Основные формулы раздела «колебания и волны»

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 8Следующая ⇒

4.2. Понятия и определения раздела «колебания и волны»

Уравнение гармонических колебаний и его решение:

, x=Acos(ω ₀t+α ),

где ω ₀ – собственная циклическая частота колебаний;

A – амплитуда колебаний;

α – начальная фаза колебаний.

Период колебаний материальной точки, совершающей колебаний под действием силы упругости:

где m – масса материальной точки;

k – коэффициент жесткости.

Период колебаний математического маятника:

где l – длина маятника;

g = 9, 8 м/с² – ускорение свободного падения.

Амплитуда колебаний, получаемых при сложении двух одинаково направленных гармонических колебаний:

где A₁ и А₂ – амплитуды слагаемых колебаний;

φ ₁ и φ ₂ – начальные фазы слагаемых колебаний.

Начальная фаза колебаний, получаемых при сложении двух одинаково направленных гармонических колебаний:

Уравнение затухающих колебаний и его решение:

, ,

где β – коэффициент затухания;

– частота затухающих колебаний,

здесь ω ₀ – собственная частота колебаний.

Логарифмический декремент затухания:

θ =β T,

где β – коэффициент затухания;

– период затухающих колебаний.

Добротность колебательной системы:

где θ – логарифмический декремент затухания

Уравнение вынужденных колебаний и его установившееся решение:

, x=Acos(ω t-φ ),

где F₀ – амплитудное значение силы;

– амплитуда затухающих колебаний;

φ = – начальная фаза.

Резонансная частота колебаний:

где ω ₀ – собственная циклическая частота колебаний;

β – коэффициент затухания.

Затухающие электромагнитные колебания в контуре, состоящем из емкости C, индуктивности L и сопротивления R:

где q – заряд на конденсаторе;

q_m – амплитудное значение заряда на конденсаторе;

β =R/2L – коэффициент затухания,

здесь R – сопротивление контура;

L – индуктивность катушки;

– циклическая частота колебаний;

здесь ω ₀ – собственная частота колебаний;

α – начальная фаза колебаний.

Период электромагнитных колебаний:

где С – емкость конденсатора;

L – индуктивность катушки;

R – сопротивление контура.

Если сопротивление контура мало, что (R/2L)²< < 1/LC, то период колебаний:

Длина волны:

λ =vT,

где v – скорость распространения волны;

T – период колебаний.

Уравнение плоской волны:

ξ = Acos (ω t-kx),

где A – амплитуда;

ω – циклическая частота;

– волновое число.

Уравнение сферической волны:

где A – амплитуда;

ω – циклическая частота;

k – волновое число;

r – расстояние от центра волны до рассматриваемой точки среды.

? Свободные гармонические колебания в контуре

Идеальный контур – электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенного конденсатора емкостью С и катушки индуктивности L. По гармоническому закону будут меняться напряжение на обкладках конденсатора и ток в катушке индуктивности.

? Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники, их периоды колебаний

Гармонический осциллятор- любая физическая система, совершающая колебания. Классические осцилляторы - пружинный, физический и математический маятники. Пружинный маятник - груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы. Т= . Физический маятник - твердое тело произвольной формы, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг горизонтальной оси, не проходящей через его центр тяжести. Т= . Математический маятник – изолированная система, состоящая из материальной точки массой m, подвешенной на нерастяжимой невесомой нити длиной L, и колеблющейся под действием силы тяжести. Т= .

? Свободные незатухающие механические колебания (уравнение, скорость, ускорение, энергия). Графическое изображение гармонических колебаний.

Колебания называются свободными, если они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему. Величина меняется по закону синуса или косинуса. , S - смещение от положения равновесия, А –амплитуда, w₀- циклическая частота, –начальная фаза колебаний. Скорость , ускорение . Энергия полная – Е= . Графически – с помощью синусоиды или косинусоиды.

? Понятие о колебательных процессах. Гармонические колебания и их характеристики. Период, амплитуда, частота и фаза колебаний. Графическое изображение гармонических колебаний.

Периодические процессы, повторяющиеся со временем, называют колебательными. Периодические колебания, при которых координата тела меняется со временем по закону синуса или косинуса, называются гармоническими. Период - время одного колебания. Амплитуда – максимальное смещение точки от положения равновесия. Частота – число полных колебаний в единицу времени. Фаза - величина, стоящая под знаком синуса или косинуса. Уравнение: , здесь S- величина, характеризующая состояние колеблющейся системы, - циклическая частота. Графически – с помощью синусоиды или косинусоиды.

? Затухающие колебания. Дифференциальное уравнение этих колебаний. Логарифмический декремент затухания, время релаксации, добротность.

Колебания, амплитуда которых со временем уменьшается, например, за счет силы трения. Уравнение: , здесь S- величина, характеризующая состояние колеблющейся системы, - циклическая частота, -коэффициент затухания. Логарифмический декремент затухания , где N – число колебаний, совершенных за время уменьшения амплитуды в N раз. Время релаксации t- в течение которого амплитуда уменьшается в е раз. Добротность Q= .

? Незатухающие вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение этих колебаний. Что называют резонансом? Амплитуда и фаза вынужденных колебаний.

Если потери энергии колебаний, приводящие к их затуханию, полностью компенсировать, устанавливаются незатухающие колебания. Уравнение: . Здесь правая часть – меняющееся по гармоническому закону внешнее воздействие. Если собственная частота колебаний системы совпадает с внешней, имеет место резонанс - резкое возрастание амплитуды системы. Амплитуда , .

? Опишите сложение колебаний одинакового направления и одинаковой частоты, взаимоперпендикулярных колебаний. Что такое биения?

Амплитуда результирующего колебания, получающегося при сложении двух гармонических колебаний одинакового направления и одинаковой частоты , здесь А – амплитуды, j - начальные фазы. Начальная фаза результирующего колебания . Взаимоперпендикулярные колебания – уравнение траектории , здесь А и В амплитуды складываемых колебаний, j-разность фаз.

? Охарактеризуйте релаксационные колебания; автоколебания.

Релаксационные – автоколебания, резко отличающиеся по форме от гармонических, благодаря значительному рассеянию энергии в автоколебательных системах (трение в механических системах). Автоколебания – незатухающие колебания, поддерживаемые внешними источниками энергии при отсутствии внешней переменной силы. Отличие от вынужденных – частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой колебательной системы. Отличие от свободных колебаний – отличаются независимостью амплитуды от времени и от начального кратковременного воздействия, возбуждающего процесс колебаний. Пример автоколебательной системы –часы.

? Волны (основные понятия). Продольные и поперечные волны. Стоячая волна. Длина волны, связь ее с периодом и частотой.

Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. Направление переноса волной энергии колебаний – это направление движения волны. Продольная – колебание частиц среды происходит в направлении распространения волны. Поперечная - колебания частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения волны. Стоячая волна - образуется при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами, а в случае поперечных волн и одинаковой поляризацией. Длина волны - расстояние, на которое волна распространяется за один период. ( длина волны, v- скорость волны, Т- период колебаний)

? Принцип суперпозиции (наложения) волн. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью.

Принцип суперпозиции – при распространении в линейной среде нескольких волн каждая распространяется так, будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов. Групповая скорость – скорость движения группы волн, образующих в каждый момент времени в пространстве локализованный волновой пакет. Скорость перемещения фазы волны – фазовая скорость. В недиспергированной среде они совпадают.

? Электромагнитная волна и ее свойства. Энергия электромагнитных волн.

Электромагнитная волна – электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве. Экспериментально получены Герцем в 1880 г. Свойства- могут распространяться в средах и вакууме, в вакууме равна с, в средах меньше, поперечны, E и B взаимноперпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Интенсивность увеличивается с ростом ускорения излучающей заряженной частицы, в определенных условиях проявляются типичные волновые свойства – дифракции и пр. Объемная плотность энергии .

Оптика

Основные формулы оптики

Скорость света в среде:

где c – скорость света в вакууме;

n – показатель преломления среды.

Оптическая длина пути световой волны:

L = ns,

где s – геометрическая длина пути световой волны в среде с показателем преломления n.

Оптическая разность хода двух световых волн:

∆ = L₁ – L₂.

Зависимость разности фаз от оптической разности хода световых волн:

∆ φ = 2π ( ),

где λ – длина световой волны.

Условие максимального усиления света при интерференции:

∆ = k λ ( = 0, 1, 2, …).

Условие максимального ослабления света:

∆ = .

Оптическая разность хода световых волн, возникающая при отражении монохроматического света от тонкой пленки:

∆ = 2d ,

где d– толщина пленки;

n – показатель преломления пленки;

I_i– угол преломления света в пленке.

Радиус светлых колец Ньютона в отраженном свете:

r_k =_,(k = 1, 2, 3, …),

где k – номер кольца;

R– радиус кривизны.

Радиус темных колец Ньютона в отраженном свете:

r_k = .

Угол φ отклонения лучей, соответствующий максимуму (светлая полоса) при дифракции на одной щели, определяется из условия

asinφ = (k = 0, 1, 2, 3, …),

где a – ширина щели;

k – порядковый номер максимума.

Угол φ отклонения лучей, соответствующий максимуму (светлая полоса) при дифракции света на дифракционной решетке, определяется из условия

dsinφ = (k = 0, 1, 2, 3, …),

где d – период дифракционной решетки.

Разрешающая способность дифракционной решетки:

R = = kN,

где ∆ λ – наименьшая разность длин волн двух соседних спектральных линий (λ и λ +∆ λ ), при которой эти линии могут быть видны раздельно в спектре, полученном посредством данной решетки;

N– полное число щелей решетки.

Формула Вульфа – Брэггов:

2d sin θ = κ λ,

где θ – угол скольжения (угол между направлением параллельного пучка рентгеновского излучения, падающего на кристалл, и атомной плоскостью в кристалле);

d – расстояние между атомными плоскостями кристалла.

Закон Брюстера:

tg ε _B = n₂₁,

где ε _B – угол падения, при котором отразившийся от диэлектрика луч полностью поляризован;

n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Закон Малюса:

I = I₀cos²α ,

где I₀– интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор;

I– интенсивность этого света после анализатора;

α – угол между направлением колебаний электрического вектора света, падающего на анализатор, и плоскостью пропускания анализатора (если колебания электрического вектора падающего света совпадают с этой плоскостью, то анализатор пропускает данный свет без ослабления).

Угол поворота плоскости поляризации монохроматического света при прохождении через оптически активное вещество:

а) φ = α d (в твердых телах),

где α – постоянная вращения;

d – длина пути, пройденного светом в оптически активном веществе;

б) φ = [α ]pd (в растворах),

где [α ] – удельное вращение;

p – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе.

Давление света при нормальном падении на поверхность:

где Е_е– энергетическая освещенность (облученность);

ω – объемная плотность энергии излучения;

ρ – коэффициент отражения.

4.2. Понятия и определения раздела «оптика»

? Интерференции волн. Когерентность. Условие максимума и минимума.

Интерференция – взаимное усиление или ослабление когерентных волн при их наложении (когерентные – имеющие одинаковую длину и постоянную разность фаз в точке их наложения).

Максимум ;

минимум .

Здесь D-оптическая разность хода, l-длина волны.

? Принцип Гюйгенса-Френеля. Явление дифракции. Дифракция на щели, дифракционная решетка.

Принцип Гюйгенса-Френеля –каждая точка пространства, которой достигла в данный момент времени распространяющаяся волна, становится источником элементарных когерентных волн. Дифракция – огибание волнами препятствий, если размер препятствия сравним с длиной волны, отклонения света от прямолинейного распространения. Дифракция на щели – в параллельных лучах. На препятствие падает плоская волна, дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света. На экране получается «дифракционное изображение» удаленного источника света. Дифракционная решетка – система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Используется для разложения света в спектр и измерения длин волн.

? Дисперсия света (нормальная и аномальная). Закон Бугера. Смысл коэффициента поглощения.

Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от частоты ν (или длины волны λ ) падающего на вещество света ( ). Скорость света в вакууме не зависит от частоты, поэтому в вакууме дисперсии нет. Нормальная дисперсия света - если показатель преломления монотонно возрастает с увеличением частоты (убывает с увеличением длины волны). Аномальная дисперсия – если показатель преломления монотонно убывает с увеличением частоты (возрастает с увеличением длины волны). Следствие дисперсии – разложение белого света в спектр при его преломлении в веществе. Поглощение света в веществе описывается законом Бугера

I₀и I – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающегося вещества толщиной х, a - коэффициент поглощения, зависит от длины волны, для разных веществ различен.

? Что называют поляризацией волн? Получение поляризованных волн. Закон Малюса.

Поляризация заключается в приобретении преимущественной ориентации направления колебаний в поперечных волнах. Упорядоченность в ориентации векторов напряженностей электрических и магнитных полей электромагнитной волны в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча. E, B -перпендикулярны. Естественный свет можно преобразовать в поляризованный с помощью поляризаторов. Закон Малюса (I₀ – прошедший через анализатор, I – прошедший через поляризатор).

? Корпускулярно – волновой дуализм. Гипотеза де Бройля.

Исторически были выдвинуты две теории света: корпускулярная – светящиеся тела испускают частицы-корпускулы (доказательство – излучение черного тела, фотоэффект) и волновая – светящееся тело вызывает в окружающей среде упругие колебания, распространяющиеся подобно звуковым волнам в воздухе (доказательство – явления интерференции, дифракции, поляризации света). Гипотеза Бройля – корпускулярно-волновые свойства присущи не только фотонам, но и частицам, имеющим массу покоя – электронам, протонам, нейтронам, атомам, молекулам.

? Тепловое излучение. Его законы. Гипотеза Планка.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии нагретого тела, зависящее от температуры и оптических свойств этого тела. Это равновесное излучение. Законы: Стефана – Больцмана ( - энергетическая светимость, s - const, Т- температура); Вина (l-длина волны, b – постоянная, Т-температура). Гипотеза Планка: энергия испускается телом порциями-квантами, любое электромагнитное излучение это поток частиц-фотонов, имеющих энергию ( - постоянная Планка, - частота излучения.

? Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна.

Фотоэффект- явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Уравнение: (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона и сообщение электрону кинетической энергии)

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒