- •Траектория, длина пути, вектор перемещения в механике. Мгновенная скорость. Ускорение
- •1. Траектория, длина пути, вектор перемещения
- •Угловая скорость и угловое ускорение
- •Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона динамики материальной точки
- •2. Законы Ньютона динамики материальной точки
- •Внешние и внутренние силы. Центр масс. Закон сохранения импульса
- •1. Внешние и внутренние силы
- •3. Закон сохранения импульса
- •Силы трения. Закон трения скольжения. Сила трения качения
- •2. Закон трения скольжения
- •Движение тел переменной массы. Формула Циолковского
- •2. Формула Циолковского
- •Энергия как универсальная мера движения и взаимодействия. Работа переменной силы
- •1. Энергия как универсальная мера движения и взаимодействия
- •2. Работа сил
- •Кинетическая и потенциальная энергия механической системы
- •Консервативные и неконссрвативныс системы. Закон сохранения энергии
- •3. Закон сохранения энергии:
- •Закон сохранения энергии применительно к столкновениям упругих и неупругих тел
- •Момент инерции материальной точки. Кинетическая энергия вращения
- •2. Кинетическая энергия вращения (Kвр, Дж)
- •Главные (свободные) оси и моменты инерции твердого тела. Теорема Штейнера
- •1. Главные (свободные) оси и моменты инерции твердого тела
- •Момент силы относительно неподвижной точки и неподвижной оси. Основной закон динамики вращательного движения
- •1. Момент силы относительно неподвижной точки (m)
- •3. Основной закон динамики вращательного движения:
- •Момент импульса относительно неподвижной точки и неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса
- •3. Закон сохранения момента импульса
- •Деформация твердого тела. Закон Гука. Потенциальная энергия деформации
- •Закон всемирного тяготения. Работа в поле тяжести. Космические скорости
- •2. Работа в поле тяжести:
- •3. Космические скорости
- •Стационарное движение несжимаемой жидкости. Уравнение непрерывности
- •1. Стационарное движение несжимаемой жидкости
- •Уравнение Бернулли. Формула Торричелли
- •1. Уравнение Бернулли
- •2. Формула Торричелли
- •Понятие вязкости. Формулы Стокса и Пуазейля для определения динамической вязкости
- •1. Понятие вязкости
- •Гармонические колебания и их характеристики
- •2. Характеристики гармонических колебаний
- •3. Примеры гармонических колебаний
- •4. Значение гармонических колебаний
- •Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники
- •Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения
- •1. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты
- •С ложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу
- •2. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •4. Применение фигур Лиссажу
- •Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания. Декремент и логарифмический декремент затухания. Добротность колебательной системы
- •1. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний
- •3. Коэффициент затухания (β)
- •Свободные затухающие колебания пружинного маятника. Апериодический процесс. Автоколебания
- •1. Свободные затухающие колебания пружинного маятника
- •2. Апериодический процесс
- •3. Автоколебания
- •Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Понятие резонанса
- •1. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний
- •2. Решение дифференциального уравнения
- •3. Амплитуда вынужденных колебаний (a(ω))
- •4. Фаза вынужденных колебаний (φ(ω))
- •5. Понятие резонанса
- •Волновые процессы. Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Гармонические волны
- •2. Механизм образования механических волн в упругой среде
- •3. Продольные и поперечные волны
- •Уравнение бегущей волны. Длина волны. Волновое число. Фазовая скорость. Волновое уравнение
- •Волновые пакеты. Принцип суперпозиции. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью
- •Интерференция волн. Понятие когерентности
- •Формирование стоячих волн. Уравнение стоячей волны. Узлы и пучности
- •Звуковые волны. Закон Вебсра-Фехнера. Эффект Доплера
- •Статистический и термодинамический подходы в исследовании вещества. Термодинамические системы и их параметры. Понятие термодинамического процесса
- •1. Статистический подход (молекулярно-кинетическая теория - мкт)
- •2. Термодинамический подход
- •Идеальный газ. Законы идеального газа
- •Уравнение Клайперона-Мендслеева. Молярная газовая постоянная. Постоянная Больцмана. Число Лошмидта
- •1. Уравнение Клапейрона-Менделеева
- •Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов
- •Распределение Максвелла молекул идеального газа по скоростям, импульсам и энергии
- •Наиболее вероятная, средняя и средняя квадратичная скорости молекул идеального гата. Средняя энергия молекул идеального газа
- •Барометрическая формула. Распределение Больцмана
- •Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул идеального газа
- •Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность, диффузия, вязкость
- •1. Теплопроводность:
- •2. Диффузия:
- •3. Вязкость (внутреннее трение):
- •Степени свободы. Закон Больцмана распределения энергии по степеням свободы молекул
- •Первое начало термодинамики. Работа газа при изменении объема
- •Теплоемкость. Уравнение Майера. Ограниченность классической теории теплопроводности идеальных газов
- •Первое начало термодинамики для изохорных, изобарических и изотермических процессов
- •Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Сравнение изотермы и адиабаты. Работа газа при адиабатическом процессе. Понятие политропного процесса
- •Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс. Коэффициент полезного действия кругового процесса
- •Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно. Коэффициент полезного действия цикла Карно для идеального газа
- •Энтропия. Принцип возрастания энтропии (второе начало термодинамики). Теорема Нернста
- •Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Эффективный диаметр молекул. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •Изотермы Ван-дер-Ваальса
- •Внутренняя энергия реального газа
- •Эффект Джоуля-Томпсона
- •Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
- •Смачивание. Формула Лапласа
- •Капиллярные явления
- •Твердые моно- и поликристатличсские тела. Типы кристаллических твердых тел
- •1. Монокристаллические тела (монокристаллы):
- •2. Поликристаллические тела (поликристаллы):
- •Ионные кристаллы:
- •Атомные (ковалентные) кристаллы:
- •Металлические кристаллы:
- •Молекулярные кристаллы:
- •Дефекты в кристаллах. Типы дефектов. Дислокации
- •1. Точечные дефекты (нульмерные):
- •2. Линейные дефекты (одномерные):
- •3. Поверхностные дефекты (двумерные):
- •4. Объемные дефекты (трехмерные):
- •Теплоемкость твердых тел
- •Модель Эйнштейна (1907):
- •Модель Дебая (1912):
- •Фазовые переходы I и II второго рода. Диаграмма состояний. Уравнение Клайперона- Клаузиуса. Тройная точка
Волновые пакеты. Принцип суперпозиции. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью
Волновой пакет представляет собой локализованную в пространстве и времени волну, которая возникает в результате суперпозиции нескольких волн с близкими, но различными частотами и волновыми числами. В отличие от монохроматической волны, которая простирается на бесконечность, волновой пакет имеет ограниченную протяженность и амплитуда его отлична от нуля лишь в некоторой области пространства.
Представьте себе, что вы складываете несколько синусоидальных волн с очень близкими частотами. В результате интерференции этих волн вы получите волну, амплитуда которой периодически меняется. Эти области усиления амплитуды и представляют собой волновые пакеты.
Принцип суперпозиции гласит, что если в данной точке пространства одновременно распространяются несколько волн, то результирующее смещение в этой точке в любой момент времени равно векторной сумме смещений, которые создавала бы каждая волна в отдельности.
Математически для двух волн y₁(x, t) и y₂(x, t) результирующая волна y(x, t) будет:
y(x, t) = y₁(x, t) + y₂(x, t)
Этот принцип справедлив для линейных сред, в которых свойства среды не зависят от амплитуды волны. Принцип суперпозиции лежит в основе многих волновых явлений, таких как интерференция и дифракция, а также образования волновых пакетов.
Групповая скорость (vгр) - это скорость, с которой распространяется огибающая волнового пакета, то есть скорость перемещения максимума амплитуды волнового пакета. Она определяет скорость переноса энергии и информации, заключенной в волновом пакете.
Для волнового пакета, образованного волнами с близкими частотами (ω) и волновыми числами (k), групповая скорость определяется как производная угловой частоты по волновому числу:
v_гр = dω/dk
Связь групповой скорости с фазовой скоростью (vф)
Фазовая скорость (vф), как мы уже знаем, это скорость распространения определенной фазы монохроматической волны (vф = ω/k). Связь между групповой и фазовой скоростями определяется следующим образом:
vгр = vф + k (dvф/dk)
или, эквивалентно, через длину волны (λ):
vгр = vф - λ (dvф/dλ)
Из этих соотношений видно, что:
В среде без дисперсии: Если фазовая скорость не зависит от волнового числа (или длины волны), то dvф/dk = 0 (или dvф/dλ = 0), и групповая скорость равна фазовой скорости (vгр = vф). В этом случае волновой пакет распространяется без изменения своей формы.
В среде с дисперсией: Если фазовая скорость зависит от волнового числа (или длины волны), то групповая скорость может отличаться от фазовой скорости.
Нормальная дисперсия (dvф/dk > 0 или dvф/dλ < 0): Групповая скорость меньше фазовой скорости (vгр < vф). Высокочастотные компоненты волнового пакета распространяются медленнее, чем низкочастотные, что приводит к "расплыванию" волнового пакета со временем.
Аномальная дисперсия (dvф/dk < 0 или dvф/dλ > 0): Групповая скорость больше фазовой скорости (vгр > vф). Высокочастотные компоненты распространяются быстрее, чем низкочастотные.
Понимание групповой скорости критически важно для описания распространения сигналов и энергии в волновых средах, особенно в диспергирующих средах, где различные частотные компоненты волны распространяются с разными скоростями.