Кинематика описывает, как движется тело, не выясняя, почему. Это язык, на котором в физике говорят о движении: от автомобиля и мяча до планет и частиц.
Где встречается в ЕГЭ. Напрямую — в задании №1: по графикам x(t) и vx(t) нужно найти скорость, ускорение, путь и перемещение. Также кинематика нужна в заданиях №5, №6 и №22, а умение работать с движением и графиками пригодится в задании №26.
Чему ты научишься
отличать траекторию, путь и перемещение и находить каждую из этих величин;
находить скорость и среднюю скорость, в том числе при движении туда и обратно;
считать ускорение, пользоваться формулами равноускоренного движения и читать графики x(t), vx(t), ax(t).
Система отсчёта и координата
Механическое движение — изменение положения тела относительно других тел с течением времени. Чтобы описывать его однозначно, нужна система отсчёта: тело отсчёта (например, Земля), система координат с выбранным направлением оси и часы.
Если размерами тела можно пренебречь по сравнению с пройденными расстояниями, его считают материальной точкой. Пассажир в автобусе покоится относительно автобуса, но движется относительно дороги, поэтому слова «скорость 10 м/с» имеют смысл только вместе с системой отсчёта.
Координатаx показывает положение тела на оси относительно начала отсчёта. Изменение координаты (проекция перемещения на ось):
Δx=x2−x1.
Траектория, путь и перемещение
Эти три понятия путают чаще всего.
Рис. 1.Путь — длина всей кривой (синяя линия), перемещение — прямой вектор от старта к финишу (красная стрелка).
Траектория — линия, по которой движется тело.
ПутьS — длина траектории. Скаляр, S≥0, со временем только растёт.
Перемещениеs — вектор из начального положения в конечное. Его модуль — кратчайшее расстояние между началом и концом.
Свойство
Путь S
Перемещение s
Что это
длина траектории
вектор от начала к концу
Тип величины
скаляр
вектор (проекция может быть <0)
Зависит от
формы траектории
только от начальной и конечной точек
Соотношение
в общем случае ∣s∣≤S
равенство — только при движении по прямой без разворотов
Рис. 2. Трактор проехал от x=1 м до x=9 м и вернулся в x=4 м. Путь складывается из двух участков, перемещение определяется только началом и концом.
Скорость
Слово «скорость» имеет в физике три смысла, и в задаче важно понять, какой из них нужен.
Вид скорости
Что показывает
Формула
Мгновенная
скорость в данный момент, направлена по касательной к траектории
vx=limΔt→0ΔtΔx
Средняя путевая
какой путь тело проходит за единицу времени
vср=tобщSобщ
Средняя по перемещению
как быстро и куда в среднем смещается тело
vx=ΔtΔx=t2−t1x2−x1
Для задач с координатами важна проекция скорости на ось: именно она равна наклону графика x(t). Чем круче линия, тем больше ∣vx∣. Единицы: 1 м/с = 3,6 км/ч, например 72 км/ч = 20 м/с.
Рис. 3. Слева: vx=Δx/Δt — наклон графика x(t). Справа: движение вперёд (1), покой (2), движение назад (3).
Как найти среднюю путевую скорость
Главное правило: нельзя автоматически брать среднее арифметическое скоростей. Всегда считаем через весь путь и всё время:
vср=tобщSобщ.
Разбей движение на участки с постоянной скоростью.
На каждом найди путь и время (Si=viti).
Сложи все пути и все времена, раздели общий путь на общее время.
Два частных случая.
Равные времена на участках: vср=2v1+v2 — среднее арифметическое подходит.
Равные пути на участках: vср=v1+v22v1v2. Вывод: при пути S имеем t=v1S/2+v2S/2=2v1v2S(v1+v2), затем vср=S/t.
Ускорение
Если скорость меняется, появляется ускорение:
ax=ΔtΔvx=t2−t1vx2−vx1,[ax]=м/с2.
Запись a=2 м/с² означает: за каждую секунду скорость меняется на 2 м/с. Ускорение не говорит о том, что тело «быстро движется», — оно говорит, что скорость меняется.
Ниже — одно и то же движение: тело стартует из начала координат со скоростью 6 м/с, ускорение −2 м/с², то есть x=6t−t2.
Рис. 4. Одно движение на трёх графиках: x(t) — парабола, vx(t) — наклонная прямая, ax(t) — горизонтальная прямая. В момент t=3 с скорость равна нулю: тело останавливается и разворачивается.
Вершина параболы x(t) приходится на момент, когда vx(t) пересекает ось времени: в точке остановки скорость равна нулю, а координата достигает максимума или минимума. Если ax>0, ветви параболы x(t) направлены вверх, а vx(t) растёт; если ax<0 — вниз, а vx(t) убывает.
График
Значение в точке
Наклон
Площадь под графиком
x(t)
координата x
скорость vx
—
vx(t)
скорость vx
ускорение ax
перемещение Δx
ax(t)
ускорение ax
—
изменение скорости Δvx
Путь и перемещение по графику vx(t)
Площадь между графиком и осью времени: выше оси — «плюс», ниже оси — «минус». Сумма со знаками даёт перемещение Δx, сумма площадей без знака — путь S.
Рис. 5. Для движения из рис. 4: сначала тело едет вперёд (+9 м), затем возвращается (−9 м). Координата за 6 с вернулась в нуль, хотя пройдено 18 м.
Разбор задачи в формате ЕГЭ
По графику зависимости координаты тела от времени определим всё, о чём любят спрашивать на экзамене.
Рис. 6. I — движение вперёд, II — покой, III — возвращение.
vx на участках — это наклон. I: 28−2=3 м/с; II: 0; III: 40−8=−2 м/с. Наибольший модуль скорости — на участке I.
Перемещение за 8 с: Δx=x(8)−x(0)=0−2=−2 м.
Путь за 8 с: 6+0+8=14 м.
Средняя путевая скорость: 14/8=1,75 м/с.
Проекция средней скорости: −2/8=−0,25 м/с.
Когда x=5 м? На I: 2+3t=5, t=1 с. На III: 8−2(t−4)=5, t=5,5 с.
Типичные ошибки
Ошибка
Как правильно
Путают путь и перемещение
путь — длина траектории (≥0), перемещение — вектор из начала в конец
Средняя скорость = среднее арифметическое
vср=Sобщ/tобщ; среднее арифметическое верно только при равных временах
Не переводят км/ч в м/с
1 м/с = 3,6 км/ч; приводи данные к одной системе единиц
Считают, что a<0 всегда значит торможение
смотри на знаки vx и ax: одинаковые — разгон, разные — торможение
Считают путь по формуле после остановки
сначала найди время остановки v0/∣a∣; дальше тело не движется
Принимают график x(t) за траекторию
график показывает, как координата меняется во времени, а не форму пути
Не учитывают знак площади под vx(t)
для перемещения площади под осью вычитают, для пути — складывают
Шпаргалка
Что найти
Формула
Комментарий
Изменение координаты
Δx=x2−x1
может быть отрицательным
Скорость (проекция)
vx=ΔtΔx
наклон графика x(t)
Средняя путевая скорость
vср=tобщSобщ
не среднее арифметическое!
Равные пути, v1 и v2
vср=v1+v22v1v2
туда и обратно
Ускорение
ax=ΔtΔvx
наклон графика vx(t)
Равномерное движение
x=x0+vxt
a=0
Скорость при a=const
vx=v0x+axt
Закон движения при a=const
x=x0+v0xt+2axt2
парабола на графике
Перемещение без времени
Δx=2axvx2−v0x2
Перемещение через среднюю скорость
Δx=2v0x+vxt
при a=const
Задачи для самопроверки
Бегун пробегает круг стадиона длиной 400 м за 80 с и возвращается на старт. Найдите путь, перемещение, среднюю путевую скорость и среднюю скорость по перемещению.
Половину пути автомобиль проехал со скоростью 6 м/с, вторую половину — со скоростью 12 м/с. Найдите среднюю скорость на всём пути.
Координата тела меняется по закону x=4−3t+t2 (СИ). Найдите x0, v0x, ax, скорость через 3 с, момент остановки и путь за первые 3 с.
Автомобиль движется со скоростью 20 м/с и тормозит с ускорением 5 м/с². Найдите тормозной путь.
Скорость велосипедиста за 3 с равномерно выросла с 2 до 8 м/с. Найдите ускорение и пройденный путь.