Если материальная точка находится в движении, то ее координаты подвергаются изменениям. Этот процесс может происходить быстро или медленно.
Величина, которая характеризует быстроту изменения положения координаты, называется скоростью.
Средняя скорость – это векторная величина, численно равная перемещению в единицу времени, и сонаправленная с вектором перемещения υ=∆r∆t; υ↑↑∆r.
Рисунок 1. Средняя скорость сонаправлена перемещению
Модуль средней скорости по пути равняется υ=S∆t.
Мгновенная скорость точки. Формулы
Мгновенная скорость характеризует движение в определенный момент времени. Выражение «скорость тела в данный момент времени» считается не корректным, но применимым при математических расчетах.
Мгновенной скоростью называют предел, к которому стремится средняя скорость υ при стремлении промежутка времени ∆t к 0:
υ=lim∆t∆r∆t=drdt=r˙.
Направление вектора υ идет по касательной к криволинейной траектории, потому как бесконечно малое перемещение dr совпадает с бесконечно малым элементом траектории ds.
Рисунок 2. Вектор мгновенной скорости υ
Имеющееся выражение υ=lim∆t∆r∆t=drdt=r˙ в декартовых координатах идентично ниже предложенным уравнениям:
υx=dxdt=x˙υy=dydt=y˙υz=dzdt=z˙.
Перемещение и мгновенная скорость
Запись модуля вектора υ примет вид:
υ=υ=υx2+υy2+υz2=x2+y2+z2.
Чтобы перейти от декартовых прямоугольных координат к криволинейным, применяют правила дифференцирования сложных функций. Если радиус-вектор r является функцией криволинейных координат r=rq1, q2, q3, тогда значение скорости запишется как:
υ=drdt=∑i=13∂r∂qi∂qi∂r=∑i=13∂r∂qiq˙i.
Рисунок 3. Перемещение и мгновенная скорость в системах криволинейных координат
При сферических координатах предположим, что q1=r; q2=φ; q3=θ, то получим υ, представленную в такой форме:
υ=υrer+υφeφ+υθφθ, где υr=r˙; υφ=rφ˙sin θ; υθ=rθ˙; r˙=drdt; φ˙=dφdt; θ˙=dθdt; υ=r1+φ2sin2θ+θ2.
Мгновенной скоростью называют значение производной от функции перемещения по времени в заданный момент, связанной с элементарным перемещением соотношением dr=υ(t)dt
Дан закон прямолинейного движения точки x(t)=0,15t2-2t+8. Определить ее мгновенную скорость через 10 секунд после начала движения.
Решение
Мгновенной скоростью принято называть первую производную радиус-вектора по времени. Тогда ее запись примет вид:
υ(t)=x˙(t)=0.3t-2; υ(10)=0.3×10-2=1 м/с.
Ответ: 1 м/с.
Движение материальной точки задается уравнением x=4t-0,05t2. Вычислить момент времени tост, когда точка прекратит движение, и ее среднюю путевую скорость υ.
Решение
Вычислим уравнение мгновенной скорости, подставим числовые выражения:
υ(t)=x˙(t)=4-0,1t.
4-0,1t=0;tост=40 с;υ0=υ(0)=4;υ=∆υ∆t=0-440-0=0,1 м/с.
Ответ: заданная точка остановится по прошествии 40 секунд; значение средней скорости равняется 0,1 м/с.
Средняя скорость
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 144.
Обновлено 13 Июля, 2021
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 144.
Обновлено 13 Июля, 2021
Важнейшей характеристикой тела в кинематике является скорость, с которой оно движется. Движение с нулевой скоростью фактически вообще не является движением. Однако скорость можно измерять различными методами и получать различные значения. Например, можно находить среднюю скорость. Рассмотрим эту тему подробнее: дадим определение средней скорости, приведем формулу средней скорости.
Движение и его скорость
Движение — это изменение координаты материальной точки со временем. Для вычисления быстроты изменения координаты используется такая физическая величина, как скорость (для обозначения используется символ $v$):
$$v={Delta x over Delta t}$$
Если движение происходит равномерно, то это отношение всегда будет одинаковым, независимо от выбора момента времени.
Например, если автомобиль движется со скоростью 36 км/ч, то за время $Delta t = 5c$ он пройдет расстояние $Delta x = 50м$, а за время $Delta t = 60c$ он пройдет расстояние $Delta x = 600м$.
Отношение пройденного расстояния ко времени перемещения в обоих случаях будет одинаковым и равным $v=10$м/с. Это и есть скорость движения автомобиля в данном примере.
Равномерное и неравномерное движение
Заметим, что автомобиль в приведенном примере на рассматриваемом промежутке времени $Delta t$ двигается равномерно. Но такое движение встречается довольно редко.
Тот же автомобиль когда-то стоял на месте, затем начал разгон и лишь потом двигался равномерно. А если рассмотреть ситуацию дальше — то рано или поздно автомобиль начнет замедление и остановится.
Получается, что скорость движения в рассматриваемом промежутке времени может изменяться. Движение с изменяемой скоростью называется неравномерным.
Средняя скорость
Как можно сравнивать скорости неравномерных движений?
Один из способов решения этой задачи — использование в физике такого понятия, как средняя скорость.
Идея состоит в том, чтобы пренебречь изменением скорости во время рассматриваемого промежутка времени, а рассматривать только начальный и конечный момент. Такое измерение удобно, если нам необходимо оценить общий результат движения.
В самом деле, как правило, целью движения является прибытие в конечный пункт к необходимому моменту времени. Как именно это достигнуто, зачастую неважно. Тело могло начать движение сразу и равномерно достигнуть конечного пункта. Могло, как автомобиль, сперва разогнаться, а потом затормозить в конечном пункте к тому же моменту времени. Наконец, тело могло двигаться «рывками», делая ряд остановок во время перемещения, но прибыть в конечный пункт, опять же, к тому же моменту времени.
Во всех трех приведенных случаях важно то, что тело начало и закончило движение в одни и те же моменты и переместилось за время движения на одно и то же расстояние. Что происходило во время движения, не рассматривается.
Скорость, рассчитываемая только по начальному и конечному моменту движения, называется средней. Для нахождения средней скорости необходимо найти отношение общего перемещения материальной точки ко времени, за которое это перемещение произошло.
$$v_{ср}={Delta x_{общ} over Delta t_{общ}}$$
Например, если автомобиль начал разгон в нулевой момент времени с нулевой скорости, разогнался до 50 км/ч, потом притормозил до 40 км/ч, и потом, через минуту, остановился в 600 м от начального пункта, то для нахождения средней скорости его движения необходимо 600 м поделить на 60 с. Средняя скорость составит 10 м/с.
Что мы узнали?
Одним из способов оценки скорости неравномерного движения является средняя скорость. При расчете средней скорости исходят только из начального и конечного моментов движения. А изменениями скорости между этими моментами пренебрегают. Средняя скорость удобна, если необходимо оценить общий результат движения, не обращая внимания на мелкие детали.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 144.
А какая ваша оценка?
Под средней скоростью движения какого-либо тела понимают отношение пройденного расстояния к временному промежутку, который был затрачен на его преодоление. Определение средней скорости может понадобиться в случае, когда в процессе перемещения тела на разных участках его скорость изменялась. Неважно в каком направлении совершалось движение и изменялось ли оно с течением времени. Характер движения может быть сложным или простым. Средняя скорость является скалярной величиной, поэтому алгоритм вычисления всегда будет примерно одинаковым.
Как найти среднюю скорость тела?
Для случая, когда движение происходило с изменением скорости, но на протяжении равных отрезков времени наблюдалась разная скорость, применяют формулу среднего арифметического значения.
Пример. Автомобиль всего проехал 1 километр и 200 метров. После каждых 400 м он изменял скорость движения. Первые 400 метров он двигался со скоростью 20 км/ч, потом со скоростью 40 км/ч, 50 км/ч и последний участок проехал на скорости 35 км/ч. Определение средней скорости движения производим так:
frac {20+40+50+35} {4} = 36,25 км/ч
В любом другом случае вычисление средней скорости в физике производят более сложным путем по формуле:
- Si – отрезок пути, км;
- ti – время прохождения отрезка пути, ч.
Пример задачи на вычисление средней скорости в физике
Человек прошел 1 час со скоростью 7 км/ч, а затем на протяжении 2-х часов шел со скоростью 4 км/ч. Определить среднюю скорость движения.
Сначала найдем путь, который был пройден за каждый из промежутков времени:
S1 = 1 х 7 = 7 км
S2 = 2 х 4 = 8 км
Далее пишется вышеприведенная формула в более привычном виде, как обычно, подставляются необходимые данные и определяется средняя скорость:
vcp. = frac { S_1 + S_2 } { t_1 + t_2 } = frac { 7 + 8 } { 1 + 2 } = 5 км/ч
Средняя скорость при равноускоренном движении
На практике очень часто встречаются задачи, когда вычисление средней скорости необходимо производить для случая, когда тело, двигаясь с какой-то начальной скоростью, с течением времени начало ускоряться и в конце пути достигло какой-то новой скорости. Тогда следует использовать формулу, которая выражает среднюю скорость через величину ускорения:
vcp. = v0 + frac { at } { 2 } , где:
- v0 – начальная скорость,
- а – ускорение,
- t – время движения тела.
Пример. Двигаясь с начальной скоростью 160 м/с, самолет в течение двух минут ускорял свое движение на 1,5 м/с2. Какова его средняя скорость за этот промежуток времени?
vcp. = 160 + frac { 1,5 * 120 } { 2 } = 250 м/с
Содержание:
- Определение и формула средней скорости
- Вектор средней скорости
- Единицы измерения
- Примеры решения задач
Определение и формула средней скорости
Определение
Средней путевой скоростью материальной точки на отрезке времени
$Delta t$называется скалярная физическая величина, равная отношению
длины пути, пройденного точкой к промежутку времени, в течение которого данный путь пройден. Среднюю скорость обозначают:
$$langle vrangle, bar{v}, v_{s r}$$
Математически определение средней скорости можно записать в следующем виде:
$$langle vrangle(t+Delta t)=frac{Delta s}{Delta t}=frac{s(t+Delta t)-s(t)}{Delta t}(1)$$
где $Delta s=s(t+Delta t)-s(t)$ — длина пути, которую прошла точка за время
$Delta t$.
Если перейти к пределу при $Delta t rightarrow 0$ , получим:
$$lim _{Delta t rightarrow 0}langle vrangle=lim _{Delta t rightarrow 0} frac{Delta s}{Delta t}=frac{d s}{d t}=v(t)(2)$$
средняя путевая скорость в пределе совпадает с величиной (модулем) мгновенной скорости точки в момент времени t.
При равномерном движении:
$$langle vrangle=v(3)$$
Вектор средней скорости
Определение
Вектором средней скорости $langlevec{v}rangle$ материальной точки на
отрезке времени $Delta t$называют величину, равную приращению радиус-вектора,
который определяет положение данной точки к промежутку времени $Delta t$:
$$langlebar{v}rangle(t+Delta t)=frac{Delta bar{r}}{Delta t}=frac{bar{r}(t+Delta t)-bar{r}(t)}{Delta t}(4)$$
где $Delta bar{r}$ – приращение радиус-вектора материальной точки.
Вектор средней скорости в пределе при $Delta t rightarrow 0$ совпадает с вектором скорости в момент времени t:
$$lim _{Delta t rightarrow 0}langlebar{v}rangle=lim _{Delta t rightarrow 0} frac{Delta bar{r}}{Delta t}=frac{d bar{r}}{d t}=bar{v}(t)(5)$$
где $bar{v}(t)$ – вектор мгновенной скорости токи.
Если точка совершает равномерное и прямолинейное движение, то выполняется равенство:
$$langlebar{v}rangle=bar{v}(6)$$
Средняя путевая скорость и модуль вектора средней скорости равны
$(langle vrangle=|langlebar{v}rangle|)$ только при прямолинейном движении.
При всех остальных видах движения выполняется неравенство:
$$langle vrangle>|langlebar{v}rangle|(7)$$
Единицы измерения
Основной единицей измерения средней скорости в системе СИ является: м/с
В СГС: см/с
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какова средняя скорость материальной точки за время ее движения, если точка прошла первую половину
пути имея скорость v1, остальную часть пути данная точка 1/2 времени двигалась со скоростью v2, последний
участок пути точка двигалась со скоростью v3.
Решение. В качестве основы для решения задачи формулу:
$$langle vrangle=frac{s}{Delta t}(1.1)$$
где время потраченное на путь ($Delta t$) делится на три части:
$$Delta t=t_{1}+t_{2}+t_{3}(1.2)$$
При этом имеют место следующие соотношения между отрезками пути, скоростью их преодоления и временем:
$$left{begin{array}{c}frac{1}{2} s=v_{1} t_{1} rightarrow t_{1}=frac{s}{2 v_{1}} \ frac{1}{2} s=v_{2} t_{2}+v_{3} t_{3} rightarrow t_{3}=frac{s}{2left(v_{2}+v_{3}right)}(1.3) \ t_{2}=t_{3}=frac{1}{2} tend{array}right.$$
$$langle vrangle=frac{2 v_{1}left(v_{2}+v_{3}right)}{v_{2}+v_{3}+2 v_{1}}$$
Ответ. $langle vrangle=frac{2 v_{1}left(v_{2}+v_{3}right)}{v_{2}+v_{3}+2 v_{1}}$
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример
Задание. Какова средняя скорость частицы, движущейся по оси Xза время в течение которого, она пройдет первые
s метров пути, если функция скорости задана уравнением: $v=A sqrt{x}$,
где A=const>0. Считать, что x=0 при t=0.
Решение. Сделаем рисунок.
В качестве основы для решения задачи используем формулу для средней путевой скорости, так как движение прямолинейное,
то средняя путевая скорость равна модулю вектора средней скорости. По условию задачи точка движется по оси X, тогда:
$$langle vrangle(t+Delta t)=frac{Delta x}{Delta t}(2.1)$$
По условиям x(t=0)=0, среднюю скорость ищем, когда тело находится в точкеx=sследовательно, выражение (2.1) преобразуем к виду:
$$langle vrangle=frac{s}{t}(2.2)$$
Найдем зависимость скорости от времени, исходя из определения мгновенной скоростидля движения точки по оси X:
$$v=frac{d x}{d t}=A sqrt{x}(2.3)$$
Выразим из (2.2) x:
$$frac{d x}{sqrt{x}}=A d t rightarrow x=frac{A^{2} t^{2}}{4}(2.4)$$
Так как движение происходит по оси X, то $x=s=frac{A^{2} t^{2}}{4}$ . Выразим время, которое точка затратила на путьs :
$$t=frac{2 sqrt{s}}{A}(2.5)$$
Подставим время из (2.4) в формулу (2.2):
$$langle vrangle=frac{A}{2} sqrt{s}$$
Ответ. $langle vrangle=frac{A}{2} sqrt{s}$
Читать дальше: Формула угловой скорости.
Загрузить PDF
Загрузить PDF
Чтобы вычислить среднюю скорость, воспользуйтесь простой формулой: 
. Но в некоторых задачах даются два значения скорости — на разных участках пройденного пути или в различные промежутки времени. В этих случаях нужно пользоваться другими формулами для вычисления средней скорости. Навыки решения подобных задач могут пригодиться в реальной жизни, а сами задачи могут встретиться на экзаменах, поэтому запомните формулы и уясните принципы решения задач.
-
1
Посмотрите на данные величины. Воспользуйтесь этим методом, если даны следующие величины:
- длина пути, пройденного телом;
- время, за которое тело прошло этот путь.
- Например: автомобиль проехал 150 км за 3 ч. Найдите среднюю скорость автомобиля.
-
2
Запишите формулу для вычисления средней скорости. Формула:
, где — средняя скорость, — пройденный путь, — время, за которое пройден путь.[1]
-
3
В формулу подставьте пройденный путь. Значение пути подставьте вместо
.
- В нашем примере автомобиль проехал 150 км. Формула запишется так: .
- В нашем примере автомобиль проехал 150 км. Формула запишется так:
-
4
В формулу подставьте время. Значение времени подставьте вместо
.
- В нашем примере автомобиль ехал в течение 3 ч. Формула запишется так: .
- В нашем примере автомобиль ехал в течение 3 ч. Формула запишется так:
-
5
Разделите путь на время. Вы найдете среднюю скорость (как правило, она измеряется в километрах в час).
Реклама
-
1
Посмотрите на данные величины. Воспользуйтесь этим методом, если даны следующие величины:
- несколько значений пройденных участков пути;
- несколько значений времени, за которые был пройден каждый участок пути.[2]
- Например: автомобиль проехал 150 км за 3 ч, 120 км за 2 ч, 70 км за 1 ч. Найдите среднюю скорость автомобиля на всем протяжении пути.
-
2
Запишите формулу для вычисления средней скорости. Формула:
, где — средняя скорость, — общий пройденный путь, — общее время, за которое пройден путь.[3]
-
3
Вычислите общий пройденный путь. Для этого сложите значения пройденных участков пути. В формулу подставьте общий пройденный путь (вместо
).
-
4
Вычислите общее время в пути. Для этого сложите значения времени, за которые был пройден каждый участок пути. В формулу подставьте общее время (вместо
).
-
5
Разделите общий путь на общее время. Вы найдете среднюю скорость.
Реклама
-
1
Посмотрите на данные величины. Воспользуйтесь этим методом, если даны следующие величины:
- несколько значений скоростей, с которыми двигалось тело;
- несколько значений времени, в течение которого тело двигалось с соответствующей скоростью.[4]
- Например: автомобиль двигался со скоростью 50 км/ч в течение 3 ч, со скоростью 60 км/ч в течение 2 ч, со скоростью 70 км/ч в течение 1 ч. Найдите среднюю скорость автомобиля на всем протяжении пути.
-
2
Запишите формулу для вычисления средней скорости. Формула:
, где — средняя скорость, — общий пройденный путь, — общее время, за которое пройден путь.[5]
-
3
Вычислите общий путь. Для этого умножьте каждую скорость на соответствующее время. Так вы найдете длину каждого участка пути. Чтобы вычислить общий путь, сложите значения пройденных участков пути. В формулу подставьте общий пройденный путь (вместо
).
-
4
Вычислите общее время в пути. Для этого сложите значения времени, за которые был пройден каждый участок пути. В формулу подставьте общее время (вместо
).
-
5
Разделите общий путь на общее время. Вы найдете среднюю скорость.
Реклама
-
1
Посмотрите на данные величины. Воспользуйтесь этим методом, если даны следующие величины и условия:
- два или несколько значений скоростей, с которыми двигалось тело;
- тело двигалось с определенными скоростями в течение равных промежутков времени.
- Например: автомобиль двигался со скоростью 40 км/ч в течение 2 ч и со скоростью 60 км/ч в течение других 2 ч. Найдите среднюю скорость автомобиля на всем протяжении пути.
-
2
-
3
-
4
Сложите значения двух скоростей. Затем сумму разделите на два. Вы найдете среднюю скорость на всем протяжении пути.
Реклама
-
1
Посмотрите на данные величины. Воспользуйтесь этим методом, если даны следующие величины и условия:
- два или несколько значений скоростей, с которыми двигалось тело;
- тело двигалось с определенными скоростями и прошло равные участки пути.
- Например: автомобиль проехал 150 км со скоростью 40 км/ч, а затем вернулся обратно (то есть проехал те же 160 км) со скоростью 60 км/ч. Найдите среднюю скорость автомобиля на всем протяжении пути.
-
2
Запишите формулу для вычисления средней скорости, если даны две скорости и одинаковые значения участков пути. Формула:
, где — средняя скорость, — скорость тела, с которым оно двигалось на первом участке пути, — скорость тела, с которым оно двигалось на втором (таком же, как первый) участке пути.
[7]
- Зачастую в условиях таких задач дано, что тело прошло определенный путь и вернулось обратно.
- В таких задачах значения участков пути не важны — главное, чтобы они были равны.
- Если даны три скорости и равные участки пути, перепишите формулу так:.[8]
-
3
-
4
Произведение двух скоростей умножьте на 2. Полученный результат запишите в числителе дроби.
-
5
Сложите две скорости. Полученный результат запишите в знаменателе дроби.
-
6
Сократите дробь. Вы найдете среднюю скорость на всем протяжении пути.
Реклама
Об этой статье
Эту страницу просматривали 160 613 раз.