Уравнение равномерного прямолинейного движения точки.

РАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ. СКОРОСТЬ. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ

«Физика - 10 класс»

Какая физическая величина характеризует быстроту движений тела? Как, зная эту величину, определить положение тела?

Движение точки называется равномерным, если она за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути.

Равномерное движение может быть как криволинейным, так и прямолинейным. Равномерное прямолинейное движение — самый простой вид движения. С него мы и начнём изучение движения в кинематике.

Скорость.

Важной величиной, характеризующей движение точки, является её скорость. Некоторое представление о скорости каждый из нас имел и до начала изучения физики.

Черепаха перемещается с малой скоростью, человек движется с большей скоростью, автомобиль движется быстрее человека, а самолёт — ещё быстрее. Самой большой скорости относительно Земли человек достигает с помощью космических ракет.

В механике рассматривают скорость как векторную величину. А это означает, что скорость можно считать известной (заданной) лишь в том случае, если известны её модуль и направление.

Дадим определение скорости равномерного прямолинейного движения точки. Пусть точка, двигаясь равномерно и прямолинейно в течение промежутка времени Δt, переходит из положения М₁ в положение М₂ (рис. 1.9), совершив при этом перемещение Δ . Поделим перемещение Δ на промежуток времени Δt, в течение которого это перемещение произошло. В результате получим вектор. (При делении вектора на число получаем вектор.) Этот вектор называют скоростью равномерного прямолинейного движения точки и обозначают буквой . Следовательно, можно записать:

Так как промежуток времени Δt — величина положительная, то скорость направлена так же, как и перемещение Δ . Выясним смысл модуля скорости

Скоростью равномерного прямолинейного движения точки называется векторная величина, равная отношению перемещения точки к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло.

Модуль перемещения |Δ | есть расстояние, пройденное точкой за время Δt. А так как точка движется равномерно, то модуль отношения, а значит, и модуль скорости υ есть величина, численно равная пути, пройденному точкой за единицу времени.

Уравнение равномерного прямолинейного движения точки.

Пусть радиус-вектор ₀ задаёт положение точки в начальный момент времени t₀, а радиус-вектор — в момент времени t. Тогда Δt = t — t₀, Δ = - ₀, и выражение для скорости принимает вид

Если начальный момент времени t₀ принять равным нулю, то

Отсюда = ₀ + t (1.4).

Последнее уравнение и есть уравнение равномерного прямолинейного движения точки, записанное в векторной форме. Оно позволяет найти радиус-вектор точки при этом движении в любой момент времени, если известны скорость точки и радиус-вектор, задающий её положение в начальный момент времени.

Вместо векторного уравнения (1.4) можно записать три эквивалентных ему уравнения в проекциях на оси координат.

Радиус-вектор является суммой двух векторов: радиус-вектора ₀ и вектора t. Следовательно, проекции радиус-вектора на оси координат должны быть равны сумме проекций этих двух векторов на те же оси. Рассмотрим случай, когда направления ₀ и совпадают. х = х₀ + υ_х t. (1.5)

Уравнение (1.5) есть уравнение равномерного прямолинейного движения точки, записанное в координатной форме.

Оно позволяет найти координату х точки при этом движении в любой момент времени, если известны проекция её скорости на ось ОХ и её начальная координата х₀.

Если ₀ и не совпадают по направлению, а ось ОХ направлена вдоль скорости, то уравнение движения запишем в виде

x = x₀ + xt

y = y₀

z = z₀,

где х₀, у₀, z₀ — проекции радиус-вектора ₀ на оси координат (рис. 1.10, а).

Путь s, пройденный точкой при движении вдоль оси ОХ (рис. 1.10, б), равен модулю изменения её координаты: s = |х₂ – х₁|. Его можно найти, зная модуль скорости υ = |υ_х|:

s = |υ_х|t = υt. (1.6)

Движение точки может происходить как по направлению оси ОХ (υ_х = υ), так и в противоположную сторону (υ_х = -υ). Поэтому при расчётах разумно пользоваться уравнением: х = х₀ ± υt.

Отметим, что, строго говоря, равномерного прямолинейного движения не существует. Автомобиль на шоссе никогда не едет абсолютно прямо, небольшие отклонения в ту или иную сторону от прямой всегда имеются. И значение скорости слегка изменяется. Но приближённо на протяжении не слишком большого промежутка времени движение автомобиля можно считать равномерным и прямолинейным с достаточной для практических целей точностью. Таково одно из упрощений действительности, позволяющее без больших усилий описывать многие движения.

Графическое представление равномерного прямолинейного движения.

Полученные результаты можно изобразить наглядно с помощью графиков. Особенно прост график зависимости проекции скорости от времени (рис. 1.11). Это прямая, параллельная оси времени. Площадь прямоугольника ОАВС, заштрихованная на рисунке, равна изменению координаты точки за время t. Ведь сторона ОА есть υ_х, а сторона ОС — время движения t, поэтому Δx = υ_хt. На рисунке 1.12 приведены примеры графиков зависимости координаты от времени для трёх различных случаев равномерного прямолинейного движения.

Прямая 1 соответствует случаю х₀ = 0, υ_х1 > 0; прямая 2 — случаю х₀ < 0, υ_х2 > 0, а прямая 3 — случаю х₀ > 0, υ_х3 < 0. Угол наклона α₂ прямой 2 больше, чем угол наклона α₁ прямой 1. За один и тот же промежуток времени t₁ точка, движущаяся со скоростью υ_х2, проходит большее расстояние, чем при движении её со скоростью υ_х1. Следовательно, скорость υ_х2 больше, чем скорость υ_х1. Проекция скорости определяет угол наклона прямой к оси t. Очевидно, проекция скорости υ_х численно равна тангенсу угла α. В случае 3 α₃ < 0, движение происходит в сторону, противоположную оси ОХ. На рисунке 1.13 представлены зависимости проекций скоростей от времени для случаев 1, 2 и 3.