Связь между массой и энергией
Энергия движущегося тела вызывается работой силы действующей на него, следовательно:
или (6.6)
Из формулы (6.1) получаем:
и
Подставляя эти выражения в (б.6), получаем:
, откуда
После интегрирования . Полагая , получим энергию покоя тела
(6.7) и энергию движущегося тела (6.8)
Из формул (6.7) и (6.6) следует, что между массой и энергией существует неразрывная связь:
(6.9)
Всякая масса связана с определенным количеством энергии .
В состоянии покоя с массой связана энергия покоя:
С другой стороны, с энергией связана определенная масса:
Изменение энергии влечет одновременно и изменение массы наоборот:
Фундаментальное соотношение (6.9) было впервые установлено Эйнштейном.
Кинетическая энергия. Энергия и импульс
Кинетическая энергия равна разности и :
(6.10)
При малых скоростях ( ) и из формулы (6.10) .получаем:
,
т.е. получим выражение для кинетической энергии в классической механике.
Исключив ив выражений и , находим соотношение между импульсом и энергией:
, откуда (6.10)
Для частицы с массой покоя (фотон) имеем:
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Лекция 8 | Малые колебания. Гармонический и ангармонический осциллятор. Уравнение гармонических колебаний. |
Пружинный, физический и математический маятники. |
Общие сведения о колебаниях
Колебаниями называют периодические движения, совершаемые системой относительно некоторого среднего значения. В зависимости от физической природы повторяющихся процессов различают механические колебания - колебания маятников, струн и т.д., электромагнитные колебания - колебания напряженностей электрических и магнитных полей в колебательном контуре и другие виды колебаний. Колебания различной природы подчиняются одинаковым закономерностям. Колебания лежат в основе многих физический явлении и технических процессов. В зависимости от характера воздействия на систему различают собственные (незатухающие) колебания, свободные, вынужденные и др. Простейшими являются гармонические колебания, т.е. такие, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса или косинуса. Их и будем рассматривать в дальнейшем.
Механические колебания
Наиболее простым видом гармонических колебаний являются колебания математического маятника (Рис. 25.1) - колебания материальной точки, подвешенной на невесомой нити. Если вывести тело из состояния равновесия, то возникает результирующая сила ,стремящаяся вернуть тело к прежнему положению. Запишем уравнение его движения. Т.к. сила направлена противоположно смещению маятника x, то:
(25.1)
Для малых углов отклонения и вместо (25.1) получим:
(25.2)
где
(25.3)
Величина называется круговой или циклической частотой. Другой случай возникновения гармонических колебаний -колебания пружинного маятника (Рис. 25.2). Если вывести груз из положения равновесия, то со стороны пружины на него будет действовать возвращающая сила упругости F=-kx, где k- жесткость. Тогдаили(25.4) где в этом случае(25.5)
Еще одним видом гармонических колебаний является колебание физического маятника - колебания тяжелого тела, колеблющегося вокруг оси, не проходящей через центр тяжести (Рис.25.3). Если центр тяжести расположен на расстоянии l от оси вращения в т.А, то момент силы тяжести равен:
M=mglsinφ
Этот момент заставляет отклоненный маятник вернуться в исходное состояние, поэтому уравнение его движения будет:
(25.6)
где I - момент инерции маятника относительно оси вращения. Для малых отклонений . Получим:
(25.7) (25.8)
Как видно, во всех случаях гармонические колебания описываются уравнением одного вида (25.2), (25.4), (25.7). Решением такого уравнения является функция:
(25.9)
A=xmax называют амплитудой колебания, - фазой колебания, φ0 - начальная фаза.
Амплитуда и начальная фаза определяются начальными условиями - значениями смещения и скорости при t=0:x=x0, V=V0, где - скорость колебаний.
Т.к. гармонические колебания представляют периодический процесс о периодом Т, а период косинуса равен 2π, то из (25.9) находим:
, откуда:
или (25.10)
С учетом этого из (25.3), (25.5), (25.8) находим периоды рассмотренных колебаний:
для математического маятника -
пружинного -
физического -