Реферат Курсовая Конспект
Методическое пособие для учащихся ВТУЗов По дисциплине: физика. Механические колебания - раздел Философия, Методическое Пособие Для Учащихся Втузов ...
|
Методическое пособие для учащихся ВТУЗов
По дисциплине: физика.
Подготовлено:
Кузеленковым Антоном Николаевичем
Михайловым Павлом Юрьевич
Никитиным Павлом Михайловичем
Сараевым Никитой Игоревичем
Каштановам Антоном Алексеевичом
Котенко Иваном Борисовичем
Квашниным Владимиром Михайловичем
Оглавление
Оглавление. 2
Колебания и волны.. 4
Механические колебания. 4
Свободные колебания. 4
Гармонические колебания. 4
Незатухающие колебания. 4
Частота, период, циклическая частота, амплитуда, фаза колебаний. 7
Смещение, скорость, ускорение колеблющейся системы частиц. 8
Энергия гармонических колебаний. 8
Математический маятник, физический маятник, пружинный маятник. 10
Метод векторных диаграмм. Сложение колебаний одного направления. 10
Биения. Сложение перпендикулярных колебаний. Затухающие механические колебания. 11
Уравнение затухающих колебаний. Амплитуда, частота, коэффициент затухания. 14
Логарифмический декремент затухания, время релаксации, добротность колебательной системы. 14
Вынужденные колебания. 15
Явление механического резонанса. 15
Резонансная частота. 15
Резонанс. 15
Волны в упругой среде. 16
Уравнение плоской бегущей волны. 16
Отличие от уравнения колебаний. 16
Типы волн: продольные и поперечные, плоские, сферические. 16
Волновая поверхность, волновой фронт. 17
Волновое уравнение. 17
Частота, период, длина волны. 18
Свойства волн. 18
Энергия волны. 20
Поток энергии. 20
Вектор Умова. 21
Стоячие волны. 23
Интерференция. 25
Координаты пучностей и узлов стоячей волны. 25
Отличие бегущих волн от стоячих. 25
Электромагнитные волны. 26
Гипотеза Максвелла. 26
Источники электромагнитных волн. Волновое уравнение. 26
Скорость распространения электромагнитных волн. 28
Связь со скоростью света в вакууме. 28
Свойства электромагнитных волн: поперечность, синфазность колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей. 28
Энергия электромагнитных волн. 29
Вектор Пойнтинга. 30
Шкала электромагнитных волн. 30
Оптика. 31
Геометрическая и волновая оптика. 31
Границы применимости. 31
4 закона, лежащие в основе геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон независимости распространения световых лучей, закон отражения и закон преломления света /закон синусов/. 34
Принцип Ферма. 36
Полное внутреннее отражение. 37
Свет как электромагнитная волна. 37
Диапазон световых волн. 37
Принцип Гюйгенса. 38
Когерентность волн. 39
Интерференция. 39
Оптическая длина пути. 40
Расчет интерференционной картины от двух источников. 40
Координаты минимумов и максимумов интенсивности. 41
Интерференция в тонких пленках. 44
Полосы равной толщины. 47
Кольца Ньютона. 47
Применение интерференции. 48
Просветление оптики. 49
Дифракция. 50
Принцип Гюйгенса-Френеля. 50
Метод зон Френеля. 51
Дифракция Френеля. 51
Пятно Пуассона. 52
Дифракция в параллельных пучках. 53
Дифракционная решетка. 53
Период дифракционной решетки. 53
Поляризация света. 53
Естественный и поляризованный свет. 54
Плоскость поляризации. Степень поляризации. 54
Закон Малюса. 54
Анализаторы и поляризаторы. 55
Закон Брюстера. 55
Двойное лучепреломление. 55
Интерференция поляризованного света. 56
Оптическая ось кристалла. 56
Главное сечение кристалла. 56
Оптически активные вещества. 56
Вращение плоскости поляризации. 57
Электрооптический эффект Керра. 57
Дисперсия света. 58
Нормальная и аномальная дисперсия. 58
Поглощение света веществом. 58
Закон Бугера-Ламберта. 59
Колебания и волны
Механические колебания
Свободные колебания.
СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ (свободные колебания), колебания, которые совершаются за счет энергии, сообщенной системе в начале колебательного движения (например, в механической системе через начальное смещение тела или придание ему начальной скорости, а в электрической системе - колебательном контуре - через создание начального заряда на обкладках конденсатора). Амплитуда собственных колебаний в отличие от вынужденных колебаний определяется только этой энергией, а их частота - свойствами самой системы. Вследствие рассеяния энергии собственные колебания всегда являются затухающими колебаниями. Пример собственные колебания - звучание колокола, гонга, струны рояля и т.п.
Гармонические колебания.
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой - синусоидой. Гармонические колебания - простейший вид периодических движений, характеризуется периодом, амплитудой, фазой и частотой колебаний. Малые колебания маятника, изменения напряжений в электросети переменного тока близки к гармоническому колебанию. Всякое сложное периодическое движение можно представить суммой гармонических колебаний. Распространяющиеся в пространстве гармонические колебания представляют собой простейшую бегущую гармоническую волну (пример - монохроматические излучение лазера).
Смещение, скорость, ускорение колеблющейся системы частиц.
Математический маятник, физический маятник, пружинный маятник.
ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК ФИЗИЧЕСКИЙ МАЯТНИК - см. Маятник.
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК - см. Маятник.
ОБОРОТНЫЙ МАЯТНИК ОБОРОТНЫЙ МАЯТНИК - физический маятник, который служит для определения ускорения свободного падения g. Имеет две параллельные оси подвеса, расстояние h между которыми изменяют, добиваясь того, чтобы период колебаний Т около каждой из осей имел одинаковую величину. Зная Т и h, определяют g=4p2h/Т2.
МАЯТНИКОВЫЕ ЧАСЫ МАЯТНИКОВЫЕ ЧАСЫ - содержат в качестве регулятора маятник (малые колебания маятника изохронны); изобретены Х. Гюйгенсом (1657). Суточный ход современных наиболее точных маятниковых часов (астрономический) не выше 5.10-4 с.
Логарифмический декремент затухания, время релаксации, добротность колебательной системы.
Логарифмический декремент затухания – натуральный логарифм отношения двух амплитуд, соответствующих моментам времени, отличающихся на период.
Время релаксации – промежуток времени в течении которого амплитуда колебаний уменьшиться в e раз.
, где Ne – число колебаний, соверщённых за время, когда амплитуда колебаний уменьшается в е раз.
Добротность колебательной системы
Вынужденные колебания.
Вынужденные колебания - это колебания, происходящие под действием периодического внешнего воздействия.
На груз m действует внешняя сила, изменяющаяся по гармоническому закону
Получим дифференциальные уравнения:
Приведем уравнения к каноническому виду - делим на коэффициент при старшей производной и переносим все члены уравнения, содержащие неизвестную функцию, в левую часть:
Введём обозначения
.
Явление механического резонанса.
См. Резонанс
Резонансная частота.
См. Резонанс
Волны в упругой среде.
Упругая среда-среда непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.
Волны-возмущения, распространяющиеся в среде или в вакууме и несущие с собой энергию. При распространении волны происходит перенос энергии волной без пререноса вещества, т.е. при распространении волны частицы колеблются возле своих равновесных положений, т.е. вместе с волной от частицы к частице передается колебательное состояние и его энергия.
Отличие от уравнения колебаний.
Отличие от уравнения колебаний волны зависят не только от времени, но и от расстояния.
Волновое уравнение.
Распространение волн в однородной изотропной среде в общем случае описывается волновым уравнением - дифференциальным уравнением в частных производных.
, (4) где (5)-оператор Лапласа, v - фазовая скорость.
Решением уравнения (4) является уравнение любой волны (плоской, сферической и т.д.). В частности, для анализируемой здесь плоской гармонической волны (1), которая не зависит от координат y и z волновое уравнение принимает вид . (6)
Cоответствующей подстановкой можно убедится, что уравнению (6) удовлетворяет уравнение (1).
Частота, период, длина волны.
Длина волны - это расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний.Так как,тоили.
Электромагнитные волны.
Гипотеза Максвелла.
Создал теория электромагнитного поля (теория максвелла). Предсказал существование электромагнитных волн и их распространение в пространстве со скоростью света.
Заряд, согласно Максвеллу любой электрический заряд должен излучать электромагнитные волны. Покоящийся заряд (а также равномерно и прямолинейно движущийся) электромагнитных волн не излучает.
Скорость распространения электромагнитных волн.
Скорость электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой для всех систем отсчёта
Связь со скоростью света в вакууме.
скорость электромагнитных волн в веществе в раз меньше, чем в вакууме:
- диэлектрическая проницаемость среды.
- магнитная проницаемость среды.
Энергия электромагнитных волн.
Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.
Работа по созданию магнитного потока имеет вид
- сила тока
- индукция
Энергия магнитного поля связана с контуром .
Оптика.
Геометрическая и волновая оптика.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА, раздел оптики, в котором распространение света в прозрачных средах описывается с помощью представления о световых лучах, а волновые и квантовые свойства не учитываются. Основные законы геометрической оптики - отражения света и преломления света на границе раздела 2 однородных сред - в основном достаточны для построения изображений оптических в оптических системах, а также для описания аберраций и методов их исправления. По аналогии с геометрической оптикой применяется также понятие геометрическая акустики.
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА - раздел физической оптики, изучающий совокупность таких явлений, как дифракция света, интерференция света, поляризация света, в которых проявляется волновая природа света
Границы применимости.
Закона, лежащие в основе геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон независимости распространения световых лучей, закон отражения и закон преломления света /закон синусов/.
Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным: при прохождении света через очень малые отверстия наблюдается отклонение от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.
Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечении не возмущают друг друга. Пересечения лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей перестает соблюдаться.
Закон отражения света. Согласно закону отражения света, отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения.
Закон преломления света формулируется следующим образом: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ. (закон доказывался выше)
Принцип Ферма.
Полное внутреннее отражение.
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ электромагнитных волн, происходит при прохождении их из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2 под углом падения a, превышающим предельный угол aпр, определяемый соотношением sinaпр=n2/n1. Полным внутренним отражением объясняется блеск капелек росы, бриллианта, распространение света по световодам. Впервые полное внутреннее отражение описано в 17 в. И. Кеплером как прямое следствие закона преломления света.
Свет как электромагнитная волна.
СВЕТОВАЯ ВОЛНА - электромагнитная волна видимого диапазона длин волн (см. Свет). Частота световой волны (или набор частот) определяет "цвет". Энергия, переносимая световой волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды.
Диапазон световых волн.
Диапазон световых волн лежит между 4 550 (фиолетовый цвет) и 7 600 (красный цвет) ангстрем. Скорость распространения света 300 000 км в секунду
Принцип Гюйгенса.
Оптическая длина пути.
ОПТИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ - произведение длины пути светового луча на показатель преломления среды (путь, который прошел бы свет за то же время, распространяясь в вакууме).
Интерференция в тонких пленках.
Кольца Ньютона.
Кольца Ньютона - интерференционная картина, возникающая в проходящем или отраженном свете в окрестности точки соприкосновении выпуклой поверхности с плоскостью.
После отражения лучей на границах раздела стекло-воздух и воздух стекло лучи интерферируют, образуют интерференционную картину в виде концентрических колец.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Это оптическое явление, возникающее в тех случаях, когда в компьютер импортируется изображение с прозрачной пленки. Подобно радуге, появляющейся на поверхности мыльного пузыря, кольца появляются при плотном соприкосновении двух поверхностей, когда между ними возникает очень тонкий промежуток. Появляются, так называемые, интерференционные полосы. Чтобы избежать этого явления при сканировании прозрачных пленок, нужно класть пленку лицевой стороной прямо на стеклянную поверхность сканера.
Просветление оптики.
Просветле́ние о́птики — нанесение для увеличения светопропускания (прозрачности) объектива на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки, преломляющая способность которой меньше преломляющей способности стекла линз.
Толщина такой плёнки, например из кремниевой кислоты, равняется 1/4 длины световой волны. Только в этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность станет равной нулю. Коэффициент преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню коэффициента преломления оптического стекла линз.
Просветляющая плёнка уменьшает светорассеяние, что увеличивает контраст оптического изображения, отчего фотографии получаются более детализированными.
Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнка, нанесенная на поверхность линз, легко повреждается. Особенно она разрушается маслом и жиром, попадающим на линзу.
Дифракция.
Дифра́кция све́та - отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении его через малое отверстие или узкие щели (0,1-1,0 мм). В этом случае лучи света распространяются не только прямо, но и в стороны, отчего вокруг светлого кружка или светлой полосы появляется цветная кайма - дифракционные кольца или полосы. Первые легко наблюдать, если смотреть сквозь малое отверстие на стоящий недалеко источник света. Чем меньше отверстие, тем больше диаметр первого кольца дифракции. С увеличением отверстия его диаметр уменьшается. Дифракция ухудшает резкость изображения при очень сильном диафрагмировании объектива. Она начинает сказываться с относительного отверстия 1:8-1:11.
Дифракция в параллельных пучках.
Дифракционная решетка.
Дифракционная решетка - оптическое устройство, имеющее большое число отверстий, разделенных непрозрачными промежутками, на которых происходит дифракция света.
Обычно дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа параллельных штрихов одинаковой ширины, нанесенных на прозрачную или отражающую поверхность на одинаковом расстоянии друг от друга.
Дифракционная решетка является основным элементом спектральных приборов.
Период дифракционной решетки.
Период дифракционной решетки - расстояние между серединами двух соседних щелей дифракционной решетки
Естественный и поляризованный свет.
Электромагнитная световая волна называется естественной (неполяризованной), если направление колебаний векторов E и B в этой волне могут лежать в любых плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости распространения волны. Естественная световая волна(неполяризованная) называется естественным светом.
Электромагнитная световая волна называется плоскополяризованной, если направление колебаний векторов E и B в этой волне строго фиксированы и лежат в определённых плоскостях. Плоскополяризованная световая волна называется поляризованным светом.
Плоскость поляризации. Степень поляризации.
Плоскость поляризации, это плоскость, проходящая через направление распространения линейно поляризованной электромагнитной волны и направление колебаний электрического вектора этой волны.
Степенью поляризации частичного поляризованного света называется величина
.
При идеальном поляризаторе Imin = 0 и P = 1, свет плоскополяризован.
Анализаторы и поляризаторы.
Поляризатор, устройство для получения полностью или (реже) частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками (см. Поляризация света). Простейший поляризационный прибор и один из основных элементов более сложных таких приборов. Линейные П., дающие плоскополяризованный свет, - либо оптически анизотропные поляризационные призмы и поляроиды, либо оптические стопы изотропных пластинок, прозрачных в нужной области спектра. В качестве циркулярного П. для получения света, поляризованного по кругу, обычно применяют совокупность линейного П. и пластинки четверть длины волны (см. Компенсатор оптический). Любой П. может быть использован и как анализатор поляризованного излучения. См. также Поляризационные приборы.
Поляризатор - устройство, которое служит для преобразования естественного света в поляризованный.
Анализатор - устройство позволяющее определить плоскость поляризации.
Закон Брюстера.
Луч, падающий под определенным углом к отражающей поверхности, при отражении полностью поляризуется в плоскости, параллельной этой поверхности.
Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности. Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества. Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера, и его тангенс равен коэффициенту преломления.-
Оптическая ось кристалла.
Оптическая ось кристалла, направление в кристалле, в котором свет распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.
Главное сечение кристалла.
Главное сечение кристалла - плоскость, образованная направлением распространения падающего света и направлением оптической оси кристалла.
Вращение плоскости поляризации.
ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещенных в магнитное поле.
Электрооптический эффект Керра.
КЕРРА ЭФФЕКТ,
1) электрооптический Керра эффект - возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных средах (жидкостях, стеклах) под действием электрического поля. Открыт шотландским физиком Дж. Керром в 1875. На Керра эффекте основана так называемая ячейка Керра, представляющая собой плоский конденсатор, заполненный жидкостью, и использующаяся как оптический затвор: в начальных условиях свет не пропускает, а при включении электрического поля пропускает; обладает большим быстродействием (10-9-10-13 с).
2) Магнитооптический эффект Керра состоит в том, что плоскополяризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится эллиптически поляризованным.
Нормальная и аномальная дисперсия.
Нормальная, Дисперсия света называется нормальной, в случае если показатель преломления монотонно возрастает с увеличением частоты (убывает с увеличением длины волны)
Аномальная, Дисперсия света называется аномальной, в случае если показатель преломления монотонно убывает с уменьшением частоты (т.е. в точности, наоборот, по сравнению с нормальной)
Поглощение света веществом.
Поглощение света - процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением света.
2ой ВАРИАНТ
Поглощение Света, уменьшение интенсивности света, проходящего через среду, вследствие взаимодействия его с частицами среды. Сопровождается нагреванием вещества, ионизацией или возбуждением атомов или молекул, фотохимическими процессами и т. д. Поглощенная веществом энергия может быть полностью или частично переизлучена веществом с другой частотой (см. Рассеяние света, Бугера - Ламберта - Бера закон).
– Конец работы –
Используемые теги: Методическое, пособие, учащихся, ВТУЗ, дисциплине, Физика, механические, Колебания0.114
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Методическое пособие для учащихся ВТУЗов По дисциплине: физика. Механические колебания
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов