- •Часть 1
- •Часть 1
- •Программа
- •Адаптивного курса по физике для студентов,
- •Начинающих изучение курса общей физики в дгту
- •Механика
- •Статика
- •Гидростатика
- •Механические колебания и волны
- •Основы молекулярно-кинетической теории (мкт)
- •Термодинамика
- •Электростатика
- •Постоянный электрический ток
- •1. Механика
- •1.1. Кинематика
- •1.1.1. Траектория, путь, перемещение
- •1.1.2. Скорость и ускорение
- •1.1.3. Кинематика вращательного движения
- •1.2. Динамика материальной точки
- •1.2.1. Масса, сила, принцип суперпозиции сил
- •Правила сложения векторов
- •1.2.2. Вес тела, сила реакции опоры,
- •1.2.3. Инертность и инерция. Инерциальные системы отсчета.
- •1.2.4. Второй закон Ньютона. Импульс тела и импульс силы.
- •1.2.5. Классификация сил. Гравитационные силы.
- •Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения
- •9,8 М/с2.
- •Упругие силы
- •Силы трения
- •1.2.6. Энергия. Механическая работа. Мощность.
- •1.3. Статика. Момент силы
- •2. Механические колебания и волны
- •2.1. Уравнение гармонических колебаний. Характеристики колебаний
- •2.2. Виды колебаний. Пружинный и математический маятники
- •Пружинный маятник
- •Математический маятник
- •2.3. Энергия тела при гармонических колебаниях
- •3. Основы молекулярно-кинетической теории
- •3.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории (мкт)
- •3.2. Температура
- •3.3. Масса молекул. Количество вещества
- •3.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов и уравнение состояния идеального газа
- •3.5. Изопроцессы в газах
- •4. Термодинамика
- •4.1. Внутренняя энергия. Работа газа. Первый закон термодинамики
- •Первое начало термодинамики:
- •4.2. Изопроцессы в термодинамике
- •4.3. Тепловой двигатель
- •5. Электростатика
- •5.1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона
- •5.2. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля
- •Принцип суперпозиции
- •5.3. Потенциал электростатического поля
- •Эквипотенциальные поверхности
- •5.4. Электрическая емкость. Конденсаторы. Энергия электростатического поля
- •Плоский конденсатор
- •5.5. Соединения конденсаторов
- •6. Постоянный электрический ток
- •6.1. Сила тока и плотность тока
- •6.2. Сопротивление проводников
- •6.3. Разность потенциалов. Эдс. Напряжение
- •6.4. Закон Ома для участка цепи. Закон Ома для замкнутой цепи
- •6.5. Соединения резисторов
- •6.6. Работа и мощность тока
- •Образцы решения типовых задач
- •Задача №6
- •Задача №13
- •Решение
- •Задача №14
- •Задача №24
- •Часть 1
Пружинный маятник
Пружинный маятник представляет собой материальную точку массой , прикрепленную к абсолютно упругой невесомой пружине с жесткостью . Различают два наиболее простых случая: горизонтальный (рис.15,а) и вертикальный (рис.15, б) маятники.
а) Горизонтальный маятник (рис. 15,а). При смещении груза из положения равновесия на величину на него действует в горизонтальном направлениивозвращающая упругая сила (закон Гука).
Предполагается, что горизонтальная опора, по которой скользит груз при своих колебаниях, абсолютно гладкая (трения нет).
б) Вертикальный маятник (рис.15, б). Положение равновесия в этом случае характеризуется условием:
где - величина упругой силы, действующей на груз при статическом растяжении пружины на под действием силы тяжести груза.
а |
Рис.15. Пружинный маятник: а – горизонтальный и б – вертикальный
Если растянуть пружину и отпустить груз, то он начнет совершать вертикальные колебания. Если смещение в какой-то момент времени будет , то сила упругости запишется теперь как .
В обоих рассмотренных случаях пружинный маятник совершает гармонические колебания с периодом
(27)
и циклической частотой
. (28)
На примере рассмотрения пружинного маятника можно сделать вывод о том, что гармонические колебания – это движение, вызванное силой, возрастающей пропорционально смещению . Таким образом, если возвращающая сила по виду напоминает закон Гука (она получила название квазиупругой силы), то система должна совершать гармонические колебания. В момент прохождения положения равновесия на тело не действует возвращающая сила, однако, тело по инерции проскакивает положение равновесия и возвращающая сила меняет направление на противоположное.
Математический маятник
Рис.16.
Математический маятник
Колебания такого маятника при малых углах отклонения (не превышающих 5º) можно считать гармоническими, и циклическая частота математического маятника:
, (29)
а период:
. (30)
2.3. Энергия тела при гармонических колебаниях
Энергия, сообщенная колебательной системе при начальном толчке, будет периодически преобразовываться: потенциальная энергия деформированной пружины будет переходить в кинетическую энергию движущегося груза и обратно.
Пусть пружинный маятник совершает гармонические колебания с начальной фазой , т.е.(рис.17).
Рис.17. Закон сохранения механической энергии
при колебаниях пружинного маятника
При максимальном отклонении груза от положения равновесия полная механическая энергия маятника (энергия деформированной пружины с жесткостью ) равна . При прохождении положения равновесия () потенциальная энергия пружины станет равной нулю, и полная механическая энергия колебательной системы определится как .
На рис.18 представлены графики зависимостей кинетической, потенциальной и полной энергии в случаях, когда гармонические колебания описываются тригонометрическими функциями синуса (пунктирная линия) или косинуса (сплошная линия).
Рис.18. Графики временной зависимости кинетической
и потенциальной энергии при гармонических колебаниях
Из графиков (рис.18) следует, что частота изменения кинетической и потенциальной энергии в два раза выше собственной частоты гармонических колебаний.