II тур. 11 класс.

1. Бесконечная цепочка состоит из одинаковых шариков массы m, соединенных одинаковыми легкими пружинами жесткостью k. Каждый шарик может двигаться только в направлении вдоль цепочки.

1.1. Найти собственную частоту колебаний одного из шариков _о, если два соседних шарика закреплены.

1.2. По цепочке распространяется продольная бегущая волна, для которой смещение k-го шарика x_k изменяется по гармоническому закону . Найти сдвиг фаз  между колебаниями двух соседних шариков при частоте волн .

1.3. При каких частотах колебаний  по цепочке могут распространяться бегущие волны?

1) Обозначим смещение шарика от конечного положения равновесия через x. Уравнение движения шарика имеет вид: (1). Учитывая, что , из (1) получаем уравнение гармонических колебаний с круговой частотой (2) вида:

2) Обозначим смещение k-го шарика от положения равновесия через . Тогда по закону Гука имеем: , .

Уравнение движения (1) примет вид:

,

или с учетом обозначения (2): (3).

Для бегущей волны . Сдвиги фаз колебаний между соседними шариками  – одинаковы, а выбор начальной фазы колебаний одного из шариков произволен. Поэтому подставляя в (3) следующие выражения для смещения:

, , .

Получим:

.

Учитывая соотношение , и сокращая на , находим (4) или .

Два знака соответствуют бегущим волнам, распространяющимся в разных направлениях.

3) Так как , находим (5).

2. В кабине космического корабля имеется высокочастотная печь для исследования плавления в условиях невесомости. Нужно расплавить металлический шар, который хорошо проводит тепло. Разработайте методику экспериментального определения времени полного расплавления шара.

Примечание:

1) Теплообмен шара с окружающей средой пропорционален разности температур;

2) Исследователь имеет возможность визуально наблюдать процесс плавки, а также изменять мощность печи и пользоваться справочными данными.

t_o = 0 – начало плавки, так как шар обладает высокой теплопроводностью, то он быстро прогреется и, следовательно, температуру внутри шара можно считать не зависящей от радиальной координаты. Очевидно, что из-за разности температур внутри шара и вне он будет излучать. Шар начнет плавиться с поверхности. Из-за того, что опыт проводится в условиях невесомости, образующаяся жидкая пленка будет покрывать шар и никуда не будет стекать. В итоге получится жидкая капля радиусом, равным радиусу шара.

Визуально можно заметить начало плавления, но нельзя судить расплавился весь шар или нет. Запишем уравнение теплового баланса.

(1),

где t – время (в секундах); , , , – теплоемкость, плотность, объем шара и температура плавления шара соответственно;  – удельная теплота плавления; T_o – температура окружающей среды;  – доля расплавившегося к моменту времени t объема; – излученная с поверхности энергия. (2), где R – радиус шара; – некоторый коэффициент; – тепло, излученное за время t₁, равное нагреву шара от T_o до T_пл: при t < t₁ плавления еще нет, а при t > t₁ плавление уже есть.

Из (1), (2), (3) можно получить: (4), при полном расплаве шара  = 1, P, R, T_o, t₁ – можно измерить,  и можно взять из справочника.

Для опытного определения коэффициента можно использовать следующее. Изменяя мощность печи добиваются такого ее значения, при котором подводимая мощность будет равна теряемой шаром на излучение. В этом случае , но он еще не плавится. Тогда из уравнения

, по измеряемым величинам R, , T_o, P₁ найдем коэффициент .