Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Физика. В 4 ч. Ч. 4. Колебания и волны

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
30.11.2025
Размер:
9.28 Mб
Скачать

Силы тяжести столбов жидкости до уровня СD одинаковы. Тогда на жидкость действует сила, стремящаяся вернуть ее в положение равновесия, равная силе тяжести столба жидкости высотой ЕD = 2х. Масса этого столба жидкости

m = V = S2x.

Так как величина х мала по сравнению с первоначальной высотой столбов жидкости (х << h), то можно считать, что возвращающая сила mg действует на всю массу жидкости m. Используя второй закон Ньютона, получим в проекции на вертикальную ось Ох:

S2xg ma 2 Sgx mx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Sg

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Запишем последнее уравнение в виде x

 

 

x 0

или x

0x 0

– это

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнение гармонических колебаний с собственной частотой

 

 

2 Sg

 

и пе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

риодом T

2

2

m

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2 Sg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: 2

 

 

m

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Sg

1.2.45. Горизонтально расположенный цилиндрический сосуд с основанием площадью S разделен массивным поршнем на две одинаковые части объемом V каждая. В каждом объеме содержится v молей идеального газа при постоянной температуре Т. Поршень соединен невесомой

пружиной жесткостью k с основанием сосуда и может свободно перемещаться в горизонтальном направлении. Определите период Тп малых колебаний поршня.

Решение:

При перемещении поршня влево относительно положения равновесия на небольшую величину х в левой части установится давление РI, в правой – РII.

Тогда на поршень сос стороны газа будут действовать силы давления FI = PIS и FII = PIIS, а также слева будет действовать сила упругости деформированной пружины Fупр kx.

Согласно второму закону Ньютона результирующая сил, действующих на поршень, PIIS PIS kx = ma. (1)

Для нахождения давлений PI и PII воспользуемся уравнением КлайперонаМенделеева:

 

 

(2)

PI (V

V) = vRT;

(3)

PII (V +

 

V) = vRT;

 

 

где V = xS – изменение объема каждой части при смещении поршня на х относительно положения равновесия.

Из (2) и (3) определим давления:

P

vRT

; P

vRT

.

V xS

 

I

II

V xS

70

Подставим эти выражения в (1):

 

 

 

 

 

 

vRT

 

 

vRT

 

2vRTS

2

 

 

 

 

 

 

ma

 

 

S

 

S kx x

 

 

k .

(4)

 

 

 

 

 

 

V xS

2

 

2

 

 

 

 

V xS

V (xS)

 

 

 

В задаче рассматриваются малые колебания поршня, поэтому можно пола-

гать, что V2 – (xS)2 V2. Тогда выражение (4) преобразуется к виду

 

 

2vRTS2 kV2

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

x 0,

а это есть уравнение гармонических колебаний, в

 

 

mV2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2vRTS2

kV2

 

 

 

 

 

 

 

 

котором

 

 

 

 

 

 

– циклическая частота гармонических колебаний,

mV2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связанная с периодом соотношением Tп 2 .

Таким образом, период малых колебаний поршня

mV2

Tп 2 2vRTS2 kV2 .

Ответ: 2

mV2

 

.

2vRTS2 kV2

1.2.46.Груз лежит на платформе, совершающей горизонтальные колебания

счастотой v = 2 Гц и амплитудой А = 1 см. Коэффициент трения груза о плат-

форму = 0,2. Определите, возможно ли скольжение груза по платформе.

Решение:

На груз, лежащий на платформе, действуют в вертикальном направлении сила тяжести mg и сила реакции N со стороны платформы, при этом N mg = 0N = mg. В горизонтальном направлении на груз действует сила трения покоя со стороны платформы

Fтр = N = mg.

(1)

Согласно второму закону Ньютона Fтр = . Максимальное значение силы трения покоя должно соответствовать максимальному значению ускорения платформы, с которым груз вместе с платформой совершает колебания: Fmax = max.

Если платформа с грузом, покоящимся относительно нее, совершает коле-

бания по закону x(t) = Asin2 vt, то ускорение системы

 

a = x = –(2 v)2Asin2 vt = –аmaxsin2 vt,

 

где аmax = (2 v)2A.

 

Тогда

 

Fmax = 4 2v2mA.

(2)

Если груз покоится относительно платформы, то Fmax < N mаmax < mg или (2 v)2A (3) должно быть меньше g (4).

Подставим числовые значения и сравним полученные значения выражений

(3) и (4):

(2 v)2A = 1,58; g = 2.

Следовательно, груз по платформе скользить не будет.

Ответ: скольжение груза невозможно.

71

1.2.47. На горизонтальной платформе, совершающей в вертикальном направлении гармонические колебания с амплитудой А = 40 см, лежит небольшое тело. Определите наименьший период колебаний системы, чтобы тело, лежащее на платформе, не отрывалось от нее.

Решение:

При движении платформы в вертикальном направлении на тело будут действовать сила тяжести mg и сила реакции со стороны платформы N . Тело не будет отрываться от платформы, если сила реакции N будет отлична от нуля во всех точках траектории движения.

Согласно второму закону Ньютона в проекции на ось Оy:

N mg may N m(g ay ).

(1)

Из (1) следует, что тело может отрываться от платформы в момент времени, когда ускорение a будет направлено противоположно оси Оy (ay < 0). При гармонических колебаниях ускорение всегда направлено к положению равновесия. Поэтому очевидно, что отрыв тела возможен в момент времени, когда платформа с телом будет находиться выше положения равновесия. Если тело не отрывается от платформы, то N > 0, из (1)

mg may 0 g aymax ,

(2)

где максимальное ускорение колеблющегося тела

 

2

2 2

 

ay 0 A

 

 

A

(3)

 

 

T

 

 

( 0 2 – циклическая частота, Т – период колебаний, А – амплитуда колеба-

T

ний, при которой тело еще не оторвется от платформа). Подставим (3) в (2), получим

2 2

g A. (4)

T

При амплитуде колебаний А тело не отрывается от платформы при мини-

мальном периоде колебаний, равном из (4): T 2

A

= 1,3 с.

 

min

g

 

 

 

Примечание. Если бы был дан период Т и амплитуда А0 колебаний, то из (4) необходимо было выразить амплитуду возникающих при данном периоде Т ко-

 

T

2

лебаний A g

 

 

и провести анализ полученной амплитуды с заданной в за-

 

 

2

 

даче. Если А0 окажется меньше А, тело не оторвется от платформы, если А0 будет больше А, то тело будет отрываться от платформы.

Ответ: Т = 1,3 с.

72

1.2.48. На двух одинаковых цилиндрических катках расположена однородная доска. Катки приводят в быстрое вращение навстречу друг другу. Расстояние между осями О1 и О2 катков L = 25 см, коэффициент трения между доской и катками = 0,2. Докажите, что доска будет совершать гармонические колебания. Определите период этих колебаний.

Решение:

Доска будет оставаться в равновесии, если центр ее будет расположен между осями цилиндрических катков. При быстром вращении катков между ними и доской будет происходить проскальзывание. Силы трения, действующие со стороны катков на доску, будут равны и направлены внутрь к центру доски.

Выведем доску из положения равновесия, сместив ее на малое расстояние х влево. В проекции на ось Ох возникает сила, стремящаяся вернуть доску в исходное положение,

 

 

Fx (Fтр

Fтр

),

 

 

(1)

где Fтр

 

 

1

 

 

2

Fтр

 

FA – сила

FA – сила трения со стороны левого катка на доску,

2

1

1

 

 

 

 

 

 

2

трения со стороны правого катка на доску.

 

 

 

 

 

Силы давления доски на катки Fд

и Fд

2

согласно третьему закону Ньютона

равны соответственно: Fд

N1 и Fд

1

 

 

 

 

 

N2 .

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

Выражение (1) примет вид:

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

Fx = – (N1 N2).

 

 

Определим силы реакции со стороны катков N1 и N2 из условия равновесия

доски в вертикальном направлении в проекции на ось Оy:

 

 

 

 

 

N1 + N2 mg = 0,

 

 

(3)

и условия равенства моментов этих сил относительно оси, проходящей через точку С (см. рис.):

L

 

L

 

0.

N1

 

x

N2

 

x

 

 

2

 

2

 

 

Из уравнения (3):

N1 + N2 = mg.

 

 

 

 

Из уравнения (4) с учетом (5):

 

 

 

 

(N N

)

L

(N

 

N

)x mgx N

N

 

2

mgx

.

 

 

 

 

1

2

2

 

1

2

1

 

2

 

L

(4)

(5)

Возвращающая сила окажется Fx 2 mgx . Отсюда коэффициент квази-

L

упругой силы k 2 mg .

 

 

 

 

 

L

Следовательно, доска совершает гармонические колебания с циклической

частотой

 

 

2 g

 

.

 

0

 

 

L

 

 

 

73

Период колебаний T

2

2

L

. Расчет показывает Т = 1,57 с.

 

 

 

 

 

0

2 g

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: T 2

L

 

 

1,57 с.

 

 

 

 

 

2 g

Сложение колебаний

1.2.49. Два гармонических колебания одного направления совершаются по

законам

x1

0,02cos

 

4 t

 

(м) и

x2

0,02cos

 

4 t

 

(м). Сложите эти ко-

 

 

 

 

 

 

6

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лебания с помощью метода векторных диаграмм. Запишите уравнение результирующего колебания, определите его амплитуду и начальную фазу.

Решение:

Из условия задачи видно, что складываемые гармонические колебания имеют одинаковые амплитуды А1 = А2 = 0,02 м и одинаковые циклические частоты колебаний 1 = 2 = = 4 с-1. Начальная фаза пер-

вого колебания 0

 

 

, второго –

0

 

 

 

. Поскольку

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

2

6

 

векторы A1

и A2

вращаются с одинаковой угловой ско-

ростью , равной циклической частоте колебаний, то

разность фаз между ними будет оставаться посто-

янной:

 

 

 

 

. Складывая два колебания ме-

 

 

 

 

 

 

2

 

1

6

 

 

 

 

 

 

 

 

тодом векторных диаграмм (см. рис.), получаем ре-

зультирующее колебание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x1 x2 Acos( 0t 0 ),

 

 

(1)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

A A2

A2

2AA cos –

 

 

1

2

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

амплитуда результирующего колебания. Так как амплитуды складываемых колебаний равны, то A A12(1 cos ) .

Начальная фаза 0 результирующего колебания определится по рисунку:

tg 0

 

y y

2

 

A1 sin 0

A2 sin 0

2

.

 

1

 

 

1

 

 

(3)

x x

 

A cos

0

A cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

1

2

0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

Учитывая, что А1 = А2, tg 0 sin 01 sin 02 . cos 01 cos 02

Расчет показывает, что А 0,039 м = 3,9 см.

tg 0 1 0 arctg1 . 4

Уравнение (1) с учетом полученных данных будет иметь вид:

74

x 3,9cos

 

4 t

 

(см).

(4)

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

Таким образом, сумма двух гармонических колебаний одного направления с одинаковыми частотами является гармоническим колебанием (4) с той же частотой, амплитуда и начальная фаза которого определяется формулами (2) и (3).

Ответ: А = 3,9 см; 0

 

 

;

x 3,9cos

 

4 t

 

(см).

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

Затухающие колебания

1.2.50. Энергия затухающих колебаний маятника массой m = 400 г, происходящих в некоторой среде, за время t = 1,5 мин уменьшилась в n = 64 раза. Определите коэффициент сопротивления r среды.

Решение:

Коэффициент сопротивления r связан с коэффициентом затухания и массой m тела соотношением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = 2 m.

 

 

 

 

 

 

(1)

 

Для нахождения коэффициента затуханий воспользуемся уравнением за-

тухающих колебаний

 

 

x A e t sin( t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

0

 

 

 

где

A A e t (2) – убывающая со временем амплитуда смещения; – цикиче-

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ская частота колебаний; А0 и 0 – начальные амплитуда и фаза.

 

 

Из определения полной энергии W0 тела

 

в начальный момент времени

(W

kA02

 

) и энергии спустя время t

W

kA2

 

 

видим, что энергия колебаний

0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

всегда пропорциональна квадрату амплитуды. Тогда

 

 

 

 

 

W

 

 

A

2

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

n

 

0

 

 

n 8,0.

(3)

 

 

 

W

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

Из выражения (2) с учетом (3) получаем

 

 

 

ln8,0

 

 

 

 

 

 

e t

8,0 t ln8,0

.

(4)

 

 

 

 

 

t

Подставим (4) в (1), получим выражение для коэффициента сопротивления:

r 2mln8,0 . t

Подставим числовые значения, получим значение коэффициента сопротив-

ления r 2 0,42,079 0,018 (кг/с). 90

Ответ: 0,018 кг/с.

75

Резонанс

1.2.51. Поезд движется со скоростью = 72 км/ч. Расстояние между стыками рельсов L = 20 м. Определите длину нити маятника, подвешенного в вагоне поезда, если маятник интенсивно раскачивается.

Решение:

При прохождении колесами вагона стыков рельсов на маятник периодиче-

ски действует внешняя сила, ее период действия определится как T L . Цикли-

ческая частота колебаний этой силы 2 2 . Собственная циклическая

T L

частота колебаний маятника

g

.

 

0

l

 

Если наблюдается интенсивное раскачивание маятника, то наступает резонанс, а это значит, что частота вынуждающей силы и собственная частота колеба-

ний маятника оказываются равными: = 0 или 2

 

 

g

l

gL2

0,5 (м).

 

 

2

 

L

l

 

 

4

 

Ответ: 0,5 м.

Упругие волны

1.2.52. Упругая волна распространяется со скоростью = 60,0 м/с. Частота колебаний v = 30 Гц. Определите разность фаз колебаний двух частиц среды, расположенных на расстоянии r = 1 м друг от друга в направлении распространения волны.

Решение:

Колебания частиц среды отстают по фазе от колебаний источника. Если фа-

за колебаний первой частицы среды

2 v

t

r1

 

(где r1 – расстояние от ис-

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точника до колеблющейся частицы;

r1

– время запаздывания возмущения в

 

 

1

первую точку; t – время колебаний источника), то фаза 2 колебаний второй частицы, находящейся от источника на расстоянии r2, определится аналогично

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2 v t

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разность фаз колебаний

2

2 v

r2 r1

 

2 v r

( r r

r

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расстояние между колеблющимися частицами среды в волне).

Ответ: = = 3,14 рад.

76

1.2.53.Уравнение упругой волны имеет вид X = Asin(ct br), где А = 0,5 см;

с= 628 рад/с; b = 2 м-1. Определите частоту колебаний, длину волны, скорость распространения волны, максимальные значения скорости и ускорения частиц среды.

Решение:

 

 

 

 

Уравнение упругой волны согласно условию задачи запишем

 

X = 0,5sin(628t – 2r) (см).

(1)

В общем виде это уравнение имеет вид

 

 

 

r

,

 

X Asin t

 

 

(2)

 

 

 

 

 

где A = Xmax – амплитуда колебаний частиц среды; = 2 v – циклическая частота колебаний; v – частота колебаний; – скорость распространения волны.

Анализ уравнений (1) и (2) позволяет получить А = 0,5 см = 5 10-3 м;

= 628 рад/с;

v

 

100 Гц; сравнив

 

r

2r, получим значение скорости

 

 

2

 

 

распространения волны

 

314 м/с.

Длина волны

 

3,14 м. Закон из-

 

2

 

 

 

 

v

менения скорости r колебаний частиц определим через первую производную по времени функции смещения частиц от положения равновесия:

 

 

 

r

r

X A cos

t

 

.

 

 

 

 

 

Максимальное значение скорости частиц r

A 3,14

м

. Взяв вторую

 

max

 

с

 

 

производную по времени функции смещения частиц от положения равновесия, определим ускорение частиц:

a X A

2

 

 

r

 

 

 

 

sin

t

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальное значение ускорения a

A 2 1972

м

.

 

 

 

 

 

 

rmax

 

с2

Ответ: 100 Гц; 3,14 м; 314 м/с; 3,14 м/с; 1972 м/с2.

Звуковые волны

1.2.54. В безветренную погоду звук артиллерийского выстрела доходит до двух наблюдателей, расположенных на расстоянии L друг от друга, через время1 = 3 с и 2 = 5 с после вспышки света. Определите местоположение орудия и расстояние L между наблюдателями, если кратчайшее расстояние от прямой, соединяющей наблюдателей, до орудия L0 = 560 м. Скорость звука считать равной

= 340 м/с.

Решение:

Местоположение орудия определим графически. Пусть источник звука является точечным источником, образующим сферическую волну. Мысленно по-

77

меняем местами источник звука (орудие) и приемник (наблюдателя). Местоположение орудия (точка S) определится точкой пересечения двух дуг, радиусы которых равны расстояниям L1 = 1 = 1020 м и L2 = 2 = 1700 м.

Из прямоугольных треугольников SOA и SOB выразим:

OA L2

L2

(1); OB OA L

L2

L2

(2).

1

0

 

2

0

 

Искомое расстояние L между наблюдателями определим вычитанием из (2) выражения (1):

L L22 L20 L12 L20 ( 2) L20 12 L20 752 м.

Ответ: 752 м.

78

1.3. Задачи для самостоятельного решения

Колебательное движение

1.Два тела с одинаковыми массами подвесили к двум одинаковым пружинам. Тело 1 оттянули вниз на 5 см, а тело 2 – на 8 см. Тела одновременно отпустили. Какое из них первым пройдет положение равновесия? (Одновременно)

2.Амплитуда колебаний материальной точки составляет А = 20 мм, а частота v = 100 Гц. Определите путь, пройденный точкой за время t = 3 с. (24 м)

3.Точка, совершающая гармонические колебания, проходит за 4 полных колебания 1,6 м. Определите амплитуду колебаний точки. (0,1 м)

4.Мальчик, качающийся на качелях, достигает максимальной скорости 30 раз в минуту. Опеределите частоту колебаний качелей. (0,25 Гц)

5. Амплитуду колебаний гармонически колеблющегося тела увеличили в 3 раза. Как изменяется период колебаний тела, его максимальная скорость, максимальное ускорение, механическая энергия? (Период не изменится, максимальные скорость и ускорение увеличатся в 3 раза, полная энергия колебаний увеличится в 9 раз)

6.Тело совершает 72 колебания в минуту. Определите период и циклическую частоту колебаний. (0,83 с; 7,54 рад/с)

7. Материальная точка совершает гармонические колебания по закону

х = 20sin(100 t) см. Определите смещение точки при фазе . (17,3 см)

3

8.Материальная точка совершает колебания по закону х = 0,2sin (t + 0,6). Определите период T и начальную фазу 0 колебаний. (2 с; 0,6 )

9.Материальная точка совершает синусоидальные колебания с амплитудой

А = 4 м, циклической частотой = рад/с и начальной фазой

0

 

 

рад.

2

Определите минимальное время после начала движения точки, когда она пройдет через положение равновесия. (0,5 с)

10. Уравнение движения точки имеет вид

2t

1

 

(длина выражена в

x 4cos

 

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

миллиметрах, время – в секундах). Определите амплитуду, циклическую час-

тоту, период и начальную фазу колебаний. (4 мм;

2

рад/с; 3 с;

 

рад)

3

 

4

 

79