فیزیک دوازدهم فصل اول – حرکت شناسی

آموزش فیزیک با آموزش سینماتیک یا حرکت شناسی آغاز می شود . سینماتیک ( حرکت شناسی ) علمی است که در آن به بررسی حرکت و ویژگی های آن میپردازیم بدون آنکه عوامل موثر بر حرکت ( نظریر نیروهای محرک و مقاوم و ... ) را مورد بررسی قرار دهیم . در این فصل با مفاهیم جابجایی ، مسافت ، سرعت ، تندی ، شتاب ، حرکت سرعت ثابت و شتاب ثابت و نمودار هار مربوط به آنها آشنا میشویم .

در ابتدای کتاب درسی دانش آموز با مثال هایی آشنا میشود که اهمیت موضوع ( حرکت ) را برای او بیش از پیش آشکار می سازد ..بطور مثال :

1_مدت زمان رسیدن تندی خودرو از صفر به 100 کیلومتر یکی از معیار های مقایسه خودرو های امروزی است .

2_زمین شناسان برای تعیین محل هایی که امکان وقوع زلزله در آنها بیشتر است باید حرکت صفحه های زمین را بررسی کنند .

3_پژوهشگران پزشکی برای یافتن رگ مسدود ، باید به نحوه حرکت خون در رگ ها توجه کنند .

در این فصل ابتدا به یادآوری مفاهیم از علوم نهم پرداخته و سپس با یادگیری مفاهیم جدید به یادگیری خود عمق می بخشیم .

بخش 1-1 : شناخت حرکت

به طول مسیر پیموده شده توسط متحرک مسافت و به پاره خط جهت داری که مکان آغازین حرکت را به مکان پایانی آن وصل می کند بردار جابجایی می گویند .

مفهوم جابجایی را در شکل زیر نیز می توانید ببینید :

تندی متوسط : به حاصل تقسیم مسافت بر مدت زمان طی کردن این مسافت ، تندی متوسط میگویند . این کمیت کمیتی نرده ای است و واحد آن در SI  است .

سرعت متوسط : به نسبت جابجایی بر روی مدت زمان طی کردن این جابجایی سرعت متوسط میگویند . این کمیت ، کمیتی برداری بوده و واحد آن در SI   است .

بردار مکان :  برداری که مبدا محور را به مکان جسم در هر لحظه وصل می کند ، بردار مکان جسم در آن لحظه نامیده می شود .

در فصل اول تنها حرکت جسم ذره مانند برروی خط راست بررسی می شود . بنابراین می توان رابطه سرعت متوسط را به صورت زیر بازنویسی کرد :

و از آنجایی که در حرکت بر خط مستقیم ، حرکت یا در جهت محور x ها و یا در خلاف جهت محور x ها است پس می توان در رابطه بالا از علامت بردار چشم پوشی کرد و جهت را صرفا با علامت + یا – نشان داد .

برای توصیف حرکت یک جسم از نمودار مکان زمان استفاده میکنیم . این نمودار مکان جسم را در هر لحظه نشان می دهد . برای رسم این نمودار محور افقی را محور زمان و محور عمودی را محور مکان در نظر می گیریم . سپس نقاطی از نمودار را که مربوط به هر یک از مکتان ها و زمان های داده شده است ، پیدا کرده و در نهایت با اتصال آنها به یکدیگر نمودار مکان_زمان مربوطه را می کشیم . در شکل زیر مثتالی از نحوه کشیدن نمدار مکان زمان را می بینید :

این نمودار در حرکت سرعت ثابت بصورت خط راست با شیب ثابت و در حرکت شتاب ثابت بصورت سهمی در می آید . دقت کنید که شکل نمودار مکان_زمان ربطی به شکل مسیر حرکت ندارد و نباید تصور کنید که گاهی مسیر حرکت بصورت خط راست یو گاهی بصورت سهمی است بلکه در تمام حالات مسیر حرکت بصورت خط راست است .

برای تعیین سرعت متوسط به کمک نمودار مکان_زمان ، باید بدانیم سرعت متوسط متحرک بین دو لحظه از زمان برابر شیب پاره خطی است که نقاط نظیر آن دو لحظه در نمودار مکان_زمان را به یکدیگر وصل می کند .

تعریف  تندی لحظه ای : تندی متحرک در هر لحظه از زمان را تندی لحظه ای می نامند .

 تعریف  سرعت لحظه ای : اگر هنگام گزارش تندی لحظه ای به جهت حرکت متحرک نیز اشاره شود ، سرعت لحظه ای آن را بیان کرده ایم .

در حقیقت عقربه تندی سنج خودرو تندی لحظه ای خودرو را نشان می دهد و هیچ گونه اطلاعاتی در مورد نحوه حرکت خودرو به ما نمی دهد .

تعیین سرعت لحظه ای به کمک نمودار مکاتن_زمان : برای تعیین سرعت لحظه ای به کمک نمودار مکان_زمان کافی است بدانیم سرعت در هر لحظه دلخواه t برابر شیب خط مماس بر نمودار مکان زمان در آن لحظه است . نمودار زیر ما را به درک این مفهوم نزدیک تر می کند :

 هم چنین در حرکت سرعت ثابت ، سرعت  لحظه ای و سرعت متوسط در هر بازه زمانی دلخواه با هم برابر ( و برابر با شیب خط ) است .

بردار سرعت در هر نقطه از مسیر بر مسیر حرکت مماس است .

شتاب متوسط ¨:به نسبت تغییرات سرعت به مدت زمان انجام این تغییرات ، شتاب متوسط می گویند .

اگر متحرک روی خط راست حرکت کند ، می تواند از ماهیت برداری بودن سرعت و شتاب چشم پوشی کرد و جهت را با علامت + و – نشان داد .:

تعیین شتاب متوسط و لحظه ای به کمک نمودار سرعت زمان :   شتاب متوسط بین دو لحظه برابر شیب خظی است ک نمودار سرعت زمان را در آن دو لحظه قطع می کند .

همچنین شتاب در هر لحظه دلخواه t ، برابر شیب خط مماس بر نمودار سرعت_ زمان در آن لحظه است .

بخش 1-2 : حرکت با سرعت ثابت : 

ساده ترین نوع حرکت ، حرکت با سرعت ثابت است که در آن اندازه و جهت سرعت متحرک ، در طول مسیر ثابت است . معادله مکان زمان در حرکت با سرعت ثابت به شکل زیر است :

بخش 1-3 : حرکت با شتاب :

هرگاه شتاب متحرکی در لحظه های مختلف یکسان باشد ، حرکت جسم را حرکت با شتاب ثابت می نامیم .

معادله سرعت _ زمان در حرکت با شتاب ثابت :

معادله سرعت متوسط در حرکت با شتاب ثابت :

معادله مکان زمان در حرکت با شتاب ثابت :

معادله سرعت جابجایی در حرکت با شتاب ثابت :

سطح بین نمودار سرعت زمان و محور زمان در هر بازه زمانی دلخواه برابر جابجایی در آن بازه زمانی است .

سطح زیر نمودار شتاب زمان و محور زمانت در هر بازه زمانی دلخواه برابر  تغییرات سرعت در آن بازه زمانی است .

بخش 1-4 : سقوط آزاد :

جسمی که تحث تاثیر جاذبه گرانشی ، در نزدیکی سطح زمین سقوط می کند و اثر مقاومت هوا را بتوان بر آن نادیده گرفت ، آشنا ترین مثال برای حرکت با شتاب ثابت است . این حرکت آرمانی سقوط آزاد نامیده می شود . در کتاب درسی تنها سقوط آزاد بدون سرعت اولیه  بررسی می شود و با فرض اینکه جهت رو به بالا را مثبت بگیریم ، معادله های آن به شکل زیر در می آید :

`