0059 Układ odniesienia
Wprowadzenie Przeczytaj Animacja 3D Sprawdź się Dla nauczyciela
Czy to nie ciekawe?
Co jest potrzebne do tego, by móc opisywać ruch? Po co nam układ odniesienia i co może nim być? Czy ruch w różnych układach odniesienia będzie wyglądać inaczej? Tego
wszystkiego dowiesz się, analizując e‐materiał o układzie odniesienia.
Twoje cele
dowiesz się, co to jest układ odniesienia,
zrozumiesz, dlaczego układ odniesienia jest niezbędny do opisu ruchu, zastosujesz różne układy odniesienia do opisu tego samego ruchu,
przeanalizujesz i zinterpretujesz opis ruchu w różnych układach odniesienia, poznasz uzasadnienie faktu, że nie ma bezwzględnie nieruchomego układu odniesienia.
0059 Układ odniesienia
Przeczytaj
Warto przeczytać
Rys. 1. przedstawia ten sam samochód w dwóch różnych chwilach.
Rys. 1.
Czy ten samochód porusza się, czy nie?
Trudno to stwierdzić, bo nie mamy żadnego punktu odniesienia – nie widzimy otoczenia samochodu.
Rys. 2.
A teraz, gdy widzimy Rys. 2.? Czy teraz możemy stwierdzić, czy samochód się porusza?
Teraz na rysunku widzimy trochę więcej – na pierwszym rysunku drzewo znajduje się z prawej strony samochodu, na drugim – z lewej. Wygląda więc na to, że samochód jedzie w prawo.
A co by było, gdyby zamiast drzewa był rower? Czy nadal moglibyśmy twierdzić, że samochód jedzie w prawo? Czy raczej, że to rower jedzie w lewo?
I czy rzeczywiście jesteśmy pewni, że drzewo jest nieruchome? A może ono znajduje się w jakiejś niewidocznej na rysunku donicy, która się porusza w lewo?
No dobrze, to skąd w takim razie możemy wiedzieć, czy dany obiekt porusza się, czy też nie...?
Aby określić, czy dane ciało jest w ruchu, czy też spoczywa musimy sprawdzić, czy jego położenie zmienia się w czasie. Ale żeby móc określić położenie ciała musimy wybrać inny obiekt, względem którego będziemy to robić. Nie możemy opisać położenia, jeśli nie mamy żadnego punktu odniesienia.
Definicja: Układ odniesienia
Ciało, względem którego będziemy określać położenie interesującego nas obiektu, nazywamy układem odniesienia.
Wracając do początkowego pytania – który obiekt na rysunku tak naprawdę się porusza?
Odpowiedź na nie brzmi – wszystko zależy od tego, co jest naszym układem odniesienia.
Jeśli układem odniesienia jest ulica, wtedy – o ile oczywiście drzewo jest normalnym drzewem rosnącym przy drodze – samochód porusza się w prawo, a drzewo spoczywa.
Jeśli układem odniesienia jest samochód, wtedy ruch każdego obiektu opisujemy względem samochodu – przyjmując, że to on jest nieruchomy. W takim układzie odniesienia drzewo porusza się w lewo. Choć w pierwszej chwili może to brzmieć absurdalnie, to jednak z punktu widzenia samochodu drzewo się od niego oddala.
Ruch tego samego ciała w różnych układach odniesienia może więc wyglądać zupełnie inaczej – w niektórych ciało będzie spoczywać, w innych poruszać się z różnymi
prędkościami. Czy nie byłoby zatem wygodniej za każdym razem za układ odniesienia przyjmować ciało, które jest nieruchome?
Może i byłoby. Jest tylko jeden problem – aby stwierdzić, czy dane ciało porusza się, czy nie, musimy najpierw wybrać układ odniesienia. Nie ma ciał, które są „bezwzględnie
nieruchome” - one mogą być nieruchome tylko w pewnych układach odniesienia.
Zatem: uniwersalny układ odniesienia po prostu nie istnieje.
Warto w tym kontekście uświadomić sobie, że czytając ten materiał nie spoczywamy
w fotelu czy na krześle, ale pędzimy z ogromną prędkością. Z jaką? Już wiemy, że to zależy od układu odniesienia, wszak Ziemia obraca się z prędkością ok. 300 m/s, obiega Słońce
z prędkością 30 km/s, a wraz ze Słońcem, innymi planetami i Twoim fotelem pędzi przez Galaktykę pokonując w każdej sekundzie ok. 250 km.
Rys. 3. Jeśli boicie się prędkości w kolejce w wesołym miasteczku, spójrzcie na osobę siedzącą obok. Ona wszak się nie porusza. [źr.: Chris Slupski na Unsplash]
Pamiętajmy też, jak istotną rolę odegrało pojęcie układu odniesienia w historii nauki. To dzięki rewolucji w sposobie myślenia o tym układzie Kopernik opisał ruch planet, a bez tego pojęcia Einstein nie sformułowałby swojej teorii względności.
Słowniczek
Położenie
(ang. position) – określa umiejscowienie ciała w układzie odniesienia.
Układ odniesienia
(ang. frame of reference) – ciało, względem którego opisujemy ruch lub spoczynek innego ciała.
Animacja 3D
Układ odniesienia
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Polecenie 1
Określ stan osób i samochodów w układzie odniesienia związanym z kierowcą samochodu.
samochód, który jedzie w przeciwną stronę, pasażer siedzący obok kierowcy, człowiek stojący na przystanku
Względem kierowcy porusza się:
Względem kierowcy spoczywa:
Polecenie 2
Spośród ciał przedstawionych na filmie wybierz takie dwa, z których jedno jest układem odniesienia, a drugie ma największą wartość prędkości.
autobus samochód rower motocykl pieszy
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Układem odniesienia może być:
Kierowca samochodu jadącego po autostradzie
Sztuczny satelita Ziemi
Wszystkie wyżej wymienione ciała
Drzewo rosnące przy drodze
Rysunek przedstawia pewną sytuację. Wskaż prawdziwe stwierdzenia.
W układzie odniesienia związanym z drzewem:
Samochód porusza się w prawo
Jezdnia nie porusza się
Autobus porusza się w prawo
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Oceń prawdziwość zdań:
1. W różnych układach odniesienia droga przebyta przez ciało może być różna. PRAWDA / FAŁSZ
2. W różnych układach odniesienia prędkość ciała może być różna. PRAWDA / FAŁSZ
3. W różnych układach odniesienia odległość między dwoma ciałami nieprzemieszczającymi się względem siebie może być różna. PRAWDA / FAŁSZ
Rysunek przedstawia pewną sytuację. Wskaż prawdziwe stwierdzenie.
W układzie odniesienia związanym z autobusem:
Znak drogowy porusza się w lewo
Samochód porusza się w prawo
Drzewo nie porusza się
Balon wznosi się ze stałą prędkością równą 2 m/s. Na wysokości 2000 m nad powierzchnią ziemi z balonu spuszczono pionowo w dół paczkę, która po 3 minutach upadła na ziemię.
Oblicz, jaką drogę przebyła paczka w układzie odniesienia związanym z balonem.
Odpowiedź: m
Ćwiczenie 6
Rysunek przedstawia dwa samochody (różowy i zielony), autobus, balon i drzewo wraz z kierunkiem i wartością prędkości – względem powierzchni ziemi.
Uzupełnij zdania:
zielony samochód, różowy samochód, autobus
W układzie odniesienia związanym z zielonym samochodem prędkość o największej wartości ma ... a prędkość o najmniejszej wartości ma ...
W układzie odniesienia związanym z autobusem spoczywa ...
Ćwiczenie 7
Pasażer pociągu przejeżdżającego przez stację ze stałą prędkością podrzucił pionowo w górę piłkę. Rysunki przedstawiają różne kształty torów.
Dopasuj odpowiednie rysunki do układów odniesienia:
B, D, C, A
Tor ruchu piłki w układzie odniesienia związanym z pasażerem stojącym na peronie jest przedstawiony na rysunku ... Tor ruchu piłki w układzie odniesienia związanym z pociągiem jest przedstawiony na rysunku ... Tor ruchu piłki w układzie odniesienia związanym z kierowcą samochodu jadącego w przeciwną stronę niż pociąg jest przedstawiony na rysunku ...
Ćwiczenie 8
Tosia i Kasia obserwowały, jak od jadącego z niewielką acz stałą prędkością pociągu odczepił się wagon, który po chwili jazdy się zatrzymał.
– Szkoda, że nie mogłyśmy tego obserwować z pociągu – powiedziała Kasia – to musiało ciekawie wyglądać, gdy widziało się wagon, który coraz bardziej zwalniał, aż w końcu się zatrzymał.
– Ależ skąd – powiedziała Tosia – z punktu widzenia pasażerów pociągu wagon wcale się nie zatrzymał.
Oceń, która z dziewczynek ma rację i uzasadnij, dlaczego.
Uzupełnij
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko
autora: Agnieszka Ruzikowska Przedmiot: Fizyka
Temat zajęć: Układ odniesienia Grupa
docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe.
Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla
opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.
II. Mechanika.
Uczeń:
1) opisuje ruch względem różnych układów odniesienia.
Kształtowane kompetencje kluczowe:
Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele
operacyjne:
Uczeń:
1. zdefiniuje układ odniesienia,
2. uzasadni, dlaczego układ odniesienia jest niezbędny do opisu ruchu,
3. zastosuje różne układy odniesienia do opisu tego samego ruchu, 4. przeanalizuje i zinterpretuje opis ruchu w różnych układach
odniesienia,
5. uzasadni pogląd, że nie ma bezwzględnie nieruchomego układu odniesienia.
Strategie
nauczania: IBSE Metody
nauczania:
- dyskusja, - pogadanka.
Formy zajęć: praca w parach
Środki
dydaktyczne:
Dla każdej grupy zestaw: rysunek przedstawiający pewną scenkę, w której bierze udział kilka obiektów (co najmniej tyle, ilu jest uczniów w grupie), które poruszają się w różny sposób (bądź spoczywają w jakimś układzie odniesienia) oraz kartki z nazwami obiektów na rysunku – do losowania.
Materiały
pomocnicze: brak PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
Uczniowie przed lekcją zapoznają się z częścią „warto przeczytać” oraz oglądają animację. Nauczyciel na początku lekcji w formie pogadanki podsumowuje to, czego uczniowie się dowiedzieli oraz wyjaśnia ewentualne wątpliwości.
Faza realizacyjna:
Uczniowie pracują w grupach. Każda grupa dostaje rysunek oraz karteczki z różnymi obiektami do losowania. Najpierw ustalają wspólnie, jak wygląda ruch każdego z obiektów na rysunku w układzie odniesienia związanym z ziemią. Następnie każdy z uczniów w grupie losuje jeden obiekt. Głównym zadaniem jest opisanie ruchu wszystkich ciał na rysunku w układzie odniesienia związanym z tym obiektem.
Uczniowie mogą to robić albo po kolei dla każdego układu odniesienia, albo po kolei dla każdego ciała na rysunku. Można też nieco urozmaicić to zadanie – uczniowie nie mówią kolegom z grupy jaki obiekt wylosowali i pozostali mają to zgadnąć na podstawie opisu ruchu. Nauczyciel odpowiada na pojawiające się pytania i rozstrzyga ewentualne wątpliwości.
Faza podsumowująca:
Uczniowie rozwiązują zadanie 7 i 8 z zestawu ćwiczeń.
Praca domowa:
Zadanie 4, 5 i 6 z zestawu ćwiczeń.
Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego
multimedium:
Animację uczniowie mogą obejrzeć i przeanalizować również przed lekcją.
