Кинематика поступательного движения. Кинематика – раздел механики, в котором изучают движение материальных тел без учета причин, его вызывающих Виды движения: – – Поступательное – – Вращательное

Кинематика – раздел механики, в котором изучают движение материальных тел без учета причин, его вызывающих Виды движения: – – Поступательное – – Вращательное – – Плоскопараллельное – – Сферическое – – Сложное Кинематические характеристики: – – Положение точки (тела) – – Траектория – – Скорость – – Ускорение Виды движения: – – Поступательное – – Вращательное – – Плоскопараллельное – – Сферическое – – Сложное Кинематические характеристики: – – Положение точки (тела) – – Траектория – – Скорость – – Ускорение Основные задачи кинематики: – Установление математических способов задания движения точек (тел) – Зная закон движения точки (тела), установить методы определения всех величин, характеризующих данное движение Основные задачи кинематики: – Установление математических способов задания движения точек (тел) – Зная закон движения точки (тела), установить методы определения всех величин, характеризующих данное движение

Глава 1 Кинематика точки § 1. Способы задания движения § 2. Скорость и ускорение точки 2.1. Скорость при векторном способе задания движения точки 2.2. Ускорение при векторном способе задания движения точки 2.3. Скорость при координатном способе задания движения точки 2.4. Ускорение при координатном способе задания движения точки 2.5. Скорость при естественном способе задания движения точки 2.6. Ускорение при естественном способе задания движения точки § 3. Частные случаи движения точки § 1. Способы задания движения § 2. Скорость и ускорение точки 2.1. Скорость при векторном способе задания движения точки 2.2. Ускорение при векторном способе задания движения точки 2.3. Скорость при координатном способе задания движения точки 2.4. Ускорение при координатном способе задания движения точки 2.5. Скорость при естественном способе задания движения точки 2.6. Ускорение при естественном способе задания движения точки § 3. Частные случаи движения точки

Движение точки по отношению к избранной системе отсчета считается заданным, если известен способ, при помощи которого можно определить положение точки в любой момент времени Точка, двигаясь в пространстве, описывает кривую, называемую траекторией Движение точки по отношению к избранной системе отсчета считается заданным, если известен способ, при помощи которого можно определить положение точки в любой момент времени Точка, двигаясь в пространстве, описывает кривую, называемую траекторией § 1. Способы задания движения

М М O + - s (t) Естественный (траекторный) способ задания движения задаем траекторию движения начало отсчета направление отсчета расстояний закон движения точки по траектории s = s(t) задаем траекторию движения начало отсчета направление отсчета расстояний закон движения точки по траектории s = s(t)

Способы задания движения Векторный способ задания движения Координатный способ задания движения Естественный (траекторный) способ задания движения Векторный способ задания движения Координатный способ задания движения Естественный (траекторный) способ задания движения

Скорость точки (векторная величина) одна из основных кинематических характеристик движения точки Под средней скоростью точки (по модулю и направлению) понимают величину, равную отношению вектора перемещения к промежутку времени, за который это перемещение произошло Скорость точки в данный момент времени называется мгновенной скоростью точки Скорость точки (векторная величина) одна из основных кинематических характеристик движения точки Под средней скоростью точки (по модулю и направлению) понимают величину, равную отношению вектора перемещения к промежутку времени, за который это перемещение произошло Скорость точки в данный момент времени называется мгновенной скоростью точки Скорость

2.5. Скорость при естественном способе задания движения точки М М М1М1 М1М1 O O Оси естественного трехгранника Оси естественного трехгранника - касательная к траектории, направленная в сторону движения - касательная к траектории, направленная в сторону движения - нормаль к траектории лежит в соприкасаю- щейся плоскости и направлена в сторону вогнутости траектории - нормаль к траектории лежит в соприкасаю- щейся плоскости и направлена в сторону вогнутости траектории - перпендикулярна к первым двум, так чтобы образовывала правую тройку векторов - перпендикулярна к первым двум, так чтобы образовывала правую тройку векторов – криволинейная (дуговая) координата

Всегда положительное, т.к. всегда направлено в сторону вогнутости траектории всегда положительное, т.к. всегда направлено в сторону вогнутости траектории показывает изменение скорости по величине показывает изменение скорости по величине показывает изменение скорости по направлению показывает изменение скорости по направлению М М О О

§ 3. Частные случаи движения точки Равномерное прямолинейное движение, когда Равномерное криволинейное движение, когда Р авномерное прямолинейное движение, когда Равномерное криволинейное движение, когда Равномерное движение, если всегда Равномерное движение, если всегда в случае в случае В этом случае уравнение движения В этом случае уравнение движения либо если либо если то мгновенная остановка, т.е. то мгновенная остановка, т.е. скорость меняет направление – точка перегиба скорость меняет направление – точка перегиба и значит и значит

Движение ускоренное, когда движение замедленное, когда д вижение ускоренное, когда движение замедленное, когда Если Если Если в какой-нибудь момент времени в какой-нибудь момент времени то движение с ускорением то движение с ускорением имеем экстремум, т.е.

Калистратова Л.Ф.
Электронные лекции по разделам классической и
релятивистской механики
6 лекций
(12 аудиторных часов)

Раздел 1. Классическая механика

Темы лекций
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Кинематика поступательного движения.
Кинематика вращательного движения.
Динамика поступательного движения.
Динамика вращательного движения.
Работа, энергия.
Законы сохранения.

Тема 1. Кинематика поступательного движения

План лекции
1.1. Основные понятия кинематики
1.2. Перемещение, скорость, ускорение.
1.3. Обратная задача кинематики.
1.4. Тангенциальное и нормальное ускорения.

1.1. Основные понятия кинематики

Механическое движение – это процесс перемещения
тел или их частей относительно друг друга.
Механическое, как и всякое другое, движение
происходит в пространстве и времени.
Пространство и время – сложнейшие физические и
философские категории.
В ходе развития физики и философии эти понятия
претерпели существенные изменения.

Классическую механику создал И. Ньютон.
Он постулировал, что время и пространство
абсолютны.
Абсолютное пространство и абсолютное время не
взаимосвязаны.
Классическая механика приписывает абсолютному
пространству и абсолютному времени вполне
определенные свойства.

Абсолютное пространство
- трехмерно (имеет три измерения),
- непрерывно (его точки могут быть сколь угодно
близки друг к другу),
- эвклидово (его геометрия описывается геометрией
Эвклида),
- однородно (в нем нет привилегированных точек),
- изотропно (в нем нет привилегированных
направлений).

Абсолютное время
- одномерно (имеет одно измерение);
- непрерывно (два его мгновения могут быть сколь
угодно близки друг к другу);
- однородно (в нем нет привилегированных
мгновений);
- анизотропно (течет только в одном направлении).

В начале ХХ века классическая механика подверглась
кардинальному пересмотру.
В результате были созданы величайшие теории нашего
времени – теория относительности и квантовая
механика.
Теория относительности (релятивистская механика)
описывает движение макроскопических тел, когда их
скорость соизмерима со скоростью света.
Квантовая механика описывает движение
микрообъектов.

Теория относительности установила следующие
положения о пространстве и времени.
Пространство и время:
- не являются самостоятельными объектами;
– это формы существования материи;
- имеют не абсолютный, а относительный характер;
- неотделимы друг от друга;
- неотделимы от материи и её движения.

Механика
Классическая
Теория
относительности
СТО
ОТО
Квантовая

Классическая механика изучает макроскопические
тела, движущиеся с малыми скоростями.
Специальная теория относительности изучает

скоростями (порядка С = 3 10 8 м/с) в инерциальных
системах отсчёта.
Общая теория относительности изучает
макроскопические тела, движущиеся с большими
скоростями в неинерциальных системах отсчёта.
Квантовая механика изучает микроскопические тела
(микрочастицы), движущиеся с большими, но
нерелятивистскими скоростями.

Механика состоит из трех разделов – кинематики,
динамики и статики.
Кинематика изучает виды движений.
Динамика изучает причины, вызывающие тот или иной
вид движения.
Статика изучает условия равновесия тел.

Основные понятия механики
Движение – изменение положения тел друг
относительно друга.
Тело отсчёта - тело, по отношению к которому
определяется положение других тел.
Система отсчёта - система декартовых координат,
связанная с телом отсчета и прибором для
отсчета времени.
Материальная точка – это тело, формой и
размерами которого в данной задаче можно
пренебречь.
Абсолютно твердое тело – это тело, деформациями
которого в данной задаче можно пренебречь.

1.2. Перемещение, скорость, ускорение

Описать движение материальной точки – значит
знать её положение относительно выбранной
системы отсчёта в любой момент времени.
Для решения этой задачи надо иметь эталон длины
(например, линейку) и прибор для измерения
времени – часы.
Выберем тело отсчёта и свяжем с ним прямоугольную
систему координат.

Поступательным движением твёрдого тела
называется движение, при котором любая прямая,
проведённая в теле, остаётся параллельной
самой себе.
При поступательном движении все точки тела
движутся одинаково.
Движение тела можно охарактеризовать движением
одной точки - движением центра масс тела.

Перемещение
r - соединяет движущуюся
Радиус-вектор
материальную точку (М) с центром координат и
задаёт положение этой точки в системе координат.
M
r
z
k
j
i
x
0
y
x
y

Спроецируем радиус-вектор
r на оси координат:
r rX i rÓ j rZ k
i , j, k
- орты осей Х,У,Z (единичные векторы направлений)
Модуль радиус-вектора равен: r r
r x y z
2
2
2

rX x
rУ у
rZ z
– проекции радиус-вектора
на соответствующие оси.
X, У, Z называются декартовыми координатами
материальной точки.
r

Траекторией называется линия:
- которую описывает конец радиус-вектора
материальной точки при её движении;
- по которой движется тело.
По виду траектории движения делятся на:
- прямолинейное;
- криволинейное;
- по окружности.

Законом движения материальной точки называется
уравнение, выражающее зависимость её радиусвектора от времени:
r r t
Скалярная форма закона движения получила название
кинематических уравнений движения:
x f (t)
у f (t)
z f (t)
Исключив из этой системы уравнений параметр
времени t , получим уравнение траектории: У = f(X)

Для конечных промежутков времени ∆t: t = t2 – t1
Вектор перемещения
соединяет начальную
r
и конечную точки перемещения, пройденного
телом за время t = t2 – t1.
1
r1
0
x
S12
r
r2
2
y

r r2 r1
- приращение (изменение)
радиус – вектора.
r
Модуль вектора перемещения
называется
перемещением.
Путь - расстояние (S12), пройденное по траектории.
Перемещение и путь – величины скалярные и
положительные.
Для конечных промежутков времени ∆t перемещение не
равно пройденному пути:
r S

Для бесконечно малого промежутка времени dt:
dr
dr
dS
- вектор элементарного перемещения;
- элементарное перемещение;
- элементарный путь.
Для бесконечно малых промежутков времени
элементарное перемещение равно элементарному
пути:
dr dr dS

12
1
r
dr
2
r
r S
1
r
2
dr dS

Вектор перемещения получим, просуммировав
r2
векторы элементарных перемещений:
r dr
r1
Перемещение получим, просуммировав
элементарные перемещения:
r r dr
Путь получим интегрированием (суммированием)
элементарных путей или равнозначно модулей
элементарных перемещений:
S12 dS
dr

12
1
r
dr
2
r
r S
1
r
2
dr dS

Скорость
- равна перемещению, совершенному
материальной точкой за единицу времени;
- характеризует быстроту изменения
пространственного положения материальной
точки;
- измеряется в м/с;

- различают среднюю и мгновенную.

Вектор средней скорости за промежуток времени t:
- определяется как
r
V
t
- направлен вдоль вектора перемещения
r
.
V1
2
1
x
0
r

V2
y

Модуль средней скорости определяется как
S
V
t
V1
S
2
1
x
0
r

V2
y

При движении тела средняя скорость изменяет
направление и величину.

Мгновенная скорость равна пределу, к которому
стремится вектор средней скорости при
неограниченном убывании промежутка времени
до нуля (t 0).
r
dr
V lim
Δt 0 t
dt
dr
V
dt
Мгновенная скорость равна первой производной от
радиус-вектора по времени.

v
Вектор мгновенной скорости
направлен по
вектору dr , т. е. по касательной к траектории.
V1
2
1
x
0
r

V2
y
Модуль мгновенной скорости равен первой
производной от пути по времени:
d r dS
V V
dt
dt

Проекции скорости на координатные оси равны
первым производным от соответствующих
координат по времени:
dx
vx
dt
dy
vy
dt
dz
vz
dt

Вектор мгновенной скорости
через проекции скорости vx,
как:
v и его модуль V
vy, vz записываются
v vx i vy j vzk
v
v v v
2
x
2
y
2
z

В процессе движения материальной точки модуль и
направление её скорости в общем случае
изменяются.
V1
1
2
V2

Ускорение
- равно изменению скорости за единицу времени;
- характеризует быстроту изменения скорости с
течением времени;
- измеряется в м/с2;
- является векторной величиной;
- различают среднее и мгновенное.

V1
1
V2
x
0
V
2
V2

y

Вектор среднего ускорения за промежуток времени t
определяется как
где
V V2 V1
V
a
t
,
– приращение (изменение) скорости за время t.
Вектор среднего
ускорения
вектору V
.
a
направлен по

Мгновенное ускорение равно пределу, к которому
стремится среднее ускорение при неограниченном
убывании промежутка времени до нуля (t 0).
ΔV dV
a lim
Δt 0 Δt
dt
dV
a
dt
d r
V
dt
d r
a 2
dt
2
Мгновенное ускорение равно:
- первой производной от мгновенной скорости по
времени;
- второй производной от радиус-вектора по
времени.

Вектор мгновенного ускорения по отношению к
вектору мгновенной скорости может занять любое
положение под углом α .
v
v
a
a

Если угол - острый, то движение материальной
точки будет являться ускоренным.
В пределе острый угол равен нулю. В этом случае
движение является равноускоренным.
а
V
Если угол - тупой, то движение точки будет
замедленным.
В пределе тупой угол равен 180 О. В этом случае
движения будет равнозамедленным.
a
V

Проекции вектора ускорения на координатные оси
равны первым производным от
соответствующих проекций скорости на эти же
оси:
2
dVx d x
ax
2
dt dt
d2y
ay
2
dt dt
dVy
2
dVz d z
az
2
dt dt

Вектор мгновенного ускорения a и его модуль а
через проекции можно записать как
a a xi a y j a zk
a a a a
2
x
2
y
2
z

1.3. Обратная задача кинематики

В рамках кинематики решаются две основные задачи:
прямая и обратная.
При решении прямой задачи по известному закону
движения
r r t
в любой момент времени находятся все остальные
кинематические характеристики материальной точки:
путь, перемещение, скорость, ускорение.

При решении обратной задачи по известной
зависимости ускорения от времени
a a t
в любой момент времени находят скорость и положение
материальной точки на траектории.
Для решения обратной задачи нужно задать в
некоторый начальный момент времени tО
начальные условия:
- радиус-вектор r0 ;
- скорость точки
v0
.

Из определения ускорения имеем
dV a dt
Проинтегрируем
v(t)
v0
t
d V a dt
t0
V VO
t
a dt
t0

Окончательно скорость получим при решении
данного выражения.
t
V VO a dt
(1)
t0
Из определения скорости следует, что элементарное
перемещение равно
d r V dt

Подставим сюда выражение для скорости и
проинтегрируем полученное уравнение:
t
d r t VO t a dt
0
0
r0
r(t)
t
dt
Окончательно для радиус-вектора имеем выражение:
t
r rO
t0
t
VO a dt dt
t0

Тогда
Частные случаи
Равномерное прямолинейное движение
(ускорение a = 0 и t0 = 0).
r (t) r0 V0dt r0 V0t
t
t0
Перейдём от векторной формы записи уравнений к
скалярной:
x x 0 V0x t
s Vt

Равнопеременное прямолинейное движение
= const и t = 0).
(ускорение a
0
Тогда
t
t
r r0 V0 a dt dt r0 V0 a t dt
0
0
0
t
2
at
r r0 V0 t
2

Полученное выражение, спроецированное на ось Х,
имеет вид:
aXt
x x 0 VOX t
2
2
2
at
S VO t
2

1.4. Тангенциальное и нормальное ускорения

Пусть материальная точка движется по
криволинейной траектории, имея различную
скорость в разных точках траектории.
Скорость при криволинейном движении может
изменяться и по модулю и по направлению.
Эти изменения можно оценивать раздельно.

a
Вектор ускорения
можно разложить на два
направления:
- касательное к траектории;
- перпендикулярное к ней (по радиусу к центру
окружности).
Составляющие на эти направления носят названия
и нормального
тангенциального ускорения
a
ускорений a n .
a aτ an

Тангенциальное ускорение:
- характеризует изменение скорости по модулю;
- направлено по касательной к траектории.
Модуль тангенциального ускорения равен модулю
первой производной от скорости по времени.
dV
a
dt

Нормальное ускорение
- характеризует изменение скорости по
направлению;
- направлено перпендикулярно скорости по
радиусу к центру кривизны траектории.
Модуль нормального ускорения равен
2
V
an
R
R – радиус кривизны в заданной точке траектории.

Полное ускорение материальной точки.
a aτ an
Модуль полного ускорения:
a
a
a a
2
τ
2
n
2
dV 2
V 2
) (
dt
R

Частные случаи движений
1. a = 0,
an = 0
- равномерное прямолинейное движение;
2. a = const, a n = 0
- равнопеременное прямолинейное движение;
3. a = 0, a n = сonst
- равномерное движение по окружности;
4. a = 0, a n = f(t)
- равномерное криволинейное движение.

1 из 68

Презентация на тему: Вращательные движение твердого тела

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Вращательным движением твёрдого тела или системы тел называется такое движение, при котором все точки движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения, а плоскости окружностей перпендикулярны оси вращения. Вращательным движением твёрдого тела или системы тел называется такое движение, при котором все точки движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения, а плоскости окружностей перпендикулярны оси вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами и в зависимости от выбора системы отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной. Теорема вращения Эйлера утверждает, что любое вращение трёхмерного пространства имеет ось.

№ слайда 3

Описание слайда:

Кинематика вращательного движения……………………….…….4 Кинематика вращательного движения……………………….…….4 Динамика вращательного движения……………………………….13 Основное уравнение динамики вращательного движения……14 Динамика произвольного движения………………………………..……….26 Законы сохранения …………………………………………………….....30 Закон сохранения момента импульса…………………………………….31 Кинетическая энергия вращающегося тела…………………………….52 Закон сохранения энергии………………………….………………………….…57 Заключение…………………………………………………………………..…..61 Использованные информационные материалы..…………...66

№ слайда 4

Описание слайда:

№ слайда 5

Описание слайда:

№ слайда 6

Описание слайда:

№ слайда 7

Описание слайда:

№ слайда 8

Описание слайда:

№ слайда 9

Описание слайда:

№ слайда 10

Описание слайда:

Пример: плоскопараллельное движение колеса без проскальзывания по горизонтальной поверхности. Качение колеса можно представить как сумму двух движений: поступательного движения со скоростью центра масс тела и вращения относительно оси, проходящей через центр масс. Пример: плоскопараллельное движение колеса без проскальзывания по горизонтальной поверхности. Качение колеса можно представить как сумму двух движений: поступательного движения со скоростью центра масс тела и вращения относительно оси, проходящей через центр масс.

№ слайда 11

Описание слайда:

Методом последовательной съёмки запечатлена кинематика движения Дворцового моста в Санкт-Петербурге. Выдержка 6 секунд. Какую информацию о движении моста можно извлечь из фотографии? Проанализируйте кинематику его движения. Методом последовательной съёмки запечатлена кинематика движения Дворцового моста в Санкт-Петербурге. Выдержка 6 секунд. Какую информацию о движении моста можно извлечь из фотографии? Проанализируйте кинематику его движения.

№ слайда 12

Описание слайда:

Кикоин А.К. Формулы кинематики для вращательного движения. «Квант», 1983, № 11. Кикоин А.К. Формулы кинематики для вращательного движения. «Квант», 1983, № 11. Фистуль М. Кинематика плоскопараллельного движения. «Квант», 1990, № 9 Черноуцан А.И. Когда вокруг всё вертится... «Квант», 1992, № 9. Чивилёв В., Движение по окружности: равномерное и неравномерное. «Квант», 1994, №6. Чивилёв В.И. Кинематика вращательного движения. «Квант», 1986, № 11.

№ слайда 13

Описание слайда:

№ слайда 14

Описание слайда:

№ слайда 15

Описание слайда:

Динамика поступательного движения материальной точки оперирует такими понятиями, как сила, масса, импульс. Динамика поступательного движения материальной точки оперирует такими понятиями, как сила, масса, импульс. Ускорение поступательно движущегося тела зависит от действующей на тело силы (суммы действующих сил) и массы тела (второй закон Ньютона):

№ слайда 16

Описание слайда:

№ слайда 17

Описание слайда:

Устройство и принцип действия прибора Устройство и принцип действия прибора Исследование зависимости углового ускорения вращения диска от момента действующей силы: от величины действующей силы F при неизменном значении плеча силы относительно данной оси вращения d (d = const); от плеча силы относительно данной оси вращения при постоянной действующей силе (F = const); от суммы моментов всех действующих на тело сил относительно данной оси вращения. Исследование зависимости углового ускорения от свойств вращающегося тела: от массы вращающегося тела при неизменном моменте сил; от распределения массы относительно оси вращения при неизменном моменте сил. Результаты опытов:

№ слайда 18

Описание слайда:

Принципиальная разница: масса является инвариантом и не зависит от того, как тело движется. Момент инерции изменяется при изменении положения оси вращения или её направления в пространстве. Принципиальная разница: масса является инвариантом и не зависит от того, как тело движется. Момент инерции изменяется при изменении положения оси вращения или её направления в пространстве.

№ слайда 19

Описание слайда:

№ слайда 20

Описание слайда:

№ слайда 21

Описание слайда:

Теорема о переносе осей инерции (Штейнера): момент инерции твёрдого тела относительно произвольной оси I равен сумме момента инерции этого тела I0 относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями: Теорема о переносе осей инерции (Штейнера): момент инерции твёрдого тела относительно произвольной оси I равен сумме момента инерции этого тела I0 относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями:

№ слайда 22

Описание слайда:

Как отличаются моменты инерции кубов относительно осей ОО и О’О’ ? Как отличаются моменты инерции кубов относительно осей ОО и О’О’ ? Сравните угловые ускорения двух тел, изображённых на рисунке, при одинаковом действии на них моментов внешних сил.

№ слайда 23

Описание слайда:

Задача: По гладкой наклонной плоскости скатываются шар и сплошной цилиндр одинаковой массы. Какое из этих тел Задача: По гладкой наклонной плоскости скатываются шар и сплошной цилиндр одинаковой массы. Какое из этих тел скатится быстрее? Замечание: Уравнение динамики вращательного движения тела можно записывать не только относительно неподвижной или равномерно движущейся оси, но и относительно оси, движущейся с ускорением, при условии, что она проходит через центр масс тела и её направление в пространстве остаётся неизменным.

№ слайда 24

Описание слайда:

Задача о качении симметричного тела по наклонной плоскости. Задача о качении симметричного тела по наклонной плоскости. Относительно оси вращения, проходящей через центр масс тела, моменты сил тяжести и реакции опоры равны нулю, момент силы трения равен M = Fтрr. Составьте систему уравнений, применив: основное уравнение динамики вращательного движения для скатывающегося тела; второй закон Ньютона для поступательного движения центра масс.

№ слайда 25

Описание слайда:

Момент инерции шара и сплошного цилиндра соответственно равны Момент инерции шара и сплошного цилиндра соответственно равны Уравнение вращательного движения: Уравнение второго закона Ньютона для поступательного движения центра масс Ускорение шара и цилиндра при скатывании с наклонной плоскости соответственно равны: aш > aц, следовательно, шар будет скатываться быстрее цилиндра. Обобщая полученный результат на случай скатывания симметричных тел с наклонной плоскости, получим, что быстрее будет скатываться тело, обладающее меньшим моментом инерции.

№ слайда 26

Описание слайда:

№ слайда 27

Описание слайда:

Произвольное движение твёрдого тела можно разложить на поступательное движение, в котором все точки тела движутся со скоростью центра масс тела, и вращение вокруг центра масс. Произвольное движение твёрдого тела можно разложить на поступательное движение, в котором все точки тела движутся со скоростью центра масс тела, и вращение вокруг центра масс.

№ слайда 28

Описание слайда:

Режим последовательной съёмки позволяет проиллюстрировать теорему о движении центра масс системы: при спуске затвора за одну секунду можно запечатлеть несколько изображений. При объединении такой серии спортсмены, выполняющие трюки, и животные в движении превращаются в плотную очередь близнецов. Режим последовательной съёмки позволяет проиллюстрировать теорему о движении центра масс системы: при спуске затвора за одну секунду можно запечатлеть несколько изображений. При объединении такой серии спортсмены, выполняющие трюки, и животные в движении превращаются в плотную очередь близнецов.

№ слайда 29

Описание слайда:

№ слайда 30

Описание слайда:

№ слайда 31

Описание слайда:

№ слайда 32

Описание слайда:

№ слайда 33

Описание слайда:

Закон сохранения момента импульса - один из важнейших фундаментальных законов природы - является следствием изотропности пространства (симметрии относительно поворотов в пространстве). Закон сохранения момента импульса - один из важнейших фундаментальных законов природы - является следствием изотропности пространства (симметрии относительно поворотов в пространстве). Закон сохранения момента импульса не является следствием законов Ньютона. Предложенный подход к выводу закона носит частный характер. При сходной алгебраической форме записи законы сохранения импульса и момента импульса в применении к одному телу имеют разный смысл: в отличие от скорости поступательного движения угловая скорость вращения тела может меняться за счёт изменения момента инерции тела I внутренними силами. Закон сохранения момента импульса выполняется для любых физических систем и процессов, не только механических.

№ слайда 34

Описание слайда:

Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на неё, равен нулю. Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на неё, равен нулю. Следствия из закона сохранения момента импульса в случае изменения скорости вращения одной части системы другая также изменит скорость вращения, но в противоположную сторону таким образом, что момент импульса системы не изменится; если момент инерции замкнутой системы в процессе вращения изменяется, то изменяется и её угловая скорость таким образом, что момент импульса системы останется тем же самым в случае, когда сумма моментов внешних сил относительно некоторой оси равняется нулю, момент импульса системы относительно этой же оси остается постоянным. Экспериментальная проверка. Опыты со скамьёй Жуковского Границы применимости. Закон сохранения момента импульса выполняется в инерциальных системах отсчёта.

№ слайда 35

Описание слайда:

Скамья Жуковского состоит станины с опорным шариковым подшипником, в котором вращается круглая горизонтальная платформа. Скамья Жуковского состоит станины с опорным шариковым подшипником, в котором вращается круглая горизонтальная платформа. Скамью с человеком приводят во вращение, предложив ему развести руки с гантелями в стороны, а затем резко прижать их к груди.

№ слайда 36

Описание слайда:

№ слайда 37

Описание слайда:

Закон сохранения момента импульса выполняется, если: Закон сохранения момента импульса выполняется, если: сумма моментов внешних сил равна нулю (силы при этом могут не уравновешиваться); тело движется в центральном силовом поле (при отсутствии других внешних сил; относительно центра поля) Закон сохранения момента импульса применяют: когда характер изменения со временем сил взаимодействия между частями системы сложен или неизвестен; относительно одной и той же оси для всех моментов импульса и сил; как к полностью, так и частично изолированным системам.

№ слайда 38

Описание слайда:

Замечательной особенностью вращательного движения является свойство вращающихся тел при отсутствии взаимодействий с другими телами сохранять неизменными не только момент импульса, но и направление оси вращения в пространстве. Замечательной особенностью вращательного движения является свойство вращающихся тел при отсутствии взаимодействий с другими телами сохранять неизменными не только момент импульса, но и направление оси вращения в пространстве. Суточное вращение Земли. Гироскопы Вертолёт Цирковые аттракционы Балет Фигурное катание Гимнастика (сальто) Прыжки в воду Игровые виды спорта

№ слайда 39

Описание слайда:

Неизменным ориентиром для путешественников на поверхности Земли служит Полярная звезда в созвездии Большой Медведицы. Примерно на эту звезду направлена ось вращения Земли, и кажущаяся неподвижность Полярной звезды на протяжении столетий наглядно доказывает, что на протяжении этого времени направление оси вращения Земли в пространстве остается неизменным. Неизменным ориентиром для путешественников на поверхности Земли служит Полярная звезда в созвездии Большой Медведицы. Примерно на эту звезду направлена ось вращения Земли, и кажущаяся неподвижность Полярной звезды на протяжении столетий наглядно доказывает, что на протяжении этого времени направление оси вращения Земли в пространстве остается неизменным.

№ слайда 40

Описание слайда:

Гироскопом называется любое тяжелое симметричное тело, вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью. Гироскопом называется любое тяжелое симметричное тело, вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью. Примеры: велосипедное колесо; турбина гидростанции; пропеллер. Свойства свободного гироскопа: сохраняет положение оси вращения в пространстве; устойчив к ударным воздействиям; безынерционен; обладает необычной реакцией на действие внешней силы: если сила стремится повернуть гироскоп относительно одной оси, то он поворачивается вокруг другой, ей перпендикулярной – прецессирует. Имеет обширную область применений.

№ слайда 41

Описание слайда:

№ слайда 42

Описание слайда:

Многие особенности поведения вертолёта в воздухе диктуются гироскопическим эффектом. Тело, раскрученное по оси, стремится сохранить неизменным направление этой оси. Многие особенности поведения вертолёта в воздухе диктуются гироскопическим эффектом. Тело, раскрученное по оси, стремится сохранить неизменным направление этой оси. Гироскопическими свойствами обладают валы турбин, велосипедные колеса, и даже элементарные частицы, например, электроны в атоме.

№ слайда 43

Описание слайда:

№ слайда 44

Описание слайда:

Свойством угловой скорости вращения тела изменяться за счёт действия внутренних сил пользуются спортсмены и артисты балета: когда под действием внутренних сил человек изменяет позу, прижимая руки к туловищу или разводя их в стороны, он изменяет момент импульса своего тела, при этом момент импульса сохраняется как по величине, так и по направлению, поэтому угловая скорость вращения также меняется. Свойством угловой скорости вращения тела изменяться за счёт действия внутренних сил пользуются спортсмены и артисты балета: когда под действием внутренних сил человек изменяет позу, прижимая руки к туловищу или разводя их в стороны, он изменяет момент импульса своего тела, при этом момент импульса сохраняется как по величине, так и по направлению, поэтому угловая скорость вращения также меняется.

№ слайда 45

Описание слайда:

Фигурист, совершающий вращение вокруг вертикальной оси, в начале вращения приближает руки к корпусу, тем самым уменьшая момент инерции и увеличивая угловую скорость. В конце вращения происходит обратный процесс: при разведении рук увеличивается момент инерции и уменьшается угловая скорость, что позволяет легко остановить вращение и приступить к выполнению другого элемента. Фигурист, совершающий вращение вокруг вертикальной оси, в начале вращения приближает руки к корпусу, тем самым уменьшая момент инерции и увеличивая угловую скорость. В конце вращения происходит обратный процесс: при разведении рук увеличивается момент инерции и уменьшается угловая скорость, что позволяет легко остановить вращение и приступить к выполнению другого элемента.

№ слайда 46

Описание слайда:

Гимнаст, выполняющий сальто, в начальной фазе сгибает колени и прижимает их к груди, уменьшая тем самым момент инерции и увеличивая угловую скорость вращения вокруг горизонтальной оси. В конце прыжка тело выпрямляется, момент инерции возрастает, а угловая скорость уменьшается. Гимнаст, выполняющий сальто, в начальной фазе сгибает колени и прижимает их к груди, уменьшая тем самым момент инерции и увеличивая угловую скорость вращения вокруг горизонтальной оси. В конце прыжка тело выпрямляется, момент инерции возрастает, а угловая скорость уменьшается.

№ слайда 47

Описание слайда:

Толчок, испытываемый прыгуном в воду, в момент отрыва от гибкой доски, «закручивает» его, сообщая начальный запас момента импульса относительно центра масс. Толчок, испытываемый прыгуном в воду, в момент отрыва от гибкой доски, «закручивает» его, сообщая начальный запас момента импульса относительно центра масс. Перед входом в воду, совершив один или несколько оборотов с большой угловой скоростью, спортсмен вытягивает руки, увеличивая тем самым свой момент инерции и, следовательно, снижая свою угловую скорость.

№ слайда 48

Описание слайда:

Вращение устойчиво относительно главных осей инерции, совпадающих с осями симметрии тел. Вращение устойчиво относительно главных осей инерции, совпадающих с осями симметрии тел. Если в начальный момент угловая скорость немного отклоняется по направлению от оси, которой соответствует промежуточное значение момента инерции, то в дальнейшем угол отклонения стремительно нарастает, и вместо простого равномерного вращения вокруг неизменного направления тело начинает совершать беспорядочное на вид кувыркание.

№ слайда 49

Описание слайда:

Вращение играет важную роль в игровых видах спорта: теннисе, бильярде, бейсболе. Удивительный удар «сухой лист» в футболе характеризуется особой траекторией полёта вращающегося мяча из-за возникновения подъёмной силы в набегающем потоке воздуха (эффект Магнуса). Вращение играет важную роль в игровых видах спорта: теннисе, бильярде, бейсболе. Удивительный удар «сухой лист» в футболе характеризуется особой траекторией полёта вращающегося мяча из-за возникновения подъёмной силы в набегающем потоке воздуха (эффект Магнуса).

№ слайда 50

Описание слайда:

Космический телескоп Хаббл свободно плавает в пространстве. Как можно изменить его ориентацию так, чтобы нацелить на важные для астрономов объекты? Космический телескоп Хаббл свободно плавает в пространстве. Как можно изменить его ориентацию так, чтобы нацелить на важные для астрономов объекты?

№ слайда 51

Описание слайда:

Почему кошка при падении всегда приземляется на лапы? Почему кошка при падении всегда приземляется на лапы? Почему трудно удерживать равновесие на неподвижном двухколёсном велосипеде и совсем нетрудно, когда велосипед движется? Как поведёт себя кабина вертолёта, находящегося в полёте, если по каким-либо причинам хвостовой винт перестанет работать?

№ слайда 54

Описание слайда:

При плоском движении кинетическая энергия твёрдого тела равна сумме кинетической энергии вращения вокруг оси, проходящей через центр масс, и кинетической энергии поступательного движения центра масс: При плоском движении кинетическая энергия твёрдого тела равна сумме кинетической энергии вращения вокруг оси, проходящей через центр масс, и кинетической энергии поступательного движения центра масс: Это же тело может иметь еще и потенциальную энергию ЕP, если оно взаимодействует с другими телами. Тогда полная энергия равна:

№ слайда 55

Описание слайда:

№ слайда 56

Описание слайда:

Кинетическая энергия любой системы материальных точек равна сумме кинетической энергии всей массы системы, мысленно сосредоточенной в ее центре масс и движущейся вместе с ним, и кинетической энергии всех материальных точек той же системы в их относительном движении по отношению к поступательно движущейся системе координат с началом в центре масс. Кинетическая энергия любой системы материальных точек равна сумме кинетической энергии всей массы системы, мысленно сосредоточенной в ее центре масс и движущейся вместе с ним, и кинетической энергии всех материальных точек той же системы в их относительном движении по отношению к поступательно движущейся системе координат с началом в центре масс.

Описание слайда:

Зависимость кинетической энергии вращения от момента инерции тел используют в инерционных аккумуляторах. Зависимость кинетической энергии вращения от момента инерции тел используют в инерционных аккумуляторах. Работа, совершаемая за счёт кинетической энергии вращения, равна: Примеры: гончарные круги, массивные колёса водяных мельниц, маховики в двигателях внутреннего сгорания. Маховики, применяемые в прокатных станах, имеют диаметр свыше трёх метров и массу более сорока тонн.

№ слайда 62

Описание слайда:

Задачи для самостоятельного Задачи для самостоятельного решения Шар скатывается с наклонной плоскости высотой h = 90 см. Какую линейную скорость будет иметь центр шара в тот момент, когда шар скатится с наклонной плоскости? Решите задачу динамическим и энергетическим способами. Однородный шар массы m и радиуса R скатывается без скольжения по наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтом. Найдите: а) значения коэффициента трения, при которых скольжения не будет; б) кинетическую энергию шара через t секунд после начала движения.

№ слайда 63

Описание слайда:

№ слайда 64

Описание слайда:

«Так уж повелось издавна, что в конденсаторе, этом хранителе зарядов, существует электрическое поле, а в катушке с током - магнитное. Но повесить конденсатор в магнитном поле - такое могло прийти в голову только очень Любопытному ребенку. И не зря - он узнал нечто новое… Оказывается, - сказал себе Любопытный ребенок, - электромагнитное поле обладает атрибутами механики: плотностью импульса и момента импульса!» (Стасенко А.Л. Зачем быть конденсатору в магнитном поле? Квант, 1998, № 5). «Так уж повелось издавна, что в конденсаторе, этом хранителе зарядов, существует электрическое поле, а в катушке с током - магнитное. Но повесить конденсатор в магнитном поле - такое могло прийти в голову только очень Любопытному ребенку. И не зря - он узнал нечто новое… Оказывается, - сказал себе Любопытный ребенок, - электромагнитное поле обладает атрибутами механики: плотностью импульса и момента импульса!» (Стасенко А.Л. Зачем быть конденсатору в магнитном поле? Квант, 1998, № 5). «А что между ними - реками, тайфунами, молекулами - общего?...» (Стасенко А.Л. Вращение: реки, тайфуны, молекулы. Квант, 1997, № 5).

№ слайда 65

Описание слайда:

Читайте книги: Орир Д. Популярная физика. М.: Мир, 1964, или Купер Л. Физика для всех. М.: Мир, 1973. Т. 1. Из них вы узнаете много интересного о движении планет, колёс, волчков, вращении гимнаста на перекладине и... почему кошка всегда падает на лапы. Читайте книги: Орир Д. Популярная физика. М.: Мир, 1964, или Купер Л. Физика для всех. М.: Мир, 1973. Т. 1. Из них вы узнаете много интересного о движении планет, колёс, волчков, вращении гимнаста на перекладине и... почему кошка всегда падает на лапы. Читайте в «Кванте»: Воробьев И. Необычное путешествие. (№2, 1974) Давыдов В. Как индейцы бросают томагавк? (№ 11, 1989) Джоунс Д., Почему устойчив велосипед (№12, 1970) Кикоин А. Вращательное движение тел (№1, 1971) Кривошлыков С. Механика вращающегося волчка. (№ 10, 1971 год) Ланге В. Почему кувыркается книга (N3,2000) Томсон Дж. Дж. О динамике мяча для игры в гольф. (№8, 1990) Используйте образовательные ресурсы сети Интернет: http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/mech.htm http://howitworks.iknowit.ru/paper1113.html http://class-fizika.narod.ru/9_posmotri.htm и др.

№ слайда 66

Описание слайда:

Изучите закономерности вращательного движения с помощью моделирующей программы (Java-апплета) Изучите закономерности вращательного движения с помощью моделирующей программы (Java-апплета) СВОБОДНОЕ ВРАЩЕНИЕ СИММЕТРИЧНОГО ВОЛЧКА СВОБОДНОЕ ВРАЩЕНИЕ ОДНОРОДНОГО ЦИЛИНДРА (СИММЕТРИЧНОГО ВОЛЧКА) ВЫНУЖДЕННАЯ ПРЕЦЕССИЯ ГИРОСКОПА Определите собственный момент инерции методом физического маятника, используя образовательные ресурсы сети Интернет. Выполните экспериментальное исследование «Определение положения центра масс и моментов инерции тела человека относительно анатомических осей». Будьте наблюдательны!

№ слайда 67

Описание слайда:

№ слайда 68

Описание слайда:

Учебник для 10 класса с углублённым изучением физики под редакцией А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. М. : «Просвещение», 2005. Учебник для 10 класса с углублённым изучением физики под редакцией А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. М. : «Просвещение», 2005. Факультативный курс физики. О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, А. В. Пономарева. М. : «Просвещение», 1977 г. Ремизов А. Н. Курс физики: Учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Я. Потапенко. М.: Дрофа, 2004. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1990. http://ru.wikipedia.org/wiki/ http://elementy.ru/trefil/21152 http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter1/section/paragraph23/theory.html Physclips . Мультимедийное введение в физику. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/rotation.htm и др. В оформлении в учебных целях использованы иллюстративные материалы сети Интернет.

Слайд 2

Введение

Вращательным движением твёрдого тела или системы тел называется такое движение, при котором все точки движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения, а плоскости окружностей перпендикулярны оси вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами и в зависимости от выбора системы отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной. Теорема вращения Эйлера утверждает, что любое вращение трёхмерного пространства имеет ось. Примеры: роторы турбин, шестерни и валы станков и машин и др. 2

Слайд 3

Кинематика вращательного движения……………………….…….4 Динамика вращательного движения……………………………….13 ……14 Динамика произвольного движения………………………………..……….26 Законы сохранения …………………………………………………….....30 …………………………………….31 Кинетическая энергия вращающегося тела…………………………….52 Закон сохранения энергии………………………….………………………….…57 Заключение…………………………………………………………………..…..61 Использованные информационные материалы..…………...66 3

Слайд 4

Кинематика вращательного движения твёрдого тела

4 «Для составления физических представлений следует освоиться с существованием физических аналогий. Под физической аналогией я понимаю то частное сходство между законами двух каких-нибудь областей науки, благодаря которому одна из них является иллюстрацией для другой» Максвелл

Слайд 5

Направление векторов

Направление угловой скорости Определяется правилом правого винта: если винт вращать в направлении вращения тела, то направление поступательного движения винта совпадёт с направлением угловой скорости. Направление углового ускорения При ускоренном вращении векторы угловой скорости и углового ускорения совпадают по направлению. При замедленном вращении вектор углового ускорения направлен противоположно вектору угловой скорости. 5

Слайд 6

Аналогия движений

6 Прямая задача кинематики: по заданному как функция времени углу поворота φ = f(t) найти угловые скорость и ускорение. Обратная задача: по заданному как функция времени угловому ускорению ε = f(t) и начальным условиям ω0 и φ0найти кинематический закон вращения.

Слайд 7

Слайд 8

Направление векторов скорости и ускорения

Слайд 9

Формулы кинематики вращательного движения

Слайд 10

Произвольные движения твёрдого тела

Слайд 11

Вопросы для обсуждения

Слайд 12

Читайте дополнительно

Кикоин А.К. Формулы кинематики для вращательного движения. «Квант», 1983, № 11. Фистуль М. Кинематика плоскопараллельного движения. «Квант», 1990, № 9 Черноуцан А.И. Когда вокруг всё вертится... «Квант», 1992, № 9. Чивилёв В., Движение по окружности: равномерное и неравномерное. «Квант», 1994, №6. Чивилёв В.И. Кинематика вращательного движения. «Квант», 1986, № 11.

Слайд 13

Динамика вращательного движения твёрдого тела

13 «Я ценю умение строить аналогии, которые, если они смелы и разумны, выводят нас за пределы того, что пожелала нам открыть природа, позволяя предвидеть факты ещё до того, как мы их увидим». Ж. Л. Даламбер

Слайд 14

Основное уравнение динамики вращательного движения

Слайд 15

Динамика вращательного движения

Динамика поступательного движения материальной точки оперирует такими понятиями, как сила, масса, импульс. Ускорение поступательно движущегося тела зависит от действующей на тело силы (суммы действующих сил) и массы тела (второй закон Ньютона): Основная задача динамики вращательного движения: Установить связь углового ускорения вращательного движения тела с силовыми характеристиками его взаимодействия с другими телами и собственными свойствами вращающегося тела. 15

Слайд 16

Основное уравнение динамики вращательного движения

Для произвольной точки тела массой m По второму закону Ньютона Из геометрических соображений Для тела как совокупности частиц малых масс С учётом векторного характера Скалярная физическая величина, характеризующая распределение массы относительно оси вращения, называется моментом инерции тела: Сумма моментов внутренних сил Мiравна нулю, следовательно 16

Слайд 17

Экспериментальное изучение закономерностей вращательного движения

Устройство и принцип действия прибора Исследование зависимости углового ускорения вращения диска от момента действующей силы: от величины действующей силы F принеизменном значении плеча силы относительно данной оси вращения d (d = const); от плеча силы относительно данной оси вращения при постоянной действующей силе (F = const); от суммы моментов всех действующих на тело сил относительно данной оси вращения. Исследование зависимости углового ускорения от свойств вращающегося тела: от массы вращающегося тела при неизменном моменте сил; от распределения массы относительно оси вращения при неизменном моменте сил. Результаты опытов: 17

Слайд 18

Результаты выполненных экспериментов

Слайд 19

Вычисление момента инерции тела произвольной формы

Виртуальный эксперимент с моделью «Момент инерции» Цель эксперимента: убедиться в зависимости момента инерции системы тел от положения шаров на спице и положения оси вращения, которая может проходить как через центр спицы, так и через её концы. 19

Слайд 20

Слайд 21

Теорема Штейнера

Теорема о переносе осей инерции (Штейнера): момент инерции твёрдого тела относительно произвольной оси I равен сумме момента инерции этого тела I0 относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстоянияdмежду осями: Применение теоремы Штейнера. Задание. Определить момент инерции однородного стержня длиной l относительно оси, проходящей через один из его концов перпендикулярно стержню. Решение. Центр масс однородного стержня расположен посредине, поэтому момент инерции стержня относительно оси, проходящей через один из его концов, равен 21

Слайд 22

Вопросы для обсуждения

Как отличаются моменты инерции кубов относительно осей ОО и О’О’? Сравните угловые ускорения двух тел, изображённых на рисунке, при одинаковом действии на них моментов внешних сил. Какие из этих изменений является более трудными? Почему? 22

Слайд 23

Пример решения задачи

Задача: По гладкой наклонной плоскости скатываются шар и сплошной цилиндр одинаковой массы. Какое из этих тел скатится быстрее? Замечание: Уравнение динамики вращательного движения тела можно записывать не только относительно неподвижной или равномерно движущейся оси, но и относительно оси, движущейся с ускорением, при условии, что она проходит через центр масс тела и её направление в пространстве остаётся неизменным. Подсказка 1 Подсказка 2 Решение задачи Давайте обсудим: 23

Слайд 24

Подсказка 2

Задача о качении симметричного тела по наклонной плоскости. Относительно оси вращения, проходящей через центр масс тела, моменты сил тяжести и реакции опоры равны нулю, момент силы трения равен M = Fтрr. Составьте систему уравнений, применив: основное уравнение динамики вращательного движения для скатывающегося тела; второй закон Ньютона для поступательного движения центра масс. 24

Слайд 25

Решение задачи

Момент инерции шара и сплошного цилиндра соответственно равны Уравнение вращательного движения: Уравнение второго закона Ньютона для поступательного движения центра масс Ускорение шара и цилиндра при скатывании с наклонной плоскости соответственно равны: aш > aц, следовательно, шар будет скатываться быстрее цилиндра. Обобщая полученный результат на случай скатывания симметричных тел с наклонной плоскости, получим, что быстрее будет скатываться тело, обладающее меньшим моментом инерции. 25

Слайд 26

Динамика произвольного движения

Слайд 27

Произвольное движение твёрдого тела можно разложить на поступательное движение, в котором все точки тела движутся со скоростью центра масс тела, и вращение вокруг центра масс. Теорема о движении центра масс: центр масс механической системы движется как материальная точка массой, равной массе всей системы, к которой приложены все внешние силы действующие на систему. Следствия: Если вектор внешних сил системы равен нулю, то центр масс системы либо движется с постоянной по величине и направлению скоростью, либо находится в состоянии покоя. Если сумма проекций внешних сил на какую-либо ось равна нулю, то проекция вектора скорости движения центра масс системы на эту ось либо постоянна, либо равна нулю. Внутренние силы не влияют на движение центра масс. 27

Слайд 28

Иллюстрация теоремы

Слайд 29

Изучение движения центра масс системы

Виртуальный эксперимент с моделью «Теорема о движении центра масс» Цель эксперимента: изучить движение центра масс системы из двух осколков снаряда под действием силы тяжести. Убедиться в правомерности применения теоремы о движении центра масс к описанию произвольных движений на примере баллистического движения, изменяя его параметры: угол выстрела, начальную скорость снаряда и отношение масс осколков. 29

Слайд 30

Законы сохранения

30 «... аналогия является специфическим случаем симметрии, особым видом единства сохранения и изменения. Следовательно, использовать в анализе метод аналогии, - значит действовать в соответствии с принципом симметрии. Аналогия не только допустима, но и необходима в познании природы вещей....» Овчинников Н. Ф. Принципы сохранения

Слайд 31

Закон сохранения момента импульса

Слайд 32

Аналогия математического описания

Поступательное движение Из основного уравнения динамики поступательного движения Произведение массы тела на скорость его движения - импульс тела. В отсутствие действия сил импульс тела сохраняется: Вращательное движение Из основного уравнения динамики вращательного движения Произведение момента инерции тела на угловую скорость его вращения - момент импульса. При равенстве нулю суммарного момента сил 32

Слайд 33

Фундаментальный закон природы

Закон сохранения момента импульса - один из важнейших фундаментальных законов природы - является следствием изотропности пространства (симметрии относительно поворотов в пространстве). Закон сохранения момента импульса не является следствием законов Ньютона. Предложенный подход к выводу закона носит частный характер. При сходной алгебраической форме записи законы сохранения импульса и момента импульса в применении к одному телу имеют разный смысл: в отличие от скорости поступательного движения угловая скорость вращения тела может меняться за счёт изменения момента инерции тела I внутренними силами. Закон сохранения момента импульса выполняется для любых физических систем и процессов, не только механических. 33

Слайд 34

Закон сохранения момента импульса

Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на неё, равен нулю. Следствия из закона сохранения момента импульса в случае изменения скорости вращения одной части системы другая также изменит скорость вращения, но в противоположную сторону таким образом, что момент импульса системы не изменится; если момент инерции замкнутой системы в процессе вращения изменяется, то изменяется и её угловая скорость таким образом, что момент импульса системы останется тем же самым в случае, когда сумма моментов внешних сил относительно некоторой оси равняется нулю, момент импульса системы относительно этой же оси остается постоянным. Экспериментальная проверка. Опыты со скамьёй Жуковского Границы применимости. Закон сохранения момента импульса выполняется в инерциальных системах отсчёта. 34

Слайд 35

Скамья Жуковского

Скамья Жуковского состоит станины с опорным шариковым подшипником, в котором вращается круглая горизонтальная платформа. Скамью с человеком приводят во вращение, предложив ему развести руки с гантелями в стороны, а затем резко прижать их к груди. 35

Слайд 36

Слайд 37

Особенности применения

Закон сохранения момента импульса выполняется, если: сумма моментов внешних сил равна нулю (силы при этом могут не уравновешиваться); тело движется в центральном силовом поле (при отсутствии других внешних сил; относительно центра поля) Закон сохранения момента импульса применяют: когда характер изменения со временем сил взаимодействия между частями системы сложен или неизвестен; относительно одной и той же оси для всех моментов импульса и сил; как к полностью, так и частично изолированным системам. 37

Слайд 38

Примеры проявления закона

Замечательной особенностью вращательного движения является свойство вращающихся тел при отсутствии взаимодействий с другими телами сохранять неизменными не только момент импульса, но и направление оси вращения в пространстве. Суточное вращение Земли. Гироскопы Вертолёт Цирковые аттракционы Балет Фигурное катание Гимнастика (сальто) Прыжки в воду Игровые виды спорта 38

Слайд 39

Пример 1. Суточное вращение Земли

Слайд 40

Пример 2. Гироскопы

Гироскопом называется любое тяжелое симметричное тело, вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью. Примеры: велосипедное колесо; турбина гидростанции; пропеллер. Свойства свободного гироскопа: сохраняет положение оси вращения в пространстве; устойчив к ударным воздействиям; безынерционен; обладает необычной реакцией на действие внешней силы: если сила стремится повернуть гироскоп относительно одной оси, то он поворачивается вокруг другой, ей перпендикулярной – прецессирует. Имеет обширную область применений. 40

Слайд 41

Применение гироскопов

Слайд 42

Пример 3. Вертолёт

Многие особенности поведения вертолёта в воздухе диктуются гироскопическим эффектом. Тело, раскрученное по оси, стремится сохранить неизменным направление этой оси. Гироскопическими свойствами обладают валы турбин, велосипедные колеса, и даже элементарные частицы, например, электроны в атоме. 42

Слайд 43

Пример 4. Цирковые аттракционы

Если внимательно наблюдать за работой жонглёра, то можно заметить, что, подбрасывая предметы, он придаёт им вращение, сообщая опредёлённым образом направленный момент импульса. Только в этом случае булавы, тарелки, шляпы и др. возвращаются ему в руки в том же положении, которое им было придано. 43

Слайд 44

Пример 5. Балет

Слайд 45

Пример 6. Фигурное катание

Слайд 46

Пример 7. Гимнастика

Слайд 47

Пример 8. Прыжки в воду

Толчок, испытываемый прыгуном в воду, в момент отрыва от гибкой доски, «закручивает» его, сообщая начальный запас момента импульса относительно центра масс. Перед входом в воду, совершив один или несколько оборотов с большой угловой скоростью, спортсмен вытягивает руки, увеличивая тем самым свой момент инерции и, следовательно, снижая свою угловую скорость. 47

Слайд 48

Проблема устойчивости вращения

Вращение устойчиво относительно главных осей инерции, совпадающих с осями симметрии тел. Если в начальный момент угловая скорость немного отклоняется по направлению от оси, которой соответствует промежуточное значение момента инерции, то в дальнейшем угол отклонения стремительно нарастает, и вместо простого равномерного вращения вокруг неизменного направления тело начинает совершать беспорядочное на вид кувыркание. 48

Слайд 49

Пример 9. Игровые виды спорта.

Слайд 50

Вопросы для обсуждения

Космический телескоп Хаббл свободно плавает в пространстве. Как можно изменить его ориентацию так, чтобы нацелить на важные для астрономов объекты? 50

Слайд 51

Почему кошка при падении всегда приземляется на лапы? Почему трудно удерживать равновесие на неподвижном двухколёсном велосипеде и совсем нетрудно, когда велосипед движется? Как поведёт себя кабина вертолёта, находящегося в полёте, если по каким-либо причинам хвостовой винт перестанет работать? 51

Слайд 52

Кинетическая энергия вращающегося тела

Слайд 53

Кинетическая энергия вращающегося тела равна сумме кинетических энергий отдельных его частей: Поскольку угловые скорости всех точек вращающегося тела одинаковы, то, используя связь линейной и угловой скоростей, получим: Величина, стоящая в скобках, представляет собой момент инерции тела относительно оси вращения: Формула кинетической энергии вращающегося тела: 53

Слайд 54

Кинетическая энергия в плоскопараллельном движении

При плоском движении кинетическая энергия твёрдого тела равна сумме кинетической энергии вращения вокруг оси, проходящей через центр масс, и кинетической энергии поступательного движения центра масс: Это же тело может иметь еще и потенциальную энергию ЕP, если оно взаимодействует с другими телами. Тогда полная энергия равна: Доказательство 54

Слайд 61

Инерционные накопители энергии

Зависимость кинетической энергии вращения от момента инерции тел используют в инерционных аккумуляторах. Работа, совершаемая за счёт кинетической энергии вращения, равна: Примеры: гончарные круги, массивные колёса водяных мельниц, маховики в двигателях внутреннего сгорания. Маховики, применяемые в прокатных станах, имеют диаметр свыше трёх метров и массу более сорока тонн. 61

Слайд 62

Ещё раз о скатывании

Задачи для самостоятельного решения Шар скатывается с наклонной плоскости высотой h = 90 см. Какую линейную скорость будет иметь центр шара в тот момент, когда шар скатится с наклонной плоскости? Решите задачу динамическим и энергетическим способами. Однородный шар массы m и радиуса R скатывается без скольжения по наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтом. Найдите: а) значения коэффициента трения, при которых скольжения не будет; б) кинетическую энергию шара через tсекунд после начала движения. По наклонной плоскости катятся без проскальзывания кольцо и диск, имеющие одинаковую массу и диаметр. Почему кольцо и диск достигают конца плоскости не одновременно? Ответ обоснуйте. 62

Слайд 63

Заключение

63 «В физике часто случалось, что существенный успех был достигнут проведением последовательной аналогии между не связанными по виду явлениями». Альберт Эйнштейн

Слайд 64

«Ищите и обрящете»

Слайд 65

Читайте дополнительно

Читайте книги: Орир Д. Популярная физика. М.: Мир, 1964, или Купер Л. Физика для всех. М.: Мир, 1973. Т. 1. Из них вы узнаете много интересного о движении планет, колёс, волчков, вращении гимнаста на перекладине и... почему кошка всегда падает на лапы. Читайте в «Кванте»: Воробьев И. Необычное путешествие. (№2, 1974) Давыдов В. Как индейцы бросают томагавк? (№ 11, 1989) Джоунс Д., Почему устойчив велосипед (№12, 1970) Кикоин А. Вращательное движение тел (№1, 1971) Кривошлыков С. Механика вращающегося волчка. (№ 10, 1971 год) Ланге В. Почему кувыркается книга (N3,2000) Томсон Дж. Дж. О динамике мяча для игры в гольф. (№8, 1990) Используйте образовательные ресурсы сети Интернет: http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/mech.htm http://howitworks.iknowit.ru/paper1113.html http://class-fizika.narod.ru/9_posmotri.htm и др. 65

Слайд 66

Проведите опыты, наблюдения, моделирование

Изучите закономерности вращательного движения с помощью моделирующей программы (Java-апплета) СВОБОДНОЕ ВРАЩЕНИЕ СИММЕТРИЧНОГО ВОЛЧКА СВОБОДНОЕ ВРАЩЕНИЕ ОДНОРОДНОГО ЦИЛИНДРА (СИММЕТРИЧНОГО ВОЛЧКА) ВЫНУЖДЕННАЯ ПРЕЦЕССИЯ ГИРОСКОПА Определите собственный момент инерции методом физического маятника, используя образовательные ресурсы сети Интернет. Выполните экспериментальное исследование «Определение положения центра масс и моментов инерции тела человека относительно анатомических осей». Будьте наблюдательны! 66

Слайд 67

67 сегодня я узнал(а)… я выполнял(а) задания… было интересно… было трудно… у меня возникли учебные проблемы… я продолжу работу… Спасибо за работу! Рефлексивный экран

Слайд 68

Использованные информационные материалы

Учебник для 10 класса с углублённым изучением физики под редакцией А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. М. : «Просвещение», 2005. Факультативный курс физики. О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, А. В. Пономарева. М. : «Просвещение», 1977 г. Ремизов А. Н. Курс физики: Учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Я. Потапенко. М.: Дрофа, 2004. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1990. http://ru.wikipedia.org/wiki/ http://elementy.ru/trefil/21152 http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter1/section/paragraph23/theory.html Physclips . Мультимедийное введение в физику. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/rotation.htm и др. В оформлении в учебных целях использованы иллюстративные материалы сети Интернет. 68

Посмотреть все слайды

Презентация темы 1.1 "Кинематика твёрдого тела" является началом изучения Раздела 1 "Механика" в колледже в соответствии с рабочей программой по дисциплине "Физика" для технических специальностей. Включает в себя: 1. Механическое движение. 2. Относительность движения. 3. Характеристики иеханического движени. 4. Виды движения и их графическое описание. 5. Закрепление. Рассчитана на изучение в течение 6 учебных часов (3 пары занятий). Навигатор Содержание быстро переместит на нужную тему.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

1. Механическое движение Кинематика твёрдого тела

Линия, вдоль которой движется точка тела, называется траекторией движения. Механическим движением называется процесс изменения положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. 2 1 ℓ s Длина траектории движения тела-это длина пути ℓ Вектор, соединяющий начальное и последующее положения тела - это перемещение тела s

2. Относительность механического движения. Системы отсчёта.

Механическое движение относительно, выражение «тело движется» лишено всякого смысла, пока не определено, относительно чего рассматривается движение. Для определения положения материальной точки в любой момент времени следует выбрать: Тело отсчета Система координат Часы Тело отсчЁта - это тело, относительно которого определяется положение других (движущихся) тел.

Системы координат Координатная прямая Примеры: лифт, метро трамвай. Координатная плоскость шахматы, Пространственная система координат х А (х) х y А (x, y) x y z A (x, y, z) клад, люстра,

Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением. Направленный отрезок прямой, проведенный из начального положения движущейся точки в ее конечное положение, называется перемещением (). Перемещение - величина векторная. Единица перемещения - метр. 3. Характеристики механического движения

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток времени считается достаточно малым, если скорость при неравномерном движении в течение этого промежутка не менялась. Ф ормула мгновенной скорости имеет вид. Единица скорости в СИ - м/с. На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с). Измеряют скорость спидометром.

Ускорение измеряют акселерометром. Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле: Единица ускорения - Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

Характеристики механического движения связаны между собой основными кинематическими уравнениями: Если тело движется без ускорения, то его скорость в течение продолжительного времени не меняется, а = 0 , тогда кинематические уравнения будут иметь вид:

4 . Виды движения и их графическое описание.

Криволинейное Прямолинейное По виду траектории Неравномерное Равномерное По скорости Виды движения различаются:

Если скорость и ускорение тела имеют одинаковые направления (а > 0), то такое равнопеременное движение называется равноускоренным. В этом случае кинематические уравнения выглядят так:

Если скорость и ускорение тела имеют противоположные направления (а

Графическое представление равнопеременного движения Зависимость ускорения от времени

Графическое представление равнопеременного движения равноускоренное равнозамедленное Модуль перемещения численно равен площади под графиком зависимости скорости движения тела от времени. Зависимость скорости от времени

Графическое представление равнопеременного движения равноускоренное равнозамедленное Зависимость координаты от времени по оси Х (х 0 = 0; V 0 = 0)

Связь проекции перемещения тела с конечной скоростью при равноускоренном движении. Из уравнений и м ожно получить: При п олучим:

5. Закрепление 1. Механическим движением называется ________ 2. Раздел « Механика» состоит из _______________ 3. Кинематика изучает _________________________ 4 . Для определения положения тела надо выбрать ___ 5. Системы координат бывают ___________________ 6. Перечислите физические величины, характеризующие механическое движение: 7. Линия, вдоль которой движется тело, называется __ 8. Перемещение - это ____________________________ 9. Физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости тела, называется __________ 10. Запишите уравнение скорости тела при равноускоренном движении тела с начальной скоростью, отличной от нуля.