Занятие №57 Механические колебания. Гармонические колебания. Резонанс. Колебания
Вид материала | Документы |
- Механические колебания и волны. Вопросы к коллоквиуму, 21.97kb.
- Контрольная работа №3 Механические колебания и волны 9 класс, 20.17kb.
- Механические, электромагнитные колебания и волны. Типовые задания Задания с выбором, 71.16kb.
- Гармонические колебания. Уравнение гармонических колебаний (вывод). Сложение колебаний., 27.62kb.
- Лабораторная работа 3 свободные механические колебания (математический маятник и груз, 101.5kb.
- Колебания и волны, 42.79kb.
- Динамика колебаний. Резонанс. Механические и звуковые волны. Теория относительности, 167.38kb.
- 1. 1 Индукция и напряженность, 153.53kb.
- Контрольная работа №4 по теме «Механические колебания и волны. Звук», 35.03kb.
- Контрольная работа № Механические колебания и волны Задача, 352.68kb.
Занятие №57
Механические колебания. Гармонические колебания. Резонанс.
КОЛЕБАНИЯ - процессы, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени.
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ – повторяющиеся движения, при которых тело многократно и в разных направлениях проходит одно и то же (среднее) положение.
Различают периодические и непериодические колебания. Периодическими называют колебания, при которых состояние колеблющегося тела повторяется через равные промежутки времени.
СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ – колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил после того, как система была выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе.
З
![](images/219209-nomer-677c3a8c.gif)
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ – колебания, происходящие по законам синуса или косинуса:
x – значение колеблющейся величины в момент времени t, A – амплитуда колебаний, ω– циклическая (или круговая) частота, φ – полная фаза колебаний. Графиком гармонических колебаний является синусоида.
АМПЛИТУДА КОЛЕБАНИЙ (А) - максимальное значение периодически изменяющейся величины.
П
![](images/219209-nomer-m3f930464.gif)
ЧАСТОТА колебаний (ν) – физическая величина, показывающая число колебаний, совершаемых за 1 с.
Частота ν является величиной, обратной периоду колебаний. Единицей частоты в СИ является герц (Гц).
Ц
![](images/219209-nomer-m506abc51.gif)
Ф
![](images/219209-nomer-m4360a2c1.gif)
М
![](images/219209-nomer-6ab72a53.gif)
Т
![](images/219209-nomer-25899e27.gif)
ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК – груз, колеблющийся на пружине.
Т- период (с); m- масса груза (кг); k- коэффициент упругости пружины (Н/м).
ЗВУК (звуковые волны) – упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения. Человеческое ухо воспринимает упругие волны с частотой от 16 до 20 000 Гц (поэтому эти частоты называют звуковыми).
РЕЗОНАНС– явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний системы при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте этой системы.
Задача №1. Период колебаний маятника 0,2 с. Чему равна частота колебаний?
Задача №2. Определить круговую (циклическую) частоту колебаний маятника, если частота колебаний равна 2,5 Гц.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §§ 12.1, 12.2. Решить задачу: №411. Грузик, колеблющийся на пружине, за 8 с совершил 32 колебания. Найти период и частоту колебаний.
Занятие №59
Распространение колебаний в среде. Волны и их характеристики.
ВОЛНЫ –колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Наиболее важные и часто встречающиеся виды волн: упругие волны, волны на поверхности жидкости и электромагнитные волны. ВОЛНОВОЙ ФРОНТ- волновая поверхность, отделяющая в данный момент времени часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. При этом само распространение волны можно рассматривать как движение волнового фронта.
Д
![](images/219209-nomer-m3b6dcda.gif)
![](images/219209-nomer-4506114b.png)
Найти: А- амплитуду; Т- период; ν- частоту; ω- циклическую частоту; Какой длины математический маятник колеблется с этой же частотой? Какой жёсткости должна быть взята пружина для маятника, чтобы та же масса груза колебалась в вертикальной плоскости с частотой в 10 раз большей?
Задача №1. Период колебаний источника волны равен 8 с, скорость распространения волны 13 м/с. Чему равна длина волны?
Задача №2. Определите длину волны, распространяющейся со скоростью 320 м/с, если частота колебаний равна 256 Гц.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 12.3. Решить задачу: № 438. По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. каковы период и частота колебаний бакена, если длина волны 3м?
Занятие №61
Свободные электромагнитные колебания. Формула Томсона.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИ- наблюдаемые в электрических цепях периодические изменения заряда на конденсаторе, силы тока в проводниках, напряжения и т. д.
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР – электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных катушки и конденсатора.
Процесс перезарядки конденсатора в колебательном контуре относится к свободным колебаниям.
![](images/219209-nomer-74e43bb5.png)
![](images/219209-nomer-2fd6485d.png)
![](images/219209-nomer-md7c8e89.png)
![](images/219209-nomer-3b851cfd.png)
![](images/219209-nomer-1068212b.png)
П
![](images/219209-nomer-1eb47299.gif)
T- период колебаний (с);
L- индуктивность катушки (Гн);
С- ёмкость конденсатора (Ф).
Задача №1. Чему равен период собственных колебаний в колебательном контуре с индуктивностью 20 мкГн и ёмкостью 5 мкФ? Ответ выразить в микросекундах (мкс).
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 13.1. Решить задачу: №955. Найти период Т и частоту ν колебаний в контуре, состоящем из конденсатора ёмкостью С=800 пФ и катушки индуктивностью L=2 мкГн. Во сколько раз изменится период колебаний, если в конденсатор ввести диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε=9?
Занятие №63
Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний ( на транзисторе).
Автоколебательной системой называется система в которой автоматически поддерживаются незатухающие колебания на основе механизма обратной связи.
![](images/219209-nomer-m521d0a39.png)
Примеры других автоколебательных систем: незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири или сжатой пружины; струны музыкальных инструментов; наши сердце и лёгкие.
Задача №1. Чему равна длина математического маятника с периодом колебаний 5 секунд?
Задача №2. Определить период колебаний пружинного маятника, составленного из груза массой 2,5 г и пружины жёсткостью 0,01 Н/м.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 13.1 (п.2,3). Решить задачу: № 956. Каков диапазон частот собственных колебаний в контуре, если его индуктивность можно изменять в пределах от 0,1 до 10 мкГн, а ёмкость – в пределах от 50 до 5000 пФ?
Занятие №64,65
Вынужденные колебания. Переменный ток и его получение.
Действующее значение напряжения и силы тока. Мощность тока.
Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии.
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК – электрический ток, который с течением времени изменяется.
![](images/219209-nomer-m70d8e8d6.gif)
Мгновенное значение силы тока.
i-мгновенное значение силы тока (А); Im- амплитуда силы тока (А); ω- циклическая частота колебаний (рад/с); φс- разность (сдвиг) фаз между колебаниями тока и напряжения.
Д
![](images/219209-nomer-m2f634f53.gif)
![](images/219209-nomer-70c926b7.gif)
Действующее значение напряжения
М
![](images/219209-nomer-5d992259.gif)
P- мощность переменного тока (Вт); U- действующее значение напряжения (В); I- действующее значение силы тока (А).
Резистор в цепи переменного тока.
![](images/219209-nomer-7d02e4e4.png)
![](images/219209-nomer-7d02e4e4.png)
АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (R) – физическая величина, характеризующая противодействие переменному току, оказываемое теми элементами электрической цепи, в которых происходит необратимое преобразование электрической энергии во внутреннюю.
Конденсатор в цепи переменного тока
![](images/219209-nomer-3ef13024.png)
![](images/219209-nomer-3ef13024.png)
Ё
![](images/219209-nomer-m64d6dc2.gif)
Катушка индуктивности в цепи переменного тока
![](images/219209-nomer-140ee699.png)
![](images/219209-nomer-43aa0ef4.gif)
![](images/219209-nomer-140ee699.png)
РЕЗОНАНС в электрической цепи (колебательном контуре) – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных электрических колебаний при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.
Задача №1. Напряжение в сети переменного тока изменяется с частотой 50 Гц. Найти период колебаний напряжения. Ответ выразить в миллисекундах (мс).
Задача №2. Действующее значение напряжения на участке цепи переменного тока равно 220 В. Чему равна амплитуда колебаний напряжения на этом участке цепи?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §§ 15.7; 15.8 (Дмитриева). Решить задачу: №970. На какое напряжение надо рассчитывать изоляторы линии передачи, если действующее напряжение 430 кВ?
Занятие №66
Преобразование переменного тока. Трансформатор.
Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) – аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
![](images/219209-nomer-m429c9ed2.png)
Х
![](images/219209-nomer-2f1e6f94.gif)
Работа нагруженного трансформатора. Когда во вторичную обмотку включают нагрузку, то некоторое время происходят колебания U и I, но в конце концов устанавливаются определённые значения величин. КПД современных трансформаторов большой мощности доходит до 99%. Повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). U1I1 ≈ U2I2 Трансформаторы повсеместно используются при питании от сети потребителей, работающих при других напряжениях: рентгеновские, технологические и медицинские установки, электропечи, плазменные и лазерные установки, устройства радиолокации и электроники. Почти во всех технических устройствах, использующих электрический ток, трансформатор - обязательная составная часть. Передача электроэнергии
ТЭЦ
→
Подстанция(повышающий трансформатор) →
Высоковольтная линия передачи эл. энергии (ЛЭП) →
Подстанция (понижающий трансформатор) →
Низковольтная линия
→
Понижающий трансформатор
→
Потребитель
Задача №1. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если напряжение на вторичной обмотке, содержащей 3500 витков, равно 105 В?
Задача №2. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке? Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.12 (Дмитриева). Решить задачу: № 986. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке?
Занятие № 67
Электромагнитное поле, волны (по Максвеллу). Свойства волн, распространение волн.
Э
![](images/219209-nomer-44a55db5.gif)
![](images/219209-nomer-73374e5b.gif)
![](images/219209-nomer-5d5ade58.png)
Занятие № 68
Физические основы радиосвязи.
Впервые Александр Степанович Попов публично продемонстрировал свой приёмник 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в физической лаборатории Петербургского университета. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.
![](images/219209-nomer-2bbfa675.png)
АНТЕННА (лат. antenna – мачта) – устройство для излучения или приема радиоволн. ЗАЗЕМЛЕНИЕ 1) устройство для электрического соединения с землей аппаратов, машин, приборов и т. п. 2) процесс передачи электрического заряда Земле. Земной шар намного больше тел, находящихся на нем, и поэтому, после соприкосновения с Землей заряженное тело отдает ей почти весь свой заряд и становится практически нейтральным. МОДУЛЯЦИЯ – изменение во времени амплитуды, частоты или фазы высокочастотных колебаний по определенному закону. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ – изменение амплитуды высокочастотных электромагнитных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.
![](images/219209-nomer-m310e2186.png)
ДЕМОДУЛЯЦИЯ (детектирование) – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты; процесс, обратный модуляции колебаний. Применяется в радиоприемных устройствах, телевидении и др.
![](images/219209-nomer-2bbfa675.png)
РАДИОВОЛНЫ – электромагнитные волны с длиной волны от 5×10–5 до 1010 м. В настоящее время принято выделять следующие диапазоны радиоволн: сверхдлинные волны (с длиной волны в вакууме от 100 до 10 км). Радиоволны находят широкое применение в жизни и деятельности людей. Они применяются в радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи. Задача №1. В каком диапазоне длин волн работает приёмник, если ёмкость конденсатора в его колебательном контуре можно плавно изменять от 200 до 1800 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 60 мкГн?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 13.3. Решить задачу: №1009. На каком расстоянии от антенны радиолокатора находится объект, если отражённый от него радиосигнал возвратился обратно через 200 мкс?
Занятие №69
Электромагнитная природа света. Принцип Гюйгенса.
Световой поток и освещённость. Светимость звёзд.
До середины 19 века под светом понимали то, что воспринимается нашим глазом, т.е. то что сейчас называется видимым излучением. Природа света в то время была не ясна. Одни учёные, в частности И. Ньютон и его последователи, рассматривали свет как поток частиц (корпускул). Другие учёные, например Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О. Френель рассматривали свет как упругую волну в некоторой особой среде- мировом эфире. Каждая теория обладала достоинствами и недостатками. И лишь в 60-х годах 19 столетия после создания Максвеллом математической теории электромагнитного поля и открытия электромагнитных волн природа света была раскрыта. Оказалось, что свет представляет собой не упругую, а электромагнитную волну. Это открытие сняло все трудности. Открытие Эйнштейном в 1905 году квантовых свойств света сохранило неизменным представление о свете как о электромагнитной волне, изменилось лишь понимание механизма излучения и поглощения света и его взаимодействия с веществом. На базе исследований оптических явлений возникли две фундаментальные области современной физики: теория относительности и квантовая физика. Подлинная революция произошла в оптике в 60-е годы прошлого столетия, в связи с изобретением оптических квантовых генераторов (лазеров). Фронтом волны называют поверхность, все точки которой колеблются в одинаковых фазах. Иначе фронт волны ещё называют поверхностью равных фаз. Принцип Гюйгенса.
![](images/219209-nomer-m1e845268.png)
Световой поток — соответствующая энергетическому потоку излучения световая величина, то есть мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом. Обозначение: Φ Единица измерения СИ: люмен (лм).
О
![](images/219209-nomer-mf3e8eb9.gif)
Светимость звезд. Полную мощность излучения звезды во всем диапазоне электромагнитного спектра называют истинной или болометрической «светимостью».
Задача №1. От ближайшей звезды (α Центавра) свет доходит до Земли за 4,3 года. Каково расстояние до звезды?
Задача №2. Чему равна скорость света, если расстояние от Луны до Земли, примерно равное 3,84 .105 км, он проходит за 1,28 с?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §14.1, 18.2. Решить задачу: №1019. Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли?
Занятие №70
Законы отражения и преломления света.
Закон обратимости световых лучей. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.
ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА – в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно, то есть световые лучи в такой среде представляют собой прямые линии.
ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТ – падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред лежат в одной плоскости и угол падения равен углу отражения.
![](images/219209-nomer-m56efe7af.png)
З
![](images/219209-nomer-m7979a9bd.gif)
![](images/219209-nomer-m6550a302.png)
П
![](images/219209-nomer-m215402fb.gif)
Полное внутреннее отражение: угол преломления 900 и более.
Задача №1. Угол падения светового луча на отражающую поверхность равен 320. Чему равен угол между падающим и отражённым лучами (в градусах)?
Задача №2. Скорость распространения света в алмазе 120 . 103 км/с. Вычислить показатель преломления в алмазе.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 14.2. Решить задачу: № 1023. Под каким углом должен падать луч света на плоское зеркало, чтобы угол между отражённым и падающим лучами был равен 700?
Занятие №73
Линзы.
ЛИНЗА – прозрачное тело (обычно стеклянное), ограниченное двумя сферическими поверхностями. Является одним из основных элементов оптических систем. Линза, у которой толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, называется тонкой. ФОКУС – точка, в которой пересекаются после преломления в линзе либо сами падающие на нее параллельным пучком лучи света (в случае собирающей линзы), либо их продолжения (в случае рассеивающей линзы).
ФОРМУЛА ТОНКОЙ ЛИНЗЫ – формула, связывающая расстояния от предмета до линзы и от линзы до изображения с фокусным расстоянием линзы.
В
![](images/219209-nomer-282e39c6.gif)
F- фокусное расстояние линзы (м); d- расстояние от предмета до линзы (м); f- расстояние от линзы до изображения(м). Построение изображений в линзе.
![](images/219209-nomer-50440dd3.png)
![](images/219209-nomer-26bb908.gif)
О
![](images/219209-nomer-dad6320.gif)
![](images/219209-nomer-m143e14b7.gif)
Увеличение линзы. Г- увеличение линзы; Н- высота изображения (м); h- высота предмета (м). Задача №1. Какова оптическая сила собирающей линзы, фокусное расстояние которой 125 мм?
Задача №2. При помощи линзы, фокусное расстояние которой 20 см, получено изображение предмета на экране, удалённом от линзы на 1 м. На каком расстоянии от линзы находится предмет?
Домашнее задание. Выучить конспект. Решить задачу: №1064. Свеча находится на расстоянии 12,5 см от собирающей линзы, оптическая сила которой 10 дптр. На каком расстоянии от линзы получится изображение и каким оно будет?
Занятие №75
Интерференция, дифракция и дисперсия света.
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА (лат. рассеяние) – зависимость показателя преломления n вещества (или скорости распространения света) в нем от частоты ν проходящего через него света.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА – сложение двух (или нескольких) световых волн, при котором в одних точках пространства происходит усиление интенсивности света, а в других – ослабление. Является частным случаем общего явления интерференции волн.
![](images/219209-nomer-m545a833f.png)
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА – огибание световыми волнами границы непрозрачных тел и проникновение света в область геометрической тени.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм). Дифракционные решетки используются для разложения электромагнитного излучения (в частности, света) в спектр.
![](images/219209-nomer-m44e5ab35.gif)
![](images/219209-nomer-m421d6fb8.png)
![](images/219209-nomer-m18ba98e9.png)
d- период решётки (м); φ- угол под которым виден соответствующий максимум; k- номер максимума; λ- длина световой волны (м).
Задача №1. Монохроматический свет падает нормально на дифракционную решётку с периодом 1,4 мкм. Какова длина волны падающего света, если дифракционный максимум первого порядка наблюдается под углом 300? Ответ выразить в микрометрах (мкм).
Задача №2. Определить синус угла отклонения лучей зелёного света (λ=0,56 мкм) в спектре первого порядка, полученном с помощью дифракционной решётки, период которой равен 2 мкм.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 14.3. Решить задачу: №1100. Определить угол отклонения лучей зелёного света (λ=0,55 мкм) в спектре первого порядка, полученном с помощью дифракционной решётки, период которой равен 0,02 мм.
Занятие №78
Спектры. Шкала электромагнитных излучений.
Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который в своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света — преломление, интерференцию и дифракцию.
Шкала электромагнитных излучений
![](images/219209-nomer-380b57b0.png)
Инфракрасное излучение. Испускают тела при любой температуре (лёд, поверхность Земли, тело человека, кипящая вода, расплавленная сталь, лазеры, Солнце, звёзды). Лампы накаливания до 80% общего излучения дают в инфракрасном диапазоне.
Применение: фотографирование в тумане и темноте, инфракрасный телескоп, приборы ночного видения, самонаведение ракет, сушка древесины и пропитанных намоточных изделий, парниковый эффект, пеленгация, космическая связь и навигация, сигнализация, локация, сушка автомобилей после покраски.
Ультрафиолетовое излучение. Источники: электрическая дуга, газоразрядные лампы (ртутно- кварцевые, люминесцентные), солнце, звёзды.
Рентгеновское излучение. Обнаружено от астрономических объектов: Солнце (пятна, вспышки и всплески),источники в созвездиях Скорпиона, Лебедя и Стрельца в Крабовидной туманности, галактика в созвездии Центавра, пульсары и квазары. Применение: в медицине, дефектоскопия, для расшифровки строения сложнейших органических соединений.
Гамма излучение. Испускают атомные ядра. Области применения гамма-излучения: гамма-дефектоскопия, контроль изделий просвечиванием γ-лучами, консервирование пищевых продуктов, стерилизация медицинских материалов и оборудования, лучевая терапия, уровнемеры, гамма-каротаж в геологии.
Задача №1. Когда чайник создаёт большее излучение: когда в нём кипяток или когда в нём вода комнатной температуры?
Задача №2. Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись в клубок?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать стр.279-281.