МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
-----------------------------------------------------------------------
I. СВОБОДНЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
-----------------------------------------------------------------------
1. Тело совершает колебания по закону . Время релаксации (в ) равно …
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 4.
Решение:
Время релаксации – это время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в (~ 2,7 – основание натурального логарифма) раз. Время релаксации связано с коэффициентом затухания: . Коэффициент затухания , поскольку закон, по которому происходят затухающие колебания, имеет вид: . Таким образом, время релаксации .
-----------------------------------------------------------------------
2. В колебательном контуре за один период колебаний в тепло переходит 4,0 % энергии. Добротность контура равна …
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 157.
Решение:
По определению добротность равна где и – энергия контура в некоторый момент времени и спустя период соответственно. Следовательно,
-----------------------------------------------------------------------
3. Шарик, прикрепленный к пружине (пружинный маятник) и насаженный на горизонтальную направляющую, совершает гармонические колебания.
На графике представлена зависимость проекции силы упругости пружины на положительное направление оси Х от координаты шарика.
В положении О энергия пружинного маятника (в мДж) равна …
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 40.
Решение:
В положении О пружинный маятник обладает кинетической энергией, потенциальная энергия равна нулю. По закону сохранения энергии кинетическая энергия в положении О равна потенциальной энергии в положении В. Потенциальную энергию можно найти по формуле , где коэффициент жесткости пружины, растяжение (сжатие) пружины. Жесткость пружины можно определить, используя график: ; . Величину растяжения пружины в положении В также можно определить из графика: . Следовательно, кинетическая энергия в положении О равна:
|
-----------------------------------------------------------------------
4. Тело совершает гармонические колебания около положения равновесия (точка 3) с амплитудой (см. рис.). Ускорение тела равно нулю в точке …
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 3.
Решение:
При гармонических колебаниях смещение тела от положения равновесия изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Пусть . Поскольку ускорение тела равно второй производной от координаты по времени, зависимость ускорения от времени дается выражением . Отсюда следует, что ускорение равно нулю в тех точках траектории, в которых равна нулю величина смещения тела из положения равновесия, то есть в точке 3.
-----------------------------------------------------------------------
5. Маятник совершает колебания, которые подчиняются дифференциальному уравнению Время релаксации равно _____ c.
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 4.
Решение:
Дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид , где коэффициент затухания, собственная круговая частота колебаний. Время релаксации – это время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в (~ 2,7) раз. Время релаксации связано с коэффициентом затухания: . Коэффициент затухания равен: . Значит время релаксации
-----------------------------------------------------------------------
6. Амплитуда затухающих колебаний уменьшилась в раз ( – основание натурального логарифма) за . Коэффициент затухания (в ) равен …
|
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 20.
Решение:
Амплитуда затухающих колебаний изменяется со временем по закону , где – коэффициент затухания. По условию . Тогда и .
-----------------------------------------------------------------------
7. На рисунках изображены зависимости от времени скорости и ускорения материальной точки, колеблющейся по гармоническому закону.
Циклическая частота колебаний точки равна ______
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 2.
Решение:
Амплитудные значения скорости и ускорения определяются по формулам , , где амплитуда координаты (максимальное смещение материальной точки), циклическая частота. Используя графики, находим: ; Амплитуда – величина положительная по определению. Следовательно, .
-----------------------------------------------------------------------
8. На рисунках изображены зависимости от времени координаты и скорости материальной точки, колеблющейся по гармоническому закону:
Циклическая частота колебаний точки (в ) равна …
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 2.
Решение:
При гармонических колебаниях смещение точки от положения равновесия изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Пусть . Скорость есть первая производная по времени от смещения точки: . Отсюда амплитудное значение скорости . Отсюда . Приведенные графики позволяют найти и . Тогда циклическая частота колебаний точки .
-----------------------------------------------------------------------
9. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности конденсатора и сопротивления Добротность контура равна …
|
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 200.
Решение:
Добротность контура равна:
-----------------------------------------------------------------------
10. Пружинный маятник с жесткостью пружины совершает вынужденные колебания со слабым коэффициентом затухания которые подчиняются дифференциальному уравнению Амплитуда колебаний будет максимальна, если массу груза увеличить в _____ раз(-а).
-----------------------------------------------------------------------
Ответ: 9.
Решение:
Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний имеет вид , где коэффициент затухания, собственная круговая частота колебаний; амплитудное значение вынуждающей силы, деленное на массу; частота вынуждающей силы. При слабом затухании (коэффициент затухания значительно меньше собственной частоты колебаний маятника) амплитуда колебаний будет максимальна, если частота вынуждающей силы совпадет с собственной частотой колебаний маятника (явление резонанса). Собственная частота колебаний равна: частота вынуждающей силы . Для пружинного маятника значит, масса груза Чтобы частота вынуждающей силы совпала с собственной частотой колебаний маятника, масса должна быть равна Следовательно, массу груза нужно увеличить в 9 раз.
-----------------------------------------------------------------------
II. СЛОЖЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
-----------------------------------------------------------------------
1. Сопротивление катушка индуктивности и конденсатор соединены последовательно и подключены к источнику переменного напряжения, изменяющегося по закону (В). Установите соответствие между сопротивлениями различных элементов цепи и их численными значениями.
1. Активное сопротивление
2. Индуктивное сопротивление
3. Емкостное сопротивление
100 Ом | |
100 Ом | |
10 Ом | |
1 Ом |
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Активное сопротивление индуктивное сопротивление емкостное сопротивление
-----------------------------------------------------------------------
2. Сопротивление, катушка индуктивности и конденсатор соединены последовательно и включены в цепь переменного тока, изменяющегося по закону (А). На рисунке представлена фазовая диаграмма падений напряжений на указанных элементах. Амплитудные значения напряжений соответственно равны: на сопротивлении ; на катушке индуктивности ; на конденсаторе
Установите соответствие между сопротивлением и его численным значением.
1. 40 Ом
2. 30 Ом
3. 50 Ом
активное сопротивление | |
реактивное сопротивление | |
полное сопротивление | |
емкостное сопротивление |
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Используем метод векторных диаграмм. Длина вектора равна амплитудному значению напряжения, а угол, который вектор составляет с осью ОХ, − разности фаз колебаний напряжения на соответствующем элементе и колебаний силы тока в цепи. Сложив три вектора, найдем амплитудное значение полного напряжения: . Величина Полное сопротивление контура найдем по закону Ома: , где амплитудные значения напряжения и силы тока. Амплитудное значение силы тока, как это следует из закона его изменения, равно 0,1 А. Тогда . Активное сопротивление Полное сопротивление цепи равно , где реактивное сопротивление; индуктивное и емкостное сопротивления соответственно. Отсюда
-----------------------------------------------------------------------
3. Сопротивление, катушка индуктивности и конденсатор соединены последовательно и включены в цепь переменного тока, изменяющегося по закону (А). На рисунке схематически представлена фазовая диаграмма падений напряжения на указанных элементах. Амплитудные значения напряжений соответственно равны: на сопротивлении ; на катушке индуктивности ; на конденсаторе
Установите соответствие между сопротивлением и его численным значением.
1. Полное сопротивление
2. Активное сопротивление
3. Реактивное сопротивление
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Для решения используется метод векторных диаграмм. Длина вектора равна амплитудному значению напряжения, а угол, который вектор составляет с осью ОХ, равен разности фаз колебаний напряжения на соответствующем элементе и силы тока в цепи. Амплитудное значение полного напряжения равно . Величина Полное сопротивление цепи связано с амплитудными значениями тока и напряжения законом Ома: . Амплитудное значение силы тока, как это следует из закона его изменения, равно . Тогда Активное сопротивление Полное сопротивление цепи равно: , где реактивное сопротивление; индуктивное и емкостное сопротивления соответственно. Отсюда
-----------------------------------------------------------------------
4. Складываются два гармонических колебания одного направления с одинаковыми частотами и амплитудами, равными и . Установите соответствие между амплитудой результирующего колебания и разностью фаз складываемых колебаний.
1.
2.
3.
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Амплитуда результирующего колебания, полученного при сложении двух гармонических колебаний одного направления с одинаковыми частотами, определяется по формуле , где и – амплитуды складываемых колебаний, () – разность их фаз. Если амплитуда результирующего колебания , то . Тогда и разность фаз складываемых колебаний равна .
Если , то . Тогда , следовательно, .
Если , то . Тогда , следовательно, .
-----------------------------------------------------------------------
5. Складываются два гармонических колебания одного направления с одинаковыми частотами и равными амплитудами . Установите соответствие между разностью фаз складываемых колебаний и амплитудой результирующего колебания.
1.
2.
3. 0
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Амплитуда результирующего колебания, полученного при сложении двух гармонических колебаний одного направления с одинаковыми частотами, определяется по формуле , где и – амплитуды, () – разность фаз складываемых колебаний.
Если разность фаз , , то и .
Если , , то .
Если , , то .
-----------------------------------------------------------------------
6. Складываются два гармонических колебания одного направления с одинаковыми частотами и амплитудами, равными и . Установите соответствие между разностью фаз складываемых колебаний и амплитудой результирующего колебания.
1. 0
2.
3.
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Амплитуда результирующего колебания, полученного при сложении двух гармонических колебаний одного направления с одинаковыми частотами, определяется по формуле , где и – амплитуды, () – разность фаз складываемых колебаний. Если разность фаз , , то и . Этот результат можно было получить сразу: при разности фаз векторы и сонаправлены, и длина результирующего вектора равна сумме длин складываемых векторов. Если , то и .
Если , то и .
-----------------------------------------------------------------------
7. Резистор с сопротивлением , катушка с индуктивностью и конденсатор с емкостью соединены последовательно и подключены к источнику переменного напряжения, изменяющегося по закону .
Установите соответствие между элементом цепи и эффективным значением напряжения на нем.
1. Сопротивление
2. Катушка индуктивности
3. Конденсатор
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
Индуктивное, емкостное и полное сопротивления цепи равны соответственно: , , . Максимальное значение тока в цепи . Эффективное значение тока . Тогда искомые падения напряжений на элементах цепи равны: , , .
-----------------------------------------------------------------------
8. Складываются взаимно перпендикулярные колебания. Установите соответствие между формой траектории и законами колебания точки вдоль осей координат
1. Прямая линия
2. Окружность
3. Фигура Лиссажу
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
При одинаковой частоте колебаний вдоль осей исключив параметр времени, можно получить уравнение траектории: . Если разность фаз колебаний , то уравнение преобразуется к виду , или , что соответствует уравнению прямой: .
Если , то , что является уравнением эллипса, причем если амплитуды равны , то это будет уравнение окружности.
Если складываются колебания с циклическими частотами и , где и целые числа, точка описывает сложную кривую, которую называют фигурой Лиссажу. Форма кривой зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз складываемых колебаний.
-----------------------------------------------------------------------
9. Складываются два взаимно перпендикулярных колебания. Установите соответствие между номером соответствующей траектории и законами колебаний точки вдоль осей координат
-----------------------------------------------------------------------
Решение:
При одинаковой частоте складываемых колебаний уравнение траектории точки имеет вид: , где – разность фаз колебаний. Если разность фаз , то уравнение преобразуется к виду , или , что соответствует уравнению прямой: . Если , то , что является уравнением эллипса, причем если амплитуды равны , то это будет уравнение окружности.
Если складываются колебания с циклическими частотами и , где и целые числа, точка описывает более сложную кривую, которую называют фигурой Лиссажу. Форма кривой Лиссажу зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз складываемых колебаний.
-----------------------------------------------------------------------