ЦЕЛЬ УРОКА: сформировать представление о скорости, как о конкретном физическом понятии, которое используется в других науках и технике.
I. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1.СКОРОСТЬ КАК НАУЧНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ТЕРМИН
1) движение тела по траектории;
2) изменение положения тела в пространстве;
3) вращательное движение;
4) распространение физического поля.
Скорость есть научный, физический термин, означающий конкретное физическое понятие, которое используется с тем же смыслом в других науках, а также в технике:
1) когда речь идёт о движении физического тела по траектории, скорость определяется как путь, проходимый за единицу времени;
2) когда речь идёт об изменении положения тела в пространстве, скорость определяется как перемещение тела за единицу времени;
3) когда речь идёт о вращательном движении, то скорость определяется как угловой путь (угол поворота) тела за единицу времени;
4) когда речь идёт о распространении в пространстве физического поля за единицу времени, например о скорости распространения света в той или иной оптической среде.
Термин “скорость” проник в разговорную речь и используется для характеристики различных механических перемещений – линейных или угловых.
2. СКОРОСТЬ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИЖЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕЛ
м/c; км/ч; м/мин; мм/мин; уз (узлах), т.е. миля/ч; рад/с.
Cкорость, как характеристика движения физических тел, выражается в различных единицах в зависимости от масштабов пространственных и временных промежутков, относящихся к конкретному движению или области измерения, и от характера движения.
Морская миля, равная 1852 м, является, как и метр, естественной единицей длины. Она равна длине угловой минуты земного меридиана. Секунда – определённая часть времени годового обращения Земли вокруг Солнца. Таким образом, взятые в основу различных единиц скоростей и м/c уз (узел) являются естественными единицами скоростей, ибо они являются долями реально существующих в природе объектов или событий.
Так, скорости различных наземных, речных, воздушных транспортных средств мы измеряем в км/ч; скорость движения на морях и океанах – уз, скорость космических объектов – км/с; скорость автоматической продольной и поперечной подачи при выполнении операций на токарно-винторезном станке – мм/об.
3.ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОНЯТИЯ “ СКОРОСТЬ ”
Механическое движение невозможно изучать, сравнивать и характеризовать, не прибегая к понятию скорости. Но мы пользуемся понятием скорости, изучая и движение молекул, говорим о скорости движения носителей электрических зарядов, о скорости распространения электромагнитных полей, скорости испарения и конденсации, нагревания и охлаждения тел.
Мы будем рассматривать преимущественно скорости механического движения тел. Приведём примеры скоростей движения современных транспортных средств, попытаемся определить скорости по другим данным.
ПОНЯТИЯ СКОРОСТИ:
1. Конструкционная
Конструкционной называется максимальная скорость, допускаемая конструкцией данного транспортного средства. Например, конструкционная скорость автомобиля “Жигули” – 150 км/Ч; ВЕРТОЛЁТА МИ-6 – 300 км/ч; самолёта Ан-225 “Мечта” – 800 км/ч и т.д.
Следует заметить, что при испытаниях на скорость транспортные средства нередко превышают конструкционную скорость. Например, электровоз ВЛ-80 развил скорость 164,8 км/ч при конструкционной 110 км/ч.
Конструкционная скорость транспортных средств всегда фиксируется в их паспортах, выставочных проспектах на них, в технических характеристиках и справочниках.
2. Крейсерная
Крейсерная скорость относится к самолётам и вертолётам и представляет собой скорость наиболее экономичного по расходу топлива режима полёта. Она всегда несколько ниже конструкционной. Например, для самолёта Ту-144 она равнялась примерно 2300 км/ч против конструкционной 2500 км/ч. Аналогом крейсерной скорости для наземных транспортных средств, например автомобилей, является эксплутационная скорость.
3. Техническая
Технической называется средняя скорость движения поезда или автобуса, определяемая делением пройденного расстояния на время движения.
4. участковая
Участковой называют среднюю скорость, определяемую делением пройденного расстояния на всё время пребывания транспортного средства в пути следования, включая сюда и время стоянок в пути. При наличии стоянок в пути участковая скорость всегда меньше технической. При отсутствии стоянок в пути следования понятие участковой скорости излишне т.к. она в этом случае равна технической.
5. Воздушная
Воздушной скоростью самолёта или вертолёта называется скорость полёта относительно воздуха. Эта скорость фиксируется в лётно-технической характеристике и справочных данных о каждом типе самолёта и вертолёта.
Воздушная скорость полёта не учитывает ветра – движения атмосферы. Однако в атмосфере не всегда царит штиль, т.е. безветрие. Как правило, бывает обратное – слабый или сильный ветер того или иного направления.
Встречный ветер будет противодействовать полёту самолёта, сносить его в сторону, противоположную направлению полёта. Попутный ветер, наоборот, будет содействовать полёту самолёта.
Отсюда и возникает необходимость понятия путевой скорости.
6. Путевая
Путевая скорость самолёта – это его скорость полёта по отношению к наземным ориентирам, аэропортам вылета и назначения. Только зная путевую скорость самолёта и протяжённость рейса между аэропортами, мы можем определить время прибытия самолёта в аэропорт.
Путевую скорость самолёта можно определить путём графического сложения воздушной скорости самолёта и скорости ветра, если известно, под каким углом к трассе дует ветер.
Не менее существенными в авиационной технике являются понятия скорости отрыва и посадочной скорости самолёта. Обе скорости являются яркими примерами мгновенных скоростей движения
7. Отрыва
Скоростью отрыва называется скорость самолёта в момент отрыва его от взлётно-посадочной полосы (ВПП) в конце разбега перед взлётом.
8. Посадочная
Посадочной скоростью самолёта называется скорость самолёта при посадке в первый момент касания колёсами или лыжами шасси взлётно-посадочной полосы.
Нетрудно сообразить, почему авиаконструкторы стремятся снизить и скорость отрыва, и посадочную скорость самолётов. Снижение этих скоростей позволило бы иметь в аэропортах меньшие по длине взлётно-посадочные полосы, стоимость сооружения которых доходит до 60% всех затрат на строительство аэропортов.
Однако в связи с ростом грузоподъёмности и взлётной массы самолётов длина ВПП в аэропортах всё-таки растёт в соответствии с ростом длин разбега самолётов перед взлётом.
9. Космическая
В науке о космосе есть тоже особые понятия скорости. Это первая, вторая и третья космические скорости. Первая, равная 7,9 км/с, есть минимальная скорость, с которой около Земли должно обращаться тело, чтобы стать её искусственным спутником. Вторая, равная 11,2 км/с, есть минимальная скорость, позволяющая космическому телу, например, автоматической межпланетной станции, покинув Землю, стать искусственным спутником Солнца.
Первые две из названных скоростей уже достигнуты в процессе экспериментального исследования космоса. Первую космическую скорость могут иметь и межконтинентальные баллистические ракеты.
4. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА
Однако из всех скоростей движения в окружающем нас мире есть одна особенная и удивительная. Это скорость распространения света в вакууме, равная 3•10 8 м/с. В воздухе она меньше лишь на 0,03 %.
1) абсолютна – т.е. она не зависит ни от движения источника света, ни от движения наблюдателя, иначе говоря одинакова в любой системе отсчёта;
2) максимальная в природе – является наибольшей скоростью передачи сигналов;
3) недостижима для движения любого физического тела в природе;
4) не зависит от мощности источника света, от цвета света или его направления распространения;
5) с=сonst, в каждой из сред она постоянна и не может быть произвольно изменена – уменьшена или увеличена – никакими средствами.
Отметим весьма важное обстоятельство: скорость распространения света есть не скорость движения физического тела, а скорость распространения в пространстве физического поля, в данном случае – электромагнитного.
ДЕМОНСТРАЦИИ.
Видеоматериал различных видов транспорта.
П. ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА
.Беседа по вопросам о скорости движения:
В физическом смысле скорость – весьма интересное понятие. Его можно определить как отношение пути ко времени и как отношение перемещения ко времени.
Вопрос 1: Какое из определений правильно?
Ответ: Когда нас интересует лишь различие между начальными и конечными координатами точки за определённый промежуток времени, речь идёт о скорости перемещения тела. Когда же нас интересует, какой путь по траектории движения проходит тело за единицу времени, справедливо первое определение.
При прямолинейном движении скорость перемещения и скорость движения по траектории численно совпадают, во всех иных случаях скорость движения по траектории будет численно большей, чем скорость перемещения.
Вопрос 2: Какая же из этих скоростей важнее?
Всё зависит от конкретной задачи, которая при этом решается. Например, мотоциклист на гонках совершает десять оборотов по овальному треку, после чего оказывается на месте старта. Какую же скорость он установил?
Если иметь в виду скорость движения по треку, то она оказалась 120 км/ч, а если иметь в виду скорость перемещения за это время, то она равна нулю, ибо мотоциклист в итоге вернулся в прежнюю точку пространства – к месту старта.
Другой пример: зенитное орудие ведёт огонь по грозовой туче. Нас интересует здесь средняя скорость перемещения снаряда к цели, а значит, и время, за которое он достигает цели. С учётом этого времени и расстояния, на которое за это время переместится самолёт, определяется и направление, по которому производится выстрел. Учёт перемещений в пространстве и самолёта, и снаряда имеет целью то, чтобы они в одно и то же время оказались в одной точке пространства, т.е. имели одинаковые координаты в данной системе отсчёта.
Вопрос 3: Может ли время “течь в обратную сторону”, т. е. из настоящего в прошлое? Может ли человек, скажем, из 2005 г. оказаться в 2004 г.?
Вы скажите: конечно, нет. Однако скорости, достигнутые сейчас в авиации, и поясное время допускают такие ситуации, тем более что территория нашей страны охватывает с востока на запад 11 часовых поясов.
Допустим, наш самолёт имеет уже достигнутую в авиации конструкционную скорость 2500 км/ч, или более 694 м/с. Эта скорость больше чем в 2 раза превышает линейную скорость вращения точек поверхности земного шара в широтах, лежащих в пределах территории России.
Допустим, что мы вечером 31 декабря 2004 года встретили Новый год во Владивостоке и на самолёте полетели на запад в Новосибирск. Мы прилетели туда опять 31 декабря 2004 года, можем вторично встретить Новый 2005 год.
Решение задачи 1:
Скатившись с сортировочной горки, вагон проходит горизонтальный участок пути в 100 м за 25 с. Можно ли по этим данным определить, какова была скорость в момент скатывания с горки? Если можно, то как? Чему она равна?
Ответ: Можно. На горизонтальном участке движение вагона почти равномерное, поэтому скорость , с которой проходит вагон данный участок пути, равна скорости в его начале, т. е 4 м/с.
Решение задачи 2:
При скорости 4,5 м/с перемотка ленты магнитофона продолжается 1 мин. Сколько времени продлится запись на эту ленту, если скорость её составляет 19,05 см/с?
Ответ: t = 23,6 мин.
Задание на дом:
Задача 1:
Первый участок пути поезд прошёл за 2 часа со скоростью 50 км/ч, а остаток пути длиной 240 км – за 3 часа. Какую среднюю скорость развил поезд на всём пути следования?
Задача 2:
Космонавты орбитальной станции “Салют-6” наблюдали приближение транспортного корабля “Прогресс”. “Скорость корабля 4 м/с”, – сказал Юрий Романенко. Относительно какого тела имел в виду космонавт скорость корабля – относительно Земли или относительно станции “Салют”?