Содержание
Построить и визуализировать траекторию движения ракеты взлетаю- щей из пункта A и приземляющуюся в пункт B на поверхности Земли, считая силу сопротивления воздуха пропорциональной квадрату скоро- сти.
Построить модель и изобразить колебания математического маятника.
Как же хорошо, что у нас нет таких курсовых
Математический маятник
Математический маятник – это частный случай физического маятника, масса которого находится в одной точке.
Обычно математическим маятником считают маленький шарик (материальную точку), имеющий большую массу, подвешенный на длинной нерастяжимой нити (подвесе). Это идеализированная система, которая совершает колебания под воздействием силы тяжести. Только для углов порядка 50-100 математический маятник является гармоническим осциллятором, то есть совершает гармонические колебания.
Изучая качание паникадила на длинной цепи Галилей изучал свойства математического маятника. Он понял, что период колебаний данной системы не зависит от амплитуды при малых углах отклонения.
Формула для периода колебаний математического маятника
Пусть точка подвеса маятника неподвижна. Груз, подвешенный к нити маятника, движется по дуге окружности (рис.1(a)) с ускорением, на него действует некоторая возвращающая сила ($overline
где $L$ – длина окружности; $v$ – скорость движения груза. Если углы отклонения нити от вертикали малые (небольшие амплитуды колебаний) то полагают, что возвращающая сила ($F_1$) направлена по радиусу окружности, которую описывает груз. Тогда эта сила равна центростремительной силе:
Рассмотрим подобные треугольники: AOB и DBC (рис.1 (b)).
Приравниваем правые части выражений (2) и (3), выражаем скорость движения груза:
Полученную скорость подставим в формулу (1), имеем:
Из формулы (5) мы видим, что период математического маятника зависит только от длины его подвеса (расстояния от точки подвеса до центра тяжести груза) и ускорения свободного падения. Формулу (5) для периода математического маятника называют формулой Гюйгенса, она выполняется, когда точка подвеса маятника не движется.
Используя зависимость периода колебаний математического маятника от ускорения свободного падения, определяют величину данного ускорения. Для этого измеряют длину маятника, рассматривая большое количество колебаний, находят период $T$, затем вычисляют ускорение свободного падения.
Примеры задач с решением
Задание. Как известно, величина ускорения свободного падения зависит от широты. Каково ускорение свободного падения на широте Москвы, если период колебаний математического маятник длиной $l=2,485cdot <10>^<-1>$м равен T=1 c? extit<>
Решение. За основу решения задачи примем формулу периода математического маятника:
Выразим из (1.1) ускорение свободного падения:
Вычислим искомое ускорение:
Ответ. $g=9,81frac<м><с^2>$
Задание. Каким будет период колебаний математического маятника, если точка его подвеса движется вертикально вниз 1) с постоянной скоростью? 2) с ускорением $a$? Длина нити этого маятника равна $l.$
Решение. Сделаем рисунок.
1) Период математического маятника, точка подвеса которого движется равномерно, равен периоду маятника с неподвижной точкой подвеса:
2) Ускорение точки подвеса маятника можно рассматривать как появление дополнительной силы, равной $F=ma$, которая направлена против ускорения. То есть, если ускорение направлено вверх, то дополнительная сила направлена вниз, значит, она складывается с силой тяжести ($mg$). Если точка подвеса движется с ускорением, направленным вниз, то дополнительная сила вычитается из силы тяжести.
Период математического маятника, который совершает колебания и у которого точка подвеса движется с ускорением, найдем как:
Ответ. 1) $T_1=2pi sqrt<frac
| Период | |
|---|---|
T <displaystyle T>  |
|
| Размерность | T |
| Единицы измерения | |
| СИ | с |
Период колеба́ний — наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние [1] , в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно).
В принципе совпадает с математическим понятием периода функции, но имея в виду под функцией зависимость физической величины, совершающей колебания, от времени.
Это понятие в таком виде применимо как к гармоническим, так и к ангармоническим строго периодическим колебаниям (а приближенно — с тем или иным успехом — и непериодическим колебаниям, по крайней мере к близким к периодичности).
В случае, когда речь идет о колебаниях гармонического осциллятора с затуханием, под периодом понимается период его осциллирующей составляющей (игнорируя затухание), который совпадает с удвоенным временным промежутком между ближайшими прохождениями колеблющейся величины через ноль. В принципе, это определение может быть с большей или меньшей точностью и пользой распространено в некотором обобщении и на затухающие колебания с другими свойствами.
Обозначения: обычное стандартное обозначение периода колебаний: T <displaystyle T> (хотя могут применяться и другие, наиболее часто это τ <displaystyle au > , иногда Θ <displaystyle Theta > и т. д.).
Единицы измерения: секунда и, в принципе, вообще единицы измерения времени.
Период колебаний связан соотношением взаимной обратности с частотой:
T = 1 ν , ν = 1 T . <displaystyle T=<frac <1><
u >>,
u =<frac <1>
Для волновых процессов период связан кроме того очевидным образом с длиной волны λ <displaystyle lambda >
v = λ ν , T = λ v , <displaystyle v=lambda
u , T=<frac <lambda >
где v <displaystyle v> — скорость распространения волны (точнее [2] — фазовая скорость).
В квантовой физике период колебаний прямо связан с энергией (поскольку в квантовой физике энергия объекта — например, частицы — есть частота [3] колебаний его волновой функции).
Теоретическое вычисление периода колебаний той или иной физической системы сводится, как правило, к нахождению решения динамических уравнений (уравнения), описывающего эту систему. Для категории линейных систем (а приближенно — и для линеаризуемых систем в линейном приближении, которое зачастую является очень хорошим) существуют стандартные сравнительно простые математические методы, позволяющие это сделать (если известны сами физические уравнения, описывающие систему).
Для экспериментального определения периода используются часы, секундомеры, частотомеры, стробоскопы, строботахометры, осциллографы. Также применяются биения, метод гетеродинирования в разных видах, используется принцип резонанса. Для волн можно померить период косвенно — через длину волны, для чего применяются интерферометры, дифракционные решётки итп. Иногда требуются и изощренные методы, специально разработанные для конкретного трудного случая (трудность могут представлять как само измерение времени, особенно если речь идет о предельно малых или наоборот очень больших временах, так и трудности наблюдения колеблющейся величины).
Содержание
Периоды колебаний в природе [ править | править код ]
Представление о периодах колебаний различных физических процессов дает статья Частотные интервалы (учитывая то, что период в секундах есть обратная величина частоты в герцах).
Некоторое представление о величинах периодов различных физических процессов также может дать шкала частот электромагнитных колебаний (см. Электромагнитный спектр) .
Периоды колебаний слышимого человеком звука находятся в диапазоне
от 5·10 −5 с до 0,2с
(четкие границы его несколько условны).
Периоды электромагнитных колебаний, соответствующих разным цветам видимого света — в диапазоне
от 1,1·10 −15 с до 2,3·10 −15 с.
Поскольку при экстремально больших и экстремально маленьких периодах колебаний методы измерения имеют тенденцию становятся всё более косвенными (вплоть до плавного перетекания в теоретические экстраполяции), трудно назвать четкую верхнюю и нижнюю границы для периода колебаний, измеренного непосредственно. Какую-то оценку для верхней границы может дать время существования современной науки (сотни лет), а для нижней — период колебаний волновой функции самой тяжелой из известных сейчас частиц.
В любом случае границей снизу может служить планковское время, которое столь мало, что по современным представлениям не только вряд ли может быть вообще как-то физически измерено [4] , но и вряд ли в более-менее обозримом будущем представляется возможность приблизиться к измерению величин даже намного порядков больших, а границей сверху — время существования Вселенной — более десяти миллиардов лет.
Периоды колебаний простейших физических систем [ править | править код ]
Пружинный маятник [ править | править код ]
Период колебаний пружинного маятника может быть вычислен по следующей формуле:
T = 2 π m k <displaystyle T=2pi <sqrt <frac ,
где m <displaystyle m> — масса груза, k <displaystyle k> — жёсткость пружины.
Математический маятник [ править | править код ]
T = 2 π l g <displaystyle T=2pi <sqrt <frac
где l <displaystyle l> — длина подвеса (к примеру, нити), g <displaystyle g> — ускорение свободного падения.
Период малых колебаний (на Земле) математического маятника длиной 1 метр с хорошей точностью [5] равен 2 секундам.
Физический маятник [ править | править код ]
T = 2 π J m g l <displaystyle T=2pi <sqrt <frac
где J <displaystyle J> — момент инерции маятника относительно оси вращения, m <displaystyle m> — масса маятника, l <displaystyle l> — расстояние от оси вращения до центра масс.
Крутильный маятник [ править | править код ]
T = 2 π I K <displaystyle T=2pi <sqrt <frac
где I <displaystyle I> — момент инерции маятника относительно оси кручения, а K <displaystyle K> — вращательный коэффициент жёсткости маятника.
Электрический колебательный (LC) контур [ править | править код ]
T = 2 π L C <displaystyle T=2pi <sqrt ,
где L <displaystyle L> — индуктивность катушки, C <displaystyle C> — ёмкость конденсатора.
Эту формулу вывел в 1853 году английский физик Уильям Томсон.
Примечания [ править | править код ]
- ↑ Состояние механической системы характеризуется положениями и скоростями всех её материальных точек (строже говоря — координатами и скоростями, соответствующими всем степеням свободы данной системы), для немеханической — их формальными аналогами (которые также можно назвать координатами и скоростями в смысле абстрактного описания динамической системы — в количестве, также равном количеству её степеней свободы).
- ↑ Для монохроматических волн это уточнение самоочевидно, для близких к монохроматическим — интуитивно очевидно по аналогии со строго монохроматическими, для существенно немонохроматических — наиболее ясный случай сводится к тому, что фазовые скорости всех монохроматических компонент совпадают друг с другом, поэтому комментируемое утверждение также верно.
- ↑ С точностью до единиц измерения: в традиционных (обычных) системах физических единиц частота и энергия измеряются в разных единицах (поскольку до появления квантовой теории совпадение энергии и частоты было неизвестно, и, естественно, для каждой из величин была выбрана своя независимая единица измерения), поэтому при измерении их в обычных (разных) единицах, например, джоулях и герцах требуется переводной коэффициент (так называемая константа Планка). Однако можно выбрать систему единиц измерения так, чтобы в ней константа Планка стала равной 1 и пропала из формул; в такой системе единиц энергия любой частицы просто равна частоте колебания её волновой функции (а значит обратна периоду этого колебания).
- ↑ Имеется в виду, конечно же, невозможность экспериментального измерения времен конкретных процессов или периодов колебаний такого порядка, а не просто вычисление некоторого числа.
- ↑ Лучше, чем 0,5 %, если взять метрологическое или принятое техническое значение ускорения свободного падения; И с разбросом
0.53 % для максимального и минимального значений ускорения свободного падения, наблюдаемых на земле.
