Фізика. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

Передмова

Шановні старшокласники і старшокласниці! Нині будь-яка галузь господарства (інформаційні технології, промисловість, медицина, сільське господарство й навіть гуманітарна сфера життя суспільства) використовує сучасні технологічні установки, автоматизовані пристрої, які нібито зроблять за вас усю роботу, і вам не потрібно знати, як вони працюють. Але якщо ви хочете досягти успіху, то будете шукати способи вдосконалення того чи іншого процесу, вносити зміни, порівнювати й аналізувати різні підходи, вирішувати проблеми, працювати в команді, і тоді в пригоді вам стануть знання, здобуті в старшій школі на уроках фізики й астрономії: ваше вміння глобально мислити, бачити проблему цілісно, пов’язувати й систематизувати факти й події. Застосовуючи базові знання, здобуті в основній школі, ви навчитеся застосовувати математичний апарат для опису природних явищ і процесів, будувати моделі для опису складних процесів і, навпаки, — застосовувати ідеалістичні й теоретичні закономірності до реальних об’єктів.

А щоб вивчення цієї науки стало для вас захопливим і зрозумілим, ми намагалися в тексті підручника наводити не лише наукові факти, теорії й пояснення, а й спонукати вас проблемними запитаннями до пошуку відповіді, описом природного явища чи технологічного процесу — до аналізу й пояснення. У тексті параграфів вам буде траплятися рубрика «Зверніть увагу», де зазначено умови, які слід враховувати задля вирішення конкретної ситуації, яку не завжди можна розв’язати загальноприйнятими методами.

Підручник містить достатню кількість завдань, приклади їх розв’язування й відповіді. Проте у пригоді вам стануть і збірники задач, які ви будете використовувати на уроках-практикумах з розв’язування задач. Цьому виду діяльності ви маєте приділити особливу увагу! Знання стають вашим здобутком, якщо ви їх можете використати у практичній діяльності: розв’язуючи задачі, виконуючи досліди й навчальні проекти! Проектна робота може бути теоретичною або експериментальною, індивідуальною й груповою. Тривалість проекту різна: від уроку (міні-проект), кількох днів (короткотерміновий проект) до року (довготерміновий). Результати досліджень ви можете оформити у вигляді мультимедійної презентації, доповіді (у разі необхідності — з демонстрацією дослідів), моделі, колекції, буклета, газети, статистичного звіту, тематичного масового заходу, дебатів тощо. Вміщені у підручнику проблемні запитання й теми навчальних проектів є орієнтовними. Також ви можете самостійно (або з допомогою вчителя чи вчительки) сформулювати тему й планувати виконання навчального проекту.

Сподіваємося, що вивчення фізики за цим підручником буде для вас цікавим і нескладним.

Авторський колектив

Розділ 1. Механіка

У цьому розділі ми розглянемо теоретичні й прикладні результати пояснення механічних процесів у природі й техніці. Для пояснення багатьох явищ потрібно буде проявити математичну компетентність — застосувати знання з алгебри й геометрії для пояснення фізичних процесів!

§ 1. Кінематичний опис механічного руху матеріальної точки

Види механічного руху. Науку, яка вивчає механічний рух матеріальних тіл і взаємодії, які при цьому відбуваються, називають механікою. Залежно від опису руху в механіці виділяють розділи: кінематику, де вивчається рух тіл, не беручи до уваги сили; динаміку, яка вивчає рух тіл під дією сил; статику, що вивчає питання рівноваги тіл.

Проте не всі рухи можна описати законами механіки. Наприклад, рух однієї молекули можна описати законами механічного руху, а рух їх сукупності в тілі описується вже іншими — статистичними законами.

Рух тіла зі швидкістю, близькою до швидкості світла (300 000 км/с), описується законами релятивістської механіки. Рух і взаємодію елементарних частинок мікросвіту описують у квантовій механіці.

Закони механічного руху, які ми вивчатимемо в цьому розділі, поширюються на тіла макро- і мега світу, що рухаються зі швидкостями, набагато меншими від швидкості світла.

Механічні рухи тіл можуть бути різноманітні й складні. На малюнку 1 показані приклади поступального, обертального та коливального рухів.

Мал. 1. Приклади механічного руху: а — поступальний; б — обертальний; в — коливальний

У природі, як правило, тіла одночасно здійснюють кілька рухів. Наприклад, Земля обертається навколо власної осі, навколо Сонця, і разом із Сонцем рухається у напрямку до зорі Вега.

Зверніть увагу, у цьому випадку ми Землю розглядали як матеріальну точку. Так можна ідеалізувати рух, якщо розміри й форма тіла в розглядуваному русі не суттєві й ними можна знехтувати. Надалі, якщо немає спеціальних застережень, вживаючи слово тіло, матимемо на увазі, що його можна розглядати як матеріальну точку.

Основною задачею механіки є опис механічного руху тіл, тобто встановлення закону руху (рівняння руху) тіла на основі його характеристик (координати, переміщення, довжини пройденого шляху, кута повороту, швидкості, прискорення тощо).

У тривимірній системі відліку рівняння руху математично записують так: x = x(t), y = y(t), z = z(t).

Дослідити рух тіла (зміну його положення у просторі з плином часу) можна і за його траєкторією, шляхом і переміщенням.

Наприклад, у початковий момент часу тіло перебуває в точці А (мал. 2), положення якої визначається радіусом-вектором

(так називають вектор, що сполучає початок відліку з точкою). Протягом інтервалу часу Δt тіло перемістилось у точку в, положення якої визначається радіусом-вектором

Зміну положення тіла можна визначити за його переміщенням.

Мал. 2. До введення понять радіус-вектор і переміщення

Як видно з малюнка 3, вектор переміщення

проведений з початкової точки А у кінцеву В, дорівнює приросту радіуса-вектора:

Модуль вектора переміщення позначають

або просто s.

Одиницею переміщення є метр: 1 м.

Вектор переміщення тіла можна визначити за його координатами. Нехай тіло перебуває на площині в точці А, координати якої x1 і y1. За певний інтервал часу тіло перемістилось у точку В, координати якої х2 та у2 (мал. 3). З малюнка 3 видно, що модуль і напрямок вектора переміщення

можуть бути визначені через різниці координат Δx = x2 - x1 та Δy = y2 - y1.

Мал. 3. Визначення модуля та напрямку вектора переміщення за його координатами

Модуль вектора переміщення

Напрямок вектора переміщення відносно координатної осі Х визначається тангенсом кута нахилу вектора:

І навпаки, різниця координат може бути виражена через модуль вектора переміщення:

Таким чином, визначити положення рухомого тіла відносно вибраної системи відліку можна трьома способами: координатним, векторним і траєкторним (природним).

Зазначимо, що можна розглядати рух не лише між початковим і кінцевим положеннями тіла, а й у будь-який момент часу його руху.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

  • 1. У чому полягає основна задача механіки?
  • 2. Для чого, досліджуючи рух, вводять систему відліку?
  • 3. У яких випадках футбольний м’яч можна вважати матеріальною точкою, а у яких — ні?
  • 4. Чим різняться поняття траєкторія, пройдений шлях і переміщення?
  • 5. Які способи опису механічного руху існують?

ВПРАВА 1

1. За що ми сплачуємо в таксі: за шлях чи переміщення?

2. У спортивній залі м’яч упав з висоти 3 м, відбився від підлоги й був зловлений на висоті 1 м. Визначте шлях і переміщення м’яча.

3. На малюнку 4 зображено траєкторію руху тіла з точки А в точку В. Визначте координати тіла на початку та в кінці руху, проекції переміщення на осі координат, модуль переміщення.

Мал. 4

4. Тіло перемістилося з точки, координати якої х1 = 0, у1 = 2 м, у точку з координатами х2 = 4 м, у2 = -1 м. Зробіть малюнок і визначте вектор переміщення та його проекції на осі координат.

5. Перед початком поїздки на одометрі автомобіля зафіксовано 40 280 км. Автомобіль проїхав 30 км прямолінійно, потім здійснив поворот, проїхавши половину кола кільцевої дороги радіусом 20 км, і зупинився. Визначте переміщення автомобіля. Якими стали покази одометра?

6. Тіло почало рух із точки А перпендикулярно до радіуса-вектора

цієї точки. Радіус-вектор

кінцевої точки В дорівнює 10 м й утворює кут 30° з радіусом-вектором

Визначте модуль вектора переміщення тіла.

7. Вектор переміщення має модуль

і напрямлений під кутом 30° до осі Х. Координати точки А: х = 2 см, у = 2 см. Визначте координати точки В.

8. Сходинка ескалатора піднялась угору на 10 м. Людина по ескалатору за цей час спустилась униз на 5 м. Визначте й накресліть вектор переміщення людини відносно землі. Накресліть вектори переміщення ескалатора відносно землі та людини відносно ескалатора.

9. Вагон рівномірно рухається в горизонтальному напрямку. У вагоні до стелі прикріплено пружинку, на кінці якої закріплено тягарець. Тягарець здійснює вертикальні коливання. Накресліть траєкторію руху тягарця відносно вагона та відносно землі.

10. Запишіть рівняння траєкторій точок, якщо відомо залежності їх координат від часу: а) х = 2t, у = t - 1; б) х = 2t, у = 8t2; в) х = 2t, у = 0.

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст