Глава 1. § 8. Мгновенная и средняя скорости — с. 33
§ 8. Вопрос 1. Что называется средней скоростью перемещения?
Средняя скорость перемещения — это векторная величина, равная отношению перемещения точки Δr⃗ к промежутку времени Δt, за который оно произошло: v⃗ср = Δr⃗ / Δt. Это скорость такого равномерного прямолинейного движения, при котором точка за то же время Δt попала бы из начального положения в конечное. Вектор v⃗ср направлен вдоль секущей, соединяющей начальное и конечное положения точки, то есть так же, как вектор перемещения. Единица — м/с.
§ 8. Вопрос 2. Что такое мгновенная скорость?
Мгновенная скорость — это скорость точки в данный момент времени (в данной точке траектории). Она равна пределу отношения перемещения Δr⃗ к промежутку времени Δt, в течение которого это перемещение произошло, при стремлении Δt к нулю: v⃗ = lim Δr⃗ / Δt при Δt → 0. Это векторная величина; именно её показывает спидометр (только модуль).
§ 8. Вопрос 3. Как направлена мгновенная скорость в данной точке траектории?
Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории в данной точке в сторону движения. При уменьшении Δt вектор перемещения Δr⃗ укорачивается и поворачивается, а секущая, вдоль которой он направлен, в пределе переходит в касательную. Например, при движении по окружности скорость направлена по касательной к окружности, поэтому грязь из-под буксующего колеса летит по касательной.
§ 8. Вопрос 4. Точка движется по криволинейной траектории так, что модуль её скорости не изменяется. Означает ли это, что скорость точки постоянна?
Нет. Скорость — вектор, она считается постоянной, только если не меняются и модуль, и направление. При криволинейном движении вектор скорости направлен по касательной, а направление касательной всё время меняется. Значит, вектор скорости меняется (по направлению), хотя модуль остаётся прежним; такая точка движется с ускорением (например, равномерное движение по окружности).
§ 8. Вопрос 5. Что такое средняя путевая скорость?
Средняя путевая скорость — скалярная величина, равная отношению пути s, пройденного точкой, к промежутку времени t, за который этот путь пройден: vс.п = s / t. Она показывает, с какой постоянной по модулю скоростью надо было бы двигаться по траектории, чтобы пройти тот же путь за то же время. Путь не меньше модуля перемещения, поэтому модуль средней скорости перемещения не превышает средней путевой скорости: |Δr⃗|/t ≤ s/t.
§ 8. Образец заданий ЕГЭ, задание 1. На рисунке представлен график зависимости координаты тела от времени. Средняя скорость движения тела равна
[рисунок: график x(t), x в км, t в ч; ломаная (0; 0), (0,5; 30), (1,25; 0), клетки по 0,25 ч и по 10 км]
1) 48 км/ч
2) 60 км/ч
3) 40 км/ч
4) 0
[рисунок: график x(t), x в км, t в ч; ломаная (0; 0), (0,5; 30), (1,25; 0), клетки по 0,25 ч и по 10 км]
1) 48 км/ч
2) 60 км/ч
3) 40 км/ч
4) 0
Весь путь тело проходит за время от 0 до 1,25 ч: сначала 30 км вперёд (за 0,5 ч), затем 30 км назад (за 0,75 ч). Пройденный путь s = 30 + 30 = 60 км, время t = 1,25 ч. Средняя (путевая) скорость v = s / t = 60 км / 1,25 ч = 48 км/ч.
Проверка по участкам: 60 км/ч и 40 км/ч не годятся — это скорости на отдельных участках, а не за всё время.
Ответ: 1) 48 км/ч.
Оговорка: так как перемещение за всё время равно нулю, модуль средней скорости перемещения был бы равен 0 (вариант 4); ответ 1) соответствует средней путевой скорости, как и в ответах учебника.
Проверка по участкам: 60 км/ч и 40 км/ч не годятся — это скорости на отдельных участках, а не за всё время.
Ответ: 1) 48 км/ч.
Оговорка: так как перемещение за всё время равно нулю, модуль средней скорости перемещения был бы равен 0 (вариант 4); ответ 1) соответствует средней путевой скорости, как и в ответах учебника.
§ 8. Образец заданий ЕГЭ, задание 2. Уравнение движения тела x = 4 + 5t. Все величины выражены в СИ. Через время, равное 2 с после начала движения, скорость тела равна
1) 7 м/с
2) 2,5 м/с
3) 5 м/с
4) 14 м/с
1) 7 м/с
2) 2,5 м/с
3) 5 м/с
4) 14 м/с
Уравнение равномерного прямолинейного движения x = x₀ + vₓt. Сравнивая с x = 4 + 5t, находим vₓ = 5 м/с. Скорость постоянна и в момент t = 2 с та же: 5 м/с (значение 14 м/с — это координата 4 + 5·2 = 14 м, а не скорость).
Ответ: 3) 5 м/с.
Ответ: 3) 5 м/с.
§ 8. Образец заданий ЕГЭ, задание 3. На рисунке показана зависимость координаты тела от времени. Определите максимальное значение модуля мгновенной скорости.
[рисунок: график x(t), x в м, t в с; ломаная (0; 0), (2; 2), (4; 8), (6; 8), (9; 2); клетки по 1 с и по 1 м]
1) 1 м/с
2) 3 м/с
3) 2 м/с
4) 8/9 м/с
[рисунок: график x(t), x в м, t в с; ломаная (0; 0), (2; 2), (4; 8), (6; 8), (9; 2); клетки по 1 с и по 1 м]
1) 1 м/с
2) 3 м/с
3) 2 м/с
4) 8/9 м/с
На каждом прямолинейном участке графика скорость постоянна и равна модулю наклона: |v| = |Δx| / Δt.
0–2 с: v = 2/2 = 1 м/с. 2–4 с: v = (8 − 2)/2 = 3 м/с. 4–6 с: v = 0. 6–9 с: v = |2 − 8|/3 = 2 м/с.
Наибольший модуль скорости 3 м/с (самый крутой участок).
Ответ: 2) 3 м/с.
0–2 с: v = 2/2 = 1 м/с. 2–4 с: v = (8 − 2)/2 = 3 м/с. 4–6 с: v = 0. 6–9 с: v = |2 − 8|/3 = 2 м/с.
Наибольший модуль скорости 3 м/с (самый крутой участок).
Ответ: 2) 3 м/с.
§ 8. Образец заданий ЕГЭ, задание 4. Определите значения средней путевой скорости и модуля средней скорости перемещения за 9 с (см. рис. к заданию 3).
1) 14/9 м/с; 2/9 м/с
2) 2/3 м/с; 2/3 м/с
3) 2 м/с; 2/9 м/с
4) 1/3 м/с; 16/9 м/с
1) 14/9 м/с; 2/9 м/с
2) 2/3 м/с; 2/3 м/с
3) 2 м/с; 2/9 м/с
4) 1/3 м/с; 16/9 м/с
По графику из задания 3 тело сначала идёт из x = 0 в x = 8 м (путь 8 м), стоит, затем возвращается в x = 2 м (путь 6 м). Путь s = 8 + 6 = 14 м, время t = 9 с, средняя путевая скорость v = s / t = 14/9 м/с ≈ 1,56 м/с.
Перемещение за 9 с Δx = 2 − 0 = 2 м, модуль средней скорости перемещения = 2/9 м/с ≈ 0,22 м/с.
Ответ: 1) 14/9 м/с; 2/9 м/с.
Перемещение за 9 с Δx = 2 − 0 = 2 м, модуль средней скорости перемещения = 2/9 м/с ≈ 0,22 м/с.
Ответ: 1) 14/9 м/с; 2/9 м/с.