Объективные (физические) характеристики звука: поток энергии, плотность потока энергии

(интенсивность).

К объективным (физическим ) характеристикам звука относятся характеристики, которые описывают любой волновой процесс: частота, интенсивность и спектральный состав.

Частота звука измеряется числом колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в 1 секунду.

Интенсивность волны измеряется энергией, переносимой волной в единицу времени через единичную площадь (расположенную перпендикулярно направлению распространению волны).

Спектральный состав (спектр) звука указывает из каких колебаний состоит данный звук и как распределены амплитуды между отдельными его составляющими.

Поток звуковой энергии, акустическая мощность — величина, равная отношению звуковой энергии dW, переносимой упругой средой через заданную поверхность, к интервалу времени dt, за который эта энергия переносится:

Единица измерения — ватт (Вт).

плотность потока энергии -интенсивность звуковой волны (ИЗ) - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодических волн усреднение производится за промежуток времени больший по сравнению с периодом или за целое число периодов

I=pv¤2=p2¤2rc=v2rc¤2 – квадратик это степень

где p - амплитуда звукового давления;

v - амплитуда колебательной скорости частиц;

r - плотность среды;

c - скорость звука в ней.

Билет №4

Эффект Доплера- изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем(приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

И(источник волн), ʋ_и- скорость источника к неподвижному относительно среды наблюдателю(а). Источник движется вслед заиспускаемой волной—длина волны меньше, чем при неподвижном источнике. За время Т волна распространится на расстояние λ (б), источник волн переместится на АВ= ʋ_иТ. Фазы точек В и С различаются на 2π--расстояние между ними= длине λ’, образуемой при движении источника излучения.
Общая формула: , где ʋ_и- скорость источника, ʋ_н-скорость наблюдателя; при сближении источника волн и наблюдателя воспринимается частота больше испускаемой. «верхние» знаки в формуле относятся к сближению источника и приемника волн, а «нижние»- удалению.

Эффект Доплера можно использовать для определения скорости движения тел в среде. Его используют для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца(доплеровская эхокардиография).

Билет №5.

Ультразвук; физические особенности ультразвука, принципы работы ультразвуковых излучателей

Ультразвук(УЗ)- механич. колебания и волны с частотами более 20 кГц. Верхний предел УЗ частот- 10⁹-10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и зависит от агрегатного состояния в-ва, в к-ром распространяется УЗ волна. УЗ- механическая(упругая) волна. Но длина волны меньше длины звуковой волны. Дифракция волн зависит от соотношения длины волны и размера тела, на которых волна дифрагирует. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Скорость распространения УЗ волн и их поглощение зависит от состояния среды

УЗ-излучатели –устройства для генерирования УЗ. Электромеханические излучатели основаны на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта( механическая деформация тел под действием эл. поля). Основная часть излучателя- пластинка или стержень 1. На поверхности пластины- электроды 2. Яесли к электродам приложить переменное эл. напряжение от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет излучать механич. волну соответсв. частоты

Билет №6.Идеальная жидкость. Законы идеальной жидкости (неразрывности, Бернулли)

Идеальная жидкость - жидкость, лишенная вязкости и теплопроводности.

Уравнения, описывающие течение идеальной жидкости по трубкам.

1) Условие неразрывности струи: при стационарном течении несжимаемой жидкости через любые сечения трубки тока каждую секунду протекают одинаковые объемы жидкости, равные произведению площади сечения ( )на среднюю скорость движения ее частиц ( ).

- уравнение неразрывности струи.

Если жидкость движется по системе последовательно соединенных трубок различного сечения, то скорость ее движения обратно пропорциональна площади сечения трубок :

сечение 2

сечение 1

Движение жидкости в трубе с разными сечениями (длина стрелок изображает среднюю скорость течения жидкости)

2) Рассмотрим тонкую трубку тока и выделим в ней два произвольных сечения

Эти сечения находятся на различных высотах (h₁ и h₂), и их площади различны (S₁ и S₂). Вследствие уравнения неразрывности, различны будут и скорости течения жидкости в этих сечениях ( и ). P₁ и Р_2-давления жидкости в этих сечениях

P₂

сечение Б

S₁

h₂

P₁

сечение Аh₁

можно утверждать, что в любом месте вдоль трубки сохраняется условие:

- уравнение Бернулли,

где Р - статическое давление, ρgh - гидростатическое давление, обусловленное движением жидкости, а - динамическое давление.

Уравнение Бернулли формулируется так: при стационарном течении идеальной жидкости полное давление, равное сумме статического, динамического и гидростатического давлений, одинаково во всех поперечных сечениях трубки тока.

Билет№ 7. Понятия стационарного потока, ламинарное и турбулентное течения. Линии, поверхности тока (слои). Число Рейнольдса. Критическое значение числа Рэйнольдса. Кинематический коэффициент вязкости.

Стационарный поток-скорости частиц в каждой точке потока со временем не изменяются (при этом условии линии тока совпадают с траекториями частиц жидкости).

Движение реальной жидкости при малых скоростях носит слоистый (ламинарный-стационарный) характер. При установившемся ламинарном течении бесконечно малые слои жидкости скользят относительно друг друга, не перемешиваясь, и сохраняют во времени свои пространственные положения.

Увеличение скорости течения вязкой жидкости и-за неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрение, движение становится вихревым(турнбулентным- нестационарным). Важное свойство турбулентного течения -высокое сопротивление потоку.

Число Рейнольдса

Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жидкости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется числом Рейнольдса.

Число Рейнольдса: ,

где ρ_ж - плотность жидкости, η - ее вязкость, V - скорость течения, D - диаметр трубы.

Это число является критерием вида течения. Существует критическое значение числа Рейнольдса: для гладких цилиндрических труб Re_Kp = 2300. Если число Рейнольдса больше критического, то движение жидкости турбулентное, если меньше, то ламинарное. Например, при атеросклерозе критическое число Рейнольдса в некоторых сосудах становится равным 1160.

Так как число Рейнольдса зависит от вязкости и плотности жидкости, то удобно использовать в этой формуле кинематическую вязкость: . Тогда число Рейнольдса можно записать в виде .

8.Вязкость жидкости. Формула Ньютона. Коэффициент вязкости. Ньютоновские и неньютоновские жидкости, примеры.

Вязкость (внутреннее трение) жидкости - свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой.

Сила внутреннего трения; закон Ньютона

Предположим, что в ламинарном установившемся потоке жидкости два соприкасающихся слоя имеют скорости V₁ u V₂ (рис. 1.1).

x dV

dx

V₀ V

Тогда со стороны слоя 1, движущёгося более быстро, на слой 2, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила F₁. Наоборот, со стороны слоя 2, движущегося медленнее, на более быстрый слой 1 действует задерживающая сила F₂. Эти силы внутреннего трения направлены вдоль поверхности соприкосновения слоёв в противоположные стороны и по третьему закону Ньютона их величины одинаковы, то есть F₁=F₂=F_тр

Величина силы внутреннего трения F_тр, возникающая в плоскости соприкосновения двух скользящих относительно друг друга слоёв жидкости прямо пропорциональна площади их соприкосновения S, величине градиента скорости и зависит от рода жидкости:

где h - коэффициент внутреннего трения (вязкость) жидкости.

Уравнение называют законом Ньютона для течения вязкой жидкости. Ньютон получил это уравнение экспериментально. Градиент скорости - показывает изменение скорости слоев жидкости на единице длины и направлен перпендикулярно движению слоев в сторону возрастания скорости движения.

Из уравнения видно, что при возрастании скорости движения слоёв жидкости, при увеличении площади соприкосновения этих слоёв и при увеличении коэффициента вязкости жидкости сила трения возрастает. Следует упомянуть, что на силу трения влияет температура жидкости. При повышении температуры сильно возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, влечёт за собой уменьшение вязкости жидкостей (h), поэтому эксперименты следует проводить при стабильной температуре.

Жидкости, которые подчиняются уравнению Ньютона, назыв-ся ньютоновскими(вода).Жидкости, неподчиняющиеся ур-ю Ньютона-неньютоновские(кровь)

9. Формула Стокса. Подробно объяснить ход опыта по определения коэффициента вязкости жидкостей методом Стокса, дать формулу для вычисления коэффициента вязкости в этом опыте.

Для сферического тела зависимость силы сопротивления при его движении в сосуде с жидкостью от перечисленных выше факторов выражается законом Стокса:

F-сила стокса

r- радиус сферического объекта

-динамическая вязкость жидкости

v-скорость частицы

При падении шарика в вязкой среде на него действуют три силы:1)сила тяжести(Fт);2)Сила Архимеда(Fa);3)Сила стокса(Fс)

Fт+Fa+Fс=0

Ход опыта:

1.Измерить микрометром диаметр шарика.

2.Вычислить среднее значение диаметра шарика.

3.Опустить шарик в сосуд с жидкостью так, чтоы он двигался по оси цилиндра.Измерить время t прохождения шариком расстояния между метками А и В

4.Измерить расстояние l между метками

5.определить с помощью ареометра плотность исследуемой жидкости.

6.вычислить вязкость жидкости по формуле

- динамическая вязкость жидкости

d-диаметр шарика

g — ускорение свободного падения

p-плотность шарика

p0- плотность жидкости

t-время прохождения шариком расстояния от А до В

l-расстояние между метками А и В

10. Подробно объяснить ход опыта по определения коэффициента вязкости жидкостей методом Оствальда, дать формулу для вычисления коэффициента вязкости в этом опыте.

Ход работы:

1.жидкость известной концентрации наливаем в вискозиметр и с помощью шприца поднимаем столб жидкости выше верхнего резервуара.

2.с помощью секундомера засекаем время вытекания жидкости из верхнего резервуара.

3.Проводим этот опыт 3 раза с жидкостями с концентрацией 50%, 25%, 12% и неизв. концентрацией.

4.строим график зависимости вязкости и по нему примерно определяем неизв. Концентрацию.(по оси У-вязкость, по оси Х-концентрация)

Формула вязкости по оствальду.

исл- вязкость исследуемой жидкости

tисл-время вытекания исл жидкости

tводы-время вытекания воды

воды-вязкость воды

исл=А*tисл

А-постоянная прибора

11 вопрос Условия применимости закона Пуазейля. Формула Пуазэйля. Гидравлическое сопротивление.

Условия применения

Формулой Пуазейля пользуются при расчетах показателей транспортировки жидкостей и газов в трубопроводах различного назначения. Ламинарный режим работы нефте- и газопроводов является наиболее выгодным в энергетическом отношении. Так, в частности, коэффициент трения при ламинарном режиме практически не зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы (гладкие трубы).

,Формула Пуазейля:

P1-P2- перепад давления, Па

Q-секундный объемный расход жидкости м^3/с

R-радиус капилляра м

d-диаметр капилляра м

-вязкость ж-ти

- длина трубы

Гидравлическое сопротивление -сопротивление движению жидкости, приводящее к потере механической энергии потока (потери напора, гидравлические потери). Гидравлические сопротивления подразделяют на линейные сопротивления (по длине прямолинейного пути), обусловленные вязкостью жидкости, и местные сопротивления возникающие в местах изменения диаметра или направления к скорости потока (в задвижках, вентилях, коленях, тоойниках, диафрагмах и т. д.)

Гидравлическое сопротивление тем больше, чем больше вязкость, длина волны и меньше площадь поперечно сечения

12. Последовательное соединение трубок, Формулы для гидравлического соединения последовательно и параллельно соединённых трубок

13. Поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления.

На пов-ти любого как твердого,так и жидкого тела сущ-ет пленка поверх.натяжения.Она обладает запасом потенциальной энергии W=σ*S,где σ-коэф-т поверх натяжения,зависящий от рода жидкости, и степени чистоты пов-ти. σ=W/S.

Силы,под действием которых происходит сокращ-е поверностной пленки называются силами поверхностного натяжения,они действуют перпендикулярно к линии контура l,ограничивающей всю поверхности жидкости.

F_{поверх.натяж.}=σ*l→σ=F/l

На границе соприкосновения различ.сред могут наблюдаться смачивание и несмачивание.

Если жидкость растекаясь по пов-ти,обр-етмономолеклярн.слой-идельноесмачивание.Под действием сил пов.натяж-я и оказывает доп.давл-е по отн-ю к основномуΔp.Результирующая сила пов.натяж-я искривл. пов-ти направлена в сторону вогнутости и равна Δp=2σ/r.Искривл-е возникает в рез-те смачивания или несмачивания ж-тьюпов-ти в узких капил.трубках.При смачивании вогнутый мениск,принесмачиваниивыпуклый.высота поднятия жидкости в капиляре

14.Закон Гука. Модуль Юнга. Модуль упругости

Закон Гука:Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:F=kΔl

Здесь F — сила натяжения стержня, Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а k называется коэффициентом упругости (или жёсткости). Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня.k=E*S/L.

Величина E называется Модулем упругости первого рода или модулем Юнга и является механической характеристикой материала. Если ввести относительное удлинение ε=Δl/L и нормальное напряжение в поперечном сечении σ=F/S то закон Гука в относительных единицах запишется как σ=Eε.

В такой форме он справедлив для любых малых объёмов вещества. Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме Δl=FL/ES

Следует иметь в виду, что закон Гука выполняется только при малых деформациях. При превышении предела пропорциональности связь между напряжениями и деформациями становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях

15.Закон Ома для переменных тока и напряжения. Реактивное сопротивление электрического конденсатора и катушки индуктивности. Зависимость от частоты.

Im=Um/Z=Um/√(R²+(X_L-Xc)²), Im-амплитудное значение силы тока,Um-амплитудное значение напряжения,Z-импеданс(полное сопротивление),R-омическое сопротивление,X_L-индуктивное сопротивление,Xc-емкостное сопротивление.

Реактивное сопротивление – это сопротивление катушек индуктивности (дросселей) и конденсаторов. Величина реактивного сопротивления уже зависит от частоты тока. Так на постоянном токе реактивное сопротивление конденсатора устремляется к бесконечности, а дросселя наоборот – к нулю.

X_L-Xc-реактивное сопротивление

Зависимость от частоты индуктивного сопротивления X_L=Lω,L-индуктивность,ω-циклическая частота

Емкостное сопротивление Xc=1/(Cω)

16 импеданс - полное электрическое сопротивление цепи переменному току.

Абсолютная величина (модуль) электрического импеданса определяется выражением

Полная цепь переменного тока - это цепь из генератора, а также R, C, и L

элементов, взятых в разных сочетаниях и количествах.

Для разбора проходящих в электрических цепях процессов используют полные

последовательные и параллельные цепи.

Последовательная цепь - это такая цепь, где все элементы могут быть

соединены последовательно, один за другим.

В параллельной цепи R, C, L элементы соединены параллельно.

Особенности полной цепи:

1.Соблюдается закон Ома

2.Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление

называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом.

3.Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается Z и

вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для

последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее

значение:

здесь:

Z - импеданс последовательной цепи,

R - активное сопротивление,

XL – индуктивное и XC – ёмкостное сопротивление,

L - индуктивность катушки (генри),

C - ёмкость конденсатора (фарад).

импеданс изменяется с изменением частоты

тока, на котором проводится измерение: при увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается. Зависимость импеданса от частоты тока называется дисперсией импеданса.

Изменение импеданса с частотой обусловлено также зависимостью поляризации от периода Т переменного тока. Если время, в течение которого

электрическое поле направлено в одну сторону (Т/2), больше времени релаксации τ какого-либо вида поляризации, то поляризация достигает своего наибольшего значения, и до тех пор, пока T/2>τ, эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость объекта не будут изменяться с частотой. Если же при увеличении частоты полупериод T/2 переменного тока становится меньше времени релаксации, то поляризация не успевает достигнуть своего максимального значения. После этого диэлектрическая проницаемость начинает

уменьшаться с частотой, а проводимость - возрастать.

17. Электрический диполь. Электрическое поле диполя

Электрическим диполем называют систему, состоящую из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга(плечо диполя).основной характеристикой диполя является его электрический момент(дипольный момент)-вектор,равный произведению заряда на плечо диполя,направленный от отрицательного заряда к положительному.Единицей электрического диполя является кулон-метр.На диполь в однородном электрическом поле действует момент силы,зависящий от электрического момента и ориентации диполя, а также напряженности поля.

Электрическое поле диполя можно найти в любой интересующей нас точке, опираясь на принцип суперпозиции.

18.понятие о мультиполе.

Диполь является частным случаем системы электрических зарядов,обладающей определенной симметрией. Общее название подобных распределений зарядов- электрические мультиполи. Они бывают разных порядков(0,1,2)число зарядов мультиполя определяется выражением 2в степени l. Так, мультиполем нулевого порядка является олиночный точечный заряд, а мультипоелм первого порядка-диполь, мультиполем второго порядка –квадруполь,мультиполем 3 порядка-октуполь.

Кроме статических (или приближенно статических) полей часто в связи с мультипольными моментами говорят о мультипольном излучении - излучении, рассматриваемом как обусловленное изменением во времени мультипольных моментов системы-излучателя. Этот случай отличается тем, что в нем поля разных порядков убывают с расстоянием одинаково быстро, различаясь зависимостью от угла.

Магни́тный монопо́ль — гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным зарядом — точечныйисточник радиального магнитного поля. Магнитный заряд является источником статического магнитного поля совершенно так же, как электрический заряд является источником статического электрического поля.

Магнитный монополь можно представлять как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Однако у всех известных магнитов всегда два полюса, то есть он является диполем. Если разрезать магнит на две части, то у каждой его части по-прежнему будет два полюса. Все известные элементарные частицы, обладающие электромагнитным полем, являются магнитными диполями.

В качестве токовых диполей как полеобразующих систем в электромагнитном и гравитационном вихревых полях выступают противоположные участки замкнутых токовых контуров. (см.вопрос 20)

Вопрос 20

Диполь- совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

В неограниченной среде передача и приём электромагнитных сигналов осуществляется без электрических или оптических проводников. Микроволны, радиоволны, инфракрасное излучение, лазерная связь являются примерами неограниченных сред передачи информации (иногда называемые "беспроводными" средами).

Электрический диполь представляет собой совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Произведение вектора проведённого от отрицательного заряда к положительному, на абсолютную величину зарядов называется дипольным моментом:

Во внешнем электрическом поле на электрический диполь действует момент сил который стремится повернуть его так, чтобы дипольный момент развернулся вдоль направления поля.

Потенциальная энергия электрического диполя в (постоянном) электрическом поле равна

Вдали от электрического диполя напряжённость его электрического поля убывает с расстоянием как то есть быстрее, чем у точечного заряда ( ).

Любая в целом электронейтральная система, содержащая электрические заряды, в некотором приближении (то есть собственно в дипольном приближении) может рассматриваться как электрический диполь с моментом где — заряд -го элемента, — его радиус-вектор. При этом дипольное приближение будет корректным, если расстояние, на котором изучается электрическое поле системы, велико по сравнению с её характерными размерами.

Вопрос 21

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Диэлектрики в элект.поле:

1. Неполярные диэлектрики.(центры сосредоточения положительных и отрицательных зарядов совпадают). У неполярных диэлектриков возникающий дипольный момент при наложении внешнего электрического поля является упругим и пропорционален напряженности электрического поля.

2. Полярные диеэл-ки (центры сосредоточения положительных и отрицательных зарядов не совпадают). Отличительная особ-сть – жесткий дипольный момент. При помещении полярного диэлектрика во внешнее электрическое поле, дипольный момент каждой молекулы будет стремиться развернуться по полю, в тоже время этому процессу препятствует тепловое хаотическое движение, таким образом дипольный момент для полярного диэлектрика является функцией зависимости Е₀ от температуры.

3. Ионные диэл-ки (в-ва,имеющие ионную стр-ру). При помещении ионного диэлектрика во внешнее электрическое поле в отличии от полярных диэлектриков будет наблюдаться смещение положительных зарядов по полю, а отрицательных зарядов против поля. Главное отличие в том, что в разумных интервалах температур энергия связи между ионами оказывается больше, чем энергия теплового движения.

Вопрос 22