Зачем вводится понятие материальной точки. Что называется материальной точкой? Материальная точка

Материальная точка

Материа́льная то́чка (частица) - простейшая физическая модель в механике - идеальное тело, размеры которого равны нулю, можно также считать размеры тела бесконечно малыми по сравнению с другими размерами или расстояниями в пределах допущений исследуемой задачи. Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки .

Практически под материальной точкой понимают обладающее массой тело, размерами и формой которого можно пренебречь при решении данной задачи.

При прямолинейном движении тела достаточно одной координатной оси для определения его положения.

Особенности

Масса, положение и скорость материальной точки в каждый конкретный момент времени полностью определяют её поведение и физические свойства .

Следствия

Механическая энергия может быть запасена материальной точкой лишь в виде кинетической энергии её движения в пространстве, и (или) потенциальной энергии взаимодействия с полем. Это автоматически означает неспособность материальной точки к деформациям (материальной точкой может быть названо лишь абсолютно твёрдое тело) и вращению вокруг собственной оси и изменениям направления этой оси в пространстве. Вместе с этим модель движения тела, описываемого материальной точкой, которое заключается в изменении её расстояния от некоторого мгновенного центра поворота и двух углов Эйлера , которые задают направление линии, соединяющей эту точку с центром, чрезвычайно широко используется во многих разделах механики.

Ограничения

Ограниченность применения понятия о материальной точке видна из такого примера: в разреженном газе при высокой температуре размер каждой молекулы очень мал по сравнению с типичным расстоянием между молекулами. Казалось бы, им можно пренебречь и считать молекулу материальной точкой. Однако это не всегда так: колебания и вращения молекулы - важный резервуар «внутренней энергии» молекулы, «ёмкость» которого определяется размерами молекулы, её структурой и химическими свойствами. В хорошем приближении как материальную точку можно иногда рассматривать одноатомную молекулу (инертные газы , пары металлов , и др.), но даже у таких молекул при достаточно высокой температуре наблюдается возбуждение электронных оболочек за счёт соударений молекул, с последующим высвечиванием.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Материальная точка" в других словарях:

Точка, имеющая массу. В механике понятием материальная точка пользуются в случаях, когда размеры и форма тела при изучении его движения не играют роли, а важна только масса. Практически любое тело можно рассматривать как материальную точку, если… … Большой Энциклопедический словарь

Понятие, вводимое в механике для обозначения объекта, к рый рассматривается как точка, имеющая массу. Положение М. т. в пр ве определяется как положение геом. точки, что существенно упрощает решение задач механики. Практически тело можно считать… … Физическая энциклопедия

материальная точка - Точка, обладающая массой. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 102. Теоретическая механика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] Тематики теоретическая механика EN particle DE materialle Punkt FR point matériel … Справочник технического переводчика

Современная энциклопедия

В механике: бесконечно малое тело. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910 … Словарь иностранных слов русского языка

Материальная точка - МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, понятие, вводимое в механике для обозначения тела, размерами и формой которого можно пренебречь. Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки. Тело можно считать материальной… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Понятие, вводимое в механике для объекта бесконечно малых размеров, имеющего массу. Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки, что упрощает решение задач механики. Практически любое тело можно… … Энциклопедический словарь

Материальная точка - геометрическая точка, обладающая массой; материальная точка абстрактный образ материального тела, обладающего массой и не имеющего размеров … Начала современного естествознания

материальная точка - materialusis taškas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. mass point; material point vok. Massenpunkt, m; materieller Punkt, m rus. материальная точка, f; точечная масса, f pranc. point masse, m; point matériel, m … Fizikos terminų žodynas

материальная точка - Точка, имеющая массу … Политехнический терминологический толковый словарь

Книги

Комплект таблиц. Физика. 9 класс (20 таблиц) , . Учебный альбом из 20 листов. Материальная точка. Координаты движущегося тела. Ускорение. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по…

ВВЕДЕНИЕ

Дидактический материал предназначен студентам всех специальностей заочного факультета ГУЦМиЗ, изучающих курс механики по программе для инженерно-технических специальностей.

Дидактический материал содержит краткое изложение теории по изучаемой теме, адаптированной к уровню обученности студентов-заочников, примеры решения типовых задач, вопросы и задания, аналогичные предлагаемым студентам на экзаменах, справочный материал.

Цель такого материала – помочь студенту-заочнику самостоятельно в сжатые сроки усвоить кинематическое описание поступательного и вращательного движений, используя метод аналогии; научиться решать численные и качественные задачи, разбираться в вопросах, связанных с размерностью физических величин.

Особое внимание уделяется решению качественных задач, как одному из приемов более глубокого и сознательного усвоения основ физики, необходимых при изучении специальных дисциплин. Они помогают понять смысл происходящих явлений природы, уяснить сущность физических законов и уточнить область их применения.

Дидактический материал может быть полезен студентам дневной формы обучения.

КИНЕМАТИКА

Часть физики, изучающую механическое движение, называют механикой . Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Кинематика – первый раздел механики, она изучает законы движения тел, не интересуясь причинами, вызывающими это движение.

1. Материальная точка. Система отсчета. Траектория.

Путь. Вектор перемещения

Простейшая модель кинематики - материальная точка . Это тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Любое тело можно представить как совокупность материальных точек.

Чтобы математически описать движение тела, необходимо определиться с системой отсчета. Система отсчета (СО) состоит из тела отсчета и связанных с ним системы координат и часов . Если в условии задачи нет специальных указаний, считается, что система координат связана с поверхностью Земли. В качестве системы координат чаще всего используется декартова система.

Пусть требуется описать движение материальной точки в декартовой системе координат ХУ Z (рис.1). В некоторый момент времени t 1 точка находится в положении А . Положение точки в пространстве можно характеризовать радиусом - вектором r 1 , проведенным из начала координат в положение А , и координатами x 1 , y 1 , z 1 . Здесь и далее векторные величины обозначены жирным курсивом. К моменту времени t 2 = t 1 + Δ t материальная точка переместится в положение В с радиус вектором r 2 и координатами x 2 , y 2 , z 2 .

Траекторией движения называется кривая в пространстве, по которой движется тело. По виду траектории различают прямолинейное, криволинейное движения и движение по окружности.

Длина пути (или путь ) - длина участка АВ , измеренная по траектории движения, обозначается через Δs (или s). Путь в международной системе единиц (СИ) измеряется в метрах (м).

Вектор перемещения материальной точки Δr представляет собой разность векторов r 2 и r 1 , т.е.

Δr = r 2 - r 1.

Модуль этого вектора, называемый перемещением, является кратчайшим расстоянием между положениями А и В (начальным и конечным) движущейся точки. Очевидно, что Δs ≥ Δr , причем равенство выполняется при прямолинейном движении.

При движении материальной точки значение пройденного пути, радиуса-вектора и его координат меняется со временем. Кинематическими уравнениями движения (в дальнейшем уравнениями движения ) называют их зависимости от времени, т.е. уравнения вида

s =s(t ), r= r (t ), x =х (t ), y =у (t ), z =z(t ).

Если для движущегося тела известно такое уравнение, то в любой момент времени можно найти скорость его движения, ускорение и т.д., в чем далее убедимся.

Любое движение тела можно представить как совокупность поступательного и вращательного движений.

2. Кинематика поступательного движения

Поступательным называют такое движение, при котором любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной самой себе.

Скорость характеризует быстроту движения и направление движения.

Средней скоростью движения в интервале времени Δt называется величина

(1)

где - s отрезок пути, пройденный телом за время за время t .

Мгновенной скоростью движения (скорость в данный момент времени) называют величину, модуль которой определяется первой производной от пути по времени

(2)

Скорость - векторная величина. Вектор мгновенной скорости всегда направлен по касательной к траектории движения (рис.2). Единица измерения скорости – м/с.

Значение скорости зависит от выбора системы отсчета. Если человек сидит в вагоне поезда, он вместе с поездом движется относительно СО, связанной с землей, но покоится относительно СО, связанной с вагоном. Если человек ходит по вагону со скоростью , то его скорость относительно СО «земля»  з зависит от направления движения. Вдоль движения поезда  з =  поезда +  , против   з =  поезда - .

Проекции вектора скорости на оси координат υ х ,υ у ,υ z определяются как первые производные от соответствующих координат по времени (рис. 2):

Если известны проекции скорости на оси координат, модуль скорости можно определить по теореме Пифагора:

(3)

Равномерным называют движение с постоянной скоростью (υ = const). Если при этом не меняется направление вектора скорости v , то движение будет равномерным прямолинейным.

Ускорение - физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости по величине и направлению Среднее ускорение определяется как

(4)

где Δυ - изменение скорости за отрезок времени Δt .

Вектор мгновенного ускорения определяется как производная от вектора скорости v по времени:

(5)

Поскольку при криволинейном движении скорость может изменяться как по величине, так и по направлению, принято разлагать вектор ускорения на две взаимно перпендикулярные составляющие

а = а τ + а n . (6)

Тангенциальное (или касательное) ускорение а τ характеризует быстроту изменения скорости по величине, его модуль

.(7)

Тангенциальное ускорение направлено по касательной к траектории движения по скорости при ускоренном движении и против скорости при замедленном движении (рис. 3)..

Нормальное (центростремительное) ускорение а n характеризует изменение скорости по направлению, его модуль

(8)

где R - радиус кривизны траектории.

Вектор нормального ускорения направлен к центру окружности, которую можно провести касательно к данной точке траектории; он всегда перпендикулярен вектору тангенциального ускорения (рис.3).

Модуль полного ускорения определяется по теореме Пифагора

. (9)

Направление вектора полного ускорения а определяется векторной суммой векторов нормального и тангенциального ускорений (рис.3)

Равнопеременным называют движение с постоянным ускорением. Если ускорение положительно, то это равноускоренное движение , если же оно отрицательно - равнозамедленное .

При прямолинейном движении а ם =0 и а = а τ . Если а ם =0 и а τ = 0, тело движется прямолинейно и равномерно ; при а ם =0 и а τ = const движение прямолинейное равнопеременное .

При равномерном движении пройденный путь вычисляется по формуле:

ds = dt → s = ∫dt = ∫dt = t + s 0 , (10)

где s 0 - начальный путь для t = 0. Последнюю формулу необходимо запомнить.

Графические зависимости υ (t ) и s (t ) приведены на рис.4.

Для равнопеременного движения  = ∫а dt = а ∫ dt , отсюда

= а t +  0 , (11)

где  0 - начальная скорость при t =0.

Пройденный путь s = ∫dt = ∫(а t +  0)dt . Решая этот интеграл, получим

s = а t 2 /2 +  0 t + s 0 , (12)

где s 0 - начальный путь (для t = 0). Формулы (11), (12) рекомендуем запомнить.

Графические зависимости а (t ), υ (t ) и s (t ) приведены на рис.5.

К равнопеременному движению с ускорением свободного падения g = 9,81 м/с 2 относится свободное движение тел в вертикальной плоскости: вниз тела падают с g ›0, при движении вверх ускорение g ‹ 0. Скорость движения и пройденный путь при этом изменяется согласно (11):

 =  0 + g t ; (13)

h = g t 2 /2 +  0 t + h 0 . (14)

Рассмотрим движение тела, брошенного под углом к горизонту (мяч, камень, пушечный снаряд,…). Это сложное движение состоит из двух простых: по горизонтали вдоль оси ОХ и вертикали вдоль оси ОУ (рис.6). По горизонтальной оси в отсутствие сопротивления среды движение равномерное; по вертикальной оси - равнопеременное: равнозамедленное до максимальной точки подъема и равноускоренное после нее. Траектория движения имеет вид параболы. Пусть  0 - начальная скорость тела, брошенного под углом α к горизонту из точки А (начало координат). Ее составляющие по выбранным осям:

 0x =  x =  0 cos α = const ; (15)

 0у =  0 sinα. (16)

Согласно формуле (13) имеем для нашего примера в любой точке траектории до точки С

 у =  0у - g t =  0 sinα. - g t ;

 х =  0х =  0 cos α = const.

В наивысшей точке траектории, точке С , вертикальная составляющая скорости  у = 0. Отсюда можно найти время движения до точки С:

 у =  0у - g t =  0 sinα. - g t = 0 → t =  0 sinα/ g . (17)

Зная это время, можно определить максимальную высоту подъема тела по (14):

h max =  0у t - g t 2 /2= 0 sinα  0 sinα/g – g ( 0 sinα /g ) 2 /2 = ( 0 sinα) 2 /(2g ) (18)

Поскольку траектория движения симметрична, то полное время движения до конечной точки В равно

t 1 =2 t = 2 0 sinα / g . (19)

Дальность полета АВ с учетом (15) и (19) определится так:

АВ =  х t 1 =  0 cosα 2 0 sinα/ g = 2 0 2 cosα sinα/ g . (20)

Полное ускорение движущегося тела в любой точке траектории равно ускорению свободного падения g ; его можно разложить на нормальное и тангенциальное, как было показано на рис.3.

Определение

Материальной точкой называется макроскопическое тело, размерами, формой, вращением и внутренней структурой которого можно пренебречь при описании его движения.

Вопрос о том, можно ли данное тело рассматривать как материальную точку, зависит не от размеров этого тела, а от условий решаемой задачи. Например, радиус Земли значительно меньше расстояния от Земли до Солнца, и ее орбитальное движение можно хорошо описать как движение материальной точки с массой, равной массе Земли и расположенной в ее центре. Однако при рассмотрении суточного движения Земли вокруг собственной оси замена ее материальной точкой не имеет смысла. Применимость модели материальной точки к конкретному телу зависит не столько от размеров самого тела, сколько от условий его движения. В частности, в соответствии с теоремой о движении центра масс системы при поступательном движении любое твёрдое тело можно считать материальной точкой, положение которой совпадает с центром масс тела.

Масса, положение, скорость и некоторые другие физические свойства материальной точки в каждый конкретный момент времени полностью определяют её поведение.

Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки. В классической механике масса материальной точки полагается постоянной во времени и независящей от каких-либо особенностей её движения и взаимодействия с другими телами. При аксиоматическом подходе к построению классической механики в качестве одной из аксиом принимается следующее:

Аксиома

Материальная точка - геометрическая точка, которой поставлен в соответствие скаляр, называемый массой: $(r,m)$, где $r$ - вектор в евклидовом пространстве, отнесённом к какой-либо декартовой системе координат. Масса полагается постоянной, независящей ни от положения точки в пространстве, ни от времени.

Механическая энергия может быть запасена материальной точкой лишь в виде кинетической энергии её движения в пространстве и (или) потенциальной энергии взаимодействия с полем. Это автоматически означает неспособность материальной точки к деформациям (материальной точкой может быть названо лишь абсолютно твёрдое тело) и вращению вокруг собственной оси и изменениям направления этой оси в пространстве. Вместе с этим модель движения тела, описываемого материальной точкой, которое заключается в изменении её расстояния от некоторого мгновенного центра поворота и двух углов Эйлера, которые задают направление линии, соединяющей эту точку с центром, чрезвычайно широко используется во многих разделах механики.

Метод изучения законов движения реальных тел путём исследования движения идеальной модели - материальной точки - является основным в механике. Любое макроскопическое тело можно представить как совокупность взаимодействующих материальных точек g, с массами, равными массам его частей. Изучение движения этих частей сводится к изучению движения материальных точек.

Ограниченность применения понятия о материальной точке видна из такого примера: в разреженном газе при высокой температуре размер каждой молекулы очень мал по сравнению с типичным расстоянием между молекулами. Казалось бы, им можно пренебречь и считать молекулу материальной точкой. Однако это не всегда так: колебания и вращения молекулы - важный резервуар «внутренней энергии» молекулы, «ёмкость» которого определяется размерами молекулы, её структурой и химическими свойствами. В хорошем приближении как материальную точку можно иногда рассматривать одноатомную молекулу (инертные газы, пары металлов, и др.), но даже у таких молекул при достаточно высокой температуре наблюдается возбуждение электронных оболочек за счёт соударений молекул, с последующим высвечиванием.

Задание 1

а) автомобиль, въезжающий в гараж;

б) автомобиль на трассе Воронеж - Ростов?

а) автомобиль, въезжающий в гараж, нельзя принять за материальную точку, так как в данных условиях существенны размеры автомобиля;

б) автомобиль на трассе Воронеж-Ростов можно принять за материальную точку, так как размеры автомобиля намного меньше расстояния между городами.

Можно ли принять за материальную точку:

а) мальчика, который по дороге из школы домой проходит 1 км;

б) мальчика, делающего зарядку.

а) Когда мальчик, возвращаясь из школы, проходит до дома расстояние в 1 км, то мальчика в этом движении можно рассматривать как материальную точку, потому что его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое он проходит.

б) когда тот же мальчик выполняет упражнения утренней зарядки, то материальной точкой считать его никак нельзя.

Материальная точка

При прямолинейном движении тела достаточно одной координатной оси для определения его положения.

Особенности

Следствия

Ограничения

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Механическое движение
Абсолютно твёрдое тело

Смотреть что такое "Материальная точка" в других словарях:

МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА - точка, имеющая массу. В механике понятием материальная точка пользуются в случаях, когда размеры и форма тела при изучении его движения не играют роли, а важна только масса. Практически любое тело можно рассматривать как материальную точку, если… … Большой Энциклопедический словарь

МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА - понятие, вводимое в механике для обозначения объекта, к рый рассматривается как точка, имеющая массу. Положение М. т. в пр ве определяется как положение геом. точки, что существенно упрощает решение задач механики. Практически тело можно считать… … Физическая энциклопедия

МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА Современная энциклопедия

МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА - В механике: бесконечно малое тело. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910 … Словарь иностранных слов русского языка

материальная точка - понятие, вводимое в механике для объекта бесконечно малых размеров, имеющего массу. Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки, что упрощает решение задач механики. Практически любое тело можно… … Энциклопедический словарь

материальная точка - Точка, имеющая массу … Политехнический терминологический толковый словарь

Книги

Комплект таблиц. Физика. 9 класс (20 таблиц) , . Учебный альбом из 20 листов. Материальная точка. Координаты движущегося тела. Ускорение. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Прямолинейное и криволинейное движение. Движение тела по…

Под материальной точкой подразумевается макроскопическое тело, свойствами которой (масса, вращение, форма и т.д.) можно пренебречь, если есть необходимость описании его движения. О том, что такое материальная точка, вы узнаете из этой статьи.

Если говорить о том, может ли это тело рассмотрено в качестве такой точки, то здесь все определяется не размерами тела, а от поставленных в задаче условий. Как пример, радиус нашей планеты на порядок меньше расстояния между Солнцем и Землей, а орбитальное движение может быть описано как раз в виде движения материальной точки, которая обладает аналогичной земле массой и располагается в ее центре. Однако если рассматривать суточное движение планеты вокруг собственной оси, тогда заменять ей на материальную точку бессмысленно. Модель точки рассматриваемого типа к конкретному телу определяется не размерами самого тела, а в большей степени условиями его перемещения. Как пример, согласно теореме о движении центра масс системы при перемещении поступательного типа каждое твёрдое тело можно рассматривать в качестве материальной точки, положение которой аналогично центру масс тела.

Такие физические свойства точки как масса, скорость, положение и прочие определяют её поведение в каждый момент времени.

Положение в пространстве рассматриваемой точки определяется в виде положения геометрической точки. В механике материальная точка имеет массу, постоянную во времени и независимую от каких-либо факторов её перемещения и взаимодействия с прочими телами. Если использовать подход к построению механики, основанный на аксиомах, тогда за одну них берется следующее:

Аксиома

Материальной точкой называют тело - геометрическую точку, которой соответствует скаляр, именуемый массой: (r и m), где r является вектором в евклидовом пространстве, который относится к той или иной декартовой координатной системе. Масса постоянна и независима от положения точки во времени и пространстве.

Материальная точка запасает механическую энергию исключительно как кинетическую энергию её перемещения в пространстве, либо в качестве потенциальной энергии, которая вступает во взаимодействие с полем. Это говорит о том, что данная точка не может быть деформирована, вращаться вокруг своей же оси, а также она не реагирует на её изменения в пространстве. Параллельно с этим материальная точка движется с изменением её расстояния от пары углов Эйлера и какого-либо мгновенного центра поворота, задающих линии направление, а она в свою очередь соединяет эту точку с центром. Такой метод весьма распространен в механике.

Методика, по которой изучаются законы движения реальных объектов за счет исследования перемещения идеальной модели - это основа механики. Каждое макроскопическое тело может быть представлено в виде взаимодействующих друг с другом материальных точек, обладающими массами, соответствующими массам его частей. Изучение перемещения данных частей сводится к тому, что проводится изучение движения рассматриваемых точек.

Сам термин несколько ограничен в применении. Как пример разреженный газ при высоком температурном режиме характеризуется небольшим размером молекул относительно типичного расстояния между ними. И хотя этим можно пренебрегать в некоторых случаях и принимать молекулу за материальную точку, в основном все не так. Внутренняя энергия молекулы определяется колебаниями и вращениями, а её ёмкость зависит от размеров, структуры и свойств частицы. В некоторых случаях одноатомные молекулы могут быть рассмотрены как примеры материальной точки, но даже у них при высоком температурном режиме возбуждаются электронные оболочки из-за столкновений молекул с дальнейшим высвечиванием.

Первое задание

а) машину, въезжающую в гараж;
б) машину на трассе Москва - Ростов?

а) въезжающая в гараж машина не может считаться таким объектом, поскольку разница в размерах между автомобилем и гаражом относительно мала;
б) авто на трассе Москва - Ростов можно рассматривать как такую точку, поскольку размеры транспортного средства на порядки меньше пути.

Второе задание

а) мальчика, идущего домой из школы (путь 1 км);
б) мальчика, делающего физические упражнения?
а) Поскольку путь от школы к дому составляет километр, мальчик может быть рассмотрен в качестве такой точки, поскольку по своим размерам он очень мал относительно проходимого расстояния.
б) когда этот же ребенок выполняет утреннюю зарядку, его нельзя принимать за материальную точку.