Лекции и задачи по физике Колебания и волны

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля Вихревое электрическое поле Из закона Фарадея (см. (123.2)) =–dФ/dt следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре,находящемся в переменном магнитном поле. Однако э.д.с. в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носители тока действуют сторонние силы — силы неэлектростатического происхождения

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля Введение Максвеллом понятия тока смещения привело его к завершению созданной им макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но и предсказать новые, существование которых было впоследствии подтверждено.

Механические и электромагнитные колебания Гармонические колебания и их характеристики Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебательные процессы широко распространены в природе и технике, например качание маятника часов, переменный электрический ток и т. д. При колебательном движении маятника изменяется координата его центра масс, в случае переменного тока колеблются напряжение и ток в цепи. Физическая природа колебаний может быть разной, поэтому различают колебания механические, электромагнитные и др. Однако различные колебательные процессы описываются одинаковыми характеристиками и одинаковыми уравнениями. Отсюда следует целесообразность единого подхода к изучению колебаний различной физической природы. Например, единый подход к изучению механических и электромагнитных колебаний применялся английским физиком Д. У. Рэлеем (1842—1919), А. Г. Столетовым, русским инженером-экспериментатором П. Н. Лебедевым (1866—1912). Большой вклад в развитие теории колебаний внесли Л. И. Мандельштам (1879—1944) и его ученики.

Механические гармонические колебания Пусть материальная точка совершает прямолинейные гармонические колебания вдоль оси координат х около положения равновесия, принятого за начало координат.

Свободные гармонические колебания в колебательном контуре Среди различных электрических явлений особое место занимают электромагнитные колебания, при которых электрические величины (заряды, токи) периодически изменяются и которые сопровождаются взаимными превращениями электрического и магнитного полей. Для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний используется колебательный контур — цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R.

Взаимодействие света с веществом.

Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения Колеблющееся тело может участвовать в нескольких колебательных процессах, тогда необходимо найти результирующее колебание, иными словами, колебания необходимо сложить. Сложим гармонические колебания одного направления и одинаковой частоты

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания Рассмотрим свободные затухающие колебания – колебания, амплитуды которых из-за потерь энергии реальной колебательной системой с течением времени уменьшаются. Простейшим механизмом уменьшения энергии колебаний является ее превращение в теплоту вследствие трения в механических колебательных системах, а также омических потерь и излучения электромагнитной энергии в электрических колебательных системах.

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии

Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс Рассмотрим зависимость амплитуды А вынужденных колебаний от частоты w. Механические и электромагнитные колебания будем рассматривать одновременно, называя колеблющуюся величину либо смещением (х) колеблющегося тела из положения равновесия, либо зарядом (Q) конденсатора.

Упругие волны Волновые процессы. Продольные и поперечные волны Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, фазы колебаний частиц среды и источника тем больше отличаются друг от друга, чем больше это расстояние. При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды и среда рассматривается как сплошная, т. е. непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Принцип суперпозиции. Групповая скорость Если среда, в которой распространяется одновременно несколько волн, линейна, т. е. ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых волной, то к ним применим принцип суперпозиции (наложения) волн: при распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как 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.

Стоячие волны Особым случаем интерференции являются стоячее волны — это волны, образующиеся при наложении двух бегущих воли, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами, а в случае поперечных волн и одинаковой поляризацией.

Эффект Доплере в акустике Эффектом Доплера* называется изменение частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга. Например, из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний.

Электромагнитные волны Экспериментальное получение электромагнитных волн Существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, — вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указывалось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыграли опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля действительно распространяются в виде воли, поведение которых полностью описывается уравнениями Максвелла.

Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля Возможность обнаружения электромагнитных воли указывает на то, что они переносят энергию

Статистическая физика

Молекулярно-кинетическая теория

 Концентрация частиц (молекул, атомов и т. п.) однородной системы

n=N/V,

где V — объем системы.

 Основное уравнение кинетической теории газов

p=2/зn<eп>,

где р — давление газа; <eп>— средняя кинетическая энергия* поступательного движения молекулы.

 Средняя кинетическая энергия:

приходящаяся на одну степень свободы молекулы 

<e1>=½kT;

;

поступательного движения молекулы

,

где k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура; i — число степеней свободы молекулы;

вращательного движения молекулы

 Зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

p=nkT.

Скорость молекул:

средняя квадратичная

, или ;

средняя арифметическая

, или ;

наиболее вероятная

, или ,

где m1 — масса одной молекулы.

Явления переноса

 Среднее число соударений, испытываемых одной молекулой газа в единицу времени,

,

где d — эффективный диаметр молекулы; п — концентрация молекул; <υ> — средняя арифметическая скорость молекул.

 Средняя длина свободного пробега молекул газа

.

 Импульс (количество движения), переносимый молекулами из одного слоя газа в другой через элемент поверхности,

,

где h— динамическая вязкость газа; —градиент (поперечный) скорости течения его слоев; DS — площадь элемента поверхности; dt — время переноса.

 Динамическая вязкость

h=r<υ><l>

где r — плотность газа (жидкости); <υ> — средняя скорость хаотического движения его молекул; <l> — их средняя длина свободного пробега.

 Закон Ньютона

,

где F — сила внутреннего трения между движущимися слоями газа.

 Закон Фурье

DQ= -lSDt,

где DQ — теплота, прошедшая посредством теплопроводности через сечение площадью S за время Dt; l — теплопроводность; - градиент температуры.

 Теплопроводность .(коэффициент теплопроводности) газа

l=cvr<υ><l> или l=<υ><l>,

где cv — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме; r — плотность газа; <υ> — средняя арифметическая скорость его молекулы; <l> — средняя длина свободного пробега молекул.

 Закон Фика

,

где Dm — масса газа, перенесенная в результате диффузии через поверхность площадью S за время Dt; D — диффузия (коэффициент Эффузии); -градиент концентрации молекул; m1 —масса одной молекулы.

 Диффузия (коэффициент диффузии)

D=<υ><l>.

Статистические распределения

 Распределение Больцмана (распределение частиц в силовом поле)

n=n0e-U/(kT),

где п — концентрация частиц; U — их потенциальная энергия; n0 — концентрация частиц в точках поля, где U=0; k — постоянная Больцмана; T — термодинамическая температура.

 Барометрическая формула (распределение давления в однородном поле силы тяжести)

р=p0e-mgz/(kT), или p=p0e-Mgz/(RT),

где р — давление газа; m — масса частицы; М — молярная масса; z — координата (высота) точки по отношению к уровню, принятому за нулевой; р0 — давление на этом уровне; g — ускорение свободного падения; R — молярная газовая постоянная.

 Вероятность того, что физическая величина х, характеризующая молекулу, лежит в интервале значений от х до x+dx, определяется по формуле

dW(x)=f(x)dx

где f(x)—функция распределения молекул по значениям данной физической величины х (плотность вероятности).

 Количество молекул, для которых физическая величина х, характеризующая их, заключена в интервале значений от х до x+dx,

dN=NdW(x)=Nf(x)dx.

 Распределение Максвелла (распределение молекул по скоростям) выражается двумя соотношениями:

а) число молекул, скорости которых заключены в пределах от J до J+dJ,

,

где f(υ) —функция распределения молекул по модулям скоростей, выражающая отношение вероятности того, что скорость молекулы лежит в интервале от υ до υ+dυ, к величине этого интервала, а также долю числа молекул, скорости которых лежат в указанном интервале; N — общее число молекул; m — масса молекулы;

б) число молекул, относительные скорости которых заключены в пределах от u до u+du,

где u=υ/υв — относительная скорость, равная отношению скорости J к наивероятнейшей скорости υв; f(u) — функция распределения по относительным скоростям.

 Распределение молекул по импульсам. Число молекул, импульсы которых заключены в пределах от р до p+dp,

,

где f(p) — функция распределения по импульсам.

 Распределение молекул по энергиям. Число молекул, энергии которых заключены в интервале от e до e+de,

,

где f(e)—функция распределения по энергиям.

 Среднее значение физической величины х в общем случае

,

а в том случае, если функция распределения нормирована на единицу,

<x>=òxf(x)dx

где f(x) — функция распределения, интегрирование ведется по всей совокупности изменений величины х.

Например, среднее значение скорости молекулы (т. е. средняя арифметическая скорость)

;

средняя квадратичная скорость

<υкв>=<υ2>1/2,

где

;

средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы .

Тепловые свойства

Молярная внутренняя энергия химически простых (состоящих из одинаковых атомов) твердых тел в классической теории теплоемкости выражается формулой

Um = 3RT,

где R — молярная газовая постоянная; Т — термодинамическая температура.

Теплоемкость С системы (тела) при постоянном объеме определяется как производная от внутренней энергии U по температуре, т. е.

C = dU/dT.

Закон Дюлонга и Пти. Молярная теплоемкость Cm химически простых твердых тел

Cm = 3R

Закон Неймана — Коппа. Молярная теплоемкость химически сложных тел (состоящих из различных атомов)

Сm = n×ЗR,

где п — общее число частиц в химической формуле соединения.

Среднее значение энергии  квантового осциллятора, приходящейся на одну степень свободы, в квантовой теории Эйнштейна выражается формулой

где e0 — нулевая энергия (e0 = 1/2ħw); ħ — постоянная Планка;

w — круговая частота колебаний осциллятора; k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура.

Молярная внутренняя энергия кристалла в квантовой теории теплоемкости Эйнштейна определяется по формуле

где Umo = 3/2RqE — молярная нулевая энергия по Эйнштейну;

qE = ħw/k — характеристическая температура Эйнштейна.

Молярная теплоемкость кристалла в квантовой теории теплоемкости Эйнштейна

При низких температурах (T<<qE)

Сm = 3R(qE/T)exp(-qE/T).

Частотный спектр колебаний в квантовой теории теплоемкости Дебая задается функцией распределения частот g(w). Число dZ собственных частот тела, приходящихся на интервал частот от w до w dw, определяется выражением

dZ =g(w)dn

Для трехмерного кристалла содержащего N атомов,

,

где wmax — максимальная частота, ограничивающая спектр колебаний.

Энергия U твердого тела связана с средней энергией  квантового осциллятора и функцией распределения частот g(w) соотношением

Молярная внутренняя энергия кристалла по Дебаю

где -молярная нулевая энергия кристалла по Дебаю; -характеристическая температура Дебая.

Молярная теплоёмкость, кристалла по Дебаю

Предельный закон Дебая. В области низких температур1 (Т<<qВ) последняя формула принимает вид

.

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы