- •Основы молекулярно-кинетической теории.
- •Тепловое явление. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы
- •Внутренняя энергия. Термодинамика.
- •Принцип действия тепловых двигателей. Кпд теплового двигателя и его максимальное значение. Тепловые двигатели и охрана природы.
- •Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения от давления.
- •Влажность воздуха. Точка росы. Относительная влажность.
- •Деформация
- •Плавление тел. Удельная теплота плавления. Кристаллизация тел. Уравнение теплового баланса.
- •Кристаллические и аморфные тела. Свойства твердых тел.
- •Упругие деформации. Закон гука для растяжения.
- •Основы электродинамики.
- •Электрическое поле
- •Глава . Электродинамика Электрическое поле
- •Работа в электрическом поле. Потенциал
- •П pоводники в электpостатическом поле
- •Диэлектpики в электpическом поле
- •Электроемкость. Конденсаторы
- •Постоянный электрический ток. Электрический ток. Сила тока
- •Сопротивление
- •Измерение силы тока и напряжения
- •Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников.
- •Работа и мощность постоянного тока
- •Электродвижущая сила
- •Закон ома для полной цепи
- •Электрический ток в металлах
- •Электрический ток в вакууме. Диод. Ток в вакууме.
- •Электрический ток в газах
- •Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд.
- •Самостоятельный газовый разряд и его типы.
- •Электрический ток в полупроводниках
- •Магнитное поле Магнитное взаимодействие токов
- •Магнитное поле
- •Магнитное поле в веществе
- •Электромагнитная индукция. Правило Ленца.
- •Магнитные поля различной конфигурации
- •Электромагнитная индукция
- •Механические колебания и волны Механические колебания Гармонические колебания
- •Свободные колебания. Пружинный маятник.
- •Свободные колебания. Математический маятник.
- •Превращения энергии при свободных механических колебаниях
- •Механические колебания и волны Механические колебания Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания
- •Механические волны.
- •Эффект Доплера .
- •Доплер-эффект широко используется в технике для измерения скоростей движущихся объектов («доплеровская локация» в акустике, оптике и радио).
- •Развитие представлений о свете.
- •Законы геометрической оптики Прямолинейность распространения света. Принцип Ферма
- •Отражение света. Плоское зеркало.
- •Сложение гармонических колебаний.
- •Метод зон Френеля.
- •Поглощение света.
- •Рассеяние света.
- •Дисперсия света. Призматический и дифракционный спектры.
- •Спектральный анализ
- •Поглощение света
- •З аконы теплового излучения. Закон Кирхгофа.
- •Инфракрасные лучи
- •Ультрафиолетовые лучи
- •Рентгеновские лучи
- •Виды и источники электромагнитных излучений
- •Применение электромагнитных излучений
- •Световые кванты. Давление света.
- •Химическое действие света
- •Процесс фотосинтеза
- •Фотография. Первые в мире снимки
- •Снимок Ньепса
- •Снимок Тальбота
- •Снимок Дагера
- •Совершенствование и развитие фотографии
- •Пpеобpазования Лоpенца
- •Релятивистская динамика
- •Современная физическая картина мира.
Механические колебания и волны Механические колебания Гармонические колебания
В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения.
Наряду с поступательными и вращательными движениями тел в механике значительный интерес представляют и колебательные движения. Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно (или приблизительно) через одинаковые промежутки времени. Закон движения тела, совершающего колебания, задается с помощью некоторой периодической функции времени x = f(t). Графическое изображение этой функции дает наглядное представление о протекании колебательного процесса во времени.
Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине или математический маятник (рис).
|
Рисунок Механические колебательные системы. |
Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными. Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями. Колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил, называются вынужденными.
Простейшим видом колебательного процесса являются простые гармонические колебания, которые описываются уравнением
|
|
|
Здесь x – смещение тела от положения равновесия, xm – амплитуда колебаний, т. е. максимальное смещение от положения равновесия, ω – циклическая или круговая частота колебаний, t – время. Величина, стоящая под знаком косинуса φ = ωt + φ0 называется фазой гармонического процесса. При t = 0 φ = φ0, поэтому φ0 называют начальной фазой. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T. Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний:
|
|
|
Частота колебаний f показывает, сколько колебаний совершается за 1 с. Единица частоты – герц (Гц). Частота колебаний f связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями:
|
|
|
|
||
---|---|---|---|---|---|
|
|
||||
|
|
При колебательном движении тела вдоль прямой линии (ось OX) вектор скорости направлен всегда вдоль этой прямой. Скорость υ = υx движения тела определяется выражением
|
|
|
В математике процедура нахождения предела отношения при Δt → 0 называется вычислением производной функции x(t) по времени t и обозначается как или как x'(t) или, наконец, как . Для гармонического закона движения x = xm cos (ωt + φ0). Вычисление производной приводит к следующему результату:
|
|
|
Появление слагаемого + π / 2 в аргументе косинуса означает изменение начальной фазы. Максимальные по модулю значения скорости υ = ωxm достигаются в те моменты времени, когда тело проходит через положения равновесия (x = 0). Аналогичным образом определяется ускорение a = ax тела при гармонических колебаниях:
|
|
|
следовательно, ускорение a равно производной функции υ(t) по времени t, или второй производной функции x(t). Вычисления дают:
|
|
|
Знак минус в этом выражении означает, что ускорение a(t) всегда имеет знак, противоположный знаку смещения x(t), и, следовательно, по второму закону Ньютона сила, заставляющая тело совершать гармонические колебания, направлена всегда в сторону положения равновесия (x = 0).
На рис. приведены графики координаты, скорости и ускорения тела, совершающего гармонические колебания.
|
Рисунок Графики координаты x(t), скорости υ(t) и ускорения a(t) тела, совершающего гармонические колебания. |
|
|