- •В.М. Полунин, г.Т. Сычёв Сборник тестовых задач по физике
- •Часть 1
- •Оглавление
- •1. Физические основы механики 10
- •3. Основы молекулярной физики и термодинамики 136
- •От авторов
- •Введение
- •Общие методические указания к решению задач и выполнению контрольных заданий
- •1. Физические основы механики
- •1.1. Примеры решения задач
- •1.2. Задачи первого уровня сложности для самостоятельного решения
- •2. Физические основы механики
- •2.1. Примеры решения задач
- •2.2. Задачи первого уровня сложности для самостоятельного решения
- •3. Основы молекулярной физики и термодинамики
- •3.1. Примеры решения задач
- •3.2. Задачи первого уровня сложности для самостоятельного решения
- •Рекомендательный список литературы Основной
- •Дополнительный
- •Физические основы механики. Основные понятия, определения и законы п 1.1. Кинематика и динамика
- •9) Полное ускорение a:
- •10) Среднее ускорение при неравномерном движении:
- •1) В подвижной
- •2) В неподвижной
- •В случае переменной массы
- •П 1.2. Волновые процессы. Акустика
- •П 1.3. Энергия, работа, мощность. Законы сохранения в механике
- •П 1.4. Поле тяготения. Движение в поле центральных сил
- •П 1.5. Основы специальной теории относительности
- •Приложение 2 Основы молекулярной физики и термодинамики. Основные понятия, определения и законы п 2.1. Конденсированное состояние. Кинематика и динамика жидкостей
- •П 2.2. Основные понятия, определения и законы молекулярной физики и термодинамики
- •П 2.3. Статистический метод исследования
- •П 2.4. Основы термодинамики
- •П 2.5. Реальные газы. Фазовые равновесия и превращения
- •2.6. Кинетические явления
- •Приложение 3 Правила приближённых вычислений
- •Приложение 4
9) Полное ускорение a:
.
10) Среднее ускорение при неравномерном движении:
.
Принцип относительности Галилея (в классической механике) – никакие опыты, проводимые в инерциальных системах отсчета с механическими приборами, не позволяют установить, покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно по отношению к другой инерциальной системе отсчета. Предполагается, что время не зависит от относительного движения систем отсчета.
Преобразования Галилея определяют положение произвольной материальной точки в двух инерциальных системах отсчета, одна из которых движется со скоростью vo относительно другой (при условии, если направление скорости v0 совпадает с направлением ro):
r=r'+r0=r'+vot; t=t'.
где r и r' – радиус – векторы, определяющие положение материальной точки в неподвижной и подвижной системе отсчета в данный момент времени;
ro – радиус вектор, определяющий положение начала координат системы К' (подвижной) в системе К (неподвижной).
В проекциях на оси координат в произвольный момент времени t положение выбранной точки в системе К можно определить так:
x=x'+v0xt, x'=x – v0xt,
у=у'+v0уt, у'=у – v0уt,
z=z'+v0zt, z'=z – v0zt,
t=t'. t=t'.
Ковариантные или инвариантные уравнения – уравнения, обе части которых при переходе от одной системы координат к другой преобразуются одинаково и сохраняют свой вид во всех инерциальных системах отсчета.
Закон сложения скоростей в классической механике:
v=v'+v0.
Относительное расстояние между выбранными точками пространства в системах отсчета определяется соотношением – они абсолютны, т.е. инвариантны:
1) В подвижной
,
2) В неподвижной
.
Инварианты преобразований – инвариантные величины (расстояния между телами (точками), промежутки времени между событиями, относительные скорости тел, ускорения).
Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси – движение, при котором какие – либо две его точки остаются неподвижными в процессе движения. Прямая, проходящая через эти точки, – ось вращения; все остальные точки твердого тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, центры которых лежат на этой оси (рис. П 1. 3).
Основные кинематические характеристики вращательного движения (рис. П 1. 4):
1) угол поворота – угол, отсчитанный между двумя последовательными положениями радиуса R.
2) угловая скорость – векторная физическая величина, показывающая, как изменяется угол поворота в единицу времени, численно равная первой производной от угла поворота по времени. Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения в сторону, определяемую правилом правого винта:
3) угловое ускорение – векторная физическая величина, характеризующая изменение угловой скорости в единицу времени, численно равная первой производной от угловой скорости по времени или второй производной от угла поворота по времени Направление вектора углового ускорения совпадает с направлением вектора угловой скорости в случае ускоренного вращения и противоположно – в случае замедленного:
Период вращения (T) – время, в течение которого тело совершает один полный оборот.
Частота вращения (n) – число оборотов, совершаемых в единицу времени.
Круговая (циклическая) частота ω – число оборотов, совершаемых за время, равное 2π.
Связь между периодом, частотой и круговой частотой:
ω=2πn=2π/T; n=1/T.
Связь между линейными и угловыми скоростями и ускорениями:
Колебательные движения (колебания) – движения или процессы, обладающие повторяемостью во времени.
Гармонические колебания (простейший вид колебаний) – движения, при которых смещение материальной точки (тела) от положения равновесия изменяется по закону синуса или косинуса (рис. П 1. 5):
x=x0sin(0t+0),
где x – смещение это удаление материальной точки от положения равновесия в данный момент времени t;
x0 – амплитуда колебаний это максимальное удаление материальной точки от положения равновесия;
(t+0) – фаза колебаний. Периодически изменяющийся аргумент функции, описывающей колебательный или волновой процесс. Определяет положение материальной точки в данный момент времени t;
0 – начальная фаза колебаний. Определяет положение материальной точки в начальный момент времени t=0;
=2/T=2n – круговая (циклическая) частота колебаний;
T – период колебаний;
n – частота колебаний.
Скорость при гармоническом колебательном движении (колебательная скорость) – физическая величина, которая показывает, как изменяется смещение в единицу времени, численно равная первой производной от смещения по времени:
.
Ускорение при гармоническом колебании – физическая величина, которая показывает, как изменяется скорость в единицу времени, численно равная первой производной от скорости или второй производной от смещения по времени:
.
Знак "минус" означает – ускорение направлено в сторону, противоположную смещению.
Сложение гармонических колебаний одного направления (рис. П 1. 6) с одинаковыми амплитудами и частотами (x01=x02; 1=2=), но разными начальными фазами (02 01), проводят аналитически. Уравнение результирующего колебания имеет вид
где – амплитуда результирующего колебания;
– фаза результирующего колебания.
Биения – возникают при сложение колебаний одного направления (рис. П 1. 7), с одинаковыми амплитудами (x02=x01), начальными фазами 01=02=0 и круговыми частотами, мало отличающимися друг от друга (1 2). Уравнения таких колебаний имеют вид
x1=x01sin1t; x2=x01sin2t.
Уравнение результирующего колебания:
x=x1+x2=2x01,
где – амплитуда результирующего колебания, которая зависит от =1 – 2 – разности частот складываемых колебаний;
– смещение результирующего колебания, изменяющееся по гармоническому закону;
Частота и период результирующего колебания:
Частота и период изменения амплитуды в этом случае:
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний приводит к тому, что траектория движения представляет собой замкнутые фигуры, называемые фигурами Лиссажу (рис. П 1. 8):
1) сложение колебаний с одинаковыми частотами (1=2=), различными амплитудами (x0 y0) с начальными фазами 1=2=0 – результирующее колебание – гармоническое. Траектория движения – прямая линия, уравнение которой имеет вид
y=(y0/x0)x;
2) сложение колебаний, начальные фазы 1 и 2 которых отличаются на /2 (1 – 2=/2) – результирующее колебание – гармоническое. Траектория движения – эллипс (при равных амплитудах x0=y0 – траектория результирующего движения – окружность) с полуосями, равными, x0 и y0, уравнение которого:
(y/y0)2+(x/x0)2=1;
3) сложение колебаний, периоды которых относятся как целые числа – через промежуток времени, равный наименьшему кратному обоих периодов, движущаяся точка возвращается в начальное положение – получаются фигуры Лиссажу более сложной формы.
Динамика изучает движение и взаимодействия тел совместно с причинами, обусловливающими тот или иной характер движения и взаимодействия.
Основная задача динамики – для данного тела по известной силе найти его ускорение и, наоборот, по известному ускорению найти результирующую силу, действующую на тело.
Масса m – физическая величина, характеризующая количество вещества, инертность, гравитационные свойства и энергию материального тела. Массу тела, определяющую его инертные свойства, называют инертной массой.
Центр масс (или центр инерции) системы – воображаемая точка С, положение которой характеризует распределение массы этой системы и определяется радиус – вектором:
,
где mi и ri – соответственно масса и радиус – вектор i – й материальной точки;
n – число материальных точек в системе.
Скорость центра масс
,
где – полный импульс системы.
Импульс p (количество движения) – физическая величина, описывающая свойства движущихся тел, равная произведению массы на скорость:
p=mv.
Полный импульс системы равен произведению массы системы на скорость ее центра масс:
p=mvc.
Покой – частный случай равномерного прямолинейного движения со скоростью v=0.
Инерция – свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Инерциальные системы отсчета – системы отсчета, в которых выполняются первый и второй законы Ньютона (их уравнения и все следствия).
Неинерциальная система отсчета – система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета с ускорением.
Первый закон Ньютона: «Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока равнодействующая всех приложенных сил равна нулю».
Сила F – векторная физическая величина, характеризующая воздействие одних тел на другие. В результате действия силы изменяется состояние движения тела (тело приобретает ускорение) или тело деформируется.
Сила F в механике – мера механического действия на данное материальное тело (данную материальную точку) других тел (других материальных точек) или полей.
Закон независимости действия сил: – при действии на тело нескольких сил, каждая из них сообщает телу такое же ускорение, какое она сообщила, если бы действовала одна.
Принцип суперпозиции сил – допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что воздействия взаимно не влияют друг на друга. Он применим к системам, поведение которых описывается линейными соотношениями.
Сложение нескольких сил, действующих одновременно на материальную точку (тело, систему) – производится геометрически. Действие нескольких сил можно заменить действием одной силы, которая называется равнодействующей (рис. П 1. 9):
;
.
Условие равновесия сил:
.
На рисунке П 1. 10 показано равновесие сил, лежащих в одной плоскости, действующих на материальную точку. Рисунок П 1. 11 соответствует равновесию сил, не лежащих в одной плоскости, действующих на материальную точку. Две силы, действующие под углом на одну материальную точку, не могут уравновесить друг друга ни при каких условиях.
Так же и три силы, не лежащие в одной плоскости, не могут уравновесить друг друга ни при каких условиях (рис. П 1. 12).
Ускорение в динамике a – результат действия силы.
Ускорение материальной точки в инерциальных системах отсчета К и К' одинаково:
; a=a'.
Второй закон Ньютона – изменение импульса пропорционально приложенной силе и направлено вдоль прямой, по которой действует данная сила (основное уравнение движения в классической динамике):
,
При t0
.
При v<<c – ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела:
.