Колебания, волны, оптика: Методические указания и контрольные задания по дисциплине "Физика"

Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОЛЕБАНИЯ, ВОЛНЫ, ОПТИКА.

Методические указания и контрольные задания

для студентов I-II курсов РЭФ, ФЭН, ФТФ дневного отделения.

НОВОСИБИРСК

2010

Данные методические указания и контрольные задания составлены в соответствии с учебной программой по физике, принятой на кафедре прикладной и теоретической физики НГТУ, и предназначены для студентов I-II курсов факультетов РЭФ, ФЭН, ФТФ дневного отделения.

Составитель: Э.А.Кошелев, канд. физ.- мат. наук, доцент.

Рецензент: В.Ф.Ким, канд. физ.-мат. наук, доцент.

Работа подготовлена на кафедре

прикладной и теоретической физики.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

Настоящее пособие предназначено для подготовки студентов по соответствующим разделам общего курса физики. Самостоятельное решение задач – необходимое и обязательное средство усвоения учебного материала. При оформлении решений индивидуального задания студент должен обосновать применение конкретных физических законов, выполнить соответcтвующие математические преобразования и выкладки, провести вычисления и провести анализ размерностей полученного результата. Доведение решения задачи до численного результата – обязательное условие выполнения индивидуального задания, необходимый элемент инженерной подготовки. Как показывает опыт, очень часто при выполнении уже численных выкладок студенты получают «странные» результаты, поэтому  проверка результата на соответствие здравому смыслу – простой и качественный способ. Полезно проводить асимптотическую проверку решения – устремление определенного параметра к нулю или бесконечности для проверки его соответствия с результатами, представленными в общем учебном курсе.

При решении задач рекомендуется все исходные величины представить в системе единиц «СИ». При необходимости интерпретировать решение соответствующим рисунком. Задачи по уровню сложности соответствуют традиционному общему курсу физики. Для решения задач рекомендуется использовать известные учебные пособия.

Основная литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики. М., Астрель, 2001-06 г.

2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. М., Высшая школа, 2002

3. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. М. Высш. школа, 2002

4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М., Лаборатория базовых знаний, 2002.г.

Дополнительная литература: 

1.  Гинзбург В.Л., Левин Л.М., Сивухин  Д.В., Яковлев И.А. Сборник задач по общему курсу физики. М., Наука, 1976 г.

2.  Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике. М,Наука, 1982 г.

3.  Пейн Г. Физика колебаний и волн. М., Мир, 1976 г.

4.  Serway R.A. Physics. Thomson Brooks/Cole. 2004.

1. Основные физические постоянные.

Электрическая постоянная                                            

Магнитная постоянная                                                  

Интенсивность звука на пороге слышимости              

Скорость света в вакууме                                                 

2. Основные формулы.

Механические колебания.

1.  Уравнение свободных гармонических колебаний             

    или     , где x– смещение колеблющейся точки от положения равновесия, 

A – амплитуда,  - циклическая частота,  - начальная фаза колебаний.

2. При сложении двух одинаково направленных гармонических колебаний одинаковой частоты получаются колебания той же частоты, амплитуда которых  А и начальная фаза  определяются уравнениями:

, где  - амплитуды слагаемых колебаний;  - их начальные фазы.

2.  Сила, действующая на тело при свободном гармоническом колебании (квазиупругая сила):

3.  Циклическая частота  и период колебаний Т гармонического осциллятора:                      

4.  Период колебаний физического маятника:

, где J – момент инерции маятника относительно оси колебаний, l - расстояние от оси до его центра масс.

5.  Полная энергия гармонического осциллятора:

6.  При наличии в колебательной системе силы сопротивления , где r – коэффициент сопротивления, υ – скорость тела, уравнение смещения:

Здесь - амплитуда затухающих колебаний; – коэффициент затухания;  - циклическая частота затухающих колебаний.

7.  Логарифмический декремент затухания:

θ =  = βТ,

где  - амплитуды двух последовательных колебаний.

8.  Добротность колебательной системы:

9.  Амплитуда вынужденных колебаний, совершаемых под действием внешней периодической силы

10. Резонансная циклическая частота вынужденных колебаний:

11.Амплитуда вынужденных колебаний при резонансе:

.

Электромагнитные колебания.

1.  Колебания электрического заряда в последовательном колебательном контуре при отсутствии сопротивления гармонические:

  или  , где  ,  L – индуктивность, С – сопротивление контура.

2.  При наличии сопротивления Rв контуре колебания заряда, напряжения и силы тока в последовательном контуре:

, где  - коэффициент затухания,  - циклическая частота затухающих колебаний, ψ – сдвиг фазы колебания силы тока относительно напряжения .

3.  Логарифмический декремент затухания колебаний в контуре:

.

4.  Добротность контура:

 .

5.  Если в последовательном колебательном контуре действует ЭДС с переменным напряжением , то в цепи контура устанавливаются вынужденные колебания тока той же частоты:

, где φ – сдвиг фазы колебания тока относительно ЭДС.

6. Амплитуда колебания силы тока определяется законом Ома для цепи