3531

Математический маятник

Контрольная

Физика

Математический маятник. Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити, совершающая колебательное движение в одной вертикальной плоскости под действием силы тяжести. Составляющая веса, перпендикуля...

Русский

2012-11-03

52.48 KB

58 чел.

Математический маятник.

Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на нерастяжимой невесомой нити, совершающая колебательное движение в одной вертикальной плоскости под действием силы тяжести. Составляющая веса, перпендикулярная нити, равна

Знак минус в правой части означает то, что сила F направлена в сторону уменьшения угла α. С учетом малости угла α

Для вывода закона движения математического и физического маятников используем основное уравнение динамики вращательного движения:

Момент силы относительно точки О: M = FL , и момент инерции: Момент инерции J в данном случае. Угловое ускорение:  

С учетом этих величин имеем: или Его решение ,где круговая или циклическая частота  и период колебаний

Как видим, период колебаний математического маятника зависит от его длины и ускорения силы тяжести и не зависит от амплитуды колебаний.

Физический маятник.

Физическим маятником называется твердое тело, закрепленное на неподвижной горизонтальной ocи (оси подвеса), не проходящей через центр тяжести, и совершающее колебания относительно этой оси под действием силы тяжести. В отличие от математического маятника массу такого тела нельзя считать точечной. При небольших углах отклонения α физический маятник так же совершает гармонические колебания. Будем считать, что вес физического маятника приложен к его центру тяжести в точке С. Силой, которая возвращает маятник в положение равновесия, в данном случае будет составляющая силы тяжести – сила F.

Знак минус в правой части означает то, что сила F направлена в сторону уменьшения угла α. С учетом малости угла α

Для вывода закона движения математического и физического маятников используем основное уравнение динамики вращательного движения

. Момент силы: определить в явном виде нельзя. С учетом всех величин, входящих в исходное дифференциальное уравнение колебаний физического маятника имеет вид:

круговая или циклическая частота  и период колебаний. 

Решение этого уравнения

Определим длину l математического маятника, при которой период его колебаний равен периоду колебаний физического маятника, т.е. или. Из этого соотношения определяем

Данная формула определяет приведенную длину физического маятника, т.е. длину такого математического маятника, период колебаний которого равен периоду колебаний данного физического маятника.

Колебательные движения реальной колебательной системы всегда сопровождаются силами трения и сопротивления, которые приводят к уменьшению амплитуды колебаний. Если энергия, потерянная системой, не восполняется за счет внешних сил, то колебания системы называются затухающими, свободными или собственными.

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний линейной системы определяется как (1)

где s – колеблющаяся величина, которая описывает тот или иной физический процесс, δ = const — коэффициент затухания, ω0 - циклическая частота свободных незатухающих колебаний той же колебательной системы, т. е. при δ=0 (при отсутствии потерь энергии) называется собственной частотой колебательной системы. решение уравнения (1) в случае малых затуханий (ω0^2 >> δ^2 ) где — амплитуда затухающих колебаний, а А0 — начальная амплитуда. Промежуток времени Т = 1/ δ, в течение которого амплитуда затухающих колебаний становится меньше в е раз, называется временем релаксации. 

Если затухание мало, то можно условно использовать понятие периода как промежутка времени между двумя последующими максимумами (или минимумами) колеблющейся физической величины и будет равен Если A(t) и А(t + Т) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, которые отличаются на период, то отношение называется декрементом затухания, а его логарифм — логарифмическим декрементом затухания; Ne — число колебаний, которые совершаются за время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания является постоянной величиной для данной колебательной системы. Для характеристики колебательной системы также применяют понятие добротности Q, которая при малых значениях логарифмического декремента будет равна (так как затухание мало (ω0^2 >> σ^2 ), то T принято равным Т0). 

Волны – изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Процесс распространения колебаний в пространстве. Волна в отличие от колебаний характеризуется не только периодичностью во времени, но и периодичностью в пространстве. Основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества в пространстве.

Упругими (или механическими) волнами называются механи-ческие возмущения, возникающие и распространяющиеся в упругой среде. К упругим волнам относятся звуковые и сейсмические волны; к электромагнитным – радиоволны, свет и рентгеновские лучи.

Продольные – это волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещения (колебания) частиц среды.

Поперечные – это волны, направление распространения которых и направление смещения (колебания) частиц среды взаимно перпендикулярны. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны λ. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за один период: λ= vT или λ =v\ν , где λ - длина волны;

T – период волны, т.е. время, за которое совершается один полный цикл колебания; ν - частота, т.е. число периодов в единицу времени.

Направление волны определяется с помощью волнового вектора k. Направление волнового вектора совпадает с направлением вектора скорости: k= ω\v ,где ω - круговая или циклическая частота.

В акустике и оптике численное значение волнового вектора представляют в виде волнового числа: .

Уравнение плоской волны - выражение, которое определяет смещение колеблющейся точки как функцию ее координат и времени, т.е. ξ = ξ(x, у, z, t), где ξ - смещение.

Эта функция должна быть периодической как относительно t, так и относительно x, у, z.

Бегущая волна — волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью (постоянной для однородной среды). С бегущей волной, групповая скорость которой отлична от нуля, связан перенос энергии, импульса или других характеристик процесса. Бегущая волна - волна, которая при распространении в среде переносит энергию (в отличие от стоячей волны). Примеры: упругая волна в стержне, столбе газа, жидкости, электромагнитная волна вдоль длинной линии, в волноводе. Бегущая волна — волновое возмущение, изменяющееся во времени  и пространстве  согласно выражению

где  — амплитудная огибающая волны,   волновое число и   фаза колебаний. Фазовая скорость  этой волны даётся выражением

где  — это длина волны.

Фазовая скорость упругих волн:

а) продольных v=sqrtE\p

б) поперечных v=sqrtG\p

где E – модуль Юнга (характеристика упругих свойств среды, обратная коэффициенту упругости);

G – модуль сдвига (он равен такому тангенциальному напряжению, при котором угол сдвига оказался бы равен 45о, если бы при столь больших деформациях не был превзойден предел упругости). Понятие фазовой скорости справедливо для монохроматических волн.

В случае, когда колебания, обусловленные отдельными волнами в каждой из точек среды, обладают разностью фаз и имеют одинаковую частоту, волны называются когерентными. Когерентные волны излучаются когерентными источниками. Когерентными источниками называют точечные источники, размерами которых можно пренебречь, излучающие в пространство волны с постоянной разностью фаз. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции. Интерференция – это явление наложения когерентных волн, в результате которого происходит перераспределение энергии волны в пространстве. Возникает интерференционная картина, заключающаяся в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других - ослабляют друг друга.

Наиболее часто интерференция возникает при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающая в результате такой интерференции волна называется стоячей. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и встречная - отраженная, складываясь, образуют стоячую волну.

ξ=2ξ0coskxcosωt - уравнение стоячей волны.

Амплитуда стоячей волны A=2ξ0coskx.

1) при kx = ± nπ (n = 0, 1, 2, …) амплитуда максимальна: A = 2ξ0. Точки, в которых амплитуда смещения удваивается, называются пучностями стоячей волны;

2) при kx = ± (2n + 1)π амплитуда обращается в нуль. Эти точки называются узлами стоячей волны.

Расстояние между соседними (узлам) – длина стоячей волны λ0.

Длина стоячей волны λ0=λ\2. Таким образом, длина стоячей волны равна половине длины бегущей волны.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17090. Знаходження розв’язку системи лінійних рівнянь методом ітерацій, складання алгоритму 104.5 KB
  Лабораторна робота №21 Тема. Знаходження розв’язку системи лінійних рівнянь методом ітерацій складання алгоритму. Мета. Навчитися вирішувати систему лінійних рівнянь методом ітерацій с заданою точністю скласти алгоритм. Устаткування: папір формату А4 ПК С Хі
17091. Метод Ейлера вирішення задачі Коші 152 KB
  Лабораторна робота №25 Тема. Метод Ейлера вирішення задачі Коші. Мета. Навчитися будувати розв’язок задачі Коші по методу Ейлера. Скласти програму. Устаткування: папір формату А4 програмне забезпечення Borland С ПК Хід роботи Індивідуальне завдання. Вико...
17092. Метод прогонки розв’язання крайової задачі. Складання програми 40.5 KB
  Лабораторна робота №30 Тема. Метод прогонки розв’язання крайової задачі. Складання програми. Мета. Навчитися використовувати метод прогонки розв’язання крайової задачі звичайного диференційного рівняння. Скласти програму. Устаткування: папір формату А4 ручка кал
17093. Вивчення інтегрованого середовища С 34 KB
  Лабораторна робота № 5 Тема: Вивчення інтегрованого середовища С Ціль роботи: навчитися використовувати інтегроване середовище С. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості Вид інтегрованого середовища і її можливості залежать від типу і версії компілято
17094. Базові конструкції структурного програмування 105.5 KB
  Лабораторна робота № 6 Тема: Базові конструкції структурного програмування. Мета: Навчитися здійснювати запуск Borland C 4.5 створювати новий файл редагування та компіляцію програми базові конструкції структурного програмування . Обладнання: П...
17095. Функції введення/виведення printf(), scanf().Лінійні обчислювальні процеси 99.5 KB
  Лабораторна робота № 7 Тема: Функції введення/виведення printf scanf.Лінійні обчислювальні процеси Ціль роботи: Вивчити формати оголошень і роботу основних функцій уведення/виведення інформації. Навчитися складати прості програми з лінійним обчислювальним процесом. О...
17096. Розробка програм зі скалярними типами даних 90 KB
  Лабораторна робота № 8 Тема: Розробка програм зі скалярними типами даних Ціль роботи: Розглянути і вивчити скалярні типи даних С int char float і ін. і їхнє використання. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості У С перемінні повинні бути оголошені тобто їхній ...
17097. Склад програми циклічної структури з розгалуженням 60 KB
  Лабораторна робота № 9 Тема: Склад програми циклічної структури з розгалуженням. Мета: навчитися складати програми циклічної структури застосовуючи цикли з параметром; працювати в інтегрованому середовищі використовуючи структуру розгалуження. Обладнання: ПК. ...
17098. Розробка програм з циклічними обчислювальними процесами 127.5 KB
  Лабораторна робота № 10 Тема: Розробка програм з циклічними обчислювальними процесами Ціль роботи: Вивчити написання програм мовою С використовуючи ітераційні циклічні методи освоїти основні оператори що підтримують роботу з циклами for while do... while. Навчитися писа...