Ответы на экзаменационные вопросы по физике

1. Механическое движение, его характеристики. Относительность скорости, перемещения, траектории механического движения

Механическим движением тела называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. При рассмотрении вопросов, связанных с движением тел, можно не принимать во внимание размеры тела. Тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют материальной точкой. Положение тела (точки) в пространстве можно определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы составляют систему отсчета. Характеристики механического движения тела: траектория (линия, вдоль которой дви­­жется тело), перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M1 с его последующим положением M2), скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения). Характеристики механического движения относительны, т. е. они могут быть различными в раз­ных системах отсчета. Например, за движением лодки следят два наблюдателя: один на берегу в точке O, другой - на плоту в точке O1 (см. рис.). Проведем мысленно через точку О систему координат XOY - это неподвижная система отсчета. Другую систему X'O'Y' свяжем с плотом - это подвижная система координат. Отно­сительно системы X'O'Y' (плота) лодка за время t со­вершает перемещение и будет двигаться со скоростью . Относительно системы XOY (берег) лодка за это же время совершит перемещение , , где - перемещение плота от­носительно берега. Скорость  лодки относительно берега  или . Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относи­тельно подвижной системы и скорости этой системы относительно неподвижной.

2. Виды механического движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности

В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным и криволинейным. Движение называется прямолинейным и рав­номерным, если за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Запишем математическое выражение этого определения . Это значит, что перемещение определяют по формуле , а координату - по формуле . Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называется равноускоренным движением. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость, а также ускорение. Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совер­шается. Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости: . Отсюда формула мгновенной скорости: . Перемещение при этом движе­нии определяют по формуле: . При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому угловая скорость , она измеряется в рад/с. При этом движении модуль скорости постоянный, он направ­лен по касательной к траектории и постоянно меняет направление (см. рис.), поэтому возникает центростре­мительное ускорение .

3. Законы Ньютона. Примеры проявления законов Ньютона в природе и использование этих законов в технике

Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсиру­ются). Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией. Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сооб­щаемое этой силой ускорение .  - ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорцио­нально массе тела. Третий закон Ньютона. Из опытов по взаимодействию тел следует, из второго закона Ньютона и, поэтому . Силы взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (по­этому не могут уравновешивать друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу. Законы Ньютона выполняются одновременно, они позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет, рассчитывать траектории космических ко­раблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяс­нить течение воды, движение многочисленных и раз­нообразных транспортных средств (движение автомо­билей, кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.

4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике

Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений уско­рений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Обычно вычисляют ускорение одного тела (того, движение которого изучается). Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой. В механике рассматриваются сила тяжести, сила упругости и сила трения. Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности (). Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз (рис. 1а). Сила упругости возникает при деформации тела (рис. 1б), она направлена перпендикулярно по­верхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению: .Знак «-» показывает, что сила упругости на­правлена в сторону, противоположную удлинению, k - жесткость (пружины) зависит от ее геометриче­ских размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемеще­нию, называется силой трения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препят­ствует сила трения скольжения, где N - сила реакции опоры (рис. 2), m - коэффициент тре­ния скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела. Сила тяжести и сила упругости - это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел от­носительно друг друга. Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы про­являются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения).

5. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Примеры проявления закона сохранения импульса в природе и использования этого закона в технике

Импульс тела - это произведение массы тела на его скорость (). Импульс тела - величина векторная. Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела (тележки) (см. рис.) с массами m1 и m2, движущиеся относительно выбранной системы отсчета со скоростями  и . На тела при их вза­имодействии действовали соответственно силыи, и после взаимодействия они стали двигаться со скоростями  и .  Тогда , , t - время взаимодействия. Со­гласно третьему закону Ньютона, следова­тельно, или . В левой части равенства - сумма импульсов обоих тел (тележек) до взаимодействия, в правой - сумма им­пульсов тех же тел после взаимодействия. Импульс каждой тележки изменился, сумма же осталась не­изменной. Это справедливо для замкнутых систем, к которым относят группы тел, которые не взаимодей­ствуют с другими телами, не входящими в эту груп­пу. Отсюда вывод, т. е. закон сохранения импульса: Геометрическая сумма импульсов тел, со­ставляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой си­стемы между собой. Примером проявления закона сохранения им­пульса является реактивное движение. Оно наблю­дается в природе (движение осьминога) и очень ши­роко в технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и маневрирование космиче­ских кораблей).

6. Механическая работа и мощность. Простые механизмы. КПД простых механизмов

Физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и косинус угла между ними, называется механической работой (см. рис.). . Работа - величина скалярная. Измеряется работа в джоулях (Дж). 1 Дж - это ра­бота, совершаемая силой в 1 Н на перемещение 1 м. В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая работа может быть по­ложительной, отрицательной или равной нулю. На­пример, если векторы  и  совпадают, то cos00 = 1 и A > 0. Если векторы  и  направлены в противо­положные стороны, то cos1800 = -1 и A < 0. Если же  и  перпендикулярны, то cos900 = 0 и A = 0. Мощность машины или механизма - это от­ношение совершенной работы ко времени, в течение которого она совершена. . Измеряется мощность в ваттах (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с. Простые механизмы: наклонная плоскость, рычаг, блок. Их действие подчиняется «золотому правилу механики»: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении. На практике совершаемая с помощью меха­низма полная работа всегда несколько больше полез­ной. Часть работы совершается против силы трения в механизме и перемещения его отдельных частей. На­пример, применяя подвижный блок, приходится до­полнительно совершать работу по поднятию самого блока, веревки и по прео­до­лению силы трения в оси блока. Поэтому для любого механизма полезная ра­бота (AП) всегда меньше, чем полная, затраченная (AЗ). По этой причине КПД = AП/AЗ • 100% любого механизма не может быть больше или хотя бы равен 100%.

7. Механические колебания (на примере математического или пружинного маятников). Характеристики колебательных движений: амплитуда, период, частота. Соотношение между периодом и частотой. График колебания

Механическими колебаниями называют движения тел, которые точно (или приблизительно) повторяются через равные промежутки времени. При­мерами механических колебаний являются колебания математического или пружинного маятников (рис. 1). Свободные (собственные) колебания совершаются под действием внутренних сил колебательной системы, а вынужденные - под действием сил, не входящих в колебательную систему. Колебательные движения происходят, если: 1) сила, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю; 2) сила пропорцио­нальна отклонению тела от положения равновесия. Для пружинного маятника такой силой является сила упругости (FУПР = -k • x), для математического - равнодействующая сил тяжести маятника и упругости нити подвеса (F = - m • g • x / l). Координата колеблющегося тела изменяется со временем по закону синуса  и графически представлена в виде синусоиды (рис. 2). Амплитуда (A) - наибольшее расстояние, на которое удаляется тело от положения равновесия. Период (Т) - время одного полного колебания. Частота - число колебаний за 1 секунду (). Период колебания определяют: для пружинного маятника Т = 2п^т/Н', для математического маятника .

8. Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны. Эхо

Механические волны - это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц среды от положения равновесия). Если колеба­ния частиц и распространение волны происходят в одном направлении, волну называют продольной, а если эти движения происходят в перпендикулярных направлениях, - поперечной. Продольные волны, сопровождаемые деформа­циями растяжения и сжатия, могут распространять­ся в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т. е. в твердых телах. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называют скоростью волны. Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней (T), называется длиной волны l (ламбда).  или . Звуковые волны - это продольные волны, в которых колебания частиц происходят вдоль ее рас­пространения. Скорость звука  в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она зна­чительно больше, чем в воздухе. На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвра­щается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.

9. Потенциальная и кинетическая энергия. Примеры перехода энергии из одного вида в другой. Закон сохранения энергии

Энергия - характеристика состояния тела. Кинетическая энергия - энергия движуще­гося тела. Если на тело массой m действует постоян­ная сила P, совпадающая с направлением движения, то работа . Но , , тогда. Работа - мера изменения энергии. Кинетическая энергия. Работа дей­ствующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии . При , - кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, действующая на тело, чтобы сообщить данную скорость. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Работа - потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h над нулевым уровнем (например, над уровнем Земли). Знак «-» означает, что, когда работа силы тяжести положи­тельна, потенциальная энергия тела уменьшается. Потенциальная энергия не зависит от скорости, а за­висит от координаты тела (от высоты). Потенциаль­ная энергия деформированной пружины. Сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют его полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается неизменной при любых движениях тел системы. Это утверждение является законом сохранения энергии в механических процессах. На примере свободно падающего тела можно пока­зать, что при его движении потенциальная энергия переходит в кинетическую. При этом потенциальная энергия уменьшается ровно на столько, на сколько увеличивается кинетическая энергия:  или , т. е. пол­ная механическая энергия во все время падения остается неизменной, хотя потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Страницы: 1, 2, 3