Физика, 7 класс. Механические явления

Куда направлено ускорение

Ускорение — это быстрота изменения скорости. В системе СИ ускорение измеряется в метрах за секунду в квадрате (м/с2), то есть показывает, на сколько изменяется скорость тела за одну секунду.

Что такое средняя путевая скорость

В физике существует два понятия средней скорости. Одно — средняя путевая скорость. Второе — средняя скорость по перемещению. В чем же их сходство и различие?

Вообще понятие средней скорости вводится, когда движение тела является неравномерным, т. е. за равные промежутки времени тело двигается с разной скоростью. Например, за первую секунду тело двигалось со скоростью 10 км/ч, а за вторую — со скоростью 6 км/ч. Тогда средняя скорость тела за 2 секунды по-идее должна быть равна 8 км/ч, т. к. (10 + 6) / 2 = 8.

Отличия перемещения и пути

На первый взгляд перемещение и путь — близкие по смыслу понятия. Однако в физике между перемещением и путем есть ключевые отличия, хотя оба понятия связаны с изменением положения тела в пространстве и нередко (обычно при прямолинейном движении) численно равны друг другу.

Чтобы понять отличия перемещения и пути, дадим сначала им определения, которыми их наделяет физика.

Перемещение тела — это направленный отрезок прямой (вектор), начало которого совпадает с начальным положением тела, а конец совпадает с конечным положением тела.

Как перевести метры в секунду в километры в час

Чтобы перевести м/с (метры в секунду) в км/ч (километры в час), надо умножить данное значение на коэффициент 3,6. Например, тело движется со скоростью 21 м/с. Это значит, что оно движется со скоростью 21 * 3,6 = 75,6 км/ч. Если же нужно сделать обратный перевод (т. е. из км/ч получить м/с), то нужно разделить заданное значение на 3,6. Например, тело движется со скоростью 72 км/ч. Это тоже самое, что оно движется со скоростью 72 : 3,6 = 20 м/с.

Скорость - векторная величина

Скорость тела можно определить как расстояние, которое это самое тело проходит за единицу времени. В системе СИ измеряется в м/с (метрах в секунду). Однако в физике скорость рассматривают как расстояние, которое тело проходит в определенном направлении за единицу времени. Так как указывается направление, то скорость становится векторной величиной.

Формула прямолинейного равномерного движения

Прямолинейное равномерное движение тела — это его перемещение в выбранной системе отсчета вдоль прямой линии, при этом за равные промежутки времени тело проходит равные расстояния, т. е. движется с постоянной скоростью. Например, машина едет по прямой дороги и ее скорость ни на каком отрезке пути не меняется, то есть остается постоянной. В таком случае за каждую 1 секунду она будет проезжать одно и то же расстояние.

Относительность механического движения

Механическое движение тела — это изменение его положения относительно других тел в выбранной системе отсчета, при этом изменение положения тела происходит за какой-либо промежуток времени.

Что такое система отсчета

Система отсчета позволяет определить положение тела в пространстве.

Чтобы определить, где находится тело в пространстве, надо сначала выбрать тело отсчета и связать с ней систему координат (которая обычно имеет одну, две или три оси). При этом на теле отсчета определяется начало (точка) отсчета. Например, телом отсчета может быть беговая дорожка, а место старта на дорожке можно считать началом отсчета, от которого отходят координатные оси.

Что такое кинематика

Кинематика, наряду с динамикой, является разделом механики, которая, в свою очередь, является частью физики. Механика изучает механическое движение тел, изучает способы его описания, а также исследует причины возникновения механического движения. Кинематика же, как раздел механики, изучает только механическое движение тел и способы его описания безотносительно причин возникновения этого движения. Причины возникновения движения рассматривает другой раздел механики — динамика.

Как связаны работа и энергия?

Энергия — это физическая величина, которая определяет способность тела (или системы тел) совершить работу. То есть, чем большей энергией обладает тело, тем большую работу оно может совершить.

Единицей измерения энергии в системе СИ, также как и работы, является джоуль (Дж).

Как известно, работа есть произведение силы, действующей на тело, и пути, пройденного телом под действием этой силы (A = Fs). Таким образом, можно сказать, что энергия определяет способность тела двигаться.

Формула мощности работы

Механическую работу можно совершать быстро, а можно медленно. Например, можно переместить груз на 100 метров за 20 секунд, а можно за 60. Чтобы описать скорость совершения механической работы, вводят такую характеристику как мощность работы.

Мощность механической работы равна отношению совершенной работы, к промежутку времени, за который была совершена эта работа:

N = A/t

Единицей измерения в системе СИ мощности является ватт (Вт). 1 Вт равен работе в 1 Дж, которая совершается за 1 с. Таким образом, 1 Вт = 1 Дж / 1 с.

Произведение пути и силы

При использовании простейших механизмов происходит выигрыш в силе, почти равный проигрышу в пути. На примере рычага видно, что равновесие достигается, когда произведение силы и длины плеча с одной стороны равно произведению силы и длины плеча с другой стороны. При этом сами силы и длины плеч могут быть какими угодно, главное, чтобы их произведения были равными. То есть ни один простой механизм не дает выигрыша, если рассматривать произведение пути и силы.

Произведение силы на пройденный телом под действием этой силы путь принято называть механической работой:

Рычаг как простой механизм

Рычагом называют любое твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной точки. Эта точка называется опорой рычага, она может располагаться в центральной части рычага, у его края и др. Из этого следует, что рычаги бывают разными.

Одним из наглядных представлений о рычаге, могут послужить качели, в которых доска перекинута через неподвижную возвышающуюся над землей опору. Здесь точка опоры рычага находится в центральной части доски, где доска касается опоры. Вокруг этой опоры качаются качели.

Наклонная плоскость как простой механизм

Наклонная плоскость представляет собой плоскую поверхность, расположенную под тем или иным углом к горизонтали. Она позволяет поднять груз с меньшей силой, чем если бы этот груз поднимался вертикально вверх. На наклонной плоскости груз поднимается вдоль этой плоскости. При этом он преодолевает большее расстояние, чем если бы поднимался вертикально.

Блоки как простые механизмы

Чаще всего простые механизмы используют, чтобы получить выигрыш в силе. То есть меньшей силой переместить больший по-сравнению с ней вес. При этом выигрыш в силе достигается не «бесплатно». Расплатой за него является потеря в расстоянии, то есть требуется сделать большее перемещение, чем без использования простого механизма. Однако когда силы ограничены, то «обмен» расстояния на силу выгоден.

Подвижный и неподвижный блоки являются одними из видов простых механизмов. Кроме того, они являются видоизмененным рычагом, который также является простым механизмом.

Почему летают воздушные шары?

Сила Архимеда, или выталкивающая сила, действует не только в жидкостях (например, воде), но и в газах (например, воздухе). Но из-за того, что плотность воздуха (1,29 кг/м3) намного меньше чем воды (1000 кг/м3), выталкивающая сила здесь незначительна.

Именно поэтому многие предметы не плавают в воздухе, как в воде. Сила тяжести, действующая на тела, оказывается сильнее выталкивающей силы воздуха.

Почему не тонут лодки и корабли?

Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.

Почему тела плавают?

Как известно, некоторые тела плавают на поверхности воды. Другие тела тонут. Бывают даже тела, которые плавают в толще воды, не всплывая на поверхность, но и не опускаясь на дно.

Причина такого разного поведения тел кроется в их плотности. Если плотность тела больше плотности жидкости, то тело уходит на дно. Если плотность такая же как у жидкости, то тело будет плавать полностью погрузившись в жидкость. А вот если плотность тела меньше, чем плотность жидкости, то тело будет плавать на поверхности.

Как был открыт закон Архимеда?

Знаменитая легенда о том, как нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («нашел!»), как раз повествует об открытии им того, что выталкивающая сила воды равна по модулю весу вытесненной им воды, объем которой равен объему погруженного в нее тела. Это открытие названо законом Архимеда.

Чему равна выталкивающая сила?

Выталкивающую силу, или силу Архимеда, можно вычислить. Особенно легко это сделать для тела, стороны которого прямоугольники (прямоугольного параллелепипеда). Например, такую форму имеет брусок.

Поскольку боковые силы давления жидкости можно не учитывать, так как они взаимно уничтожаются (их равнодействующая равна нулю), то рассматриваются только силы давления воды, действующие на нижнюю и верхнюю поверхности. Если тело не полностью погружено в воду, то есть только сила давления воды, действующая снизу. Она единственная, которая создает выталкивающую силу.

Почему действует выталкивающая сила?

В воде некоторые тела не тонут. Если попытаться их силой переместить в толщу воды, то они все-равно всплывут на поверхность. Другие тела погружаются в воду, но почему-то становятся легче.

В воздухе на тела действует сила тяжести. Она никуда не девается и в воде, оставаясь прежней. Но если кажется, что вес тела уменьшается, значит силе тяжести противодействует, то есть действует в противоположном направлении, еще какая-то сила. Это выталкивающая сила, или архимедова сила (сила Архимеда).

Как изменяется атмосферное давление с высотой?

С высотой атмосферное давление падает. Это связано с двумя причинами. Во-первых, чем выше мы находимся, тем меньше высота столба воздуха над нами, и, следовательно, меньший вес на нас давит. Во-вторых, с высотой плотность воздуха уменьшается, он становится более разреженным, то есть в нем меньше молекул газов, а следовательно он имеет меньшую массу и вес.

Как доказали, что есть атмосферное давление?

Все знают, что можно пить напиток через трубочку. Нам кажется, что мы создаем силу тем, что дуем в себя, и под действием этой силы вода начинает течь. Однако это не так. Когда мы пьем через трубочку, то просто создаем отсутствие воздуха в трубке. На напиток в чашке давит воздух атмосферы, а в трубочке создается относительный вакуум, здесь на жидкость почти ничего не давит. Поэтому сила атмосферного давления как бы проталкивает напиток в трубку, в область с пониженным давлением.

Почему есть атмосферное давление?

Несмотря на то, что атмосфера — это газ, земное притяжение действует на нее также, как и на все другие тела на Земле. Воздух притягивается к Земле и не улетает в космос.

На других космических телах, более мелких, чем планета Земля, атмосферы может не быть, или она представляет собой очень разреженный газ. Так, например, обстоит дело на Луне, которая не может своей массой удержать молекулы газа.

Закон Паскаля для жидкостей и газов

Природа давления жидкости, газа и твердого тела отличается. Хотя у давлений жидкости и газа различная природа, у их давлений есть один одинаковый эффект, отличающий их от твердых тел. Этот эффект, а точнее физическое явление, описывает закон Паскаля.

Закон Паскаля утверждает что, производимое внешними силами давление в какое-то место жидкости или газа, передается по жидкости или газу без изменения в любую точку. Этот закон был открыт Блезом Паскалем в XVII веке.

От чего зависит давление газа?

Причина давления газов связана с хаотичным быстрым движением молекул. Из-за этого молекулы газа сталкиваются с поверхностями. Так как молекул много, то их множественные удары создают давление.

Газы занимают весь предоставленный им объем, так как их молекулы не связаны между собой. Понятно, что чем объем больше, тем количество молекул в единице объема будет меньше. Следовательно, меньше молекул будет ударять по поверхности, и, значит, давление газа будет меньше.

Чему равно давление жидкости?

Давление жидкости увеличивается с глубиной. Это связано с тем, что более высокие слои жидкости давят своим весом на ниже лежащие.

Понятно, что кроме того, что давление существует в толще жидкости, жидкость также давит на дно и стенки сосуда. Давление на дно соответствует давлению всего столба жидкости. А вот давление на стенки разное. Оно соответствует давлению жидкости на определенной глубине.

Давление на твердое тело

Когда одно тело давит на поверхность другого, то оно оказывает на него силу, т. е. силу давления. В свою очередь, тело, на которое давит другое тело, испытывает действие этой силы, т. е. давление.

Когда человек стоит на той или иной поверхности, то поверхность испытывает давление от веса человека (как известно, вес — это сила). Когда человек вбивает гвоздь в деревянную дверь, то дверь через гвоздь испытывает давление от силы ударов человека.

Виды сил трения

Выделяют три вида сил трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Как определить коэффициент трения скольжения?

Если брусок тянут с помощью динамометра с постоянной скоростью, то динамометр показывает модуль силы трения скольжения (Fтр). Здесь сила упругости пружины динамометра уравновешивает силу трения скольжения.

С другой стороны, сила трения скольжения зависит от силы нормальной реакции опоры (N), которая возникает в следствие действия веса тела. Чем вес больше, тем больше сила нормальной реакции. И чем больше сила нормальной реакции, тем больше сила трения. Между этими силами существует прямая пропорциональная зависимость, которую можно выразить формулой:

Как найти равнодействующую?

Когда говорят о равнодействующей, то имеют в виду силу, которая равна действию двух или более сил, одновременно приложенных к телу.

Когда на тело действует несколько сил, то их совместный эффект может быть различным, он зависит как от направления разных сил, так и от их числовых значений. В любом случае всегда можно найти одну равнодействующую им силу.

Сила упругости и закон Гука

Чем большей деформации подвергается тело, тем значительней в нем возникает сила упругости. Это значит, что деформация и сила упругости взаимосвязаны, и по изменению одной величины можно судить об изменении другой. Так, зная деформацию тела, можно вычислить возникающую в нем силу упругости. Или, зная силу упругости, определить степень деформации тела.

Сила упругости и деформация

Представим себе пружину, которую никто не трогает, и ничто на ней не подвешено. Если пренебречь ее весом, то можно сказать, что она не действует ни на какие тела никакой силой. Однако если пружину растянуть или сжать, то мы почувствуем силу, направленную против наших усилий. Эта сила будет «пытаться» вернуть пружину в исходное состояние. Что это за сила, и почему она возникает?

Чем характеризуется сила?

Тела не изменяют скорости и направления своих движений, не начинают двигаться или останавливаться просто так, без причины. Для того, чтобы это происходило, тела должны подействовать друг на друга. Мерой действия одного тела на другое является сила. Можно условно сказать, что сила отвечает на вопрос «как одно тело подействовало на другое?».

Что показывает плотность вещества?

Если взять два тела, состоящих из одного и того же вещества, но имеющих разный объем и, как следствие, разные массы, то отношения их масс к объему будет одинаковым. Другими словами,

m1/V1 = m2/V2

Отношение массы к объему тела называется плотностью. Плотность для разных тел, состоящие из одного и того же вещества одинакова. Поэтому говорят, что плотность тела характеризует вещество, из которого состоит тело. То есть плотность — это характеристика вещества, а не тела.

Масса и инертность

Масса является мерой инертности. Чем больше масса тела, тем оно более инертно, то есть обладает большей инертностью. Закон инерции гласит, что если на тело не действуют другие тела, то оно остается в покое или совершает прямолинейное равномерное движение.

Когда тела взаимодействуют, например, сталкиваются, то покой или прямолинейное равномерное движение нарушаются. Тело может начать ускоряться или наоборот тормозить. Скорость, которую приобретет (или теряет) тело после взаимодействия с другим телом, кроме прочего зависит от соотношения масс взаимодействующих тел.

Скорость неравномерного движения

Если при прямолинейном равномерном движении тело за равные промежутки времени проходит равные пути, так как его скорость не меняется, то при неравномерном движении тело за равные промежутки времени проходит разные пути, так как скорость тела меняется.

Как построить график зависимости пути от времени

Построение графиков используют, чтобы показать зависимость одной величины от другой. При этом на одной оси откладывают изменение одной величины, а на другой оси — изменение другой величины. При прямолинейном равномерном движении скорость тела остается постоянной, меняются только время и зависимый от него пройденный путь. Поэтому наибольший интерес для такого движения представляет график, отражающий зависимость пути от времени.

Скорость относительного движения

Как известно, любое движение тела относительно выбранной системы отсчета. Для каких-то систем отсчета тело будет двигаться быстро, для других медленнее, а для третьих вообще покоиться.

Когда говорится о скорости прямолинейного равномерного движения, то обычно имеется в виду, что скорость измеряется относительно покоящегося тела. Например, вы стоите, а рядом проезжает велосипедист, и вы наблюдаете, что за каждую секунду он приближается, а затем удаляется на 5 м. Вы можете сделать вывод, что скорость велосипедиста 5 м/с.

Единицы измерения скорости

В международной системе единиц СИ скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). Однако, нередко скорость измеряют в километрах в час (км/ч). Также иногда используют другие единицы измерения.

При решении задач важно уметь переводить скорость из одних единиц измерения в другие, так как бывает, что в задаче одни величины даны в системе СИ, а другие — нет.

Скорость прямолинейного равномерного движения

Прямолинейным равномерным движением называется движение тела по прямой линии, при этом тело должно за равные промежутки времени проходить равные отрезки пути.

Например, если автомобиль движется по прямой дороге и за каждую минуту проезжает 1 км, то, можно сказать, что он движется прямолинейно и равномерно.

Прямолинейное равномерное движение характеризуется скоростью и направлением.

Относительность движения

Во Вселенной не обнаружено никакой точки начала отсчета, все тела движутся или покоятся относительно друг друга.

Когда рисуется система координат на плоскости, то точкой начала отсчета является точка пересечения двух осей (нулевая точка). Координаты любой другой точки определяются относительно этой нулевой точки. Она, так сказать, «центр Вселенной» координатной плоскости. Если какая-либо точка движется по плоскости, то ее координаты меняются. Это изменение является свидетельством ее движения. Если координаты не меняются, то точка покоится.