ЗАЧЕТ ФИЗИКА. Закон всемирного тяготения
 Скачать 6.84 Mb.
|
|
Динамика. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Динамика - раздел механики, в котором изучаются причины изменения механического движения. В классической механике этими причинами являются силы. Динамика оперирует также такими понятиями, как масса, импульс, момент импульса, энергия. 1 закон Ньютона: Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано. 2 закон Ньютона: Ускорение тела (материальной точки) в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.  3 закон Ньютона: Два тела воздействуют друг на друга с силами, противоположными по направлению, но равными по модулю.   Импульс. Закон сохранения импульса Импульсом (количеством движения) тела называют физическую векторную величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этого тела на его скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:  Закон сохранения импульса  Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии. Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Потенциальная энергия тела, поднятого над землей, определяется массой тела, ускорением свободного падения и расположением тела относительно земли: E=mgh Вообще о потенциальной энергии можно говорить только в контексте тех сил, работа которых не зависит от формы траектории тела. Такие силы называются консервативными. Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости. E= mv2/2 Кинетическая энергия - энергия движения тела. При нулевой скорости она равна нулю.  Момент количества движения. Закон сохранения момента количества движения. Моме́нт и́мпульса (момент количества движения) — физическая величина, характеризующая вращательное движение. Для одной материальной точки момент импульса равен векторному произведению радиус-вектора точки на её импульс, для системы точек — сумме таких произведений. L=r x p (L, r, p - вектора; x - знак векторного произведения) В скалярном виде (величина момента количества движения) равна L=m v r sina. Момент импульса замкнутой системы сохраняется: L = const. При наличии внешних сил производная момента импульса по времени равна моменту сил: dL/dt =M (L, M - вектора). Изменение импульса равно произведению момента сил на время: dL =Mdt (L, M - вектора). Момент количества движения твердого тела, вращающегося вокруг фиксированной оси: L=Jw. (J - момент инерции тела, w- угловая скорость) Гармонические колебания. Скорость и ускорения гармонического колебания. Энергия гармонического колебания. Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики движения повторяются через определенный промежуток времени. Для периодических колебаний используют следующие характеристики: • период колебаний Т, равный времени, в течение которого совершается одно полное колебание; • частота колебаний ν, равная числу колебаний, совершаемых за одну секунду (ν = 1/Т); • амплитуда колебаний А, равная максимальному смещению от положения равновесия. Гармонические колебания - это колебания, при которых наблюдаемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса:  х - смещение тела в момент времени t; А - амплитуда колебаний, равная максимальному смещению; ω - круговая частота колебаний (число колебаний, совершаемых за 2π секунд), связанная с частотой колебаний соотношением  φ = (ωt +φ0) - фаза колебаний (в момент времени t); φ0- начальная фаза колебаний (при t = 0).   Затухающие колебания. Декремент затухания. Апериодические колебания Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из положения равновесия. Затухающие колебания только при наличии силы трения.  Логарифмический декремент затухания равен натуральному логарифму отношения амплитуды предыдущего колебания к амплитуде последующего колебания.  Логарифмический декремент затухания находится по формуле  Сильное затухание. При выполнении условия β ≥ ω0 система возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний. Такое движение называется апериодическим.  Вынужденные колебания. Резонанс.   Виды волн в упругой среде. Принцип Гюйгенса. Уравнение волны. Волной называется процесс распространения механических колебаний в упругой среде. Продольные волны – волны, при распространении которых частицы среды колеблются вдоль той же прямой, по которой распространяется волна. Продольные механические волны могут возникать во всех средах (твердых, жидких, газообразных). Поперечные волны – волны, при распространении которых частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. При этом в среде возникают периодические деформации сдвига. Распространяются в твердых телах, на поверхности жидкости. Фронт волны - геометрическое место точек, до которых к данному моменту дошло колебание (возмущение среды).   Интерференция волн в упругой среде Интерференция волн – сложение когерентных волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов амплитуды колебаний. Когерентные волны – волны с одинаковой частотой и длиной волны , неменяющимся сдвигом фаз во времени .  Если разность хода равна нечетному числу полуволн, то волны приходят в точку А в противофазе. В этом случае они гасят друг друга, амплитуда результирующего колебания равна нулю. Эффект Доплера и его медико-биологическое использование. Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний, воспринимаемой наблюдателем, вследствие относительного движения источника колебаний и наблюдателя.  Для источника скорость vИ берется со знаком «+», если он движется в направлении приемника, и со знаком «-» в противном случае. Для приемника – аналогично. Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов. Звуковая волна. Ультразвук. Использование ультразвука в медицине. Инфразвук.  Физическая характеристика звука: Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т): Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Ультразвук - это упругие колебания и волны с частотой выше 20 кГц, не слышимые человеческим ухом.   Внутреннее трение в жидкости. Уравнение Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. В реальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения молекул имеет место внутреннее трение, или вязкость. Силы, действующие между слоями и направленные по касательной к поверхности слоев, называются силами внутреннего трения или вязкости. Эти силы пропорциональны площади взаимодействующих слоев S и градиенту скорости. Для многих жидкостей силы внутреннего трения подчиняются уравнению Ньютона:  Ньютоновская жидкость Жидкость, которая подчиняется уравнению Ньютона (8.1), называют ньютоновской. Коэффициент внутреннего трения ньютоновской жидкости зависит от ее строения, температуры и давления, но не зависит от градиента скорости. Ньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой не зависит от градиента скорости. Свойствами ньютоновской жидкости обладают большинство жидкостей (вода, растворы, низкомолекулярные органические жидкости) и все газы. Неньютоновская жидкость Неньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой зависит от градиента скорости. Свойствами неньютоновской жидкости обладают структурированные дисперсные системы (суспензии, эмульсии), растворы и расплавы некоторых полимеров, многие органические жидкости и др. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса. Клинический метод определения давления крови. Ламинарное (слоистое) течение - такое течение, при котором слои жидкости текут, не перемешиваясь, скользя друг относительно друга. Ламинарное течение является стационарным - скорость течения в каждой точке пространства остается постоянной. Турбулентное (вихревое) течение - такое течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются. Такое движение сопровождается появлением звука. Турбулентное течение - это хаотическое, крайне нерегулярное, неупорядоченное течение жидкости. Элементы жидкости совершают движение по сложным неупорядоченным траекториям, что приводит к перемешиванию слоев и образованию местных завихрений. Понятия ламинарности и турбулентности применимы как к течению жидкости по трубам, так и к обтеканию ею различных тел. В обоих случаях характер течения зависит от скорости течения, свойств жидкости и характерного линейного размера трубы или обтекаемого тела. Если рассматривать течение в цилиндрических трубах ламинарное течение может переходит в турбулетное, условием является число Рейнольдса:  где ρж — плотность жидкости, D — диаметр трубы, υ — средняя по сечению трубы скорость течения. При малых значениях числа Рейнольдса (Re<=1000) наблюдается ламинарное течение, переход от ламинарного течения к турбулентному происходит в области 1000<=Re<=2000. Если же число Рейнольдса больше некоторого критического (Re >> Reкр ), то движение жидкости турбулентное. Например, для гладких цилиндрических труб Reкр≈ 2300  Течение жидкости в цилиндрических трубах. Формула Гагена-Пуазейля. Гидравлическое сопротивление. При относительно невысокой скорости течение при этом имеет ламинарный характер: слои молекул, прилегающий к стенке трубы, прилипает к пей и остается неподвижным. Следующий слой молекул под действием силы давления и при противодействии силы внутреннего трения между слоями смещается относительно пристеночного слоя и движется по отношению к стенкам трубы с некоторой небольшой скоростью. Каждый последующий слой молекул, смещаясь относительно предыдущего слоя, движется по отношению к стенке трубы с постепенно возрастающей скоростью, которая достигает наибольшего значения в центре трубы.   Физическая модель сердечно-сосудистой системы. Пульсовая волна. Механическая работа и мощность сердца. Гемодинамикой называют область биомеханики, в которой исследуется движение крови по сосудистой системе. Физической основой гемодинамики является гидродинамика. Течение крови зависит как от свойств крови, так и от свойств кровеносных сосудов. Р   ассмотрим гидродинамическую модель кровеносной системы, предложенную О. Франком. Несмотря на достаточную простоту, она позволяет установить связь между ударным объемом крови (объем крови, выбрасываемый желудочком сердца за одну систолу), гидравлическим сопротивлением периферической части системы кровообращения Х0 и изменением давления в артериях. Артериальная часть системы кровообращения моделируется упругим (эластичным) резервуаром (на рис. обозначено УР). Давление сначала возрастает(систола), затем постепенно спадает(диастола). Скорость изменения объёма:где k —эластичность, упругость резервуара, V-объем, t-время, р – давление.  где, Q- начальная объемная скорость кровотока, Q0-конечная объемная скорость кровотока. По закону Франка давление крови уменьшается по экспоненте:  Волна деформации (пульсовая волна) это волна, распространяющаяся по сосудам повышенного давления, вызванная выбросом крови из левого желудочка в период систолы. Она распространяется постепенно со скоростью 510м/c. Работа сердца:  ≈ 1Дж. где, Р – среднее динамическое давление, V –ударный объем крови, ʋ-скорость кровотока.  Мощность сердца: t=tсистолы≈0.3с. Электрическое поле. Характеристики поля. Закон Кулона. Работа электрического тока . Электрическое поле есть форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. Электрическое поле создается заряженными телами. Силовой характеристикой электрического поля является векторная величина, называемая напряженностью поля. |