Дайте представление об описании колебаний, модели гармонического осциллятора и использовании этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация»?
Ответ:
Колебания – повторяющийся процесс изменения с течением времени значения физической величины около ее среднего значения. Колебания характеризуются амплитудой, периодом, частотой и фазой.
Различают непериодические, периодические и гармонические колебания.
В зависимости от физической природы различают механические, электромагнитные и другие колебания.
За период колебания выполняется закон сохранения и превращения энергии.
Физическая система, в которой возникают колебания, называется осциллятором.
Гармонический осциллятор – это система, которая при смещении из полжения равновесия испытывает действие вращающей силы F, пропорциональной смещению Х (согласно закону Гука).
То есть:
F= -kx, где k – положительная константа, описывающая жесткость системы. Причем F единственная сила действующая на систему. Свободные колебания такой системы представляют собой периодическое движение около положения равновесия. Частота и амплитуда при этом постоянны, причем частота не зависит от амплитуды.
Простейшей моделью гармонического осциллятора является груз, подвешенный на пружине.
Когерентность – согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, появляющиеся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.
Резонанс – это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям, определяемым свойствам системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.
Поляризация волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.[1]
Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.
Причиной возникновения поляризации волн может быть:
· несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
· анизотропность среды распространения волн;
· преломление и отражение на границе двух сред.
Основными являются два вида поляризации:
· линейная — колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;
· круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.
4.4.Каковы модели развития Вселенной? Какие наблюдения подтвердили модель Большого Взрыва? Какие эмпирические подтверждения расширения Вселенной? Что означает “стационарность” и “нестационарность” Вселенной, какова природа реликтового излучения?
Ответ:
Наука изучающая строение и эволюцию вселенной называется космологией.
Первую теорию о развитии Вселенной предложил Альберт Энштейн в 1917 году в качестве следствия его формулировки общей теории относительности. Согласно этой теории Вселенная статична и не изменяется со временем. Но в 1922 году А. Фридман опроверг данную теорию, завив что искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно или расширяться или сжиматься.
Таким образом, появилась теория расширяющейся или нестационарной Вселенной. Автором этой теории считается аббат Ж. Леметр, причем данная теория была доказана экспериментально. Экспериментально расширение вселенной выполняется виде закона Хаббла, который связывает красное смещение галактик, описанное В.Слайфером, с расстоянием до них линейным образом. При этом расширение не происходит относительно какого – либо центра. Наглядно это можно показать простым физическим опытом: если на воздушный шарик нанести пятна, обозначающие галактики и надуть его то расстояние между пятнами – галактиками будет возрастать и притом тем быстрее чем дольше они расположены друг от друга.
Дальнейшее развитие теория расширяющейся Вселенной получила в теории Г. Гамова, который разработал так называемую теорию «горячей» Вселенной, в которой основное внимание уделяется состоянию вещества и различным физическим процессам, происходящим на различных этапах расширения Вселенной. Иначе эта модель называется космологией Большого Взрыва. Само расширение Вселенной является естественным следствием теории Большого взрыва, кроме того эту теорию доказывает распределение гелия во Вселенной, появление которого стало результатом ядерных реакций вызванных Большим взрывом.
Но наиболее важным подтверждением теории Большого взрыва стало открытие реликтового излучения. Согласно теории Гамова и по законам термодинамики, излучение должно находиться в равновесии с разогретым веществом. После нуклеосинтеза излучение должно остаться и продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, но его температура должна уменьшиться. Гамов предсказывал наличие фонового излучения, которое должно быть изотропным и иметь температуру близкую к 0К, или до 10К.
В противовес теории расширяющейся Вселенной была представлена теория стационарной Вселенной, разработанная Ф. Хойллом. Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория Большого взрыва). Но благодаря открытию реликтового излучения эта теория была поставлена под сомнение.
5.4. Модели идеального и реального газа. Какими параметрами описывается состояние газа? Определите температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул равна 7,87*10-21 Дж.
Ответ:
Идеальный газ – это газ молекулы, которого пренебрежительно малы и не берутся в принимаются за материальные точки, взаимодействующие на расстоянии. Частицы газа являют собой наилучший пример неупорядоченной совокупности однородных объектов (фр. gaz, греч. chaos — хаос).
Модель реального газа отличается от модели идеального газа учетом объёма самих молекул и их взаимодействия. При взаимодействии молекул уменьшается давление и поэтому каждая молекула при столкновении тормозится притяжением других. Эта модель была предложена Ван – Дер – Ваальсом.
Состояние газа описывается следующими параметрами:
· Температура. Под этим параметром понимают среднюю кинетическую энергию движения молекул газа.
· Удельный объём представляет собой выраженный в кубических метрах объём одного килограмма массы газа. Величина обратная удельному объёму называется плотностью и представляет собой выраженную в килограммах массу 1 м3.
· Давление. Под этим параметром понимают средний результат ударов о стенки сосуда молекул составляющих газ. Измеряют давление в паскалях.
Данные параметры находятся в зависимости друг от друга.
Практическое задание:
Определите температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул равна 7,87*10-21 Дж.
Ответ:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа при тепловом равновесии одинакова для всех молекул газов, находящихся в тепловом контакте. Значит,Ек.ср обладает основным свойством температуры и не зависит от внутренней структуры молекул. И ее можно принять за меру температуры газа или тела, находящегося в тепловом контакте с газом Ек.ср=(3/2)kT, где k= 1,38*10-23 Дж\К и является постоянной Больцмана.
Исходя из этой формулы получаем:
Т= Ек.ср/(3/2)k=7,87*10-21ДЖ/(3/2)1,38*10-23ДЖ/К= 380,19 К