Как решать задачи по кинематике?
учебно-методический материал

Как решать задачи по кинематике?

Ловцова Анжелика Фёдоровна.

АНО ОО "Русская Международная Школа" (г. Москва)

Не существует универсального метода решения задач по физике, но существует универсальный подход к решению задач. Когда грамотный физик, а мы собираемся стать грамотными физиками, решает задачу, то его действия можно поделить на три больших этапа:

1. Постановка задачи;

2. Решение задачи;

3. Анализ решения.

При постановке задачи и анализе решения мы являемся физиками, при решении задачи мы математики. 

Постановка задачи – наиболее важный, а в школьных задачах, и наиболее трудный этап. Мы должны понять физику явления, сформулировать физическую модель, а затем перевести ее в математическую. Конечным результатом этого этапа должна быть система уравнений и неравенств.

При решении задач по кинематике этот этап разбивается на четыре ступени:

1.Внимательно, не торопясь, прочитайте условие задачи. Подумайте, о каком физическом явлении идет речь. Какие физические величины известны, а какие надо найти? (Когда задача сложная, не следует особенно стремиться получить ответ. Надо последовательно, аккуратно ставить задачу, а ответ придет сам, куда ему деваться?)

2.Изобразите на рисунке (схематически) рассматриваемые тела, изобразите их движения.

3.Выберите систему отсчета. Для этого надо построить систему координат, т. е. задать ее начало и положительные направления координатных осей. Кроме того, надо выбрать начало отсчета времени. Без выбора системы отсчета описать движение полностью невозможно.

Для описания прямолинейного движения достаточна одна координатная ось, совмещенная с траекторией движения. Если движение происходит в одной плоскости, то потребуются две оси, для 3-х мерного движения необходима 3-х мерная система координат.

Выбор системы отсчета произволен и не влияет на конечный результат решения задачи. Но удачный выбор системы отсчета упрощает решение задачи. 

На этом мы заканчиваем построение физической модели и нам надо превратить ее в математическую модель. Помните, математика – язык физики.

4.Запишите уравнения, описывающие движения всех тел. В случае кинематики в школьных задачах это будут уравнения для зависимости координат материальных точек от времени. Далее от уравнений для значений координат и проекций заданных величин надо перейти к уравнениям для их модулей. Это непростой момент, рисунок должен Вам помочь.

5.Сформулируйте на языке математики так называемые «начальные» и «скрытые» условия. В качестве начальных условий обычно выступают значения координат и скоростей в начальный момент времени, а вот нахождение скрытых условий – это самый деликатный момент в решении задачи. В кинематике в качестве скрытых условий может быть, например, встреча двух тел в момент времени tв, т. е. их координаты в этот момент равны. Это условие дает уравнение:

x1(tв) = x2(tв).

Общее число уравнений должно равняться числу неизвестных. 

6.На этом заканчивается этап постановки задачи. Мы получили систему уравнений, может быть, систему уравнений и неравенств, которые являются математической моделью решаемой нами задачи. В последний момент мы смотрим, а что, собственно, нам надо найти в этой задаче, и из состояния «физик» мы переходим в состояние «математик» и решаем эту систему в общем (буквенном) виде. Решать в общем виде – это строго обязательно. Всякая подстановка численных значений до получения общего ответа – это серьезное нарушение. Оценка за это снижается немилосердно! 

7.После того, как получен ответ в общем виде, мы снова переходим в состояние «физик» и занимаемся анализом задачи. Полезно посмотреть, к каким последствиям приводит увеличение или уменьшение величин, заданных в условии задачи. Посмотрите области допустимых значений. Проследите, чтобы размерности правой и левой части уравнений были одинаковы. Если у Вас метры складываются с секундами, идите в начало задачи и ищите ошибку. Замечательно, что Вы ошиблись, поиск своих или чужих ошибок – самый эффективный способ обучения. Когда все получается с первого раза – чему тогда учиться? 

8.Подставьте в буквенный ответ числовые значения заданных физических величин с наименованием их единиц. Предварительно надо выразить все числовые значения в одной системе единиц. Выполните вычисления и получите ответ. Пользуйтесь правилами приближенных вычислений. Следите, чтобы точность полученного ответа не превосходила точности заданных величин. К сожалению, составители задач редко правильно задают точность исходных величин. 

Перечисленные рекомендации не надо считать абсолютно жесткими, неизменными. Всего не предусмотришь. В некоторых случаях отдельные пункты можно опустить, иногда приходится вводить новые. Многие задачи проще решать графически. Но на первых этапах мы должны придерживаться этой схемы. Если где-то мы отходим от нее, то делать это надо осознанно. Когда Вы станете большими мастерами в решении задач по физике, тогда Вы можете импровизировать. А эталон, к чему надо стремиться, сформулировал Р.Фейнман 

Физик, это тот, кто видит решение задачи, еще не решая ее. 

Приступаем к решению задач. Понятно, что первые задачи будут несложными. Надо привыкнуть к последовательному выполнению этапов решения задач по кинематике. 

Задача 1 

Тело движется равномерно вдоль оси Х. Со скоростью v = 2 м/с противоположно положительному направлению оси Х. Найдите положение тела в момент времени t1 = 10 с после начала движения, если начальная координата x0 = 5 м. Чему равен путь, пройденный телом? 

Решение. 

Выписываем в левом верхнем углу «Дано» и делаем рисунок. Иногда это полезно делать одновременно. 

Из условия задачи видно, что физической моделью задачи является материальная точка, двигающаяся по прямой с постоянной скоростью. Математической моделью такого процесса является математическое уравнение для координат материальной точки:

x = x0+ vxt.

По условию задачи vx= -v и формула для координаты принимает вид:

x = x0 - vt.

Пройденный телом путь равен

s = vt.

В этих уравнениях t – параметр, переменная величина. Уравнения показывают, как изменяется координата материальной точки и пройденный ею путь со временем t. Можно для большей ясности писать x(t) и s(t). Смотрим в условие задачи, что нам нужно найти. Координату и пройденный путь в момент времени t1. Физика закончилась. Переходим в состояние «математик» и смотрим, что нам предстоит решить. В этой задаче работы для математика нет. Надо подставить вместо t ее численное значение t1 и подсчитать численный ответ. Обратите внимание, t - переменная величена, а t1 – число. В школьных задачах по физике, как правило, не бывает сложной математики. Поэтому когда Вы оформляете решение задачи в чистовике, математическую часть можно излагать предельно кратко. Леша Щекин на контрольных и олимпиадах выписывал исходную систему уравнений, потом сразу выписывал ответ в общем виде и численный ответ. Это правильно. Но когда Саша Головко записывал «Дано», потом замирал на какое-то время, а потом сразу писал ответ, то это уже слишком. Так поступать не следует. Экзаменатор может подумать, что Вы списали. 

Итак, мы имеем:

x(t1) = x0 – vt1 = 5 м – 2 м/с∙10 с = -15 м.

Пройденный телом путь равен

s(t1) = vt1 = 2 м/с∙10 с = 20 м.

Анализ решения. 

Из уравнение для координаты видно, что тело из +? движется к началу координат, в момент времени t = 0 оно проходит координатуx0 = 5 м, в момент времени 2,5 с оно проходит через начало координат и уходит в -?. С размерностями величин все в порядке. Поэтому у нас есть основания надеяться, что мы правильно решили задачу. 

Задача 2 

Из пунктов А и В, расстояние между которыми l = 55 км, одновременно начали двигаться с постоянными скоростями навстречу друг другу по прямому шоссе два автомобиля. Скорость первого автомобиля v1 = 50 км/ч, а второго v2 = 60 км/ч. Через сколько времени после начала движения автомобили встретятся? Найдите пути, пройденные каждым автомобилем за это время. 

Решение. 

Представим движение автомобилей как движение материальных точек. 

Примем пункт А за начало координат и направим координатную ось Х в сторону пункта В (см.рис.). Движение автомобилей будет описываться уравнениями:

x1(t) = x01 + v1xt,

x2(t) = x02 + v2xt.

Начальные условия:

x01 = 0,x02 = l.

Так как вектор скорости первого автомобиля направлен в положительном направлении, а второго – в отрицательном, то

v1x = v1,v2x = -v2.

Поэтому первые два уравнения перепишем в виде:

x1(t) = v1t,

x2(t) = l – v2t.

Когда в момент времени t1 автомобили встретятся, они будут иметь равные координаты:

x1(t1) = x2(t1), 

или

v1t1 = l – v2t1.

Откуда

t1 =l/(v1 + v2) = 0,5 ч.

Пройденные пути равны

s1 =v1t1 = 25 км,s2 = v2t1 = 30 км.

Анализ задачи. 

Задача слишком простая, чтобы что-то еще анализировать. Можно сложить s1 + s2, получается 55 км, значит, решили правильно, скорее всего. 

Задача 3 

Движение точки на плоскости описывается уравнениями

х = 6 м + 3 м/с ∙t,

y = 4 м/с ∙t.

Определить траекторию движения точки и построить ее на плоскости XOY. 

Решение. 

Исключим из обоих уравнений параметр t. Для этого выразим время из первого уравнения и подставим во второе, получим:

y = 4x/3 – 8 м.

Это уравнение прямой линии с угловым коэффициентом 4/3 и пересекающая ось OY в точке –8. Можно построить ее по точкам, 

при х = 0y = -8 ми при y = 0х = 6 м. 

Направление скорости движения точки укажем стрелкой. 

Задача 4

На рисунке изображен график зависимости от времени координаты точки, движущейся вдоль оси Х. Как двигалась точка? Постройте графики модуля v и проекции vxскорости, а также пути в зависимости от времени. 

Решение.

В течение первых 3 с координаты точки изменялись от 2 м до – 4 м, следовательно, точка двигалась противоположно положительному направлению оси Х. Проекция скорости равна

V1x = (- 4 – 2 )/ 3 м/c = - 2 м/c,

А модуль скорости равен v1 = 2 м/с. 

Следующие 4 с точка не двигалась, ее координаты не изменялись, v2x = v2 = 0. Потом в течение 2 с точка двигалась в положительном направлении оси Х о пришла в начало координат (х = 0).Проекция и модуль скорости соответственно равны

v3x = v3 = (0 – (-4))/2 м/с = 2 м/с.

На рисунке «а» изображен график проекции скорости, на рисунке «б» – график модуля скорости, на рисунке «в» - график пути. При построении графика пути не забывайте, что путь не может быть отрицательным и при движении не убывает. 

Задача 5 

С подводной лодки, погружающейся равномерно, испускаются звуковые импульсы длительностью t1 = 30,1 с. Длительность импульса, принятого на лодке после его отражения от дна, равна t2 = 29,9 с. Определите скорость погружения лодки v. Скорость звука в воде с = 1500 м/с. 

Решение. 

Звуковой импульс не является материальной частицей, однако уравнения движения звукового импульса такие же, как и у материальной точки, поэтому можно применять законы кинематики материальной точки. 

За время t1 лодка переместится на расстояние vt1, поэтому расстояние в воде между началом импульса и его концом равно

L = ct1 – vt1.

Такая длина сигнала сохранится и после отражения от дна. Прием импульса закончится в тот момент, когда лодка встретится с задним концом импульса. Поскольку скорость их сближения равна с + v, то продолжительность приема равна

t2 = L/(c + v)

Решая эти уравнения совместно, получим

v = = 5 м/с.

Список литературы.

https://easyfizika.ru/zadachi/kinematika/

https://phys-ege.sdamgia.ru/test?theme=204