Научно-методический анализ темы «Законы сохранения в механике»

1.  Понятия о физических явлениях

Реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно

него.

Абсолютно упругий удар – это столкновение тел, при котором тела не соединяются и их внутренние энергии остаются неизменными.

Абсолютно неупругий удар – это столкновение двух тел, которые объединяются и движутся дальше как одно целое.

Прямолинейное движение — механическое движение, происходящее вдоль прямой линии. То есть, при прямолинейном движении материальной точки траектория представляет собой прямую линию.

Свободное падение – равноускоренное движение под действием силы тяжести, когда другие силы, действующие на тело, отсутствуют или пренебрежимо малы.

Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения действий на тело внешних сил. При этом тело принимает первоначальные размеры и форму.

Замкнутая система — система тел, находящаяся на столь большом расстоянии от всех остальных тел Вселенной, что можно пренебречь их воздействием на тела рассматриваемой системы. 

2.  Понятия о физических объектах

Материальная точка – обладающее массой тело, размерами, формой, вращением и внутренней структурой которого можно пренебречь в условиях исследуемой задачи.

Космос — это пространство, которое окружает нашу планету Земля. В космическом пространстве движутся звезды, планеты и многие другие объекты.

Солнечная система – планетная система, включающая в себя центральную звезду Солнце и все естественные космические объекты на гелиоцентрических орбитах. 

Луна – единственный естественный спутник Земли. Самый близкий к Солнцу спутник планеты, так как у ближайших к Солнцу планет (Меркурия и Венеры) их нет. 

Солнце – одна из звёзд нашей Галактики и единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. 

Планета – это небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды или её остатков, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей.

3.  Понятия о физических величинах

Время – скалярная физическая величина, одна из семи основных величин Международной системы величин, а единица измерения времени «секунда». Время характеризуется своей однонаправленностью, одномерностью, наличием ряда свойств симметрии. 

Импульс материальной точки – это векторная физическая величина, равная произведению массы материальной точки на её скорость. 

Сила – векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей.  

Скорость – это векторная физическая величина, характеризующая направление и быстроту изменения перемещения тела. 

Ускорение – это векторная физическая величина, характеризующая направление и быстроту изменения скорости тела. 

Масса тела – это скалярная физическая величина, которая является мерой инертности тела и гравитационного взаимодействия.

Внешние силы – силы, возникающие в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе, с телом, не принадлежащим ей.

                Внутренние     силы     –     это     силы,     возникающие     в    результате

взаимодействия тел, принадлежащих системе. 

Воздействия на тела сил, приводящих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы. 

Мощность – это отношение работы А к интервалу времени ^t , за который эта работа совершена, т.е. мощность – это скорость совершения

A работы: N  .

t

Сила трения покоя – это сила, действующая между двумя неподвижными относительно друг друга телами.

Энергия в механике – величина, определяемая состоянием системы – положением тел или частей тела и их скоростями. 

Кинетическая энергия материальной точки – это величина, равная половине произведения массы материальной точки на квадрат её скорости.

Ускорение свободного падения характеризует то, как быстро будет увеличиваться скорость тела при свободном падении. 

Силы, работа которых не зависит от формы траектории точки приложения силы и по замкнутой траектории равна нулю, называют консервативными силами. 

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел, обусловленная их взаимным расположением или взаимным расположением

частей тела.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести – величина, равная произведению массы m тела на ускорение свободного падения g и на высоту  h  тела над поверхностью Земли.

Сила тяжести – сила, с которой Земля (планета) притягивает тела. Сила тяжести равна произведению массы тела, помещенного в гравитационное поле Земли (планеты), на ускорение свободного падения. 

Потенциальная энергия упруго деформированного тела – величина, равная половине произведения коэффициента упругости k на квадрат удлинения или сжатия х.

Первая космическая скорость – эта та самая минимальная скорость для выхода корабля или спутника на круговую орбиту, равную радиуса планеты, без учета вращения планеты и сопротивления ее атмосферы. Для Земли первая космическая скорость равна 7 км/с.

Вторая космическая скорость – минимальная скорость, которую следует придать телу для того, чтобы оно покинуло замкнутую орбиту и смогло улететь от небесного тела за пределы его гравитационного поля. Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с.

Третья космическая скорость – скорость необходимо придать телу, чтобы оно смогло покинуть Солнечную систему. Для Солнечной системы это величина равна 16,65 км/с.

Четвертая космическая скорость – эта та скорость, которая позволит покинуть галактику в данной точке. Для нашей части галактики четвертая космическая скорость примерно равна 550 км/с.

4.  Научные факты

Импульс тела равен сумме импульсов его отдельных элементов.

Импульс системы тел могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы p_сист совпадает по направлению с суммарной внешней силой.

Работа постоянной силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и косинуса угла между ними.

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (алгебраическая сумма работ всех сил) равна работе равнодействующей силы.

Мощность равна 1 Вт, если работа, равная 1 Дж, совершается за 1 с.

Изменение кинетической энергии материальной точки зависит от начальной и конечной скоростей точки и не зависит от того, каким образом изменялась ее скорость, под действием каких сил происходило это изменение.

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, а зависит только от положений начальной и конечной точек траектории.

При движении тела по замкнутой траектории работа силы тяжести равна нулю.

Если начальное и конечное состояния пружины совпадают, то суммарная работа силы упругости при деформации равна нулю.

Изолированная система тел стремится к состоянию, в котором ее потенциальная энергия минимальна.

                В      двигателях      внутреннего      сгорания,      паровых      турбинах,

электродвигателях и т.д. механическая энергия появляется за счет убыли энергии других  форм: химической, электрической и т.д.

5.  Физические законы

Второй закон Ньютона. В инерциальной системе отсчета ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и r

r F м

обратно пропорционально его массе: a ^ ( ₂ ).

m с

                                                                                                                                                        r     r

Второй закон Ньютона в импульсной форме p ^ F ^t позволяет

r определить, как меняется скорость v тела по модулю и направлению, если на

r

него в течение времени ^t действует сила F.

Закон сохранения импульса. Если внешние силы на систему не действуют или их сумма равна нулю, то импульс системы сохраняется: r      r

p_сист  0, или ^p_сист  const.

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии материальной точки при ее перемещении равно работе, совершенной силой, действующей на точку при этом перемещении.

Закон Гука. При упругой деформации растяжения или сжатия модуль силы упругости прямо пропорционален модулю изменения длины тела: F  k  l  k  x.

Закон сохранения механической энергии. В изолированной системе, в которой действуют консервативные силы, механическая энергия сохраняется.

Общий закон сохранения энергии. Энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одной формы в другую. 

Закон всемирного тяготения. Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно

m1 m2

пропорциональна квадрату расстояния между ними: F ^ G ^ ₂         .

r

6.  Технические объекты

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Космический корабль «Аполлон-11» - американский пилотируемый корабль серии «Аполлон», в ходе полета которого в период с 16 по 24 июля 1969 года жители Земли впервые в истории совершили посадку на поверхность другого небесного тела – Луны. 

Орбитальный аппарат — это беспилотный космический аппарат для исследования планеты или другого небесного тела с орбиты вокруг этого тела.

Маятник – система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания. Колебания совершаются под действием силы тяжести, силы упругости и силы трения.

Пружиной называют объект, способный с помощью деформации, вызванной внешними силами, накапливать и сохранять упругую потенциальную энергию, а после прекращения их воздействия восстанавливаться до прежнего состояния.

Двигатель внутреннего сгорания – разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Продукты сгорания образуют рабочее тело. Такой двигатель является, химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу.

Паровая турбина – турбина, в которой в качестве рабочего тела используется водяной пар, получаемый при нагреве воды в паровых котлах.

Газовая турбина – лопаточная машина, в ступенях которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.

Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратнопоступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. 

Приложение