
Задача 5.1.5
Точка совершает гармонические колебания, уравнение которых x=A·sinωt , где А =5 см, ω=2 с-1. В момент времени, когда точка обладала потенциальной энергией равной 10-4 Дж, на нее действовала возвращающая сила 5·10-3Н. Найти этот момент времени и соответствующую ему фазу колебаний.
Дано: А
= 5 см = 510-2
м, ω = 2 с-1, ,
.
Решение:
Дифференцируя заданное уравнение колебаний, находим выражения для скорости и ускорения точки:
, (1)
. (2)
Если обозначит массу точки как m, то закон изменения возвращающей силы, с учётом (2), будет выглядеть так:
. (3)
Закон изменения потенциальной энергии будет выглядеть так:
. (4)
С учётом (3) выражение (4) можно записать так:
. (5)
Из (5) находим момент времени, когда возвращающая сила и потенциальная энергия достигают заданные значения (учитываем, что величина синуса отрицательна при аргументах в интервале от до 2):
.
Соответствующая
фаза:
.
Поверка размерностей:
;
или
.
Задача 5.1.6
Водород в количестве 0,5 моль находится при температуре 300 К. Найти среднюю кинетическую энергию вращательного движения одной молекулы, а также суммарную кинетическую энергию всех молекул этого газа.
Дано:
Найти:
Решение:
Средняя
кинетическая энергия вращательного
движения одной молекулы равна
где
- постоянная Больцмана,
- число вращательных степеней свободы
молекулы.
Для
жесткой двухатомной молекулы
,
следовательно,
Суммарная
кинетическая энергия всех молекул газа
равна
гдеN
– число
молекул газа, i
– общее
число степеней свободы молекулы.
Учитывая,
что число молекул
где
- постоянная Авогадро, а число степеней
свободыi
= 5
(двухатомный газ), получаем:
…
…
Поверка
размерностей: ,
.
Ответ:
Задача 5.1.7
10 г кислорода, находящегося при 0° С и давлении 105 Па, сжимаются до объема 1,4 л. Найти давление и температуру кислорода после сжатия, если: а) кислород сжимается изотермически, б) кислород сжимается адиабатически. Определить работу сжатия в обоих случаях.
Дано:
m = 10 г
Найти:
Решение:
Начальная
абсолютная температура газа
А) Изотермическое сжатие.
В
изотермическом процессе
Давление получим из уравнения состояния идеального газа:
Молярная
масса кислорода
Подставляя
значения, получаем
Работа,
совершаемая газом, определяется
выражением
Выражая из уравнения состояния давление, имеем:
Подставляя, получаем:
Учитывая,
что
получаем
Следовательно,
над газом совершили работу
Б) Адиабатное сжатие.
Начальный
объем газа равен
Уравнение
адиабатного процесса имеет вид
гдеi
– число
степеней свободы молекул газа (для
кислорода (двухатомный газ) число
степеней свободы молекулы i
= 5).
Соответственно,
Конечное
давление равно, соответственно,
Согласно
первому началу термодинамики
где
- приращение внутренней энергии газа,А
– работа,
совершаемая газом.
В адиабатном процессе Q = 0, следовательно,
Следовательно,
над газом совершили работу
А)
…
…
…
Б)
…
…
…
…
…
Поверка размерностей:
;
;
;
;
.
Ответ:
а)
б)