Соболева С.А. Физика. Весь курс школьной программы в схемах и таблицах
Подождите немного. Документ загружается.
194
Свободные механические гармонические колебания
Зависимость координаты точки
от времени
Зависимость проекции скорости
точки на ось ОХ от времени
Зависимость проекции импуль-
са точки на ось ОХ от времени
Зависимость проекции ускоре-
ния точки на ось ОХ от времени
Кинетическая энергия колебаний
Для точки, совершающей прямолинейные гармониче-
ские колебания вдоль оси ОХ, около положения равно-
весия,
принятого за начало координат, координата х за-
висит от времени по закону x(t) =
x
0
cos((£>t
+
q>
0
),
где
х
0
- амплитуда колебания;
Ф
= юг
+ Ф
0
-фаза колебания;
Ф
0
- начальная фаза (определяет значение фазы в мо-
мент времени /=0);
ю - циклическая частота;
ю
=
-^г.
г
де Т- период колебания.
Проекция скорости точки на ось ОХ изменяется по закону
и
х
{t) =
x'
t
= -xcosin((M
+
ф
0
)
= -о
0
sin(W + ф
0
),
и
0
=х
0
а>
- амплитуда колебания скорости.
p
x
(t) = m-u
x
(t)
а
х
(t) = (и
х
)
г
= х"=-х
0
со
2
cos
(ю
г
+
ф
0
)
= -а
0
cos
(ю t + ф
0
)
Обратите внимание!
Мы получили, что a
x
(t) = -a
2
-x{t).
Это уравнение назы-
вают уравнением гармонического осциллятора.
„ то
1
то\ -2(4, \
mv
l и t „ , Y\
Е
к
= =
2
и
81П
2
(соГ + ф
0
)= °(1 со8(ш/ + ф
0
)) =
=
—р-
(l +
cos (2co t +
2ф
0
+
л)).
ФИЗИКА
Потенциальная энергия
материальной точки, со-
вершающей гармониче-
ские колебания
Потенциальная энергия также изменяется по гармоническому
закону с циклической частотой 2<а, но со сдвигом фаз на к
относительно кинетической.
Е
п
=—^cos
2
(ffl/ +
cp
0
)
= —^(l + cos(2cor + 2cp
0
))
Полная механическая
энергия материальной
точки,
совершающей гар-
монические колебания
_ „ _ mvl та)
2
х1
Е
=
Е
К
+Е
П
=
—— =
——-
=
const,
остается неизменной с тече-
нием времени.
х,
v
*-*» ^Ю -L^n
Е
к
Е
п
,Е
Что называют
математическим
маятником
Математический маятник
Математический маятник- материальная точка массой
т,
кото-
рая подвешена на невесомой и нерастяжимой нити длиной / и со-
вершает колебания в вертикальной плоскости под действием си-
лы тяжести.
195
ФИЗИКА
196
ФИЗИКА
Уравнение движения мате-
матического маятника в
инерциальной системе
отсчета
Величина силы, возвращающей маятник к положению рав-
новесия
F
T
=ma
T
=-mg
sin
a (1), где
а
т
-тангенциальное
ускорение маятника. При малых
углах а можно принять since «а. (2)
Длина дуги
S,
на которую маятник
отклонен от положения равновесия
при малых углах a, определяется
выражением S = a7- (3)
Подставим (3) и (2) в (1):
gS
S"
I
(4)
Решение уравнения движе-
ния математического маят-
ника в ИСО
Решение уравнения (4) имеет вид: S =
S
0
cos((ot
+ (p
0
),
где ф
0
- начальная фаза. Она определяет, каким было
отклонение маятника от положения равновесия в момент
времени t=0.
Циклическая частота коле-
баний математического ма-
ятника в ИСО
ш=
Период колебаний матема-
тического маятника в ИСО
Т=2%
А
Уравнение движения мате-
матического маятника в НСО
При описании колебаний в НСО в уравнение (1) вместо g
Р
необходимо подставить, g*
=
—-, где F
H
-сила натяжения
m
нити маятника в положении, которое он занимает при от-
g*S
сутствии колебаний.
s:=a
x
I
Решение уравнения движения мате-
матического маятника в НСО
Циклическая частота колебаний ма-
тематического маятника в НСО
Период колебаний математического
маятника в НСО
Решение уравнения движения математического
маятника в НСО имеет вид
S =
S
0
cos{a)'t+(f>
0
).
*_ /5
Г=2тгЦ-
Пружинный маятник
Пружинный маятник
Пружинный маятник представляет собой груз массой
т,
подвешен-
ный на абсолютно упругой пружине с коэффициентом жесткости к.
Уравнение движе-
ния упругого
маятника
Считая отклонения маятника от
положения равновесия малыми,
будем определять величину воз-
вращающей силы по закону Гука:
хупр.
-кх, тогда та
х
=
-кх.
т
Его решение
Решение уравнения движения
пружинного маятника имеет вид
х
=
x
0
cos(o)t + ф
0
)
•
Циклическая часто-
та колебаний пру-
жинного маятника
С0
:
Период колебаний
пружинного
маятника
7777777777777777^777
F
ynp
=0
! fyr
•
77777777777777777777777
/777777777777777Щ7777777у777777
197
ФИЗИКА
198
ФИЗИКА
Свободные электромагнитные колебания в контуре
с нулевым активным сопротивлением
Колебательный
контур
С
1
ч
Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С
и
соединен-
ной с ним последовательно катушки индуктивностью L. В состав контура
может входить активное сопротивление, но мы опишем простейшую си-
туацию, когда
R=0.
Выберем произвольно положительное направление
обхода контура, например, от обкладки
1
к обкладке
2,
тогда:
1) ток в контуре I
=
q'
t
,
где
q
- заряд обкладки 2
(именно его мы будем теперь иметь в виду, говоря
«заряд на конденсаторе»);
2) в качестве напряжения на конденсаторе нужно
рассматривать величину с/
= ф
2
-ф, =^ (знаки и
и
д должны совпадать, так как 00).
R
Уравнение,
описывающее
свободные
электромагнит-
ные колебания
в контуре
Если в контуре нет сопротивления, то полная энергия контура остается
Ы
2
а
1
постоянной во времени W
=
——+^—.
Продифференцируем это выражение по времени, учитывая, что
q',=I:
Решая это уравнение, получим, что заряд конденсатора, напряжение на
нем и сила тока в контуре изменяются по гармоническому закону.
Например,
q =
q
0
sin(ю?
+
ф
0
),
тогда
U
=
^
=
U
0
sm(ait
+
щ)\
I
=
q'
t
=I
0
cos(<ut
+
(p
0
).
Циклическая частота
свободных электро-
магнитных колебаний
Период свободных
электромагнитных
колебаний
Сдвиг фаз между то-
ком и напряжением в
контуре
Энергия электриче-
ского поля
конденсатора
Циклическая частота колебаний ю= ,
4LC
Период свободных электромагнитных колебаний в контуре опре-
деляется выражением
T
=
2nVZc - формула Томсона.
Заметим,
что / = /
0
sin
<в/
+
ф
0
+^ , то есть ток опережает по ф
напряжение q I U -^ у~т^ ^^ -у
и заряд на |. X \^У / X
0
Энергия электрического поля
закону
„2
JY
3J[
i
= ^(l + cos(2(or
+
9
0
+n)).
эл
2
AC q
0
1С
2
AC
0
\т
т
конденсатора зависит от времен
(1 - cos (2co t + 2ф
0
)) =
:ZY:":ZY::Z
z_
\
/
\
/
азе
/
1И ПО
t
199
ФИЗИКА
200
ФИЗИКА
Энергия магнитного
поля катушки
Энергия магнитного поля катушки
LP
=
2 2
W
M
=
LI
1
LI
1
'
cos(co? +
9
0
)
=
—-^--(1 + со8(2(оГ+2ф
0
)).
Колебания энергии
W
3JI
и
W
M
происходят с частотой, в 2
раза превышающей частоту
колебания заряда и силы
тока,
и со сдвигом фаз,
равным
ж.
w
u
><
LI*
2
щ
4
0
V--
А
/
/
/
\
\
V
/
/
J
\
\
\
* >
Их сумма - полная энергия электромагнитных колебаний в конту-
ре W остается неизменной по времени и может быть вычислена
по их амплитудным значениям:
Полная энергия элек-
тромагнитных коле-
баний в контуре
Ж
=
Ж„+Ж.=
2С
Щ
2С
Волны
Волна
Волной называют колебания, распространяющиеся в
пространстве с течением времени.
Волны
Поперечные Продольные Поверхностные
Синусоидальная
(гармоническая) волна
Волна называется синусоидальной, если колебания в ней
происходят по гармоническому закону.
Бегущие волны
Стоячие волны
Бегущие волны переносят энергию в пространстве.
Если две бегущие синусоидальные волны имеют одинаковые
амплитуды и частоты и распространяются навстречу друг
другу, то при их наложении возникает стоячая волна.
Стоячие волны не переносят энергию в пространстве.
201
ФИЗИКА
202
ФИЗИКА
Характеристики бегущих волн
Смещение точек в
бегущей волне
Покажем смещение
точек в поперечной
бегущей волне,
распространяющейся
в положительном
направлении оси Z
в момент времени
h и
t
2
>h.
Уравнение плоской
синусоидальной бегущей
волны
Уравнение плоской синусоидальной волны,
распространяющейся в положительном направлении оси Z с
постоянной скоростью v:
х
=
^,cos alt +ф
0
Д,
- постоянная амплитуда.
Уравнение сферической синусоидальной волны,
распространяющейся с постоянной скоростью v:
Уравнение сферической
синусоидальной бегущей
волны
х
=—sin|
со| t-
r
+Фо . где
г - расстояние от центра волны.
Поток энергии, переносимой волной через поверхность сферы
(S =
4nR
2
)
любого радиуса
г
одинаков. В то же время этот поток
пропорционален квадрату амплитуды волны
А
2
,
поэтому
амплитуда сферической волны А=—.
Геометрическая оптика
Световой луч
Лучом называется узкий световой пучок, диаметр которого,
однако, значительно превышает длину волны.
Законы геометрической оптики
Закон прямолинейного распространения света
Закон отражения
света
Угол падения а равен углу отражения
п - нормаль к поверхности.
Падающий луч, луч отраженный и
перпендикуляр, восстановленный
в точке падения, лежат в одной
плоскости.
а
ТТТ7Т7Т7
Закон преломления
света
Угол падения а и угол преломления
(3
связаны
равенством
^^
=
—, где
«1
и
п
2
- показатели
sm p
и,
преломления 1-й и 2-й сред (по ходу луча).
Падающий луч, луч преломленный
и перпендикуляр, восстановленный
в точке падения, лежат в одной плоскости.
203
ФИЗИКА