Механика. Законы сохранения лабораторный практикум Краснодар 2020
 Скачать 3.18 Mb.
|
|
Ско́рость (от англ. velocity или фр. vitesse, исходно от лат. vēlōcitās) – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчета, по определению равна производной радиус-вектора точки по времени. Этим же словом называют и скалярную величину – либо модуль вектора скорости, либо алгебраическую скорость точки, т.е. проекцию этого вектора на касательную к траектории точки. Состоя́ние – термин, обозначающий совокупность стабильных значений переменных параметров объекта. Спе́ктр (от лат. spectrum – видимое, видение, представление, образ) – совокупность всех значений параметров, характеризующих систему или процесс. Например, частотный спектр колебаний (в частности, электромагнитных и акустических), спектр энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным или дискретным. Спин (от англ. spin – вращаться, вертеться) – собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Ста́тика (от греч. statike – учение о весе, о равновесии) – раздел механики, посвященный изучению условий равновесия материальных тел под действием сил. 153 Стробоско́п (от греч. strobos – кружение, беспорядочное движение и skopeo – смотрю) – прибор для наблюдения быстрых периодических движений, основанный на стробоскопическом эффекте. Структу́ра (от лат. structure – строение, порядок, связь) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. Структура всегда имеет фрактальный характер, что является необходимым условием ее адекватного понимания. Субъе́кт (от лат. subjectus – лежащий внизу, находящийся в основе) – в философии тот (или то), кто (или что) познает, мыслит и действует, в отличие от объекта как того, на что направлены мысль и действие; носитель действия. Суперпози́ции при́нцип – 1) в классической физике: результирующий эффект от нескольких независимых воздействий на объект, представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности; справедлив для систем или полей, описываемых линейными уравнениями, в том числе в механике, теории колебаний и волн, теории физических полей; 2) в квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, то она может также находиться в состоянии, описываемом линейной комбинацией этих функций. Сцинтилля́ция (от лат. scintillatio – мерцание) – кратковременная (10 –4 ÷ 10 –9 с) световая вспышка. Температу́ра (от лат. temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние) – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова, в противном случае между ее частями происходит теплообмен. Теоретически температура определяется на основе второго начала 154 термодинамики как производная от энергии тела по его энтропии. За единицу абсолютной температуры в СИ принят кельвин (К). Значения температуры по шкале Цельсия (𝑡, °С) связаны с абсолютной температурой соотношением 𝑡 = 𝑇 − 273,15 K. Те́ра (от греч. teras – чудовище) – приставка к наименованию единицы физической величины для образования наименования кратной единицы, равной 10 12 исходных единиц. Термо́метр (от греч. therme – тепло и metreo – измеряю) – прибор для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой. Термоста́т (от греч. therme – тепло и statos – стоящий, неподвижный) – прибор для поддержания постоянной температуры. Поддержание температуры обеспечивается либо за счёт использования терморегуляторов, либо осуществлением фазового перехода (например, таяние льда). Для уменьшения потерь тепла или холода термостаты, как правило, теплоизолируют, но не всегда. Широко известны автомобильные моторы, где летом нет никакой теплоизоляции и за счет действия восковых термостатов поддерживается постоянная температура. Другим примером термостата является холодильник. В термодинамике термостатом часто называют систему, обладающую столь большой теплоемкостью, что подводимое к ней тепло не меняет ее температуру. То́нна (т) (франц. tonne, от позднелат. tunna – бочка) – единица массы, равная 1000 кг. Траекто́рия (от позднелат. trajectorius – относящийся к перемещению) – непрерывная линия, которую описывает точка при своем движении. Трек (от англ. track – след, путь) – след, оставляемый частицей в веществе. Фа́за (от греч. phasis – проявление) – определенный момент в развитии явления, в изменении формы или состояния тела; различные состояния какого-либо периодического явления. Термодинамическая фаза – термодинамически равновесное 155 состояние вещества, качественно отличное по своим свойствам от других равновесных состояний того же вещества. Подразумевается способность вещества переходить из одной фазы в другую. Разные фазы вещества всегда имеют границы (поверхности) раздела между собой. Фаза колебаний– состояние колебательного процесса в определенный момент времени. Фе́мто (ф) (от дат. femten – пятнадцать) – приставка к наименованию единицы физической величины для образования наименования дольной единицы, равной 10 –15 от исходной. Фи́зика (от др.-греч. φύσις – природа) – область естествознания, представляющая собой науку о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, ее структуре и движении. На стыке физики и других естественных наук возникли астрофизика, биофизика, геофизика, химическая физика и другие науки. Физи́ческий сигна́л – сигнал, определенный на конечном интервале времени и измеренный с конечной точностью. Флуктуа́ции (от лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения физических величин от их средних значений. Фо́кус (от лат. focus – очаг, огонь) – точка, в которой после прохождения параллельным пучком лучей оптической системы пересекаются лучи пучка (или их продолжения, если система превращает параллельный пучок в расходящийся). Фото́н (от греч. phos, род. падеж photos – свет) – элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения и являющаяся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фотон безмассовая частица, способная существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики 156 фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно- волновой дуализм: он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Цель – желаемый результат (предмет стремления), финальный результат, на который преднамеренно направлен процесс. Це́нтнер (ц) (нем. Zentner, от лат. centenarius – содержащий 100 единиц) – единица массы, равная 100 кг. Экспериме́нт (от лат. experimentum — проба, опыт) – метод эмпирического познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях получают знание относительно причинных связей между явлениями и объектами либо обнаруживают новые свойства объектов или явлений. В так называемых решающих экспериментах проверке может подвергаться теория в целом. Эксперимент позволяет: 1) изучать явление в чистом виде, когда искусственно устраняются побочные (фоновые) факторы; 2) исследовать свойства предмета в искусственно создаваемых экстремальных условиях или вызывать явления, слабо или вообще не проявляющиеся в естественных режимах; 3) планомерно изменять и варьировать различные условия для получения искомого результата; 4) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксируемых и повторяющихся условиях. К эксперименту обычно обращаются: для обнаружения у объекта ранее неизвестных свойств; для получения знания, не вытекающего из наличного (исследовательские эксперименты); для проверки правильности гипотез или каких-либо теоретических построений (проверочные эксперименты); для демонстрации явления в учебных целях (демонстрационные эксперименты). Электро́н (от греч. ēlektron – янтарь) – стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным 1/2) и как лептон. Единственный (наравне со 157 своей античастицей – позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона – единицей массы. Электри́ческий заря́д (количество электричества) – это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 г. Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) – кулон (Кл). Один кулон равен электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника с током силой в 1 A за время 1 с. Электрический заряд в один кулон очень велик. Если бы два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом (𝑞 1 = 𝑞 2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅10 9 H, т.е. с силой, равной по величине силе, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 млн т. Элемента́рные части́цы – мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц – способность к взаимным превращениям. Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т.д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома – протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее по 158 современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента. Эмпири́ческий зако́н – закон, получаемый из опыта, имеющий силу только при определенных условиях и предпосылках, что обуславливает его относительный характер. Эне́ргия (др.-греч. ἐνέργεια – действие, деятельность, сила, мощь) – скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то ее энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Энергия определяет способность тела совершить работу. Энтальпи́я (теплосодержание) (от греч. enthalpo – нагреваю) – термодинамический потенциал, характеризующий состояние макроскопической системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве основных независимых переменных энтропии 𝑆 и давления 𝑃. Энтальпия – экстенсивная величина: для составной системы она равна сумме энтальпий ее независимых частей. Как и внутренняя энергия, энтальпия определяется с точностью до произвольного постоянного слагаемого. Энтропи́я (от греч. entropia – поворот, превращение) – понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии или бесполезности энергии (потому что не всю энергию системы можно использовать для превращения в какую-нибудь полезную работу). Для понятия энтропии в термодинамике используют название термодинамическая энтропия. Термодинамическая энтропия обычно применяется для описания равновесных (обратимых) процессов. В статистической физике энтропия характеризует вероятность осуществления какого-либо макроскопического состояния. Кроме физики, термин широко 159 употребляется в математике: теории информации и математической статистике. В этих областях знания энтропия определяется статистически и называется статистической, или информационной, энтропией. Данное определение энтропии известно также как энтропия Шеннона (в математике) и энтропия Больцмана – Гиббса (в физике). Хотя понятия термодинамической и информационной энтропии вводятся в рамках различных формализмов, они имеют общий физический смысл – логарифм числа доступных микросостояний системы, умноженный на некоторую постоянную. Взаимосвязь этих понятий впервые установил Людвиг Больцман. В неравновесных (необратимых) процессах энтропия также служит мерой близости состояния системы к равновесному: чем больше энтропия, тем ближе система к равновесию (в состоянии термодинамического равновесия энтропия системы максимальна). Юстиро́вка (от лат. justus – правильный) – совокупность операций по приведению средств измерений в состояние, обеспечивающее их правильное функционирование. При юстировке приборов осуществляется проверка и наладка измерительного и/или оптического прибора, подразумевающая достижение верного взаиморасположения элементов прибора и правильного их взаимодействия. Для обозначения подобных действий к различным приборам также применяют термин «регулировка» или «калибровка». Я́дерная реа́кция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 г., бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и 160 идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса. По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида: 1) реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ); 2) прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро; главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц. Ядро́ а́томное – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса (более 99,9%) и весь положительный электрический заряд. Заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Атомные ядра изучает ядерная физика. 161 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………….....…... 3 Лабораторная работа № 1. Определение моментов инерции твердых тел с помощью крутильных колебаний………...…. 5 Лабораторная работа № 2. Определение моментов инерции металлических колец при помощи маятника Максвелла….. 21 Лабораторная работа № 3. Маятник Обербека……………….. 34 Лабораторная работа № 4. Изучение закона Гука……………. 47 Лабораторная работа № 5. Определение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника……. 63 Лабораторная работа № 6. Изучение затухающих колебаний 79 Лабораторная работа № 7. Исследование законов сохранения импульса и энергии с использованием воздушной дорожки………………………………………...... 90 Лабораторная работа № 8. Определение модуля упругости стержня по изгибу………………………………………...….. 108 Глоссарий……………………………………………………….. 128 Учебное издание С к а ч е д у б Александр Валерьевич МЕХАНИКА. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ Лабораторный практикум Подписано в печать 10.11.2020. Выход в свет 27.11.2020. Формат 60×84 1 / 16 . Печать цифровая. Уч.-изд. л. 10,0. Тираж 500 экз. Заказ №4338. Кубанский государственный университет 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Издательско-полиграфический центр КубГУ 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. |