
- •Билет 1. Колебательное движение. Гармонические колебания. Основные понятия теории колебаний
- •Билет 2векторный метод представления гармонических колебаний. Сложение одинаково направленных гармонических колебаний с одинаковой частотой
- •Сложение одинаково направленных гармонических колебаний с одинаковой частотой
- •Билет 4. Сложение перпендикулярно направленных гармонических колебаний с одинаковой и различной частотой.
- •Билет 5. Идеальный гармонический осциллятор. Пружинный маятник
- •Билет 6. Идеальный гармонический осциллятор. Физический маятник
- •Билет 9.Энергия гармонических колебаний
- •Билет 10. . Дифф.Уравнение затухающих колебаний, его решение. Периодическое и апериодическое движение.
- •Билет 11. Коэфф. Затухания, логарифмический декремент, их физический смысл. Добротность
- •Билет 12. Дифф.Уравнение вынужденных колебаний, его решение.
- •Билет 16. Дифф. Волновое уравнение, его решение
Билет 6. Идеальный гармонический осциллятор. Физический маятник
2. Физический маятник — это твердое тело, которое совершает колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной горизонтальной оси, которая проходит через точку О, не совпадающую с центром масс С тела (рис. 1).
Если
маятник из положения равновесия
отклонили на некоторый угол α, то,
используя уравнение динамики вращательного
движения твердого тела, момент M
возвращающей силы
(4)
где
J — момент инерции маятника относительно
оси, которая проходит через точку
подвеса О, l – расстояние между осью и
центром масс маятника, Fτ ≈
–mgsinα ≈ –mgα — возвращающая сила (знак
минус указывает на то, что направления
Fτ и
α всегда противоположны; sinα ≈ α поскольку
колебания маятника считаются малыми,
т.е. маятника из положения равновесия
отклоняется на малые углы). Уравнение
(4) запишем как
или
Принимая
(5)
получим
уравнение
идентичное
с (1), решение которого (1) найдем и запишем
как:
(6)
Из
формулы (6) вытекает, что при малых
колебаниях физический маятник совершает
гармонические колебания с циклической
частотой ω0 и
периодом
(7)
где
введена величина L=J/(ml)
— приведенная
длина физического маятника.
Точка
О' на продолжении прямой ОС, которая
отстоит от точки О подвеса маятника на
расстоянии приведенной длины L,
называетсяцентром
качаний физического
маятника (рис. 1). Применяя теорему
Штейнера для момента инерции оси,
найдем
т.
е. ОО' всегда больше ОС. Точка подвеса
О маятника и центр качаний О' имеют свойство
взаимозаменяемости:
если точку подвеса перенести в центр
качаний, то прежняя точка О подвеса
будет новым центром качаний, и при этом
не изменится период колебаний физического
маятника.
Билет 7. идеальный гармонический осциллятор. Математический маятник
3. Математический
маятник —
это идеализированная система, состоящая
из материальной точки массой m, которая
подвешена на нерастяжимой невесомой
нити, и которая колеблется под действием
силы тяжести. Хорошее приближение
математического маятника есть небольшой
тяжелый шарик, который подвешен на
длинной тонкой нити. Момент инерции
математического маятника
(8)
где l —
длина маятника.
Поскольку
математический маятник есть частный
случай физического маятника, если
предположить, что вся его масса
сосредоточена в одной точке — центре
масс, то, подставив (8) в (7), найдем
выражение для периода малых колебаний
математического маятника
(9)
Сопоставляя
формулы (7) и (9), видим, что если приведенная
длина L физического маятника равна
длине l математического
маятника, то периоды колебаний этих
маятников одинаковы. Значит, приведенная
длина физического маятника —
это длина такого математического
маятника, у которого период колебаний
совпадает с периодом колебаний данного
физического маятника.
Билет 8. идеальный гармонический осциллятор. колебательный контур
Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).
Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания
Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:
Принцип действия
Пусть
конденсатор ёмкостью C заряжен
до напряжения
. Энергия,
запасённая в конденсаторе составляет
Параллельный колебательный контур
При
соединении конденсатора с катушкой
индуктивности, в цепи потечёт ток
,
что вызовет в катушке электродвижущую
силу (ЭДС) самоиндукции,
направленную на уменьшение тока в цепи.
Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии
потерь в индуктивности) в начальный
момент будет равен току разряда
конденсатора, то есть результирующий
ток будет равен нулю. Магнитная энергия
катушки в этот (начальный) момент равна
нулю.
Затем
результирующий ток в цепи будет
возрастать, а энергия из конденсатора
будет переходить в катушку до полного
разряда конденсатора. В этот момент
электрическая энергия конденсатора
.
Магнитная же энергия, сосредоточенная
в катушке, напротив, максимальна и равна
,
где
— индуктивность катушки,
—
максимальное значение тока.
После
этого начнётся перезарядка конденсатора,
то есть заряд конденсатора напряжением
другой полярности. Перезарядка будет
проходить до тех пор, пока магнитная
энергия катушки не перейдёт в электрическую
энергию конденсатора. Конденсатор, в
этом случае, снова будет заряжен до
напряжения
.
В результате в цепи возникают колебания, длительность которых будет обратно пропорциональна потерям энергии в контуре.
В общем, описанные выше процессы в параллельном колебательном контуре называются резонанс токов, что означает, что через индуктивность и ёмкость протекают токи, больше тока проходящего через весь контур, причем эти токи больше в определённое число раз, которое называется добротностью. Эти большие токи не покидают пределов контура, так как они противофазны и сами себя компенсируют. Стоит также заметить, что сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте стремится к бесконечности (в отличие от последовательного колебательного контура, сопротивление которого на резонансной частоте стремится к нулю), а это делает его незаменимым фильтром.
Стоит заметить, что помимо простого колебательного контура, есть ещё колебательные контуры первого, второго и третьего рода, что учитывают потери и имеют другие особенности.