направление движения.
Равномерное прямолинейное движение
При равномерном движении значение скорости остается постоянным, поскольку за любые равные интервалы времени совершаются равные перемещения.
Из рисунков 1.8 и 1.9 понятно, что 
Воспользовавшись формулой (2), получим уравнение равномерного прямолинейного движения:
поэтому 
Уравнения равномерного прямолинейного движения:
Рассмотрим теперь различные случаи равномерного прямолинейного движения (рис. 1.10).
Если же направление движения тела противоположно направлению координатной оси, то 
0) либо устремляться вниз ( 
0 (рис. 1.15) либо 
0 и 
0, скорость движения увеличивается, ведь 
— 
> 0, вектор 
совпадает с направлением движения.
Если скорость тела со временем уменьшается 
то вектор ускорения будет противоположным к направлению движения (рис. 1.25).
В данном случае в соответствии с выбранным направлением координатной оси ОХ проекция ускорения будет отрицательной 
Из формул (1) и (2) можно получить кинематическое уравнение скорости для равноускоренного движения:
или в проекциях на ось ОХ:
Выведем теперь кинематическое уравнение перемещения для равноускоренного движения. Учтем, что скорость во время такого движения постоянно изменяется, например сначала она равна 
а в конце движения она будет v. Поэтому в формуле перемещения можно воспользоваться понятием средней скорости (известное из курса физики 8-го класса): 
Подставив в данную формулу уравнение (3) и произведя некоторые преобразования, получим: 
или в проекциях на ось ОХ: 
Если начальная скорость тела равна 0 
то кинематическое уравнение перемещения приобретает вид: 
или в проекциях на ось ОХ: 
Для прямолинейного движения, учитывая, что 
получим кинематическое уравнение для координат или уравнение равноускоренного движения:
или для случая, когда 
= 0: 
Следует помнить, что в ходе решения задач необходимо учитывать знаки проекций в соответствующих уравнениях.
При определении проекции перемещения не всегда известно время, в течение которого происходило движение. Тогда можно воспользоваться иным уравнением. Чтобы его получить, подставим в кинематическое уравнение 
выражение 
Сделав некоторые математические преобразования (предлагаем произвести их самостоятельно), получим формулу:
Отсюда 
Если 
Задача №5
Водитель начинает тормозить в тот момент, когда спидометр автомобиля фиксирует скорость 72 км/ч. Через какое время автомобиль остановится, если он двигался с ускорением 
Каким был его тормозной путь?
Дано:
следовательно, 0 = 
— at, отсюда 
Ответ: автомобиль остановился через 10 с, проехав 100 м.
Задача №6
Шарик толкнули по наклонному желобу вверх со скоростью 6 м/с. Шарик движется с ускорением 0,5 
Найти скорость шарика через 8 с и 14 с после начала движения.
Дано:
Решение
Направим ось ОХ вдоль желоба (см. рис.).
Учитывая знаки проекций скорости и ускорения, имеем 
Отсюда уравнение для 
имеет такой вид:
Для 
имеем:
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что в первом случае шарик двигался вверх (
> 0), а во втором случае он скатывался вниз, поскольку 
0), либо падать вниз ( 
0, то график имеет вид, представленный на рисунке 1.28. На графике зависимости координаты от времени, если 
вершина параболы смещается по оси ординат вверх или вниз в зависимости от значения 
Если 
= 0 и 
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Разделы физики
Как и во всех научных дисциплинах, в физике выделяют ряд разделов, каждый из которых специализируется на отдельной области исследований. Но в отличие от других научных дисциплин, в физике происходит разделение на две большие группы — современная физика и классическая.
Вполне очевидно, что разделы классической физики сформировались задолго до разделов современной физики. В большинстве других научных дисциплин старые идеи по мере развития сменяются новыми, однако современная физика основывается на совершенно иных законах и принципах, в корне отличных от законов ее классического компаньона. И при этом оба раздела — и классический, и современный — остаются правильными, каждый в своей сфере исследований.
Классическая физика
Это так называемая физика «старой школы». Она имеет дело с явлениями привычного для нас масштаба и исследует движение тел, перенос энергии в экспериментальных и промышленных установках. Также в область классической физики входят темы электричества и звуковых колебаний. В конце XIX века бытовало убеждение, что классическим теориям по силам разрешить все загадки, которые предлагает природа. Но к 1910 году это положение пошатнулось, причем благодаря сторонникам современных физических теорий.
Классическая механика
Классическая механика изучает движение тел различной массы под воздействием приложенных сил.
Статистическая механика
Статистическая механика развивает математические методы, позволяющие моделировать движение невидимых молекул и атомов.
Электромагнитизм
Теория электромагнетизма изучает поведение электрических зарядов, электроток, магнетизм и спектр электромагнитного излучения, включающий в себя видимый свет, радиоволны и рентгеновское излучение.
Акустика
Акустика изучает распространение в различных физических средах звуковых волн.
Оптика
Оптика изучает природу света и поведение световых лучей в различных средах.
Термодинамика
Термодинамика исследует распространение тепла в различных материалах и превращение одних видов энергии в другие.
Материаловедение
Материаловедение отвечает на вопрос, почему различные материалы имеют разные свойства.
Современная физика
В начале XX века началось становление современной физики, поскольку многие классические теории стали давать сбой при применении их к сверхбольшим и сверхмалым масштабам. Так, в масштабе микромира даже небольшие расхождения оказывались огромными. А современная теория относительности разрабатывалась специально для того, чтобы связать пространство и время в масштабах макромира, поскольку квантовая теория «работает» лишь в масштабах микромира. Одной из самых больших надежд физики XXI века может стать единая теория, которая объединит эти две теории.
Теория относительности
Теория относительности объясняет, как движущаяся масса взаимодействует с пространством и временем.
Квантовая механика
Квантовая механика изучает физические явления на уровне самых мелких субатомных частиц.
Ядерная физика
Ядерная физика исследует структуру и поведение атома.
Физика конденсированных сред
Физика конденсированных сред рассматривает твердые тела и жидкости с точки зрения того, как атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом на квантовом уровне.
Физика элементарных частиц
Этот раздел физики описывает поведение фундаментальных частиц, составляющих материю нашего мира, и силы взаимодействия этих частиц друг с другом.
Астрофизика и космология
Эти разделы физики имеют общие моменты с астрономией. На основе достижений ядерной физики и других теорий современной физики они объясняют эволюцию звезд и формирование Вселенной.