Колебания и волны.-1. Учебнометодическое пособие по аудиторным практическим занятиями самостоятельной работе для студентов всех направлений подготовки Томск
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
1.3. Задания для решения на практических занятиях Задачи для решения на практических занятиях 1. Материальная точка совершает гармонические колебания, при этом её полная энергия равна 6,42·10 –3 Дж, а действующая на нее сила при смещении, равном половине амплитуды, равна 3 Н. Определить максимальное смещение точки от положения равновесия. 2. Грузик, подвешенный на легкой пружине, совершает гармонические колебания в вертикальной плоскости с амплитудой 4 см. Вне- который момент точка подвеса сама начинает колебаться в вертикальной плоскости с амплитудой 6 см и тем же периодом. Найти разность фаз складываемых колебаний, если амплитуда результирующего колебания равна 3 см. 3. В неподвижном лифте висит маятник, период колебаний которого с. С каким ускорением должен двигаться лифт, чтобы период колебаний этого маятника стал равным 3 с Ускорение считать положительным, если оно направлено вниз. 4. На доске лежит груз массой 4 кг. Доска совершает гармонические колебания с периодом 1,861 си амплитудой, равной 1 см. Определить в кг вес груза в момент времени, равный 1/8 периода колебаний. Время отсчитывается от момента, когда доска, поднимаясь, проходит среднее положение. 5. Автомобиль массой 1457 кг при движении по ребристой дороге совершает гармонические колебания в вертикальном направлении с периодом 0,68 си амплитудой 14 см. Определите максимальную силу давления, действующую на каждую из четырех рессор автомобиля. 6. Шарик скатывается с высоты 48 см по наклонной плоскости, составляющей угол 33° с горизонтом. Скатившись, он тут же поднимается подругой наклонной плоскости, наклонённой под тем же углом к горизонту. Найти частоту колебаний шарика. Трение не учитывать. 7. К потолку лифта на шарнире подвешен стержень за один конец. При этом его второй конец может свободно качаться. Длина стержня 72 см. Определить период колебаний стержня, если лифт движется вверх с ускорением 1,82 мс 8. К вертикально висящей пружине подвешивают груз. При этом пружина удлиняется на 2 см. Оттягивая этот груз вниз и отпуская егоза- ставляют груз совершать колебания. Чему должен быть равен коэффициент затухания, если логарифмический декремент затухания равен 1. 9. Материальная точка совершает гармонические колебания. При смещении точки от положения равновесия, равном 1 см, скорость точки равна 7 см/с, а при смещении, равном 3 см, скорость равна 5 см/с. Найти период колебания материальной точки, если в начальный момент времени она находилась в положении равновесия. 10. Маятник, состоящий из легкой нити длиной 96 см с грузом массой 160 г на конце, совершает колебания под воздействием вынуждающей силы, амплитудное значение которой равно 0,0122 Ни силы сопротивления, пропорциональной скорости 0, 041 F . Определить добротность системы. Тестовые вопросы для решения на практических занятиях 1. Свободные незатухающие колебания пружинного маятника описываются дифференциальным уравнением 1) 2 2 0 d x b dx k x m dt m dt ; 2) 2 2 0 d x k x m dt ; 30 3) 2 0 2 cos F d x b dx k x t m dt m m dt , где b – коэффициент сопротивления k – жесткость пружины m – масса колеблющегося груза. 2. По какой из приведенных формул можно рассчитать собственную частоту пружинного маятника 1) пр 2) 0 ; k m 3) 0 g ω l 3. Какое из предложенных уравнений описывает изменение ускорения материальной точки, колеблющейся по гармоническому закону 0 0 cos x A t ? Ответы 1) 0 0 cos 2 a A t 2) 0 0 cos m t 3) 2 0 0 0 cos a A t 4) 2 0 0 0 cos a A t 4. От каких параметров зависит период гармонических колебаний математического маятника а) массы маятника б) длины маятника в) ускорения свободного падения. Ответы 1) а, б 2) а, в 3) б, в. 5. При сложении двух гармонических колебаний одного направления с одинаковыми периодами и равными амплитудами результирующее колебание имеет такую же амплитуду, что и складываемые колебания. При этом разность фаз исходных колебаний равна … 1) 2 ; 2) 0; 3) ; 4) 2 3 31 1.4. Задания для самостоятельного решения Задачи для самостоятельного решения 1. Тело массой 17 г совершает синусоидальные колебания с нулевой начальной фазой, с амплитудой 7 см и коэффициентом затухания 2 c –1 . Под действием внешней периодической силы установились вынужденные синусоидальные колебания амплитудой 5 см, частотой 31,4 рад/с и начальной фазой 0 3 4 . Найти в СИ амплитуду внешней силы. 2. К вертикально висящей пружине подвешивают груз. При этом пружина удлиняется на 2 см. Оттягивая этот груз вниз и отпуская его, заставляют груз совершать колебания. Найти коэффициент затухания, если логарифмический декремент затухания равен 5. 3. Определить амплитуду вынужденных колебаний грузика массой г, подвешенного на пружине с коэффициентом жесткости, равным 29 Нм, если действует вынуждающая сила с амплитудой 2 Ни частотой, в 2 раза большей собственной частоты колебаний груза, а коэффициент затухания равен 8 с 4. Насколько процентов надо уменьшить длину математического маятника при подъёме его на высоту 27 км над Землёй, чтобы период его колебаний не изменился 5. а какую часть периода точка, совершающая гармонические колебания, пройдет путь, равный 0,301 A, где A – амплитуда колебаний, если в начальный момент точка находилась в положении равновесия 6. Амплитуда колебаний камертона за 34 с уменьшилась враз. Найти коэффициент затухания колебаний. 7. Шарик скатывается с высоты 61 см по наклонной плоскости, составляющей угол 40 с горизонтом. Скатившись, он тут же поднимается подругой наклонной плоскости, наклонённой под тем же углом к горизонту. Найти частоту колебаний шарика. Трение не учитывать. 8. Какую часть периода отклонение маятника от положения равновесия меньше 2 см, если амплитуда его колебаний равна 7 см 9. В результате сложения двух одинаково направленных гармонических колебаний с одинаковыми амплитудами и одинаковыми периодами получается результирующее колебание стем же периодом и той же амплитудой. Найти разность фаз складываемых колебаний (в градусах. Частица колеблется в среде, для которой логарифмический декремент затухания 5. Во сколько раз следует увеличить сопротивление среды, чтобы колебания были невозможны Таблица правильных ответов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,122 13,79 0,01723 0,8477 0,04866 0,1156 0,4556 0,1845 120 1,61 Тесты для самостоятельного решения 1. Период свободных колебаний математического маятника зависит от. 1) массы груза. 2) частоты колебаний. 3) длины его нити. 2. Период свободных колебаний математического маятника равен 5 с. Чему равна частота его колебаний 1) 0,2 Гц. 2) 20 Гц. 3) 5 Гц. 3. Какое перемещение совершает груз, колеблющийся на нити, за один период 1) Перемещение, равное амплитуде колебаний. 2) Перемещение, равное нулю. 3) Перемещение, равное двум амплитудам колебаний. 4. Как изменится период колебаний математического маятника при увеличении амплитуды его колебаний в 2 раза Увеличится в 2 раза. 2) Уменьшится в 2 раза. 3) Не изменится. 5. Как изменится частота колебаний маятника приуменьшении амплитуды его колебаний в 3 раза 1) Уменьшится в 3 раза. 2) Увеличится в 3 раза. 3) Не изменится. Таблица правильных ответов на тестовые задания 1 2 3 4 5 3 1 2 3 3 33 1.5. Вопросы для самоконтроля 1. Что называют свободными колебаниями Привести примеры свободных механических колебаний. 2. Получите дифференциальное уравнение собственных колебаний пружинного маятника. 3. Какие колебания называются гармоническими 4. Введите понятие амплитуды, фазы и начальной фазы колебаний. Что называется частотой колебаний Введите понятие циклической частоты колебаний. 6. Как связаны между собой частота, циклическая частота и период колебаний 7. Получите выражение для частоты и периода пружинного маятника. Как можно представить гармоническое колебание с помощью векторной диаграммы 9. Запишите зависимость от времени скорости и ускорения маятника, совершающего гармонические колебания. 10. Запишите зависимость от времени кинетической, потенциальной и полной энергии пружинного маятника. 11. Что называется математическим маятником и чем определяется его период 12. Что называется физическим маятником Запишите выражение для частоты и периода физического маятника. 13. Что представляет собой результат сложения двух гармонических колебаний одинакового направления, одинаковой частоты 34 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ 2.1. Краткая теория 2.1.1. Свободные гармонические колебания в электрическом колебательном контуре Примером электрической цепи, в которой могут происходить свободные электрические колебания, служит простейший колебательный контур (рис. 2.1), состоящий из конденсатора электроемкостью Си соединенной с ним последовательно катушки индуктивностью L. При замыкании на катушку предварительно заряженного конденсатора в колебательном контуре возникают свободные колебания заряда конденсатора и тока в катушке. Переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью, равной скорости света. Поэтому, если линейные размеры контура l не слишком велики ( c l , где 8 3 10 c мс – скорость света в вакууме, – частота колебаний в контуре, то можно считать, что в каждый момент времени t сила тока I во всех частях контура одинакова. Такой переменный ток называется квазистационарным. Для возбуждения в контуре колебаний конденсатор предварительно заряжают, сообщая его обкладкам заряды q . В момент времени 0 t между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, энергия которого равна 2 2 q C . Вся энергия колебательного контура сосредоточена в конденсаторе. Если теперь замкнуть конденсатор на катушку индуктивности, тов контуре потечет возрастающий со временем ток I . Электрическая энергия конденсатора начнет превращаться в магнитную энергию катушки. Этот процесс закончится, когда конденсатор полностью разрядится, а ток вцепи достигнет максимума. Вся энергия колебательного контура сосредоточена в магнитном поле катушки и равна 2 2 LI . С этого момента ток, не меняя направления, начнет убывать. Однако он прекратится не сразу – его будет поддерживать ЭДС. самоиндукции. Ток будет перезаряжать конденсатор, возникнет электрическое поле, стремящееся ослабить ток. Наконец, ток прекратится, а заряд на пластинах конденсатора достигнет 35 максимума. С этого момента конденсатор начнет вновь разряжаться, ток потечет в обратном направлении и процесс повторится. Рис. 2.1 Поскольку мы предполагаем, что потерь энергии нет, в контуре будут совершаться периодические незатухающие колебания периодически будет изменяться заряд на обкладках конденсатора, напряжение на конденсаторе и сила тока, текущего через катушку индуктивности. Следовательно, в контуре возникают электрические колебания, которые сопровождаются превращениями энергии электрического и магнитного полей. Найдем уравнение колебаний в контуре без активного сопротивления. Будем искать закон изменения заряда на обкладках конденсатора. Пусть положительным будет такое направление тока в контуре, когда конденсатор заряжается. Сила тока вцепи определяется выражением Рассмотрим цепь 1 – 3 – 2 и запишем для нее закон Ома в общем виде для неоднородного участка цепи 1 2 i IR , i – ЭДС, действующая на участке цепи 1 – 2. Или C i U ЭДС. положительна, т.к. способствует движению положительно заряженных носителей тока в выбранном направлении. В рассматриваемом случае 1 2 C q U C , i dI L dt Подставим эти значения в выражение для закона Ома, получим C q q I 1 3 2 L 36 0 dI q C L dt Перепишем dI dt через заряд 2 2 dI d I dt dt , получим 2 2 1 0 d q q LC dt . Если ввести обозначение 0 1 LC , получим выражение вида 2 2 0 2 0 d q q dt , которое представляет дифференциальное уравнение гармонических колебаний в контуре и подобно соответствующим уравнениям механических колебаний. Решением этого уравнения является выражение max 0 cos q q t . Таким образом, заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с частотой, определяемой параметрами контура и C. Эта частота называется собственной частотой контура и соответствует собственной частоте гармонического осциллятора. Выражение для периода колебаний называется формулой Томсона: 2 T LC Запишем формулу для напряжения на конденсаторе max 0 max 0 cos cos q q U t U t C C . Получим выражение для тока в контуре, продифференцировав соотношение для заряда max 0 0 max 0 sin cos 2 dq I q t I t dt Таким образом, сила тока опережает по фазе напряжение на конденсаторе на 2 . Сопоставление полученных для заряда, напряжения на конденсаторе и тока в контуре выражений показывает, что в момент, когда ток достигает наибольшего значения, заряди напряжение обращаются в нуль и наоборот. 37 max max max 0 max 0 1 ; ; q U I q C L C Тогда можно записать. max Величина называется волновым сопротивлением колебательного контура. При свободных гармонических колебаниях в колебательном контуре происходит периодическое преобразование энергии e W электрического поля конденсатора в энергию m W магнитного поля катушки индуктивности и наоборот 2 2 2 2 0 0 0 0 sin 1 cos 2 2 2 2 4 e q q q W t t C C C ; 2 2 2 2 0 0 0 0 cos 1 cos 2 2 2 2 4 m LI LI LI W t t . Поэтому колебания, происходящие в электрическом колебательном контуре, часто называют электромагнитными колебаниями в контуре. Значения и изменяются при гармонических электромагнитных колебаниях в пределах от 0 до максимальных значений, соответственно равных и 2 0 2 LI , причем 2 0 0 2 2 q LI C . Колебания и m W сдвинуты по фазе в те моменты времени, когда 2 max 2 m m LI W W и, наоборот, когда , 2 0 max 2 e e q W W C . Полная энергия электромагнитных колебаний в контуре не изменяется стечением времени 2 2 0 0 const 2 2 e m q LI W W W C 38 2.1.2. Затухающие электрические колебания Реальный контур обладает активным сопротивлением, рис. 2.2. Рис. 2.2 Энергия, запасенная в контуре, постепенно расходуется на этом сопротивлении на нагревание, вследствие чего свободные колебания затухают. Учтем фактор затухания в выражении для закона Ома или по второму правилу Кирхгофа для контура R C i U U ; q dI IR L C dt Разделим это уравнение на L и заменим ток I на заряд q . В итоге получим 2 2 1 0 d q R dq q L dt LC dt . Введем обозначение 2 R L и, учитывая, что 0 1 LC , получим окончательно 2 2 0 2 2 0 d q dq q dt dt . Это уравнение, как и ожидалось, совпадает с дифференциальным уравнением затухающих механических колебаний. При условии, что 2 2 0 , те. при 2 2 1 4 R LC L решение уравнения затухающих колебаний имеет вид max 0 cos t q q e t , (2.1) C L R I 39 где 2 2 0 . Если в это выражение подставить соответствующие выражения для 0 и , получим соотношение для частоты затухающих колебаний 2 2 1 4 R LC L При 0 R получится выражение для собственной частоты незатухающих свободных колебаний в контуре. Из уравнения для затухающих колебаний легко получить формулу для напряжения на конденсаторе, разделив уравнение (2.1) на емкость Си выражение для тока в контуре после дифференцирования этого же уравнения. Отпуская эти и ряд других несложных преобразований, запишем лишь один из результатов анализа формул, которые после этих преобразований могут быть получены. Этот результат касается разности фаз между током и падением напряжения на конденсаторе колебательного контура при наличии активного сопротивления в контуре сила тока опережает по фазе напряжение на конденсаторе на угол , больший, чем 2 2 График изменения заряда со временем изображен на рисунке 2.3 и подобен соответствующему графику для механических колебаний. Рис. 2.3 Как ив случае механических колебаний, затухание электрических колебаний характеризуется логарифмическим декрементом затухания 1 ln e A t T T A t T N t max0 q max 0 cos t q q e t , q max max 0 t q q e 40 Логарифмический декремент затухания обратен по величине числу колебаний e N , совершаемых за время, в течение которого амплитуда затухающего колебания уменьшится враз (за время релаксации. Если в выражение для логарифмического декремента затухания T подставить значения для и T , получим следующую форму записи 2 2 R R T L L Получили, что логарифмический декремент затухания определяется параметрами контура, те. является его характеристикой. Добротность контура – это величина, обратно пропорциональная логарифмическому декременту затухания. e Q N Добротность контура пропорциональна числу колебаний e N , совершаемых за время релаксации. Добротность тем выше, чем большее число колебаний успевает совершиться прежде, чем амплитуда уменьшится враз. Добротность контура определяется ещё и по-другому. 2 t t t T W Q W W Это отношение энергии в контуре в данный момент времени к убыли энергии за один период, следующий за этим моментом. Прите. при 2 2 1 4 R LC L происходит апериодический разряд (рис. 2.4). Рис. 2.4 |