Что такое скалярные величины в кинематике

Два вида физических величин: скалярные величины и векторные величины

«Что-то я не помню такой темы в физике» — первое, что, наверное, пришло вам в голову. Да, вы правы — тема незаметная, но в некоторых учебниках она присутствует. «А нужна она мне для ЕГЭ?» Нужна. Точно нужна. Очень нужна. Постоянно нужна.

Давайте приступим. Надо запомнить, что в физике (школьной) есть два типа физических величин:

Векторная величина. Что это такое? Давайте вспомним (а для тех, кто не знал — узнаем), что

Направление вектора изображается на картинке. Куда показывает вектор — туда он и направлен. Например, бывает так, что вектор направлен вверх, вниз и т.д. Вектор может быть направлен вдоль какой-то плоскости. Примеры можете видеть на картинках.

Ну, самое простое — это опыт. Решая задачи, читая теоретический материал, вы со временем запомните, какие величины векторные, а какие скалярные. Физических величин не так много, как может показаться.

А способ чуть посложнее — это представить эти величины и решить для себя: могут они иметь направление? Если да — то это вектор, если нет — скаляр.

Например: заряд конденсатора. Если заряд имеет направление, то куда он направлен? Непонятно — поэтому, скорее всего, заряд — это скалярная величина.

Другой пример: длина отрезка. Если эта физическая величина имеет направление, то откуда куда она направлена: от точки 1 до точки 2? Или от точки 2 до точки 1? Трудно выбрать — поэтому, скорее всего, длина отрезка — это скаляр.

Какие из представленных на рисунках величин являются скалярными, а какие — векторными?

Источник

Механическое движение

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Механическое движение

Когда мы идем в школу или на работу, автобус подъезжает к остановке или сладкий корги гуляет с хозяином, мы имеем дело с механическим движением.

Механическим движением называется изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени.

«Относительно других тел» — очень важные слова в этом определении. Для описания движения нам нужны:

В совокупности эти три параметра образуют систему отсчета.

В механике есть такой раздел — кинематика. Он отвечает на вопрос, как движется тело. Дальше мы с помощью кинематики опишем разные виды механического движения. Не переключайтесь 😉

Прямолинейное равномерное движение

Движение по прямой, при котором тело проходит равные участки пути за равные промежутки времени называют прямолинейным равномерным. Это любое движение с постоянной скоростью.

Например, если у вас ограничение скорости на дороге 60 км/ч, и у вас нет никаких препятствий на пути — скорее всего, вы будете двигаться прямолинейно равномерно.

Мы можем охарактеризовать это движение следующими величинами.

Скалярные величины (определяются только значением)

Векторные величины (определяются значением и направлением)

Проецирование векторов

Векторное описание движения полезно, так как на одном чертеже всегда можно изобразить много разнообразных векторов и получить перед глазами наглядную «картину» движения.

Однако всякий раз использовать линейку и транспортир, чтобы производить действия с векторами, очень трудоёмко. Поэтому эти действия сводят к действиям с положительными и отрицательными числами — проекциями векторов.

Если вектор сонаправлен с осью, то его проекция равна длине вектора. А если вектор противоположно направлен оси — проекция численно равна длине вектора, но отрицательна. Если вектор перпендикулярен — его проекция равна нулю.

Скорость может определяться по вектору перемещения и пути, только это будут две разные характеристики.

Скорость — это векторная физическая величина, которая характеризует быстроту перемещения, а средняя путевая скорость — это отношение длины пути ко времени, за которое путь был пройден.

Скорость

→ →
V = S/t

→
V — скорость [м/с]
→
S — перемещение [м]
t — время [с]

Средняя путевая скорость

V ср.путевая = S/t

V ср.путевая — средняя путевая скорость [м/с]
S — путь [м]
t — время [с]

Задача

Найдите, с какой средней путевой скоростью должен двигаться автомобиль, если расстояние от Санкт-Петербурга до Великого Новгорода в 210 километров ему нужно пройти за 2,5 часа. Ответ дайте в км/ч.

Решение:

Возьмем формулу средней путевой скорости
V ср.путевая = S/t

Подставим значения:
V ср.путевая = 210/2,5 = 84 км/ч

Ответ: автомобиль будет двигаться со средней путевой скоростью равной 84 км/ч

Уроки физики в онлайн-школе Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Уравнение движения

Основной задачей механики является определение положения тела в данный момент времени. Для решения этой задачи помогает уравнение движения, то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t).

Уравнение движения

x(t) = x0 + vxt

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — момент времени [с]

Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v

Уравнение движения при движении против оси

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — момент времени [с]

Графики

Изменение любой величины можно описать графически. Вместо того, чтобы писать множество значений, можно просто начертить график — это проще.

В видео ниже разбираемся, как строить графики кинематических величин и зачем они нужны.

Прямолинейное равноускоренное движение

Чтобы разобраться с тем, что за тип движения в этом заголовке, нужно ввести новое понятие — ускорение.

Ускорение — векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости. В международной системе единиц СИ измеряется в метрах, деленных на секунду в квадрате.

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение — килограмм с приставкой «кило».

Итак, прямолинейное движение — это движение с ускорением по прямой линии. Движение, при котором скорость тела меняется на равную величину за равные промежутки времени.

Уравнение движения и формула конечной скорости

Основная задача механики не поменялась по ходу текста — определение положения тела в данный момент времени. У равноускоренного движения в уравнении появляется ускорение.

Уравнение движения для равноускоренного движения

x(t) = x0 + v0xt + axt^2/2

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
v0x — начальная скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — время [с]
ax — ускорение [м/с^2]

Для этого процесса также важно уметь находить конечную скорость — решать задачки так проще. Конечная скорость находится по формуле:

Формула конечной скорости

→ →
v = v0 + at

→
v — конечная скорость тела [м/с]
v0 — начальная скорость тела [м/с]
t — время [с]
→
a — ускорение [м/с^2]

Задача

Найдите местоположение автобуса через 0,5 часа после начала движения, разогнавшегося до скорости 60 км/ч за 3 минуты.

Решение:

Сначала найдем ускорение автобуса. Его можно выразить из формулы конечной скорости:

Так как автобус двигался с места, v0 = 0. Значит
a = v/t

Время дано в минутах, переведем в часы, чтобы соотносилось с единицами измерения скорости.

3 минуты = 3/60 часа = 1/20 часа = 0,05 часа

Подставим значения:
a = v/t = 60/0,05 = 1200 км/ч^2
Теперь возьмем уравнение движения.
x(t) = x0 + v0xt + axt^2/2

Начальная координата равна нулю, начальная скорость, как мы уже выяснили — тоже. Значит уравнение примет вид:

Ускорение мы только что нашли, а вот время будет равно не 3 минутам, а 0,5 часа, так как нас просят найти координату в этот момент времени.

Подставим циферки:
x = 1200*0,5^2/2 = 1200*0,522= 150 км

Ответ: через полчаса координата автобуса будет равна 150 км.

Графики

Мы уже знаем, что такое графики функций и зачем они нужны. Для прямолинейного равноускоренного движения графики будут отличаться. Об этом — в видео ниже

Движение по вертикали

Движение по вертикали — это частный случай равноускоренного движения. Дело в том, что на Земле тела падают с одинаковым ускорением — ускорением свободного падения. Для Земли оно приблизительно равно 9,81 м/с^2, а в задачах мы и вовсе осмеливаемся округлять его до 10 (физики просто дерзкие).

Вообще в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают значение: g = 9,8 м/с2. В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с2.

Частным случаем движения по вертикали (частным случаем частного случая, получается) считается свободное падение — это равноускоренное движение под действием силы тяжести, когда другие силы, действующие на тело, отсутствуют или пренебрежимо малы.

Помните о том, что свободное падение — это не всегда движение по вертикали. Если мы бросаем тело вверх, то начальная скорость, конечно же, будет.

Источник

Скаляры и векторы: что это такое

В физике используется много различных математических величин. Например, ускорение, скорость, сила, работа, мощность и так далее. Ученые делят эти величины на два типа: «скалярные» и «векторные». Что же означают эти типы и чем они отличаются?

Скаляр – это величина, которая описывается только значением. Значение этой величины выражает только число. Примеры скалярных величин: скорость, объем, масса, температура, мощность, энергия, время и т.д. Более о скорости читайте в учебнике по физике за 7 класс В.Г. Баряхтяра.

Вектор – это величина, которая имеет как значение, так и направление. Векторные величины важны при изучении движения. Некоторые примеры векторных величин: сила, скорость, ускорение, перемещение и импульс.

Вектор имеет и направление, и значение, а скаляр имеет только значение. Вы можете сказать, является ли величина вектором, просто если поймете, имеет ли эта величина направление.

Как нарисовать вектор?

Вектор нарисован в виде стрелки с головой и хвостом. Величину вектора часто описывают длиной стрелки. Стрелка указывает в направлении вектора.

Векторы обычно пишутся в виде жирных букв. Они также могут быть написаны в виде стрелки над буквой.

Пример вопросов: скаляр или вектор?

1) Футболист бежал со скоростью 15 км в час по направлению к концу зоны.

Это вектор, так как он представляет и значение (15 км/ч) и направление (по направлению к концу зоны).

2) Температура помещения составляет 15 градусов по Цельсию.

Это скаляр, направления нет.

3) Автомобиль разогнался на север со скоростью 4 м/с2 (четыре метра в секунду в квадрате).

Это вектор, поскольку он имеет как направление, так и величину. Мы также знаем, что ускорение – это векторная величина.

Источник

Кинематика

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Прямолинейное равномерное движение

Движение по прямой, при котором тело проходит равные участки пути за равные промежутки времени называют прямолинейным равномерным. Это любое движение с постоянной скоростью.

Например, если у вас ограничение скорости на дороге 60 км/ч и у вас нет никаких препятствий на пути, то вы скорее всего будете двигаться прямолинейно равномерно.

Мы можем охарактеризовать это движение следующими величинами.

Скалярные величины (определяются только значением)

Векторные величины (определяются значением и направлением)

Проецирование векторов

Векторное описание движения полезно, так как на одном чертеже всегда можно изобразить много разнообразных векторов и получить перед глазами наглядную «картину» движения.

Однако всякий раз использовать линейку и транспортир, чтобы производить действия с векторами, очень трудоёмко. Поэтому эти действия сводят к действиям с положительными и отрицательными числами — проекциями векторов.

Если вектор сонаправлен с осью, то его проекция равна длине вектора. А если вектор противоположно направлен оси — проекция численно равна длине вектора, но отрицательна. Если вектор перпендикулярен — его проекция равна нулю.

Скорость может определяться по вектору перемещения и пути, только это будут две разные характеристики. Скорость — это векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения, а средняя путевая скорость — это отношение длины пути ко времени, за которое путь был пройден.

Скорость

→ →
V = S/t

Средняя путевая скорость

V ср.путевая = S/t

V ср.путевая — средняя путевая скорость [м/с]

В чем разница между перемещением и путем?

Перемещение — это вектор, проведенный из начальной точки в конечную, а путь — это длина траектории.

Задача

Найдите, с какой средней путевой скоростью должен двигаться автомобиль, если расстояние от Санкт-Петербурга до Великого Новгорода в 210 километров ему нужно пройти за 2,5 часа. Ответ дайте в км/ч.

Решение:

Возьмем формулу средней путевой скорости

V ср.путевая = 210/2,5 = 84 км/ч

Ответ: автомобиль будет двигаться со средней путевой скоростью равной 84 км/ч

Уравнение движения

Основной задачей механики является определение положения тела в данный момент времени. Для решения этой задачи помогает уравнение движения, то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t).

Уравнение движения

x(t) = x0 + vxt

x(t) — искомая координата [м]

x0 — начальная координата [м]

vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]

t — момент времени [с]

Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v

Уравнение движения при движении против оси

x(t) — искомая координата [м]

x0 — начальная координата [м]

vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]

t — момент времени [с]

Графики

Изменение любой величины можно описать графически. Вместо того, чтобы писать множество значений, можно просто начертить график — это проще.

В видео ниже я рассказываю, как строить графики кинематических величин и зачем они нужны.

Прямолинейное равноускоренное движение

Чтобы разобраться с тем, что за тип движения в этом заголовке, нужно ввести новое понятие — ускорение.

Ускорение — векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости. В международной системе единиц СИ измеряется в метрах, деленных на секунду в квадрате.

То есть прямолинейное движение — это движение с ускорением по прямой линии, движение, при котором скорость тела меняется на равную величину за равные промежутки времени.

Уравнение движения и формула конечной скорости

Основная задача механики не поменялась по ходу текста — определение положения тела в данный момент времени. У равноускоренного движения в уравнении

Уравнение движения для равноускоренного движения

x(t) — искомая координата [м]

x0 — начальная координата [м]

v0x — начальная скорость тела в данный момент времени [м/с]

Для данного процесса также важно уметь находить конечную скорость. Это часто упрощает решение задач. Она находится по формуле

Формула конечной скорости

→ →
v = v0 + at

→
v — конечная скорость тела [м/с]

v0 — начальная скорость тела [м/с]

Задача

Найдите местоположение автобуса через 0,5 часа после начала движения, разогнавшегося до скорости 60 км/ч за 3 минуты.

Решение:

Сначала найдем ускорение автобуса. Его можно выразить из формулы конечной скорости:

Так как автобус двигался с места, v0 = 0. Значит

Время дано в минутах, переведем в часы, чтобы соотносилось с единицами измерения скорости.

3 минуты = 3/60 часа = 1/20 часа = 0,05 часа

a = v/t = 60/0,05 = 1200 км/ч^2

Теперь возьмем уравнение движения.

Начальная координата равна нулю, начальная скорость, как мы уже выяснили — тоже. Значит уравнение примет вид:

Ускорение мы только что нашли, а вот время будет равно не 3 минутам, а 0,5 часа, так как нас просят найти координату в этот момент времени.

x = 1200*0,5^2/2 = (1200*0,5^2)/2 = 150 км

Ответ: через полчаса координата автобуса будет равна 150 км.

Графики

Мы уже знаем, что такое графики функций и зачем они нужны. Для прямолинейного равноускоренного движения графики будут отличаться. Об этом — в видео ниже.

Движение по вертикали

Движение по вертикали — это частный случай равноускоренного движения. Дело в том, что на Земле тела падают с одинаковым ускорением — ускорением свободного падения. Для Земли оно приблизительно равно 9,81 м/с^2, а в задачах мы и вовсе осмеливаемся округлять его до 10 (физики просто дерзкие).

Вообще в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают значение: g = 9,8 м/с^2. В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с^2.

И кому же верить?

Частным случаем движения по вертикали (частным случаем частного случая, получается) считается свободное падение — это равноускоренное движение под действием силы тяжести, когда другие силы, действующие на тело, отсутствуют или пренебрежимо малы.

Помните о том, что свободное падение — это не всегда движение по вертикали. Если мы бросаем тело вверх, то начальная скорость, конечно же, будет.

Движение по окружности

Движение по окружности — простейший случай криволинейного движения тела, когда тело движется вокруг некоторой точки. Очень важно разделить движение по окружности и вращение тела.

При вращательном движении тела все его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами.

Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью — это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени описывает одинаковые дуги. Это очень похоже на равномерное движение, только в данном случае мы имеем дело с дугами.

При движении по окружности тело двигается вокруг одной точки, а при вращении — все точки тела движутся вокруг оси вращения.

В видеролике ниже рассказано про ускорение при криволинейном движении. Оно складывается из двух составляющих — нормальной и тангенциальной. При равномерном движении по окружности тангенциальная составляющая отсутствует, остается нормальная, которую мы в данном случае называем центростремительной.

Центростремительное ускорение

При движении по окружности модуль скорости постоянен, а вот направление скорости постоянно меняется. За изменение направления скорости отвечает центростремительное ускорение.

Центростремительное ускорение

aц = v^2/R

aц — центростремительное ускорение [м/с^2]

R — радиус окружности [м]

Задачка

Мотоцикл движется по закруглённому участку дороги радиусом 120 м со скоростью 36 км/ч. Чему равно центростремительное ускорение мотоцикла?

Решение:

Возьмем формулу центростремительного ускорения тела

В условии задачи скорость дана в километрах в час, а радиус в метрах. Значит, нужно перевести скорость в м/с, чтобы избежать коллапса в решении.

Теперь можно подставить значения в формулу:

aц = 10^2/120 = 100/120 = 10/12 ≃ 0,83 м/с^2

Ответ: центростремительное ускорение мотоциклиста равно 0,83 м/с^2

Эту и другие темы мы разбираем на курсе физики за 9 класс.

Источник

Основные кинематические величины

Радиус-вектор – это вектор, который соединяет начало координат с положением тела в пространстве.

Траектория – это кривая линия по которой движется тело.

Перемещение – это вектор, который соединяет начальное и конечное положение тела на траектории.

Путь – скалярная величина, которая равна длине траектории.

Скорость – это физическая величина, которая показывает насколько быстро движется тело. Бывает: а) мгновенная, б) средняя по пути, в) средняя по перемещению.

Ускорение – это векторная физическая величина, которая характеризует быстроту изменения скорости. Бывает: а) нормальное (центростремительное), б) тангенсальное, в) полное.

Тангенсальное ускорение характеризует быстроту изменения скорости по величине.

Нормальное ускорение характеризует быстроту изменения скорости по направлению.

Полное ускорение – это сумма тангенсальной и нормальной составляющих.

2) Основные законы сохранения в динамике пост и вращ движения.

Поступательное движение – это движение тела, при котором прямая, соединяющая любые 2 точки этого тела при перемещении остаётся параллельно своему первоначальному направлению.

Вращательное движение вокруг оси — движение твёрдого тела, при котором какие-нибудь две его точки А. и В остаются всё время неподвижными.

3) Динамика поступательного движения. Законы Ньютона.

Динамика поступательного движения – скорость изменения импульса системы равна главному вектору всех внешних сил, действующих на эту систему.

Основное уравнение динамики поступательного движения:

Инерциальной системой отсчёта является такая система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой инерциальной системы.

Первый закон Ньютона:

Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения пока воздействие со стороны других тел не заставит изменить его это состояние.

Второй закон Ньютона:

Ускорение, приобретаемое телом пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе тела (dP = Fdt).Для системы материальных точек: dP = ∑(от k = 1 до N)Fk*dt

Третий закон Ньютона:

Все реальные силы в природе являются силами взаимодействия между двумя телами: если 1 действует на тело 2 с силой F12, то тело 2 действует на тело 1 с силой F21(F12=-F21).Т. е. силы с которыми 2 тела взаимодействуют друг с другом равны по модулю но противоположны по направлению (F12 + F21 = 0).

Для системы из N взаимодействий между собой тел 3 закон Ньютона выглядит так:

F12+F21+F13+F31+…= ∑(от i=1 до N)∑(от j=1 до N)Fij =0.

Скорость изменения импульса системы материальных точек равен векторной сумме внешних сил действующих на систему (dP=∑(от k=1 до N)Fk*dt). Это выражение отражает так же и закон сохранения импульса для незамкнутой системы: импульс системы могут изменить только импульсы внешних сил. Если система замкнутая, то:

∑(от k = 1 до N)Fk*dt=0 => dP=0, т. е. импульс замкнутой системы P = ∑(от i = 1 до n)Pi=const.

Моментом импульса материальной точки I относительно начала координат называется векторная величина, которая равна: I = τP

Моментом импульса системы материальных точек L относительно начала координат называется векторная сумма моментов частиц систем.

dL/dt = 0, L=∑(от i = 1 до n)Ii=const – закон сохранения момента импульса для заданной системы.

4) Основное уравнение динамики вращательного движения: M=J*ε => F=ma.

Кинетическая энергия вращающегося твердого тела:

5) Понятие работы и мощности. Работа переменной силы.

Работа (А) – мера измерения механической энергии бA=F*dR, dR – перемещение тела, F – сила.

Мощность (N) – скалярное произведение силы приложенной к телу на скорость тела. N=dA/dt.

Работа переменной силы –

Консервативные силы – работа которых не зависит от формы пути между двумя точками (при перемещении тела между ними). Все силы, не являющиеся консервативными, называются неконсервативными силами. К ним относятся, прежде всего, так называемые диссипативные силы, например силы трения, возникающие при скольжении одного тела относительно другого.

6) Основные понятия динамики вращательного движения. Момент силы и импульса.

Введем понятие абсолютно твердого тела. Будем рассматривать абсолютно твердое тело как систему жестко связанных материальных точек. При вращательном движении абсолютно твердого тела все его точки описывают окружности лежащие в плоскостях перпендикулярно оси Оz.

Момент инерции материальной точки: J=m*r2 m – масса, r – расстояние от точки до оси.

Момент силы относительно точки и неподвижной оси: Mz=F*R=Jz*ε, F – сила, R – радиус, ε – угловое ускорение.

Момент импульса относительно точки и неподвижной оси: Lz=J*ω, J – момент инерции, ω – угловая скорость.

Момент инерции тела относительно произвольной оси Оz равен моменту инерции тела относительно оси Оz0 проходящей через центр масс тела параллельно оси Оz + произведение массы тела на квадрат расстояния между Оz и Оz0.

Пусть Оz0 – ось параллельная оси Оz и проходит через центр масс тела. Расстояние между осями Оz и Оz0 = d. Оси Оz и Оz0 перпендикулярны рисунку.

7) Потенциальная и кинетическая энергия

К механической энергии относят два вида энергии: Кинетическая и Потенциальная.

При поступательном движении кинетическая эн. Тела массой m, движущ. Тела v равна:

Кинетическая энергия механической системы равна сумме кинетических энергий всех частей этой системы

Kc-мы=∑Ki=∑(mivi2)/2 ( от i=1 До n) n-число тел.

Изменение кинетической энергии системы равно работе сил, действ-х на эту систему мсо стороны др. тел или полей.

Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризующая способность некого тела (или материальной точки) совершать работу за счет его нахождения в поле действия сил.

Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения и изменения механической энергии.

Потенциальная энергия мех. энергия системы тел, определяемая их взаимным расположением, и характером сил взаимодействия межу ними. Работа dA выражается как скалярное произведение силы F на перемещение dr. Работа совершается за счёт уменьшения потенциальной энергии.

Полная мех. энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии. E=T+П.

Рассмотрим взаимодействие двух частиц. Пусть потенциальная энергия их взаимодействия определяется функцией U(x), где x — расстояние между частицами. Для определённости положим, что частицы отталкиваются с силой F. Под действием этой силы расстояние между частицами изменится на dx, следовательно будет совершена работа A = Fdx. При этом, поскольку частицы отодвинулись, то потенциальная энергия их взаимодействия U изменилась на величину dU (уменьшилась). Отсюда получаем

Таким образом, в случае потенциальных сил, сила F есть производная от потенциальной энергии U по параметру x с обратным знаком.

8) Колебания. Дифференц. Ур-ия колебаний(гармонич, незатух, затух, вынужд) и их решения

Колебания-процессы, характериз-ся той или иной степенью повторяемости во времени. Они могут быть мех-ми, электромагн. И др. Колебания периодические, если они повторяются через определенные промежутки времени.

Минимальный из них это Период T. За период совершается одно полное колебание. Число полных колебаний в ед. вр. Назыв. Частотой колебаний.

ω=2 это круговая или циклическая частота

Период: T=

При периодический колебаниях величины x за время t выполняется след. Соотношение

Гармоническим колебательным движением называется периодич. Движ., при котором смещение точки от положения равновесия в зависимости от времени t измен. По закону синуса

Скорость v и ускорение (а) при гар. Кол. Измен-ся по закону

V==ẋ=A ω0cos (ω0t+α)

a==ẍ=-A02sin(ω0t+α)

отсюда следует что при гар. Кол. Ускорение прямопропорц-но смещению точки от положения равновесия и всегда направлено противопол. Ему

Из этих уравнений получаем дифференциальное уравнение гарм. кол

ẍ+ 02=0 а уравнение (1) которое выше, является его решением

сила гар. Кол F=-m ω20x.

m ω20=k –коэффицент возвр силы. Н численно равен возвр силе, вызыв смещение х на ед.

Круговая частота в гар. кол : 0=

Период гар. кол: T0=2

При гар. кол полная мех. энергия складывается из кин. И пот. Энергии E = +

Всякое колебание мат. точки, не поддерж. Извне, затухает из-за наличия сил сопротивления.

Диф-ное уравнение:

где k — коэффициент упругости в законе Гука, c — ускорение горизонтального движения грузика.

Решение его: х=А0е-βtsin(ωt+α)

Если β=0 уравнение выше переходит в уравнение незатухающих колебаний.

Β=; ω=

Период затухающих кол.:
Т=2π/ω

Логарифмический декремент затухания: ∂=ln(At/At+T)

Собственные (или свободные) — колебания при отсутствии внешних сил, когда система, после первоначального воздействия внешней силы, предоставляется самой себе (в реальных условиях свободные колебания всегда затухающие)

Если ω меньше или равна 0 то колебаний нет. система совершает апериодические колебания. Приближ к равновесию.

Вынужденные кол. — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Сила в этом случае

По 2-му зак Ньютона

ẍ+0sinΏt/m это дифференциальное уравнение вынужденных коллебаний

Решение его: х=А0е-βtsin(ωt+α)+Asin(

Вынужденные складываются из затух и незатух. Происходящих с частотой Ώ.

Установившиеся вынужд кол. Х= Аsin(Ώt+Ѱ)

Амплитуда вынуж. Кол. А=F0/m*(sqrt[(ω02-Ώ2)2+4β2Ώ2])

Где ω0=sqrt(k/m) частота собст колеб, β=r/2m-коэфф. Затух

9) Термодинамические и статистические методы исследование термодинамич.

Систем. Давление и темпер. Идеал. газа. Понятие о равновеном процессе. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы.

Термодинамич. Системы состоят из большого числа частиц.

Термодинамич. Метод исследов. Основан на описании состояния системы с помощью некоторых макроскопических параметровЮ, характер-х состояние системы в целом к ним относят оббьем, давление, температуру.

Термодинамика изучает равновесные состояние вещества, при которых термодин. Параметры вещ-ва остаются пост. И равными своим средним значениям по всему обьему..

Число частиц: N=vNA где NA-число авагадро(6.02*1023) v-кол-во вещества.

v=m/μ где μ-молярная масса в-ва.

Идеальный газ – это газ молекулы которого можно рассматривать как материальные точки, взаимодействие которых между собой происходит только в момент соударения.

Уравнение состояния(Клапейрона-Мендлеева)- PV=RT, gde m-масса газа, R – универс. газ. пост.(8.31 дж/к*моль)

Для 1 моля уравнение такое : PV=RT

Переход термодин. системы из одного состояния в другое называется термодин. процессом.

Изохорический процесс(V-const) закон Шарля.

Изобарический проц. P-const закон Гей-люссака V/T=const

Изотермический проц.(T=const) закон Бойля-Мариотта PV=const

Равнове́сный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний.

Равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.

Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью, поэтому не могут быть равновесными. Реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому равновесные процессы называют квазистатическими.

10) первое начало термодинамики, внутренняя энергия ид. Газа. Теплота. работа.

∂Q=dU+∂A это 1-е начало термод. Означает что количество теплоты подеденное к системе расходуется на изменение энергии и совершение работы.

Количество теплоты положительное если оно подводится к системе и отрицательно если отводится.

Внутрення энергия системы является функцией состяния и не зависит от вида процесса. Бесконечно малое изменение внутр. эн. dU является полным дифференциалом т. е.

∆U1-2==U2-U1

Количество теплоты и работа не являются функциями состояния и зависят от способа перехода системы. Поэтому ∂Q и ∂A не явл. Полными диффер-ми.

Элем-ая работа газа при малом изменении его обьема записано так: ∂A=PdV

Из состояния 1 в 2 выглядит так: A1-2=

Работа газа положительна, если в процессе происходит расширение газа(обьем увелич) и отрицательна при уменьшении обьема газа.

11) Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. 1-е начала термодинамики для Адиабат. процесса

Адиабатический процесс – это процесс расширения газа, при котором выполняется 2 условия: а) внешнее давление постоянно и равно давлению самого газа, б) газ остаётся теплоизолированным.

Адиабатический процесс описывается уравнением Пуассона: P*Vγ = const.

Адиабатическое расширение сопровождается охлаждением, а сжатие нагреванием.

12) Вероятностное описание случайных событий. Функция распределения Максвела по модулю скорости

Рассмотрим систему из N молекул заполняющую некоторый объем V. Разобъем пространство на бесконечно – малые объемы dV, тогда число dN молекул в нем определяется следующим соотношением dW=dN/N есть вероятность, что первая произвольная выбранная молекула газа в момент времени t окажется в объеме dV.

W(t, r) = dW/dV – плотность вероятности или функция распределения молекул в пространстве. Для описания микроскопического состояния газа используют функции f = f(t, r,v). Функция распределения Максвелла дает распределение по скорости молекул в газе. F(v) = 4π(α/π)3/2 *v2 * exp(-α* v2).

Физический смысл функции Максвела заключается в следующем: в соответствии с определением вероятности выражения f(v)dv, модуль скоростей которые лежат в интервале(v, v+dv) при этом относительное кол-во молекул скорости которые лежат в интервале от V1 до V2 будет выражено: N/N=

13. Распределение Больцмана. Барометрическая формула.

Постоянная Больцмана (k или kb) — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана, сделавшего большой вклад в статистическую физику, в которой эта постоянная играет ключевую роль. Её экспериментальное значение в системе СИ равно

Числа в круглых скобках указывают стандартную погрешность в последних цифрах значения величины. Постоянная Больцмана может быть получена из определения абсолютной температуры и других физических постоянных. Однако, вычисление постоянной Больцмана с помощью основных принципов слишком сложно и невыполнимо при современном уровне знаний. В естественной системе единиц Планка естественная единица температуры задаётся так, что постоянная Больцмана равна единице.

Универсальная газовая постоянная определяется как произведение постоянной Больцмана на число Авогадро, R = kNA. Газовая постоянная более удобна, когда число частиц задано в молях.

Барометрическая формула — зависимость давления или плотности газа от высоты в поле тяжести. Для идеального газа, имеющего постоянную температуру T и находящегося в однородном поле тяжести (во всех точках его объёма ускорение свободного падения g одинаково), барометрическая формула имеет следующий вид:

где p — давление газа в слое, расположенном на высоте h, p0 — давление на нулевом уровне (h = h0), M — молярная масса газа, R — газовая постоянная, T — абсолютная температура. Из барометрической формулы следует, что концентрация молекул n (или плотность газа) убывает с высотой по тому же закону:

где m — масса молекулы газа, k — постоянная Больцмана.

Барометрическая формула может быть получена из закона распределения молекул идеального газа по скоростям и координатам в потенциальном силовом поле (см. Статистика Максвелла — Больцмана). При этом должны выполняться два условия: постоянство температуры газа и однородность силового поля.

15. Второе начало термодинамики (его формулировки). Принцип работы тепловой машины. Цикл Карно.

Второе начало термодинамики: в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает.

По Кельвину: невозможен круговой процесс единственным результатом которого является превращение теплоты полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

По Клаузиусу: невозможен круговой процесс единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.

Термический КПД цикла Карно

Записав для адиабат

16. Применение 1-ого начала термодинамики к изопроцессам. Работа расширения газа в изопроцессах.

В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q=A’, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:Q=ΔU+A’.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид Q= ΔU, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, A’= ΔU Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

1) Изотермическое сжатие

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического сжатия ( рис.2) и графическим истолкованием работы для процесса ( рис.3)

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = A

Газ совершает работу за счет поглощения тепла из внешней среды ( внутренняя энергия не изменяется)

3) Изобарное нагревание.

Воспользуемся интерактивной моделью и (пронаблюдаем изобарное нагревание) ( рис. 8) и графическим представлением работы ( рис. 9)

При изобарном нагревании температура увеличивается ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), газ совершает работу, тепло поглощается.

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = U – A

Газ получает тепло из внешней среды. Полученная таким образом энергия тратится на увеличение внешней энергии и на совершение работы.

4) Изобарное охлаждение

Пронаблюдав процесс изобарного охлаждения на интерактивной модели ( рис.11) и воспользовавшись рис.12 можем сделать вывод:

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=Q

Газ увеличивает свою внутреннюю энергию за счет теплоты, полученной из внешней среды.

Интерпретация 1 закона термодинамики для изохорного нагревания представлена на рис. 16

6) Изохорное охлаждение

Изохорное охлаждение пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис17) и графиком на рис 18. Вывод:

рис. 17 рис. 18 рис. 19

При изохорном охлаждении ( T =0. Аналогично = =0. Однако средние значения квадратов проекций скорости не равны нулю! Определим для i-ой молекулы

vi2 = vix2 + viy2 + viz2.

Поскольку все направления эквивалентны, то

Уравнение среднеквадратичной скорости молекулы легко выводится из основного уравнения МКТ для одного моля газа.

, для 1 моля N = Na, где Na — постоянная Авогадро

Nam = Mr, где Mr — молярная масса газа

19. Принцип относительности в классической и релятивистской механике. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца.

Механический принцип относительности Галилея.

При описании физических явлений мы всегда пользуется какой-либо системой отсчета. Например, движение тел мы чаще всего рассматриваем относительно земли, т. е. условно принимаем земной шар за неподвижное тело.

Найдем связь между координатами x, y,z некоторой точки Р в системе К и координатами x’,y’,z’ так же точки в системе К’. Если начать отсчет времени с того момента, когда начала координат обеих систем совпадали, то x=x’+v0t (1). Кроме того, что y=y’ и z=z’ (2).

Добавив и этим соотношениям принятое в классической механике предположение, что время в обоих системах течет одинаковым образом, т. е. что t=t’, и получим совокупность четырех уравнений: x=x’+v0 t ; y=y’; z=z’ ; t=t’ (3); называемых преобразованием Галилея.

Продифференцировав эти отношения, найдем связь между скоростями точки Р по отношению и системам отсчета К и К’: (4); (5); (6) или (7), ; (8). Эти соотношение дают правило сложения скоростей в классической механике. С одним словом Г. Галилей ввел в классическую механику принцип относительности, смысл которого следующий: никакими механическими опытами нельзя установить, покоится инерциальная система отсчета или движется равномерно и прямолинейно.

Все выше сказанное справедливo лишь при значениях , малых сравнению со скоростью света в вакууме, которую мы будем обозначать буквой С . При больших скоростях , сравнимых с С, для изучения движения тел, создали новая механика, которая включить себя классическую механику Ньютона как частный, предельный случай и называли релятивистической механикой.

Постулаты специальной теории относительности.

Для описания движений, совершающихся со скоростями, с равными с. С, Эйнштейн создал релятивистическую механику, т. е. механику, учитывающую требование специальной теории относительности.

Основу этой теории образуют два постулата, которые носят названия принципа относительности Эйнштейна и принципа постоянства скорости света. Согласно принципа относительности Эйнштейна все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип постоянства скорости света утверждает, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приёмников света.

Рассмотрим две инерциальные системы отсчета, которые мы обозначим К и К’. рис. Предположим, система координат К’ движется относительно системы К с постоянной скоростью v. Распространение светового сигнала в положительном направлении оси х описывается уравнением: (9). Для системы координат К’ аналогичное уравнение имеет вид: (10).

Движению, происходящему в обеих системах координат, должны удовлетворять как уравнение (9), так и уравнение (10), что выполняется, если имеет место соотношение: (11), где l-постоянная величина. Для лучей, распространяющихся в отрицательном направлении оси Х, уравнение (11) имеет вид: (12), где m-постоянная величина. Введем новые постоянные: (13), (14). Тогда, (15), (16). Определим постоянные а и в.

Рассмотрим некоторые выводы из теории относительности, вытекающие из преобразования Лоренца.

1. Из преобразований Лоренца для координат х и x’ и времени t и t’ следует, что . В противном случае эти координаты и времена окажутся мнимыми. Скорость v относительного движения двух инерциальных систем отсчета не может превосходить скорости света в вакууме.

2. Пусть стержень MN движется вместе с системой отсчета K’ относительно системы К. рис. Длина стержня в системе К’ равна: (25). Длина тела в системе отсчета, где оно покоится , называется собственной длиной. Для определения длины движущегося стержня в системе К необходимо найти координаты х2 и х1 точек N и M конца и начала стержня в один и тот же момент времени по часам в системе К’: (26). Из преобразований Лоренца следует, что (27), или (28). Длина тела зависит от скорости его движения. Собственная длина тела является его наибольшей длиной. Линейный размер тела, движущегося относительно инерциальной системы отсчета уменьшается в раз. Из преобразований Лоренца следует, что и (29), т. е. поперечные размеры тела не зависит от скорости его движения и одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Источник