Некоторые вопросы по курсу физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Предмет физики. Естествознания и окружающая среда. Принцип относительности в механике

ФИЗИКА (греч. ta physika, от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

Естествознание и окружающая среда

Вместе с никем не опровергнутыми положительными чертами на портрете естествознания возникали и трещины, обусловленные и природой самого знания, и непониманием на данном этапе каких-то очень важных свойств материального мира из-за ограниченности познания человека. Скажем, чистые математики сделали открытие, противоречащее представлениям мыслителей прошлого: случайные, хаотические процессы можно описать точными математическими моделями. Причем оказалось, что даже простая модель, оснащенная эффективной обратной связью, настолько чувствительна к микроскопическим изменениям начальных условий, что ее будущее становится непредсказуемым.

Принцип относительности

Равномерное прямолинейное движение системы тел не влияет на механические процессы, происходящие внутри нее.

Галилей первым обратил внимание на то, что равномерное прямолинейное движение по отношению к Земле не сказывается на течении всех механических процессов. Если не смотреть в окно, то с уверенностью нельзя сказать, что же происходит с поездом: движется он или стоит. Если в движущемся с постоянной скоростью вагоне изучать падение тел, колебания маятника и другие явления, то результаты будут точно такими же, как и при исследовании >тих явлений на Земле. Когда современный реактивный самолет летит со скоростью около 1000 км/ч, в его салоне не происходит ничего, что позволило бы ощутить эту огромную скорость. Вы можете есть, спать, играть в шахматы, чувствуя себя как дома на Земле.

Лишь при резком торможении поезда нужно прилагать дополнительные усилия, чтобы устоять на ногах. При большой болтанке самолета или качке парохода на большой волне об игре с мячом не может быть и речи. Все предметы приходится закреплять, для того чтобы они остались на своих местах.

На основании подобных наблюдений можно высказать один из самых фундаментальных законов природы - принцип относительности.

2. Виды энергии

Энергия - физическая величина, характеризующая состояние тела или системы тел по их движению и взаимодействию. В механике энергия тела или системы тел определяется взаимным положением тел или системы тел и их скоростями. При изменении состояния тела (изменении энергии) совершается механическая работа. Т.о. изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил. Механическая работа - мера изменения энергии тела.

В механике выделяют два вида энергии: кинетическую энергию и потенциальную энергию. Кинетическая энергия - энергия движущегося тела.(От греческого слова kinema - движение). По определению кинетическая энергия покоящегося в данной системе отсчета тела обращается в ноль. Пусть тело движется под действием постоянной силы в направлении действия силы. Тогда: Т.к. Т.к. движение равноускоренное, то:

Следовательно:

кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия - величина относительная, зависящая от выбора СО, т.к. скорость тела зависит от выбора СО.

Т.о.

эта формула выражает теорему о кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела (материальной точки)за некоторый промежуток времени равно работе, совершенной силой, действующей на тело, за этот же промежуток времени.

а теорема справедлива для любого движения и для сил любой природы. Если тело разгоняется из состояния покоя, то Ek1=0 Тогда

A = Ek2

Следовательно, кинетическая энергия численно равна работе, которую необходимо совершить, чтобы разогнать тело из состояния покоя до данной скорости.

Вывод: Работа силы равна изменению кинетической энергии тела, т.е. A = ДEk. Причем, A>0, если Ek увеличивается, и А<0, если Ek<0.

Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел или частей тела. Потенциальная энергия (от латинского potentia - возможность) определяется взаимным расположением тел или частей тела, т.е. расстояниями между ними.

Пусть тело свободно падает с высоты h1 над уровнем Земли на уровень h2.

Тогда:

При падении сила тяжести совершает положительную работу, при движении тела вверх - отрицательную.

Величину Eз = mgh называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.

3. Сила и работа

СИЛА (в механике), мера действия на данное материальное тело со стороны других тел или полей физических. Вызывает изменение скорости тела (смотри Ньютона законы) или его деформацию (смотри Гука закон, Упругость) и может иметь место как при непосредственном контакте взаимодействующих тел, так и на расстоянии через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Сила - величина векторная и в каждый момент времени характеризуется численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения; измеряется в ньютонах (1 Н=1 кг'м/с2).

СИЛА ТЯЖЕСТИ, сила /', действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности, и определяемая как геометрическая сумма силы притяжения Земли F и центробежной силы инерции Q, учитывающей эффект суточного вращения Земли. Направление силы тяжести - вертикаль в данной точке земной поверхности. Аналогично определяется сила тяжести на любом небесном теле. Значение силы тяжести зависит от географической широты i юложения тела; например, на Земле сила тяжести на полюсе и на экваторе отличаются на 0.5% (на Луне значения силы тяжести примерно в 6 раз меньше, чем на Земле; смотри Ускорение свободного падения).

СИЛА ТОКА, равна электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника в 1 с. В СИ измеряется в амперах. Максимально безопасная сила тока, проходящего через тело человека, »1 мА, сила тока, проходящего через бытовую осветительную электрическую лампочку, »0,5 А, электроплитку 3 - 5 А, аппарат контактной сварки -10 ООО А. РАБОТА силы, мера действия силы, зависящая от величины и направления силы F и от перемещения 5 точки ее приложения. Если сила Fпостоянна, а перемещение прямолинейно, то работа равна F's cosa, где а -- угол между направлением силы и перемещением; в частности, при а=р/2 работа не совершается. РАБОТА (в термодинамике),

1) одна из форм обмена энергией (наряду с теплотой) термодинамической системы (физические тела) с окружающими телами;

2) количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах; зависит от вида процесса. Работа системы положительна, если она отдает энергию, и отрицательна, если получает. Примером может служить работа при расширении или сжатии на величину объема DV некоторой массы газа, находящегося под давлением р; тогда работа равнар'D V.

4.Вращательное движение

При поступательном движении тела все его точки движутся по одинаковым траекториям и в каждый данный момент они имеют равные скорости и равные ускорения. Поэтому поступательное движение тела задают движением какой-либо одной точки, обычно движением центра тяжести. Вращательное движение тела нельзя отождествить с движением какой-либо одной его точки. Ось любого вращающегося тела (маховика дизеля, ротора электродвигателя, шпинделя станка, лопастей вентилятора и т. п.) в процессе движения занимает в пространстве относительно окружающих неподвижных тел одно и то же место.

Движение материальной точки или поступательное движение тела характеризуют в зависимости от времени линейные величины s (путь, расстояние), v (скорость) и а (ускорение) с его составляющими at и an. Вращательное движение тела в зависимости от времени t характеризуют угловые величины: ц (угол поворота в радианах), щ (угловая скорость в рад/сек) и е (угловое ускорение в рад/сек2).

Закон вращательного движения тела выражается уравнением ц = f (t).

Угловая скорость - величина, характеризующая быстроту вращения тела, определяется в общем случае как производная угла поворота по времени

щ = dц/dt = f' (t).

Угловое ускорение - величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости, определяется как производная угловой скорости е = dщ/dt = f'' (t).

Приступая к решению задач на вращательное движение тела, необходимо иметь в виду, что в технических расчетах и задачах, как правило, угловое перемещение выражается не в радианах ц, а в оборотах цоб.

Поэтому необходимо уметь переходить от числа оборотов к радианному измерению углового перемещения и наоборот.

Так как один полный оборот соответствует 2р рад, то ц = 2рцоб и цоб = ц/(2р).

Угловая скорость в технических расчетах очень часто измеряется в оборотах, произведенных в одну минуту (об/мин), поэтому необходимо отчетливо уяснить, что щ рад/сек и n об/мин выражают одно и то же понятие - скорость вращения тела (угловую скорость), но в различных единицах - в рад/сек или в об/мин.

Переход от одних единиц угловой скорости к другим производится по формулам щ = рn/30 и n = 30щ/р.

При вращательном движении тела все его точки движутся по окружностям, центры которых расположены на одной неподвижной прямой (ось вращающегося тела). Очень важно при решении задач, приведенных в этой главе, ясно представлять зависимость между угловыми величинами ц, щ и е, характеризующими вращательное движение тела, и линейными величинами s, v, at и an, характеризующими движение различных точек этого тела (рис 205). Если R - расстояние от геометрической оси вращающегося тела до какой-либо точки А (на рис. 205 R=OA), то зависимость между ц - углом поворота тела и s - расстоянием, пройденным точкой тела за то же время, выражается так: s = цR. Зависимость между угловой скоростью тела и скоростью точки в каждый данный момент выражается равенством v = щR.

Касательное ускорение точки зависит от углового ускорения и определяется формулой

at = еR.

Нормальное ускорение точки зависит от угловой скорости тела и определяется зависимостью

an = щ2R.

При решении задачи, приведенной в этой главе, необходимо ясно понимать, что вращением называется движение твердого тела, а не точки. Отдельно взятая материальная точка не вращается, а движется по окружности - совершает криволинейное движение.

5. Момент сил и момент импульса

Анализ поведения систем показывает, что кроме энергии и импульса существует еще одна механическая величина, с которой также связан закон сохранения,-это так называемый момент импульса. Используют также названия момент количества движения, вращательный момент, угловой момент, или просто момент. Что это за величина и каковы ее свойства?

Сначала возьмем одну частицу. Пусть - радиус-вектор, характеризующий ее положение относительно некоторой точки O выбранной системы отсчета, а - ее импульс в этой системе. Моментом импульса частицы А относительно точки O (рис. 6.1) называют вектор , равный векторному произведению векторов и :

Из этого определения следует, что является аксиальным вектором. Его направление выбрано так, что вращение вокруг точки O в направлении вектора образуют правовинтовую систему. Модуль вектора равен

где - угол между векторами и плечо вектора относительно точки О (рис. 6.1).

Выведем уравнение, описывающее изменение во времени вектора . Его называют уравнением моментов. Для вывода необходимо выяснить - какая механическая величина ответственна за изменение вектора в данной системе отсчета. Величину, стоящую в правой части этого уравнения, называют моментом силы относительно точки О (рис. 6.2). Обозначив ее буквой , запишем

Вектор как и , является аксиальным. Модуль этого вектора, аналогично (6.2), равен

где плечо вектора относительно точки O (рис. 6.2). Итак, производная по времени от момента импульса частицы относительно некоторой точки O выбранной системы отсчета равна моменту равнодействующей силы относительно той же точки O:

Это уравнение называют уравнением моментов. Заметим, что если система отсчета является неинерциальной, то момент силы включает в себя как момент сил взаимодействия, так и момент сил инерции относительно той же точки O.

Из уравнения моментов (6.5), в частности, следует, что если то . Другими словами, если относительно некоторой точки O выбранной системы отсчета момент всех сил, действующих на частицу, равен нулю в течение интересующего нас промежутка времени, то относительно этой точки момент импульса частицы остается постоянным в течение этого времени.

Уравнение моментов позволяет получить ответ на два вопроса:

1) найти момент силы относительно интересующей нас точки O в любой момент времени t, если известна зависимость от времени момента импульса частицы относительно той же точки;

2) определить приращение момента импульса частицы относительно точки O за любой промежуток времени, если известна зависимость от времени момента силы , действующего на эту частицу относительно той же точки O.

Решение первого вопроса сводится к нахождению производной по времени от момента импульса, т. е. , которая и равна, согласно (6.5), искомому моменту силы .

Решение же второго вопроса сводится к интегрированию уравнения (6.5). Умножив обе части этого уравнения на dt, получим

- выражение, которое определяет элементарное приращение вектора . Проинтегрировав это выражение по времени, найдем приращение вектора за конечный промежуток времени t:

Величину, стоящую в правой части этого уравнения, называют импульсом момента силы. В итоге получено следующее утверждение: приращение момента импульса частицы за любой промежуток времени равно импульсу момента силы за это же время.

6. Законы сохранения в механике

Законы сохранения - фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые физические величины не изменяются с течением времени.

Закон сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому:

- Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

- Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей. Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса - закон механики, в соответствии с которым: Векторная сумма импульсов тел в замкнутой системе остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой и может только перераспределяться между частями системы. Закон сохранения массы

Закон сохранения массы - закон классической механики, в соответствии с которым при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной. Закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии - физический закон, в соответствии с которым: В замкнутой системе, в которой не действуют силы трения и сопротивления, сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел системы остается величиной постоянной. Закон сохранения момента импульса

Закон сохранения момента импульса - физический закон, в соответствии с которым момент импульса замкну той системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.

Закон сохранения момента импульса есть проявление изотропности пространства. Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрического заряда - физический закон, в соответствии с которым в замкнутой системе взаимодействующих тел алгебраическая сумма электрических зарядов (полный электрический заряд) остается неизменной при всех взаимодействиях. Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии - физический закон, в соответствии с которым полная механическая энергия системы тел сохраняется в процессе их движения, если внешние и внутренние силы, действующие на систему тел, являются потенциальными.

7. Свойства пространства и времени и законы сохранения

Прежде всего пространство и время; объективны и реальны, т. е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время -- как только субъективных всеобщих форм| нашего созерцания. Согласно этой точке зрен ия, пространство и время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания {на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве. Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин -- координат. В прямоугольной декартовой системе координат это -- X, У. Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат -- радиус-вектор г и углы а и 3. В цилиндрической системе -- высота z, радиус-вектор и угол <х. В науке используется понятие многомерного пространства (11- мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например" 6-мерного пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т. д. В последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 -- пространственных и одно -- временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (лат. continuum -- непрорывное, сплошное). В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время -- необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причиннои связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: "Не только временной порядок, но и объединенный пространс гвенно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной.

8.Механика и методология Исаака Ньютона

В 1987г исполнилось 300 лет со времени выхода в свет выдающегося труда профессора Кембриджского университета Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии».

В своем фундаментальном труде, содержащем в русском переводе 700 страниц, гениальный английский физик, астроном и математик изложил систему законов механики, закон всемирного тяготения, дал общий подход к исследованию различных явлений на основе «метода принципов», т.е. работа имела не только большое научное, но и большое методологическое значение. Для Ньютона было очень важно наследие его предшественников: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов.». Среди этих гигантов в первую очередь следует назвать Галилея и Кеплера. В 27 лет он стал профессором Кембриджского университета.

В своих работах по оптике Ньютон поставил очень важный и сложный вопрос: «Не являются ли . [учи света очень мелкими частицами, испускаемыми светящимися телами?» И гипотеза истечения, а затем и корпускулярная теория, признанная безоговорочно его последователями и подкрепленная авторитетом Ньютона, господствующей в оптике 18 в. С этой теорией многие не соглашались т.к. на ее основе невозможно было объяснить интерференцию и дифракцию света. В теории света Ньютон хотел объединить корпускулярные и волновые представления. По этому поводу у Ньютона было две интересные мысли:

1.0 возможном превращении тел в свет и обратно. В 1933-1934гг. были впервые открыты факты превращения электрона и позитрона в гамма-кванты (фотоны) и рождение электрона и позитрона при взаимодействии фотона с заряженными частицами. Это фундаментальное открытие современной физики элементарных частиц. 2.0 влиянии тел на распространение света.

Вершиной научного творения Ньютона являются «Начала..». Примерно два с половиной года напряженной работы стоило Ньютону подготовка первого издания «Начал..». Книга состояла из трех частей: в первых двух излагались законы движения тел, третья часть была посвящена системе Мира. К первому изданию Ньютон написал собственное предисловие, где он говорит о тенденции современного ему естествознания «подчинить явления природы законам матемач ики». Далее Ньютон формулирует назначение работы и задачи физики: «Сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем, по этим силам объяснить все остальные явления», с этой трудной задачей ему удалось справиться. В качестве первого закона механики Ньютон взял открытый Галилеем закон инерции, сформулировав его более строго. Ядром механики является второй закон, который связывает изменение импульса тела с действующей на него силой т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. В третьем законе механики было отражено, что действие тел всегда носит характер взаимодействия и что сил ы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Четвертым законом был закон всемирного тяготения. Высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планете», установив эксперимент пропорциональность массы тела и его веса (сила тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массам этих тел.

О том, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, считали еще Ньютона много ученых, но только Ньютон сумел логически обосновать и убедительно доказать с помощью законов динамики и эксперимента этот всеобщий закон. Установление пропорциональности между массой и весом означало, что масса является не только 'мерой инертности, но и мерой гравитации.

В третьей части книги ученый изложил общую систему Мира и небесную механику, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т.д., основываясь на законе всемирного тяготения. Теория тяготения вызывала философские дискуссии и нуждалась в дальнейшем доказательстве. Первым стал вопрос о форме Земли. По теории Ньютона Земля была сжата у полюсов, по теории Декарта - вытянута. Споры были разрешены в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академией наук. Верной оказалась теория Ньютона.

В работах Ньютона раскрывается его методология и мировоззрение исследований. Ньютон был убежден в существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механики Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм). Несмотря на свои огромные достижения в области естествознания, он глубоко верил в Бога, очень серьезно относился к религии. Он считал, что «мудрость Господня открывается одинаково в строении природы и в священных книгах. Изучать то и другое - дело благородное». Ньютон был автором «Толкования на книгу пророка Даниила», «Апокалипсиса», «Хронологии». Из этого можно сделать вывод, что для Ньютона не было конфликта между наукой и религией, в его мировоззрении уживалось и то и другое.

Свой метод познания сам Ньютон характеризует следующим образом: «Вывести два или три общих принципа движения из явлений и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных принципов, было бы очень важным шагом в философии, хотя бы причины этих принципов и не были еще открыты». Под принципами Ньютон подразумевает наиболее общие законы, лежащие в основе физики. Этот метод после был назван методом принципов, требования к исследованию Ньютон изложил в виде 4-х правил:

1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

2. Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Поскольку принципы устанавливаются путем исследования явлений природы, то вначале они представляют собой гипотезы, из которых путем логической дедукции получают следствия, проверяемые на практике. Поэтому метод принципов Ньютона является гипотетико-дедуктивный метод, который в современной физике является одним из основных для построения физических теорий. Метод Ньютона получил высокую оценку в методологических высказываниях многих ученых, в том числе А. Эйнштейна и С.И. Вавилова, но многие ученые также считали, что принципы и гипотезы выводятся прямо из опыта. Следовательно, прямо из опыта путем формальной логики выводится теория, которая имеет только цель связать одни опытные данные с другими.

Очень много вопросов и споров в истории физики вызвали взгляды

Ньютона на пространство и время. Ньютон исходит из того, что в практике люди познают пространство и время путем измерения пространственных отношений между телами и временных отношений между процессами. Выработанные таким путем понятия пространства и времени Ньютон называет относительными. Он допускает, что в природе существуют не зависящие от этих отношений абсолютные пространство и время, как пу4стые вместилища тел и событий. Пространство и время по Ньютону, не зависят от материи и материальных процессов, что не согласуется с представлениями физики хх века. Поскольку материя у Ньютона является инертной и неспособной к самодвижению, а пустое абсолютное пространство безразлично к материи, то в качестве первоисточника движения он признает «первый толчок», то есть Бога.

9. Колебания и волновое движение

Колебания - процессы (изменения состояния), обладающие той или иной повторяемостью во времени.

Механические колебания - движения, которые точно или приблизительно повторяются во времени. Колебания называются периодическими, если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени. (В противном случае колебания наз. апериодическими).

Примеры колебаний, изображенные на рисунках: колебания математического маятника, колебания жидкости в U-образной трубке, колебания тела под действием пружин, колебания натянутой струны.

Условия возникновения механических колебаний

Хотя бы одна сила должна зависеть от координат.

При выведении тела из положения устойчивого равновесия возникает равнодействующая, направленная к положению равновесия. С энергетической точки зрения это значит, что возникают условия для постоянного перехода кинетической энергии в потенциальную и обратно.

Силы трения в системе малы.

Для возникновения колебания тело необходимо вывести из положения равновесия, сообщив либо кинетическую энергию (удар, толчок), либо - потенциальную (отклонение тела).

Примеры колебательных систем:

Нить, груз, Земля.

Пружина, груз.

Жидкость в U-образной трубке, Земля.

Струна.

Свободные колебания -- это колебания, которые возникают в системе под действием внутренних сил, после того как система была выведена из положения устойчивого равновесия. В реальной жизни все свободные колебания являются затухающими (т.е. их амплитуда, размах, уменьшается с течением времени).

Вынужденные колебания - колебания, которые происходят под действием внешней периодической силы.

Характеристики колебательного процесса.

Смещение х - отклонение колеблющейся точки от положения равновесия в данный момент времени (м).

Амплитуда хм - наибольшее смещение от положения равновесия (м). Если колебания незатухающие, то амплитуда постоянна.

Период Т -- время, за которое совершается одно полное колебание. Выражается в секундах (с).

За время, равное одному периоду (одно полное колебание) тело совершает перемещение, равное 0 и проходит путь, равный 2рr.

Частота н -- число полных колебаний за единицу времени. В СИ измеряется в герцах (Гц).

Частота колебаний равна одному герцу, если за 1 секунду совершается 1 полное колебание. 1 Гц= 1 с-1.

Циклической (круговой) частотой щ периодических колебаний наз. число полных колебаний, которые совершаются за 2р единиц времени (секунд). Единица измерения - с-1.

Фаза колебания - ц - физическая величина, определяющая смещение x в данный момент времени. Измеряется в радианах (рад).

Фаза колебания в начальный момент времени (t=0) называется начальной фазой (ц0).

Уравнение простого гармонического колебания