Билет 1.

Кинематика. Механическое движение. Материальная точка и абсолютно твердое тело. Кинематика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Траектория, путь, перемещение, скорость, ускорение.

Билет 2.

Кинематика материальной точки.Скорость, ускорение.Тангенциальное, нормальное и полное ускорение.
Кинематика - раздел физики, изучающий движение тел, не интересуясь причинами, обуславливающие это движение.

Механи́ческое движе́ние - это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. (механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением)

Характеристики механического движения связаны между собой основными кинематическими уравнениями:

Материальная точка - тело, размерами которого, в условиях данной задачи, можно принебреч.

Абсолютно твердое тело - тело, деформацией которого можно принебреч, в условиях данной задачи.
Кинематика материальной точки и поступательного движения твердого тела: ?

движение в прямоугольной, криволинейной системе координат

как записать в разных системах координат через радиус вектор
Траектория - некоторая линия, описываемая движение мат. точки.

Путь - скалярная величина, характеризующая длинну траектории движения тела.

Перемещение - нравленный отрезок прямой, проведенный из начального положения движущейся точки в ее конечное положение (векторная величина)

Скорость:

-векторная величина, характеризующая быстроту пермещения частицы по траектории, в который движется эта частица в каждый момент времени.

-производная радиуса вектора частицы по времени.

-производная от перемещения по времени.

Ускорение:

-векторная величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости.

-производная от скорости по времени.


Тангенциальное ускорение — направлено по касательной к траектории. Является составляющей вектора ускорения a. Характеризует изменение скорости по модулю.


Центростремительное или Нормальное ускорение — возникает при движении точки по окружности. Является составляющей вектора ускорения a. Вектор нормального ускорения всегда направлен к центру окружности.


Полное ускорекние - это корень квадатный из суммы квадратов нормально и тангенцального ускорений.



Билет 3

Кинематика вращательного движения материальной точки. Угловые величины. Связь между угловыми и линейными величинами.
Кинематика вращательного движения материальной точки.

Вращательное движение - движение, при котором все точки тела описывают окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения.

Ось вращения проходит через центр тела, через тело, а может находится вне его.

Вращательное движение материальной точки - движение материальной точки по окружности.

Основные характеристики кинематики вращательного движения: угловая скорость, угловое ускорение.
Угловое перемещение - векторная величина, характеризующая изменение угловой координаты в процессе ее движения.

Угловая скорость - отношение угла поворота радиус-вектора точки к промежутку времени, за который произошел этот поворот.(направление вдоль оси вокруг которой вращается тело)

Частота вращения - физическая величина, измеряемая числом полных оборотов, совершаемых точкой в единицу времени при равномерном движении в одном направлении(n)

Период вращения - промежуток времени, в течение которого точка совершает полный оборот,

двигаясь по окружности (T)

N – число оборотов, совершаемых телом за время t.

Угловое ускорение - величина харатеризующая изменение вектора угловой скорости со временем.

Связь между угловыми и линейными величинами:
связь между линейной и угловой скоростью.
связь между тангенциальным и угловым ускорением.
вязь между нормальным (центростремительным) ускорением, угловой скоростью и линейной скоростью.
Билет 4.

Динамика материальной точки. Классическая механика, границы ее применимости. Законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета.
Динамика материальной точки:

-законы Ньютона

-законы сохранения(импульса, момента импульса, энергии)
Классическая механика — раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие, основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея.

Классическая механика подразделяется на:

статику (которая рассматривает равновесие тел)

кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

динамику (которая рассматривает движение тел).

Границы применимости класической механики:

-при скоростях, близких к скорости света, классическая механика перестаёт работать

-свойства микромира (атомов и субатомных частиц) не могут быть поняты в рамках классической механики

-классическая механика становится неэффективной при рассмотрении систем с очень большим числом частиц
Первый закон Ньютона (закон инерции):

Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно .

Второй закон Ньютона:

В инерциальной системе отсчета произведение массы тела на его ускорение равное действующей на тело силе.

Третий закон Ньютона:

Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по модулю и противоположы по напрвлению.


Система отсчета - совокупность неподвыжных относительно друг друга тел, по отношнию к которым рассматривается движения(включает в себя тело отсчета, систему уоординат,часы)

Инерциальная система отсчета - система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: любое тело, на которое не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Инертность - свойство присущее телам()для изменения скорости тела требуется время.

Масса - количесенная характеристика инертности.

Билет 5.

Цент масс (инерции) тела. Импульс материальной точки и твердого тела. Закон сохранения импульса. Движение центра масс.
Центр масс системы материальный точек - точка, положения которой характеризует распеределение массы системы в пространстве.

распеределение масс в системе координат.

Положение центра масс тела зависит от того, как распределяется по обьему тела его масса.

Движение центра масс определяется только внешними силами, действующими на систему.Внутрение силы системы не влияют на положение центра масс.
положение центра масс.

Центр масс замкнутой системы движется прямолинейна и равномерно или остается неподвижным.

Импульс материальной точки - векторная величина равная произведению массы точки на ее скорость.

Импульс тела равен сумме импульсов его отдельных элементов.

Изменение импульса мат. точки пропорционален приложеной силе и имеет такое же направление, как и сила.

Импульс системы мат. точек могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы пропорционально сумме внешних сил и совпадает с ней по направлению.Внутрение силы, изменяя импульсы отдельных тел системы, не изменяют сумарный импульс системы.

Закон сохранения импульса:

если сумма внешних сил, действующих на тело системы, равна нулю, то импульс системы сохраняется.



Билет 6.

Работа силы. Энергия. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Силы в природе.
Работа - физическая величина, характеризуюая результат действия силы и числено равная скалярному произведнию вектора силы и вектора перемещения, совершенно под действием этой силы.

A = F · S ·cosа (а-угол между направлением силы и направлением перемещения)

Работа не совершается если:

-сила действует, а тело не перемещается

-тело перемещается, а сила равна нулю

-угол м/д векторами силы и перемещения равен 90градусов

Мощность- физическая величина, характеризующаяскорость совершения работы и числено равная отношению работы к интервалу, за который работа совершена.

средняя мощность; мгновенная мощность.

Мощность показывает, какая работа совершеная за единицу времени.

Энергией - это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Механическая энергия - это величина характеризующая движение и взаимодействие тел и являющаяся функцией скоростей и взаимного расположения тел. Она равна сумме кинетической и потенциальной энергий.

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.

Кинетическая энергия-энергия движения.

A = Ek2 – Ek1

Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.

Потенциальная энергия-энергия взаимодействия.

Ep = m∙g∙h.

А= – (Ер2 – Ер1).

Силы:

1.Сила трения.

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел.Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.(Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону.Если внешняя сила больше (Fтр)max, возникает трение скольжения.)

μ называют коэффициентом трения скольжения.

2.Сила упругости. Закон Гука.

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела - сила упрогости.

(пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации)

Fупр = –kx.

Коэффициент k называется жесткостью тела.

Деформация растяжения (x > 0) и сжатия (x < 0).

Закон Гука: относительная деформация ε пропорциональна напряжению σ, где Е- модуль Юнга.

3.Сила реакции опоры.

Упругую силу действующую на тело со стороны опоры (или подвеса), называют силой реакции опоры. При соприкосновении тел сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес.

4.Сила тяжести. Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести.

5.Грявитационаая сила(сила тяготения)

се тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Билет 7.

Консервативные и диссипативные силы. Закон сохранения механичсекой энергии. Условие равновесия механической системы.
Консервати́вные си́лы (потенциальные силы) — силы, работа которых не зависит от формы траектории (зависит только от начальной и конечной точки приложения сил)

Консервативные силы — такие силы, работа по любой замкнутой траектории которых равна 0.

работа консервативных сил по произвольному замкнутому контуру равна 0;

Силу , действующую на материальную точку, называют консервативной или потенциальной, если работа , совершаемая этой силой при перемещении этой точки из произвольного положения 1 в другое 2, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло:

Изменение направления движения точки вдоль траектории на противоположное вызывает изменение знака консервативной силы, так как величина меняет знак. Поэтому при перемещении материальной точки вдоль замкнутой траектории , например , работа консервативной силы равна нулю .

Примером консервативных сил могут служить силы всемирного тяготения, силы упругости, силы электростатического взаимодействия заряженных тел. Поле, работа сил которого по перемещению материальной точки вдоль произвольной замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным.

Диссипативные силы - силы, при действии которых на движущуюся механическую систему её полная механическая энергия убывает, переходя в другие, немеханические формы энергии, например в теплоту.

пример диссипативных сил: сила вязкого или сухого трения.

Закон сохранения механичсекой энергии:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2

Замкнутая система- это система, на которую не действуют внешнии силы или из действие скомпенсировано.

Условие равновесия механической системы:

Статика - раздел механики, изучающмй условия равновесия тел.

Чтобы невращающееся тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы равнодействующая всех сил, приложенных к телу, была равна нулю.

Если тело может вращаться относительно некоторой оси, то для его равновесия недостаточно равенства нулю равнодействующей всех сил.

Правило моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю: M1 + M2 + ... = 0.

Длина перпендикуляра, проведенного от оси вращения до линии действия силы, называется плечом силы.

Произведение модуля силы F на плечо d называется моментом силы M. Положительными считаются моменты тех сил, которые стремятся повернуть тело против часовой стрелки.



Билет 8.

Кинематика вращательно движения твердого тела. Угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение. Связь между линейными и угловыми характеристиками. Кинетическая энергия вращательного движения.
+Билет 3.
Для кинематического описания вращения твердого тела удобно использовать угловые величины: угловое перемещение Δφ, угловую скорость ω

В этих формулах углы выражаются в радианах. При вращении твердого тела относительно неподвижной оси все его точки движутся с одинаковыми угловыми скоростями и одинаковыми угловыми ускорениями. За положительное направление вращения обычно принимают направление против часовой стрелки.

Вращательно движение твердого тела :

1) вокруг оси - движение, при котором все точки тела, лежащие на оси вращения, неподвижны, а остальные точки тела описывают окружности с центрами на оси;

2) вокруг точки - движение тела, при котором одна его точка О неподвижна, а все другие движутся по поверхностям сфер с центром в точке О.

Кинетическая энергия вращательного движения.

Кинетическая энергия вращательного движения – энергия тела связанная с его вращением.

Разобьем вращающееся тело на малые элементы Δmi. Расстояния до оси вращения обозначим через ri, модули линейных скоростей – через υi. Тогда кинетическую энергию вращающегося тела можно записать в виде:

Физическая величина зависит от распределения масс вращающегося тела относительно оси вращения. Она называется моментом инерции I тела относительно данной оси:

В пределе при Δm → 0 эта сумма переходит в интеграл.

Таким образом, кинетическую энергию твердого тела, вращающегося относительно неподвижной оси, можно представить в виде:

Кинетическая энергия вращательного движения определяется моментом инерции тела относительно оси вращения и его угловой скоростью.

Билет 9.

Динамика вращательного движения. Момент силы. Момент инерции. Теорема Штейнера.

Момент силы - величина, характеризующая вращательный эффект силы при действии её на твёрдое тело. Различают Момент силы относительно центра (точки) и относительно оси.

1.Момент силы относительно центра О величина векторная. Его модуль Mo = Fh, где F - модуль силы, a h - плечо (длина перпендикуляра, опущенного из О на линию действия силы)

С помощью векторного произведения момент силы выражается равенством Mo = [rF], где r - радиус-вектор, проведённый из О в точку приложения силы.

2.Момент силы относительно оси величина алгебраическая, равная проекции на эту ось.

Момент силы (крутящий момент; вращательный момент; вращающий момент) — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

это выражение является вторым законом Ньютона для вращательного движения.

Оно справедливо только тогда:

а) если под моментом М понимают часть момента внешней силы, под действием которой происходит вращение тела вокруг оси - это тангенциальная составляющая.

б) нормальная составляющая из момента силы не участвует во вращательном движении, так как Mn старается сместить точку с траектории, и по определению тождественно равна 0, при r- const Mn=0, а Mz - определяет силу давления на подшипники.
Момент инерции - скалярная физическая величина, мера инертности тела во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении.

Момент инерции зависит от массы тела и от расположения частиц тела относительно оси вращения.

Тонкий обруч Стрежень (закреп. по середине) Стержень См.

Однородный цилиндр Диск Шар.

(справа картинка к пункту 2 в т. Штейнера)

Теорема Штейнера.

Момент инерции данного тела относительно, какой либо данной оси зависит не только от массы, формы и размеров тела, но также от положения тела по отношению к этой оси.

Согласно теореме Гюйгенса - Штейнера - момент инерции тела J относительно произвольной оси равен сумме:

1)момента инерции этого тела Jо, относительно оси, проходящий через центр масс этого тела, и параллельной рассматриваемой оси,

2) произведения массы тела на квадрат расстояния между осями.

Билет 10.

Момент импульса. Основное уравнение динамики вращательного движения (уравнение моментов). Закон сохранения моментов импульса.
Момент импульса - физическая величина, зависящая от того сколько массы вращается и как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Момент импульса относительно точки — это псевдовектор.

Момент импульса относительно оси — скалярная величина.
Момент импульса L частицы относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением ее радиус-вектора и импульса: L=[rP]

r - радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчета начала отсчёта.

P - импульс частицы.

L = rp sinА = p l;
Для систем, совершающих вращение вокруг одной из осей симметрии (вообще говоря, вокруг так называемых главных осей инерции), справедливо соотношение:

момент импульса тела относительно оси вращения.
Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частей.
Уравнение моментов.

Производная по времени момента импульса материальной точки относительно неподвижной оси равна моменту силы, действующей на точку, относительно той же оси:

M=JE=J dw/dt=dL/dt
Зако́н сохране́ния моме́нта и́мпульса (закон сохранения углового момента) — векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.

М=0

=> dL/dt=0 т.е. L=const
Билет 11.

Работа и кинетическая энергия при вращательном движении. Кинетическая энергия при плоском движении.

+Билет 8.



- внешняя силв приложенная к точке массой

- путь который проходит масса за время dt

Но равна модулю момента силы относительно оси вращения.

следовательно

с учетом, что

получим выражение для работы:

Работа вращательного движения равна работе затраченой на поворот всего тела.

Работа при вращательном движении идет на увеличении кинетической энергии:

dA=dT
Плоское (плоскопараллельным) движение - это такое движение, при котором все его точки перемещаются параллельно некоторой неподвижной плоскости.

Кинетическая энергия при плоском движении равна сумме кинетических энергий поступательного и вращательного движений:



Билет 12.

Гармонические колебания. Свободные незатухающие колебания. Гармонический осциллятор. Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора и его решение. Характеристики незатухающих колебаний. Скорость и ускорение в незатухающих колебаниях.
Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно (или приблизительно) через одинаковые промежутки времени. Закон движения тела, совершающего колебания, задается с помощью некоторой периодической функции времени x = f (t).

Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными.

Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями. Колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил, называются вынужденными.
Гармоническое колебание — явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса.

Колебания называются гармоническими, если выполнятся следующие условия:

1) колебания маятника продолжаются бесконечно (так как нет необратимых преобразований энергии);

2) его максимальное отклонение вправо от положения равновесия равно максимальному отклонению влево;

3) время отклонения вправо равно времени отклонения влево;

4) характер движения вправо и влево от положения равновесия одинаков.

Х = Хm cos (ωt + φ0).

V= -A w_o sin(w_o+ φ)=A w_o cos(w_o t+ φ+П/2)

a= -A w_o*2 cos(w_o t+ φ)= A w_o*2 cos(w_o t+ φ+П)
x – смещение тела от положения равновесия,

xm – амплитуда колебаний, т. е. максимальное смещение от положения равновесия,

ω – циклическая или круговая частота колебаний,

t – время.

φ = ωt + φ0 называется фазой гармонического процесса

φ0 называют начальной фазой.

Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T

Частота колебаний f показывает, сколько колебаний совершается за 1 с.
Незатухающие колебания - колебания с постоянной амплитудой.

Затухающие колебания - колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Свободные незатухающие колебания:

Рассмотpим пpостейшую механическую колебательную систему – маятник в не вязкой среде.

Запишем уpавнение движения согласно втоpому закону Ньютона:

Запишем это уpавнение в пpоекциях на ось х.Пpоекцию ускорения на ось х пpедставим как втоpую пpоизводную от кооpдинаты х по вpемени.

Обозначим k/m чеpез w2, и пpедадим уpавнению вид :

Где

Решением нашего уpавнения является функция вида:

Гармонический осциллятор — это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы F, пропорциональной смещению x(согласно закону Гука):

k — положительная константа, описывающая жёсткость системы.

1.Если F единственная сила, действующая на систему, то систему называют простым или консервативным гармоническим осциллятором.

2.Если имеется ещё и сила трения (затухание), пропорциональная скорости движения (вязкое трение), то такую систему называют затухающим или диссипативным осциллятором.

Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора и его решение:

В качестве модели консервативного гармонического осциллятора возьмём груз массы m , закреплённый на пружине жёсткостью k. Пусть x - это смещение груза относительно положения равновесия. Тогда, согласно закону Гука, на него будет действовать возвращающая сила:

Используя второй закон Ньютона, запишем:

Обозначая и заменяя ускорение на вторую производную от координаты по времени , напишем:

Это дифференциальное уравнение описывает поведение консервативного гармонического осциллятора. Коэффициент ω0 называют циклической частотой осциллятора.

Будем искать решение этого уравнения в виде:

Здесь — амплитуда, — частота колебаний (пока не обязательно равная собственной частоте), — начальная фаза.

Подставляем в дифференциальное уравнение.

Амплитуда сокращается. Значит, она может иметь любое значение (в том числе и нулевое — это означает, что груз покоится в положении равновесия). На синус также можно сократить, так как равенство должно выполняться в любой момент времени t. И остаётся условие на частоту колебаний:

Отрицательную частоту можно отбросить, так как произвол в выборе этого знака покрывается произволом выбора начальной фазы.

Общее решение уравнения записывается в виде:

де амплитуда A и начальная фаза — произвольные постоянные.

Кинетическая энергия записывается в виде:

и потенциальная энергия есть

Характеристики незатухающих колебаний:

-амплитуда не меняется

-частота зависит от жесткости и массы (пружина)
Скорость незатухающих колебаний:

Ускорение незатухающих колебаний:

Свободные затухающие колебания

Если можно пренебречь силами сопротивления движению и трением, то при выведении системы из положения равновесия на груз будет действовать только сила упругости пружины.

Запишем уравнение движения груза, составленное по 2-му закону Ньютона:

Спроектируем уравнение движения на ось X.

преобразуем:

т.к.

это дифференциальное уравнение свободных гармонических незатухающих колебаний.

Решение уравнения имеет вид:

Дифференциальное уравнение и его решение:

Во всякой колебательной системе имеются силы сопротивления, действие которых приводит к уменьшению энергии системы. Если убыль энергии не восполняется за счет работы внешних сил, колебания будут затухать.

Сила сопротивления пропорциональна величине скорости:

r – постоянная величина, называемая коэффициентом сопротивления. Знак минус обусловлен тем, что сила и скорость имеют противоположные направления.

Уравнение второго закона Ньютона при наличии сил сопротивления имеет вид:

Применив обозначения , , перепишем уравнение движения следующим образом:

Это уравнение описывает затухающие колебания системы

Решение уравнения имеет вид:


Каэффицент затухания - величина обратная пропорциональная времени в течении которого амплитуда уменшилась в е раз.

Время, по истечении которого амплитуда колебаний уменьшается в е раз, называется временем затухания

За это время система совершает колебаний.
Декремент затухания, количественная характеристика быстроты затухания колебаний,представляет собой натуральный логарифм отношения двух последующих максимальных отклонений колеблющейся величины в одну и ту же сторону.

Логарифмическим декрементом затухания называется логарифм отношения амплитуд в моменты последовательных прохождений колеблющейся величины через максимум или минимум(затухание колебаний принято характеризовать логарифмическим декрементом затухания):

Он связан с числом колебаний N соотношением:

Время релаксации - время в течении которого амплитуда затухающего колебания уменьшается в е раз.

Уравнение плоской волны:

Фа́зовая ско́рость — скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль заданного направления.

Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется волновым фронтом.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью.

Волновое уравнение и его решение:

Распространение волн в однородной изотропной среде в общем случае описывается волновым уравнением - дифференциальным уравнением в частных производных.

где

Решением уравнения является уравнение любой волны, которое имеет вид: