Система отсчёта. Модели в механике. Путь, траектория, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его составляющие. Угловая скорость и угловое ускорение.

Система отсчёта. Модели в механике. Путь, траектория, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его составляющие. Угловая скорость и угловое ускорение.

Система отсчёта - это совокупность точки отсчёта, системы координат и системы отсчёта времени, связанных с этой точкой, по отношению к которой изучается движение каких-либо других материальных точек или тел.

Материальная точка - это объект размерами которого можно пренебречь в зависимости т расстояния.

Механика - часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механическое движе­ние - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Механика делится на три раздела: I) кинематику; 2) динамику; 3) статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменя­ют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел.

Движение: поступательное - это движение при котором любая прямая жестко связанная с телом остается параллельно своему подающему. Вращательное - это движение при котором каждая точка движется по окружностям центры которых лежат на одной прямой называются осью вращения.

Радиус вектор - это вектор проведённый из начала координат к данной точке.

Путь - это расстояние пройденного за промежуток времени.

Траектория - это линия описываемая этой точкой в пространстве.

Вектор перемещения - это вектор проведённый из начальной точки данного момента времени.

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.

Ускорение - есть быстрота изменение скорости по модулю и направлению.

Угловая скорость - векторная физическая величина, характеризующая скорость вращения тела.

Угловое ускорение - это физическая величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости твёрдого тела.

Период - это время за которое точка совершает один полный оборот

Частота вращения - это число оборотов совершаемых за определённое время.

Масса, сила. Законы Ньютона. Классификация сил в механике.

Масса - это свойства тела, характеризующая её инертность.

Под массой понимают два различных свойства физического объекта:

Гравитационная масса - это масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.

Инертная масса - это масса характеризующая меру инертности тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона.

Сила - это механическое воздействие на тело со стороны других тел или полей в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Инертность - это стремление сохранить состояние покоя.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равновесное прямолинейное движение до тех пор пока другое тело не заставит её изменить состояние.

Второй закон Ньютона: ускорение приобретённое при взаимодействии прямопрапорционально силе и обратно его массе.

Третий закон Ньютона: силы с которой действуют друг на друга материи всегда равны по модулю и действует вдоль прямой соединяющей эти точки.

Силы: Внешние - это силы на которой на материальные точки действует сила. Внутренние - это силы взаимодействие материальной точки внутри самой системы.

Основное уравнение МКТ.

Молекулярно-кинетическая теория, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

-все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;

-частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

-частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

Диффузия - взаимное проникновение соприкосающихся веществ друг с другом происходящая впоследствии беспорядочное движение частиц вещества.

Термодинамический процесс - это переход системы из одного состояния в другое связанное с нарушением равновесия системы.

Молярная масса вещества - это масса одного моль вещества.

Основными доказательствами этих положений считались: диффузия, броуновское движение, изменение агрегатных состояний вещества.

Вывод основного уравнения МКТ:

Пусть имеется кубический сосуд с ребром длиной l и одна частица массой m в нём.

Обозначим скорость движения v_x, тогда перед столкновением со стенкой сосуда импульс частицы равен mv_x, а после — − mv_x, поэтому стенке передается импульс

Пусть — среднее значение кинетической энергии всех молекул, тогда:

, откуда .

Для одного моля выражение примет вид:

Электрический ток и его характеристики. Сторонние силы, электродвижущая сила. Закон Ома, сопротивление проводников. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Работа и мощность электрического тока, закон Джоуля - Ленца.

Электрический ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Различают постоянный и переменный ток:

-Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

-Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (E_ex). В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна:

, где dl — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где Φ — поток магнитного поля через замкнутую поверхность S, ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре.

Закон О́ма — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока и сопротивлением проводника. Закон Ома для полной цепи:

,

Мощность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

Мощность W электрического тока для участка цепи определяется обычным образом, как производная от работы A по времени, то есть выражением:

— это наиболее общее выражение для мощности в электрической цепи.

Закон Джоуля — Ленца: мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля.

, где w — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока, — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Сила Лоренца. Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция. Взаимная индукция. Трансформаторы.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А индукцию поля dB, равен

Закон Ампера: сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию:

Закон Ампера используется при нахождении силы взаимодействия двух токов. Рассмотрим два бесконечных прямолинейных параллельных тока I₁ и I₂; (направления токов даны на рис. 1), расстояние между которыми R. Каждый из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует по закону Ампера на соседний проводник с током. Найдем, с какой силой действует магнитное поле тока I₁ на элемент dl второго проводника с током I₂. Магнитное поле тока I₁ есть линии магнитной индукции, представляющие собой концентрические окружности.

Правило буравчика (винта): Если вращать винт (буравчик) в том направлении, в котором силы стремятся повернуть тело, винт будет завинчиваться (или вывинчиваться) в ту сторону, куда направлен момент этих сил.

Правило правой руки: если представить, что мы взяли тело в правую руку и пытаемся его повернуть в направлении, куда указывают четыре пальца (силы, пытающиеся повернуть тело направлены по направлению этих пальцев), то оттопыренный большой палец покажет в ту сторону, куда направлен вращающий момент (момент этих сил).

Первое правило левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы линии индукции магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца направлены по току, то отставленный на 90° большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Сила Лоренца — сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Трансформатор — электрический аппарат, имеющий две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Гармонические колебания и их основные характеристики. Гармонический осциллятор. Маятники. Сложение гармонических колебаний. Свободные затухающие механические колебания. Вынужденные механические колебания. Резонанс.

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебания широко распространены в окружающем мире и могут иметь самую различную природу. Это могут быть механические (маятник), электромагнитные (колебательный контур) и другие виды колебаний.
Свободными, или собственными колебаниями, называются колебания, которые происходят в системе предоставленной самой себе, после того как она была выведена внешним воздействием из состояния равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити.
Особую роль в колебательных процессах имеет простейший вид колебаний - гармонические колебания. Гармонические колебания лежат в основе единого подхода при изучении колебаний различной природы, так как колебания, встречающиеся в природе и технике, часто близки к гармоническим, а периодические процессы иной формы можно представить как наложение гармонических колебаний.

Гармоническими колебанияминазываются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса иликосинуса.
Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

, где A - амплитуда колебаний(величина наибольшего отклонения системы от положения равновесия); -круговая частота.

Период гармонических колебаний равен: T = 2π/ .
Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний ν.
Частота гармонических колебаний равна: ν = 1/T. Единица измерения частоты герц (Гц) - одно колебание в секунду.
Круговая частота = 2π/T = 2πν дает число колебаний за 2π секунд.

Гармонический осциллятор (в классической механике) — это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы , пропорциональной смещению (согласно закону Гука):

где k — положительная константа, описывающая жёсткость системы.

Если — единственная сила, действующая на систему, то систему называют простым или консервативным гармоническим осциллятором. Свободные колебания такой системы представляют собой периодическое движение около положения равновесия (гармонические колебания). Частота и амплитуда при этом постоянны, причём частота не зависит от амплитуды.

Если имеется ещё и сила трения (затухание), пропорциональная скорости движения (вязкое трение), то такую систему называют затухающим или диссипативным осциллятором. Если трение не слишком велико, то система совершает почти периодическое движение — синусоидальные колебания с постоянной частотой и экспоненциально убывающей амплитудой. Частота свободных колебаний затухающего осциллятора оказывается несколько ниже, чем у аналогичного осциллятора без трения.

Если осциллятор предоставлен сам себе, то говорят, что он совершает свободные колебания. Если же присутствует внешняя сила (зависящая от времени), то говорят, что осциллятор испытывает вынужденные колебания.

Маятник — система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания. Колебания совершаются под действием силы тяжести, силы упругости и силы трения. Во многих случаях трением можно пренебречь, а от сил упругости (либо сил тяжести) абстрагироваться, заменив их связями.

Во время колебаний маятника происходят постоянные превращения энергии из одного вида в другой. Кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную энергию (гравитационную, упругую) и обратно. Кроме того, постепенно происходит диссипация кинетической энергии в тепловую за счёт сил трения.

Одним из простейших маятников является шарик, подвешенный на нити. Идеализацией этого случая является математический маятник — механическая система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в поле тяжести.

Маятник Фуко — это груз, подвешенный на нити, способный изменять плоскость своих колебаний.

Ещё одним простейшим маятником является пружинный маятник. Пружинный маятник — это груз, подвешенный на пружине и способный колебаться вдоль вертикальной оси.

Крутильный маятник — механическая система, представляющая собой тело, подвешенное в поле тяжести на тонкой нити и обладающее лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

Сложение гармонических колебаний - колебательная система одновременно участвует в двух (или более) независимых колебательных движениях, возникает задача - найти результирующее колебание. В случае однонаправленных колебаний под этим понимается нахождение уравнения результирующего колебания; в случае взаимно перпендикулярных колебаний - нахождение траектории результирующего колебания.

Все реальные колебания являются затухающими. Энергия механических колебаний постепенно расходуется на работу против сил трения и амплитуда колебаний постепенно уменьшается (затухает).Во многих случаях в первом приближении можно считать, что при небольших скоростях силы, вызывающие затухание колебаний, пропорциональны величине скорости (например маятник). Тогда сила трения (или сопротивления)

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ - колебания, происходящие под действием внешней переменной силы (вынуждающей силы).

Установившиеся вынужденные колебания происходят с частотой, равной частоте вынуждающей силы.

Рассмотрим вынужденные колебания на примере реального (с трением) пружинного маятника. Будем отталкиваться от уравнения движения (второй закон Ньютона), которое мы написали для затухающих колебаний. При наличии дополнительной вынуждающей силы F(t) необходимо дописать ее в правую часть уравнения. В каноническом виде дифференциальное уравнение вынужденных механических колебаний имеет вид:

Для пружинного маятника:

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность. Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.

- Резонансную частоту

Термодинамические явления.

Земля,как и живые организмы - открытая система, получает энергию от Солнца и (пере)излучаетее в космическое пространство, с ростом энтропии и числа квантов – видимых(0.4-0.8 мкм) в микроволновые (λ_мах11.3 мкм для 257 К), воды иуглекислоты – «парниковых газов» (пропуская внутрь видимые лучи, задерживаютобратные – тепловые, повышая температуру Земли на десятки градусов), в грозах,на радиационной границе Земли. Отклонения от энергобаланса Е=n₁hv₁-n₂hv₂=hс(n₁/λ₁-n₂/λ₂) движут тепловые машиныЗемли, преобразующие энергию в механическую – ветров и пара, конвекции ипереноса большей теплоты конденсации на Север.

Термодинамические явления в атмосфере, Т, Р, влажность,облачность местности и ее окружении определяют погоду и климат (от греч.наклон- лучей Солнца). Этот наклон и тепло уменьшаются от экватора к полюсам, сосменой дня и ночи, лета и зимы. Свет Солнца определяет и слои атмосферы –нагреваемые поглощением УФ стратосферу и ионосферу, озоновый слой сверху итропосферу (от тропос-поворот - нагреваемого снизу воздуха и пара), суменьшением температуры около 6^она км и давления на 1 кПа=1% на 80м подъема. 90% массы атмосферы ниже 16 км, тропосфера, 5^.10¹⁵тс 0.44% паров воды, определяющей влажность, осадки и энергобаланс, разностьсолнечной радиации и испарения с теплообменом, сухость R/Lm. Ихрост определяет географические зоны, от полярного круга и тайги до пустынь ктропикам. Вода - отличие Земли, «водной сферы». Ее испарение создаетвлажность воздуха, конденсацию ивыпадение осадков, с переносом тепла и веществ, круговоротом воды и элементов,растений и животных.

Система отсчёта. Модели в механике. Путь, траектория, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его составляющие. Угловая скорость и угловое ускорение.

Система отсчёта - это совокупность точки отсчёта, системы координат и системы отсчёта времени, связанных с этой точкой, по отношению к которой изучается движение каких-либо других материальных точек или тел.

Материальная точка - это объект размерами которого можно пренебречь в зависимости т расстояния.

Механика - часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механическое движе­ние - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Механика делится на три раздела: I) кинематику; 2) динамику; 3) статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменя­ют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел.

Движение: поступательное - это движение при котором любая прямая жестко связанная с телом остается параллельно своему подающему. Вращательное - это движение при котором каждая точка движется по окружностям центры которых лежат на одной прямой называются осью вращения.

Радиус вектор - это вектор проведённый из начала координат к данной точке.

Путь - это расстояние пройденного за промежуток времени.

Траектория - это линия описываемая этой точкой в пространстве.

Вектор перемещения - это вектор проведённый из начальной точки данного момента времени.

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.

Ускорение - есть быстрота изменение скорости по модулю и направлению.

Угловая скорость - векторная физическая величина, характеризующая скорость вращения тела.

Угловое ускорение - это физическая величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости твёрдого тела.

Период - это время за которое точка совершает один полный оборот

Частота вращения - это число оборотов совершаемых за определённое время.