Коливання, що відбуваються під дією сили, що повертає. Основна властивість коливальних систем. Швидкість звуку залежить від

Механічні коливання – це рухи, які точно або приблизно повторюються через певні проміжки часу. (наприклад, коливання гілки на дереві, маятника годинника, автомобіля на ресорах і так далі)

Коливання бувають вільнимиі вимушеними.

Коливання, що виникають у системі під впливом внутрішніх сил, називаютьсявільними. Усі вільні коливання згасають. (наприклад: коливання струни після удару)

Коливання, що здійснюються тілами під дією зовнішніх сил, що періодично змінюються, називаютьсявимушеними (наприклад: коливання металевої заготовки під час роботи коваля молотом).

Умови виникнення вільних коливань :

При виведенні тіла з положення рівноваги в системі має виникнути сила, яка прагне повернути його до положення рівноваги;
Сили тертя в системі повинні бути дуже малі (тобто прагнути нуля).

… Е кін → Е р → Е кін →…

На прикладі коливань тіла на нитки бачимо перетворення енергії . У 1 положенні спостерігаємо рівновагу коливальної системи. Швидкість і, отже, кінетична енергія тіла є максимальною. При відхиленні маятника від рівноваги він піднімається на висоту h щодо нульового рівня, отже, у точці А маятник має потенційну енергію Е р . При русі до положення рівноваги, до точки О, зменшується висота до нуля, а швидкість вантажу збільшується, і в точці О вся потенційна енергія Е р перетвориться на кінетичну енергію Е кін . У положенні рівноваги кінетична енергія має максимальне значення, а потенційна енергія мінімальна. Після проходження положення рівноваги за інерцією відбувається перетворення кінетичної енергії на потенційну, швидкість маятника зменшується і при максимальному

Рух, у якому стану руху тіла з часом повторюються, причому тіло проходить через положення стійкого рівноваги почергово у протилежних напрямах, називають механічним коливальним рухом.

Якщо стани руху тіла повторюються через певні проміжки часу, то коливання є періодичними. Фізичну систему (тіло), в якій при відхиленні від положення рівноваги виникають та існують коливання, називають коливальною системою.

Коливальний процес у системі може відбуватися під дією як зовнішніх, і внутрішніх сил.

Коливання, які у системі під впливом лише внутрішніх сил, називаються вільними.

Для того, щоб у системі виникли вільні коливання, необхідно:

Наявність положення стійкого рівноваги системы.Так, вільні коливання виникнуть у системі, зображеної малюнку 13.1, а; у випадках б і вони не виникнуть.
Наявність у матеріальної точки надлишкової механічної енергії порівняно з її енергією у положенні сталої рівноваги. Так було в системі (рис. 13.1, а) треба, наприклад, тіло вивести з положення рівноваги: тобто. повідомити надлишок потенційної енергії.
Вплив на матеріальну точку повертає сили, тобто. сили, спрямованої завжди до положення рівноваги. У системі, зображеній на рис. 13.1 а, що повертає силою є рівнодіюча сила тяжкості і сила нормальної реакції \(\vec N\) опори.
В ідеальних коливальних системах сили тертя відсутні, і коливання, що виникли, можуть продовжуватися довго. У реальних умовах коливання відбуваються за наявності сил опору. Щоб коливання виникло і тривало, надмірна енергія, отримана матеріальною точкоюпри зміщенні з положення стійкої рівноваги, не повинна бути повністю витрачена на подолання опору при поверненні цього положення.

Література

Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти. – C. 367-368.

Загальні властивостівсіх коливальних систем:

Наявність становища сталого рівноваги.

Наявність сили, що повертає систему у положення рівноваги.

Характеристики коливального руху:

Амплітуда – найбільше (за модулем) відхилення тіла від положення рівноваги.

Період - проміжок часу, протягом якого тіло робить одне повне коливання.

Частота – кількість коливань в одиницю часу.

Фаза (різниця фаз)

Обурення, що розповсюджуються у просторі, віддаляючись від місця їх виникнення, називаються хвилями.

Необхідною умовою виникнення хвилі є поява в момент виникнення обурення сил, що перешкоджають йому, наприклад сил пружності.

Види хвиль:

Поздовжня - хвиля, в якій коливання відбуваються вздовж напряму розповсюдження хвилі

Поперечна - хвиля, в якій коливання відбуваються перпендикулярно до напряму їх поширення.

Характеристики хвилі:

Довжина хвилі - відстань між найближчими точками, що коливаються в однакових фазах.

Швидкість хвилі – величина чисельно рівна відстані, яку за одиницю часу проходить будь-яка точка хвилі.

Звукові хвиліце поздовжні пружні хвилі. Вухо людини сприймає як звуку коливання з частотою від 20 Гц до 20000 Гц.

Джерело звуку - тіло, що коливається зі звуковою частотою.

Приймач звуку - тіло здатне приймати звукові коливання.

Швидкість звуку – відстань, на яку поширюється звукова хвиля за 1 секунду.

Швидкість звуку залежить від:

Температура.

Характеристики звуку:

Висота тону
Амплітуда
Гучність. Залежить від амплітуди коливань: що більше амплітуда коливань, то голосніше звук.

Білет №9.Моделі будови газів, рідин та твердих тіл. Тепловий рух атомів та молекул. Броунівський рух та дифузія. Взаємодія частинок речовини

Молекули газу, рухаючись у всіх напрямках, майже не притягуються один до одного і заповнюють всю посудину. У газах відстань між молекулами набагато більша за розміри самих молекул. Оскільки в середньому відстані між молекулами в десятки разів більші за розмір молекул, то вони слабо притягуються один до одного. Тому гази не мають власної форми та постійного обсягу.

Молекули рідини не розходяться великі відстані, і рідина у звичайних умовах зберігає свій обсяг. Молекули рідини розташовані близько один до одного. Відстань між кожними двома молекулами менша за розміри молекул, тому тяжіння між ними стає значним.

У твердих тілах тяжіння між молекулами (атомами) набагато більше, ніж в рідин. Тому в звичайних умовах тверді тіла зберігають свою форму та об'єм. У твердих тілах молекули (атоми) розташовані у порядку. Це лід, сіль, метали та ін. Такі тіла називаються кристалами.Молекули або атоми твердих тіл коливаються біля певної точки і можуть далеко переміститися від неї. Тверде тіло тому зберігає як обсяг, а й форму.

Т.к. зі швидкістю руху молекул пов'язана його t, то хаотичний рух молекул, з яких складаються тіла, називають тепловим рухом. Тепловий рух відрізняється від механічного тим, що в ньому бере участь безліч молекул і кожна рухається безладно.

Броунівський рух – це безладний рух малих частинок, зважених у рідині чи газі, що відбувається під впливом ударів молекул довкілля. Відкрито та вперше досліджено у 1827 р. англійським ботаніком Р. Брауном як рух квіткового пилку у воді, видимий при сильному збільшенні. Броунівський рух не припиняється.

Явище, у якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, називають дифузією.

Між молекулами речовини є взаємне тяжіння. Між молекулами речовини водночас є відштовхування.

На відстані, порівнянних із розмірами самих молекул, помітніше проявляється тяжіння, а при подальшому зближенні відштовхування.

Квиток№ 10. Теплова рівновага. Температура. Вимірювання температури. Зв'язок температури зі швидкістю хаотичного руху частинок

Дві системи перебувають у стані теплового рівноваги, якщо за контакті через діатермічну перегородку параметри стану обох систем не змінюються. Діатермічна перегородка не перешкоджає тепловому взаємодії систем. При тепловому контакті дві системи входять у стан теплового рівноваги.

Температура - фізична величина, що приблизно характеризує припадає на один ступінь свободи середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що перебуває у стані термодинамічної рівноваги.

Температура – фізична величина, що характеризує ступінь нагрівання тіла.

Температура вимірюється термометрами. Основні одиниці вимірювання температури - це Цельсій, Фаренгейт та Кельвін

Термометр - пристрій, що використовується для вимірювання температури даного тіла шляхом порівняння з опорними значеннями, що умовно вибрані за точки відліку і дозволяють встановити шкалу вимірювань. При цьому в різних термометрах використовуються різні зв'язки між температурою і якоюсь властивістю приладу, що спостерігається, яке можна вважати лінійно залежним від температури.

У разі збільшення температури середня швидкість руху частинок збільшується.

При зменшенні температури середня швидкість руху зменшується.

Білет №11.Внутрішня енергія. Робота та теплопередача як способи зміни внутрішньої енергії тіла. Закон збереження енергії у теплових процесах

Енергію руху та взаємодії частинок, з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією тіла.

Внутрішня енергія тіла залежить ні від механічного руху тіла, ні від становища цього тіла щодо інших тіл.

Внутрішню енергію тіла можна змінити двома способами: здійсненням механічної роботи чи теплопередачею.

теплопередачею.

У разі підвищення температури внутрішня енергія тіла збільшується. Зі зниженням температури внутрішня енергія тіла зменшується. Внутрішня енергія тіла збільшується під час виконання над ним роботи.

Механічна та внутрішня енергія можуть переходити від одного тіла до іншого.

Цей висновок справедливий для всіх теплових процесів. При теплопередачі, наприклад, тіло нагріте віддає енергію, а тіло менш нагріте отримує енергію.

При переході енергії від одного тіла до іншого або при перетворенні одного виду енергії на інший енергія зберігається .

Якщо між тілами відбувається теплообмін, то внутрішня енергія всіх тіл, що нагріваються, збільшується настільки, наскільки зменшується внутрішня енергія остигаючих тіл.

Квиток№ 12. Види теплопередачі: теплопровідність, конвекція, випромінювання. Приклади теплопередачі у природі та техніці

Процес зміни внутрішньої енергії без роботи над тілом або самим тілом називається теплопередачею.

Перенесення енергії від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих внаслідок теплового руху та взаємодії частинок називається теплопровідністю.

При конвекціїенергія переноситься самими струменями газу чи рідини.

Випромінювання -процес передачі теплоти шляхом випромінювання.

Передача енергії випромінюванням відрізняється від інших видів теплопередачі тим, що вона може здійснюватись у повному вакуумі.

Приклади теплопередачі в природі та техніці:

Вітри.Всі вітри в атмосфері є конвекційними потоками величезного масштабу.

Конвекцією пояснюються, наприклад, вітри бризи, що виникають берегах морів. У літні дні суша прогрівається сонцем швидше, ніж вода, тому повітря над сушею нагрівається більше, ніж над водою, його щільність зменшується і тиск стає менше тиску холоднішого повітря над морем. В результаті, як у судинах, холодне повітря по низу з моря переміщається до берега - дме вітер. Це денний бриз. Вночі вода охолоджується повільніше, ніж суша, і над сушею повітря стає холоднішим, ніж над водою. Утворюється нічний бриз – рух холодного повітря від суходолу до моря.

Тяга.Ми знаємо, що без припливу свіжого повітря горіння палива неможливе. Якщо в топку, в піч, в трубу самовара не надходитиме повітря, то горіння палива припиниться. Зазвичай використовують природний приплив повітря – тягу. Для створення тяги над топкою, наприклад, у котельних установках фабрик, заводів, електростанцій, встановлюють трубу. При горінні палива повітря у ній нагрівається. Отже, тиск повітря, що знаходиться в топці та трубі, стає меншим за тиск зовнішнього повітря. Внаслідок різниці тисків холодне повітря надходить у топку, а тепле піднімається вгору - утворюється тяга.

Чим вище труба, споруджена над топкою, тим більша різниця тисків зовнішнього повітря та повітря в трубі. Тому тяга посилюється зі збільшенням висоти труби.

Опалення та охолодження житлових приміщень.Жителі країн, розташованих у помірних та холодних поясах Землі, змушені обігрівати своє житло. У країнах, розташованих у тропічних та субтропічних поясах, температура повітря навіть у січні досягає + 20 і +30 о С. Тут застосовують пристрої, що охолоджують повітря у приміщеннях. І нагрівання, і охолодження повітря в приміщеннях ґрунтується на конвекції.

Охолодні пристрої доцільно розташовувати нагорі, ближче до стелі, щоб здійснювалася природна конвекція. Адже холодне повітря має щільність більшу, ніж тепле, і тому опускатиметься.

Обігрівальні прилади розташовують унизу. Багато сучасних великих будинках влаштовують водяне опалення. Циркуляція води в ньому та прогрівання повітря в приміщенні відбуваються за рахунок конвекції.

Якщо установка для обігріву будівлі знаходиться в ньому самому, то в підвальному поверсі встановлюють казан, у якому нагрівають воду. По вертикальній трубі, що відходить від котла, гаряча вода піднімається в бак, який зазвичай розміщують на горищі будинку. Від бака проводять систему розподільних труб, якими вода проходить в радіатори, що встановлюються на всіх поверхах, вона віддає їм своє тепло і повертається в котел, де знову підігрівається. Так відбувається природна циркуляція води – конвекція.

Коливальний рух + §25, 26, Упр 23.

Коливання є дуже поширеним видом руху.Коливальні рухи ви напевно хоч раз у житті бачили в маятнику годинника, що коливається, або гілки дерев на вітрі. Швидше за все, ви хоч одного разу смикали за струни гітари і бачили, як вони вібрують. Очевидно, що навіть якщо ви не бачили на власні очі, то хоча б уявляєте собі, як рухається голка у швейній машинці або поршень у двигуні.

У всіх перерахованих випадках ми маємо якесь тіло, що періодично здійснює повторювані рухи. Ось саме такі рухи і називаються у фізиці коливаннями чи коливальними рухами. Коливання зустрічаються у нашому житті дуже часто.

Звук– це коливання щільності та тиску повітря, радіохвилі– періодичні зміни напруженостей електричного та магнітного полів, видиме світло- теж електромагнітні коливання, тільки з дещо іншими довжиною хвилі та частотою.
Землетруси- коливання ґрунту, припливи та відливи- Зміна рівня морів і океанів, що викликається тяжінням Місяця і досягає в деяких місцевостях 18 метрів, биття пульсу– періодичні скорочення серцевого м'яза людини тощо.
Зміна неспання та сну, праці та відпочинку, зими та літа... Навіть наше щоденне ходіння на роботу та повернення додому підпадає під визначення коливань, які трактуються як процеси, які точно або приблизно повторюються через рівні проміжки часу.

Коливання бувають механічні, електромагнітні, хімічні, термодинамічні та інші.Незважаючи на таку різноманітність, всі вони мають між собою багато спільного і тому описуються одними і тими ж рівняннями.

Головна Загальна характеристикарухи, що періодично повторюються - ці рухи повторюються через рівні проміжки часу, що називаються періодом коливання.

Підведемо підсумки:механічні коливання - це рухи тіла, що повторюються точно або приблизно через однакові проміжки часу.

Спеціальний розділ фізики – теорія коливань – займається вивченням закономірностей цих явищ. Знати їх необхідно судно- та літакобудівникам, спеціалістам промисловості та транспорту, творцям радіотехнічної та акустичної апаратури.

У процесі скоєння коливань тіло постійно прагне становищу рівноваги. Коливання і виникають через те, що хтось або щось відхилили дане тіло від його положення рівноваги, надавши таким чином тілу енергію, яка й зумовлює його подальші коливання.

Коливання, що відбуваються лише внаслідок цієї споконвічної енергії, називають вільними коливаннями. Це означає, що їм не потрібна постійна допомога з боку для підтримки коливального руху.

Більшість коливань у реальності життя відбуваються з поступовим загасанням, внаслідок сил тертя, опору повітря тощо. Тому часто вільними коливаннями називають такі коливання, поступовими згасаннями яких на час спостережень можна знехтувати.

При цьому всі тіла, пов'язані і які безпосередньо беруть участь у коливаннях, називають у сукупності коливальною системою . У випадку зазвичай кажуть, що коливальна система – це система, у якій можуть існувати коливання.

Зокрема, якщо коливається на нитці вільно підвішене тіло, то в коливальну систему увійде саме тіло, підвіс, то до чого кріпиться підвіс і Земля з її тяжінням, яке змушує тіло коливатися, постійно повертаючи у стан спокою.

Таке тіло є маятником. У фізиці розрізняють кілька типів маятників ниткові, пружинні та деякі інші. Всі системи, в яких тіло, що коливається, або його підвіс можна умовно уявити у вигляді нитки, є нитяними. Якщо цю кульку змістити убік від положення рівноваги і відпустити, то вона почне вагатися, Т. е. Здійснювати повторювані рухи, періодично проходячи через положення рівноваги.

Ну а пружинні маятники, як легко здогадатися, складаються з тіла і якоїсь пружини, здатної коливатися під дією сили пружності пружини.

Головною моделлю для спостереження коливань обрано так званий математичний маятник. Математичним маятникомназивають тіло невеликих розмірів (порівняно з довжиною нитки), підвішене на тонкій нерозтяжній нитці, маса якої зневажливо мала в порівнянні з масою тіла.Простіше кажучи, у своїх міркуваннях ми взагалі не зважаємо на нитку маятника.

Якими ж властивостями повинні мати тіла, щоб ми могли сміливо сказати, що вони становлять коливальну систему, і ми можемо її описати теоретично і математично.

Ну а як коливальний рух відбувається для ниткового маятника, подумайте самі.