Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна

Розділ 5. Рух і взаємодія. Закони збереження в механіці

Ви дослідили всі природні явища. Розрізняєте механічні, теплові, електричні, магнітні, атомні та ядерні явища. Умієте використовувати фізичні закони й формули, що їх описують з наукової точки зору. Що ж нового ви можете вивчити в розділі «Закони збереження»? Річ у тім, що класична механіка була першою фізичною теорією, якою тривалий час користувались науковці й за допомогою якої намагались пояснити всі фізичні явища. У цьому розділі ми розглянемо фізичні явища цілісно, покажемо, які закони виконуються беззаперечно, а які — лише в певних умовах. З’ясуємо, чи існують ще нерозгадані таємниці у фізиці, які перспективи розвитку цієї науки та її прикладне значення.

§ 43. Прискорення. Рівноприскорений рух

Ви дізнаєтесь

• Про особливості рівноприскореного руху

Пригадайте

• Означення рівномірного прямолінійного руху
• Скалярні та векторні величини

Прискорення. У 7 класі ми розглядали механічний рух тіла, під час якого швидкість руху не змінюється (рівномірний рух). Під час рівномірного руху тіло (матеріальна точка) за будь-які однакові інтервали часу здійснює однакові переміщення. Рівномірно рухається кінець стрілки годинника, молекула газу між двома зіткненнями. У реальному житті найчастіше ми маємо справу з нерівномірним рухом, під час якого тіло за однакові інтервали часу здійснює різні переміщення. Тобто швидкість руху тіла постійно змінюється.

Під час руху швидкість може змінюватися й дуже стрімко (рух кулі в рушниці, старт ракети, розбіг літака) і порівняно повільно (початок руху потяга, гальмування автобуса). Очевидно, що для характеристики стрімкості зміни швидкості має існувати певна фізична величина. У фізиці цю величину називають прискоренням.

це фізична векторна величина, що характеризує стрімкість зміни швидкості руху тіла (і за числовим значенням, і за напрямком) і визначається відношенням зміни швидкості тіла до інтервалу часу, протягом якого відбулася ця зміна:

Одиниця прискорення — 1 м/с² (метр за секунду у квадраті).

Зміна швидкості руху тіла, залежно від умов його руху, може бути довільною. Найчастіше трапляється такий випадок, за якого зміна швидкості характеризується однаковим темпом. Що мається на увазі? Нехай автомобіль починає рухатися (мал. 221) і за перші дві секунди розвиває швидкість до 10 м/с, за наступні дві секунди 20 м/с, ще через дві секунди він уже рухається зі швидкістю 30 м/с. Кожні дві секунди швидкість збільшується, і кожного разу на 10 м/с. Як бачимо, під час руху автомобіля за однакові інтервали часу швидкість руху змінюється однаково, тобто прискорення під час руху залишається весь час сталим. У цьому разі говорять, що автомобіль рухається рівноприскорено.

Мал. 221. Рівноприскорений рух автомобіля

Рівноприскорений прямолінійний рух. Дамо визначення рівноприскореного руху.

Рух тіла, під час якого за будь-які однакові інтервали часу швидкість руху тіла змінюється однаково, тобто прискорення під час руху тіла залишається весь час сталим за напрямком і числовим значенням,

називається рівноприскореним.

У посібниках з фізики і в задачах, щоб не акцентувати увагу на тому, прискорюється тіло чи сповільнюється, вживають термін рівнозмінний рух, або тільки термін рівноприскорений рух, зважаючи на те, що рівносповільнений рух відрізняється лише знаком проекції вектора прискорення.

Прискорення руху визначають, враховуючи векторні властивості цієї фізичної величини. Зокрема, якщо напрямок руху та позитивний напрямок осі X збігаються, то у проекціях на вісь X матимемо такий вираз для прискорення: α_x = v_x - v_0x/t.

У випадку прискореного руху а_х> 0, оскільки швидкість руху збільшується й v_x - v_0x > 0, отже вектор прискорення збігається з напрямком руху. Якщо рух сповільнений і швидкість із часом зменшується, v_x - v_0x <0, отже α_х <0 й вектор прискорення напрямлений протилежно до напрямку руху.

Мал. 222. Рівнозмінний рух: а — рівноприскорений рух; б — рівносповільнений рух

Слід пам’ятати, що знак проекції прискорення залежить ще й від вибору системи відліку.

У цьому легко переконатись, якщо розглянути випадок, коли обидва тіла рухаються, наприклад, рівноприскорено, але у протилежних напрямках (мал. 223).

Мал. 223. Рівноприскорений рух двох тіл, що рухаються у протилежних напрямках

З формули для прискорення легко отримати кінематичне рівняння швидкості для рівноприскореного руху.

Графік залежності прискорення від часу для рівноприскореного руху. Оскільки прискорення із часом не змінюється, має постійне значення та напрямок, то графік α = f(t) є прямою лінією, паралельною осі часу (мал. 224). Як правило, на графіках по осі абсцис відкладають значення часу, по осі ординат — модуль або проекцію прискорення.

Мал. 224. Графік залежності прискорення від часу при рівноприскореному русі: а — для проекцій прискорення; б — для модуля прискорення

Як видно з графіка, у випадку власне прискореного руху графік розташований вище за вісь часу, оскільки значення проекції прискорення додатне. Якщо ж тіло гальмує, рух сповільнений, проекція прискорення від’ємна, то графік розташований під віссю абсцис. За графіком модуля прискорення визначити, прискорюється чи сповільнюється тіло, неможливо.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. За будь-якого нерівномірного руху змінюється швидкість. Як прискорення характеризує цю зміну?
• 2. Як спрямовано вектор прискорення у прямолінійному рівнозмінному русі? У яких випадках проекція прискорення має додатне, а в яких — від’ємне значення?
• 3. Чи може швидкість руху тіла дорівнювати нулю, а прискорення не дорівнювати нулю?
• 4. Чи можуть два тіла, які рухаються по одній прямій у протилежних напрямках, мати однакові вектори прискорень?
• 5. Тіло починає рухатися зі стану спокою прямолінійно, проходячи щосекунди шлях, на 1 м більший, ніж за попередню секунду. Чи стале прискорення тіла?
• 6. Швидкість прямолінійного руху тіла щосекунди збільшується на 2 %: а) від початкового значення; б) від значення швидкості на початку кожної секунди. Чи стале прискорення тіла в обох випадках?