Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Работа, совершаемая внешней силой при резонансе положительна, поэтому полная механическая энергия системы постоянно возрастает:

E = E0 + Fx∆x

В реальных системах трение не дает амплитуде увеличиться до бесконечности.

Потери энергии на трение приводят к уменьшению полной механической энергии колебаний и соответственно к уменьшению их амплитуды. (кривая 2 на графике)

При свободных колебаниях система получает избыточную энергию однократно: при выведении ее из положения равновесия.

При вынужденных колебаниях источник внешнего периодического воздействия сообщает дополнительную энергию непрерывно.

Избежать резонанса можно и изменяя частоту собственных колебаний системы (например, кусочек пластилина прилепленный к дребезжащему стеклу)

Явление резонанса позволяет с помощью сравнительно малой силы получить значительное увеличение амплитуды колебаний.

РЕЗОНАНС (уч.10кл. 177-183)

Вынужденные колебания. Основные определение и понятия (см.выше уч.10кл.)

Определение и физика затухающих колебаний. Колебания в системе устойчивого равновесия

Колебательная система

Амплитуда вынужденных колебаний на примере пружинного маятника. Формула

Зависимость амплитуды от частоты вынуждающей силы. Формула

График зависимости амплитуды от частоты вынуждающей силы при разных ее соотношениях с собственной частотой колебаний системы

Определение и физический и математический смысл резонанса.

Резонансная кривая. Точка резонанса на графике

Энергия и амплитуда колебаний при резонансе

Примеры резонанса

Примеры резонанса в электроцепях (ДОПОЛНИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА)

См.выше «Вынужденные колебания» (уч.10кл. стр.167, 173-179)

Явление резонанса широко используется в технике. Оно может быть как полезным, так и вредным. Так, например, явление электрического ре­зонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно до­биться того, что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией.

ПОНЯТИЕ ОБ АВТОКОЛЕБАНИЯХ

Вынужденные колебания это незатухающие колебания. Неизбежные потери энергии на трение компенсируются подводом энергии от внешнего источника периодически действующей силы.

Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника.

Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах автоколебаниями.

В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента:

- колебательная система

- источник энергии

- устройство обратной связи между колебательной системой и источником.

В качестве колебательной системы может быть использована любая система, способная совершать собственные затухающие колебания (например, маятник настенных часов).

Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести.

Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника.

Примером механической автоколебательной системы может служить часовой механизм с анкерным ходом. Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер (якорек) с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменяется пружиной, а маятник балансиром маховичком, скрепленным со спиральной пружиной.

Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир.

Источником энергии поднятая вверх гиря или заведенная пружина.

Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод.

Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом.

При каждом колебании маятника зубец ходового колеса толкает анкерную вилку в направлении движения маятника, передавая ему некоторую порцию энергии, которая компенсирует потери энергии на трение.

Таким образом, потенциальная энергия гири (или закрученной пружины) постепенно, отдельными порциями передается маятнику.

Механические автоколебательные системы широко распространены в окружающей нас жизни и в технике. Автоколебания совершают паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, электрические звонки, струны смычковых музыкальных инструментов, воздушные столбы в трубах духовых инструментов, голосовые связки при разговоре или пении и т.д.

Авто колебания в электромагнитном колебательном контуре

Для поддержания незатухающих электромагнитных колебаний в контуре необходимо пополнять запасы энергии в нём. Это можно сделать, периодически подключая конденсатор контура к источнику постоянного тока.

Трудность заключается в том, что электрические колебания в контурах обычно происходят с большой частотой, и с такой же частотой конденсатор нужно подключать к источнику постоянного тока и отключать его, согласуя моменты подключений конденсатора к источнику с моментами появления на его обкладках зарядов, совпадающих по знаку со знаками полюсов подключаемого источника тока.

В качестве быстродействующего ключа может использоваться транзистор ( Пока на базу транзистора не подается сигнал, ток через него не проходит, конденсатор отключен от источника…При подаче на базу управляющего сигнала через транзистор протекает ток, и конденсатор заряжается от источника).

Для согласования моментов подключения колебательного контура к источнику постоянного тока с соответствующими моментами изменения напряжения на конденсаторе используется принцип обратной связи.

Катушка обратной связи подключена так, что при возрастании силы тока в цепи коллектора на базе оказывается потенциал, отпирающий транзистор, а при уменьшении коллекторного тока – потенциал, запирающий.

Это - положительная обратная связь.

Рассмотренный генератор незатухающих электромагнитных колебаний является примером автоколебательной системы.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ(уч.10кл.стр.323-324)

Физическая модель волнового процесса

Способы передачи энергии и импульса между двумя точками пространства

Определение волнового процесса

Определение возмущения

Определение механической волны

Условия распространения механической волны

Определение скорости механической волны

Существует два фундаментальных способа передачи энергии и импульса между двумя точками пространства:

- непосредственное перемещение частиц из одной точки в другую

- перенос энергии без переноса вещества в результате последовательной передачи энергии и импульса по цепочке между соседними взаимодействующими друг с другом частицами среды. (Волновой процесс)

Волновой процесс – процесс переноса энергии без переноса вещества.

В результате внешнего воздействия на среду в ней возникает

возмущение – отклонение частиц среды от положения равновесия.

Механическая волна – возмущение, распространяющееся в упругой среде.

Наличие упругой среды – необходимое условие распространения механической волны.

Скорость механической волны – скорость распространения возмущения в среде.

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника

λ = vT

v – скорость распространения волны

Т – период волны

При возникновении волн их частота определяется частотой колебаний источника, а скорость – средой, где они распространяются, поэтому волны одной частоты могут иметь в разных средах различную длину.

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ

См. Механические волны (уч.10кл.стр.323-324)

Скорость механической волны – скорость распространения возмущения в среде.

ДЛИНА ВОЛНЫ(уч.10кл.стр.329)

См. Периодические волны (уч.10кл.стр.329)

Определение длины волны (уч.10кл.стр.329)

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника

λ = vT

v – скорость распространения волны (скорость распространения возмущения в среде)

Т – период волны

При волне в газе или жидкости расстояние между областями наибольшего сжатия определяет длину волны.

ПОПЕРЕЧНЫЕ И ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ(уч.10кл.стр.324-328)

Определение механической волны(см.выше уч.10кл.стр.323-324)

Определение продольной волны. Примеры

Физическая модель продольной волны

Определение поперечной механической волны.

Физическая модель поперечной механической волны

Поперечные волны в газах и жидкостях

Отражение поперечных волн. Пример

Различают продольные и поперечные волны.

Продольная волна – волна, в которой движение частиц среды происходит в направлении распространения волны.

Пример – волна в пружине

Продольные волны могут распространяться в любой среде, в том числе в жидкости и газе.

Сжатие газа поршнем изменяет компоненту скорости молекул, направленную вдоль хода поршня. При последующих упругих столкновениях одинаковых молекул возмущение передается в среде.

Поперечная механическая волна – волна в которой частицы среды перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны.

В твердом теле из-за сильной связи частиц между собой возможно возникновение поперечных волн.

Пример – сейсмические волны при землетрясении.

Первоначальное возмущение вдоль оси X начинает распространяться в виде поперечной волны по оси Y.

Поперечные волны в газах и жидкостях не возникают, так как в них отсутствует фиксированное положение частиц.

Поперечная волна в шнуре, дошедшая до точки крепления шнура, отражается. Форма отражения зависит от того, как закреплен шнур.

В случае жесткого крепления по третьему закону Ньютона на шнур будет действовать сила, противоположная силе, действующей со стороны шнура. Волна отразится в противофазе.

При подвижном закреплении конца шнура волна отразится в фазе с падающей волной.. Опускаясь вниз, свободно закрепленный конец, изменяет форму шнура, создавая отраженную волну, совпадающую по фазе с падающей.

УРАВНЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ(уч.10кл.стр.328-337)

Понятие периодической волны

Определение гармонической волны. Примеры

Определение длины и периода волны. Формула. Обозначение. Единицы измерения. (см.выше)

ДОБАВИТЬ ПРО ГАРМОНИЧЕСКУЮ ВОЛНУ И ЕЕ ФОРМУЛУ

Периодическое внешнее воздействие вызывает гармонические волны, если оно изменяется по закону синуса или косинуса.

Гармоническая волна – волна, порождаемая гармоническими колебаниями частиц среды.

При гармонических колебаниях физическая величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса с определенным периодом Т или частотой ν.

При волне в газе или жидкости расстояние между областями наибольшего сжатия определяет длину волны.

Области сжатия соответствуют гребням волн.

Области разряжения – впадинам волн.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВОЛН (уч.10кл.стр.330-331)

Физическая модель поляризации

Определение поляризации волны

Определение плоскости поляризации волны

Определение линейно-поляризованной механической волны

Пример опытов с волной и щелью

Колебания частиц среды могут происходить либо в произвольных направлениях, либо во вполне определенных. Соответственно волны распространяются в этих направлениях.

В случае упорядоченных колебаний возникает явление поляризации.

Поляризация – упорядоченность направления колебаний частиц среды в волне.

Плоскость поляризации – плоскость, в которой колеблются частицы среды в волне.

Линейно-поляризованная механическая волна – волна, частицы которой колеблются вдоль определенного направления.

Для выделения волны определенной поляризации используют специальное устройство – поляризатор.

Простейшим поляризаторов является щель. Такой поляризатор не пропускает волну, поляризованную в перпендикулярной щели плоскости XZ:

СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ (уч.10кл.стр.332-337)

Процесс образования стоячих волн

Определение стоячей волны

Определение пучностей стоячей волны

Определение узлов стоячей волны

Понятие моды колебаний. Пример струны

Гармоники, обертоны

Стоячая волна – волна, образующаяся в результате наложения двух гармонических волн, распространяющихся навстречу друг другу и имеющих одинаковый период, амплитуду и поляризацию. (частоту и амплитуду)

Пример – наложение падающей и отраженной волн на шнуре. Энергия не переносится вдоль шнура, а лишь трансформируется в поперечном направлении из потенциальной в кинетическую и наоборот.

В стоячей волне все точка колеблются с одинаковой фазой. Их амплитуды колебаний изменяются периодически от точки к точке.

Пучности стоячей волны – положения точек, имеющих максимальную амплитуду колебаний.

Узлы стоячей волны – не перемещающиеся точки волны, амплитуда которых равна нулю.

Расстояние между соседними узлами стоячей волны одинаково и равно половине длины волны внешнего гармонического воздействия.

Для шнура, закрепленного с одного конца, расстояние между узлами стоячей волны не зависит от длины шнура.

Если закрепить оба концы шнура, то отражение волн происходит с обоих концов. В этом случае расстояние между узлами стоячей волны зависит лишь от длины шнура.

(Считаем, что внешняя сила воздействует с левого закрепленного конца шнура)

Дважды отраженная волна может усилить внешнее воздействие, если достигнет правого края шнура через промежуток, кратный периоду внешнего воздействия

 = Tn (n =1,2,3,…)

Таким образов в шнуре будут поддерживаться только такие гармонические колебания, длина волны которых связана с длиной шнура l соотношением:

 = n (n = 1,2,3,…)

На длине струны, закрепленной на концах, укладывается целое число n полуволн поперечных стоячих волн.

Такие волны, называемые модами собственных колебаний, могут длительно поддерживаться в струне.

Волны других частот не усиливают внешнее воздействие при отражении от концов струны и потому быстро затухают в результате потерь энергии на трение.

Частота собственных колебаний струны (ν = 1/t = v/λ ) связана с ее длиной соотношением:

 = n (n = 1,2,3,…) ; ν = 1/t = v/λ Þ  νn =  n (n = 1,2,3,…)

Мода колебаний, соответствующая n = 1, называется первой гармоникой собственных колебаний или основной модой.

Для произвольного n >1 соответствующая мода называется n-й гармоникой или n-м обертоном.

ЗВУК(уч.10кл.стр.338-344)

Определение звука

Физика распространения звуковой волны и ее восприятия

Примеры ультразвуковой локации в природе

Условия распространения звуковых волн

Скорость звука в различных средах

Высота звука

Тембра звука

Громкость звука

Болевой порог

Интенсивность звука. Единицы измерения

Уровень интенсивности звука. Формула. Обозначение. Децибел

Звуковые волны – упругие волны в среде, вызывающие у человека слуховые ощущения.

Слуховые ощущения у человека вызывают волны в диапазоне 16 Гц- 20 кГц

Звуковые волны являются продольными.

Скорость звука зависит, как и скорость любых волн, от среды.

В воздухе скорость звука 331 м/с, в воде – 1500 м/с, в стали – 6000 м/с.

Инфразвук – упругая волна с частотой менее 16 Гц

Ультразвук – упругая волна с частотой более 20 кГц

Акустика – область физики, изучающая звук.

Частота собственных колебаний связана с длиной волны (см.выше)

νn =  n (n = 1,2,3,…), поэтому инфразвуковые волны, имеющие малую частоту, вызываются источниками, размеры которых значительны.

Необходимым условием распространения звуковых волн является наличие упругой среды.

В вакууму звуковые волны не распространяются (там нет частиц передающих возмущение от источника колебаний)

Скорость распространения звуковых волн определяется скоростью передачи взаимодействия между частицами упругой среды.

В газе скорость звука оказывается порядка (точнее – чуть меньше) тепловой скорости движения молекул.

В воздухе при температуре 20оС скорость звука 343 м/с

Чем больше потенциальная энергия взаимодействия молекул вещества, тем больше скорость звука.

Поэтому скорость звука в твердом теле, как правило, превышает скорость звука в газе.

В твердом теле, где могут распространяться как поперечные так и продольные волны, скорость их распространения различна.

В морской воде скорость звука 1513 м/с

Традиционными физиологическими характеристиками воспринимаемого звука являются:

- высота

- тембр

- громкость

Высота звука определяется частотой источника звуковых колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Тембр звука определяется формой звуковых колебаний. Различие формы колебаний, имеющих одинаковый период, связано с разной относительной амплитудой моды и обертонов.

Громкость звука определяется давлением в звуковой волне и зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне.

Порог слышимости – минимальное изменение давления, которое может фиксироваться человеческим ухом.

При частоте 1 кГц порог слышимости составляет 10-5Па (10-10атм)

Болевой порог – максимальное изменение давления, которое еще в состоянии фиксировать человеческое ухо без болевых ощущений.

Болевой порог соответствует давлению 10Па (10-4атм)

На практике громкость звука характеризуется уровнем интенсивности звука.

Интенсивность звука – отношение падающей на поверхность звуковой мощности к площади этой поверхности.

Единица интенсивности звука – Вт/м2

Порог слышимости соответствует интенсивности звука I0 = 10-12 Вт/м2

Болевой порог соответствует интенсивности звука Iбп = 1 Вт/м2

Уровень интенсивности звука – десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука.

Единица измерения – Б (Белл, в честь ученого Белла)

k = lg

На практике в качестве уровня интенсивности звука принимается величина, в 10 раз большая:

β = 10 lg

Единица измерения – дБ (децибел)

Уровень интенсивности 120 дБ является болевым порогом.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Мгновенное значение – значение в данный момент времени

Фаза колебаний – аргумент функции, описывающей гармонические колебания.

Напряжение и ток на резисторе совпадают по фазе в любой момент времени.

Действующее значение силы переменного тока – равно силе постоянного тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты, что и переменный ток, за один и тот же промежуток времени.

Если переменный ток изменяется по гармоническому закону, в качестве промежутка времени выбирают период изменения тока.

Действующее (эффективное) значение силы переменного гармонического тока в меньше его амплитуды.

Iд =

Изменяющееся со временем электрическое поле является источником магнитного поля.

Магнитоэлектрическая индукция – явление возникновения магнитного поля в переменном электрическом поле.

Активное сопротивление – сопротивление элемента электрической цепи, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю (тепловую)

Реактивное сопротивление – элемент цепи, для которого средняя мощность переменного тока равна нулю.

Емкостное сопротивление – реактивное сопротивление конденсатора.

Индуктивное сопротивление – реактивное сопротивление катушки.

На активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе.

На индуктивном сопротивлении фаза напряжения «опережает» ток на π/2

На емкостном сопротивлении фаза тока «опережает» напряжение на π/2

Период электромагнитных колебаний в иде­альном колебательном контуре (т.е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томпсона:

Т = 2π

Полное сопротивление колебательного контура переменному току:

Z =

Резонанс в колебательном контуре – физическое явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний в контуре.

Резонансная кривая – график зависимости амплитуды вынужденных колебаний силы тока от частоты приложенного к контуру напряжения.

В полупроводниках существует два механизма собственной проводимости – электронная и дырочная.

Электромагнитная волна – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью света.

Электромагнитная волна является поперечной. Направления векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны

Излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов.

Плотность энергии электромагнитного поля в вакууме пропорциональна квадрату напряженности электрического поля:

wэм = ε0E2

ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума

Уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43