Скорость при прямолинейном движении с постоянным ускорением. Ускорение. Прямолинейное движение с постоянным ускорением. Мгновеннная скорость

На данном уроке, тема которого: «Уравнение движения с постоянным ускорением. Поступательное движение», мы вспомним, что такое движение, каким оно бывает. Также вспомним, что такое ускорение, рассмотрим уравнение движения с постоянным ускорением и как им пользоваться для определения координаты движущегося тела. Рассмотрим пример задачи для закрепления материала.

Главная задача кинематики - определить положение тела в любой момент времени. Тело может покоиться, тогда его положение меняться не будет (см. рис. 1).

Рис. 1. Покоящееся тело

Тело может двигаться прямолинейно с постоянной скоростью. Тогда его перемещение будет изменяться равномерно, то есть одинаково за равные промежутки времени (см. рис. 2).

Рис. 2. Перемещение тела при движении с постоянной скоростью

Перемещение , скорость, умноженная на время, это мы давно умеем делать. Тело может двигаться с постоянным ускорением, рассмотрим такой случай (см. рис. 3).

Рис. 3. Движение тела с постоянным ускорением

Ускорение

Ускорение - это изменение скорости за единицу времени (см. рис. 4):

Рис. 4. Ускорение

Скорость - векторная величина, поэтому и изменение скорости, т. е. разность векторов конечной и начальной скорости, является вектором. Ускорение - тоже вектор, направленный туда же, куда и вектор разности скоростей (см. рис. 5).

Мы рассматриваем прямолинейное движение, поэтому можно выбрать координатную ось вдоль прямой, вдоль которой происходит движение, и рассматривать проекции векторов скорости и ускорения на эту ось:

Тогда равномерно изменяется его скорость: (если его начальная скорость была равна нулю). Как теперь найти перемещение? Скорость умножить на время - нельзя : скорость постоянно менялась; какую брать? Как определить, где при таком движении будет находиться тело в любой момент времени - сегодня мы эту проблему решим.

Сразу определимся с моделью: мы рассматриваем прямолинейное поступательное движение тела. В таком случае можем применять модель материальной точки. Ускорение направлено вдоль той же прямой, вдоль которой материальная точка движется (см. рис. 6).

Поступательное движение

Поступательное движение - это такое движение, при котором все точки тела движутся одинаково: с одинаковой скоростью, совершая одинаковое перемещение (см. рис. 7).

Рис. 7. Поступательное движение

А как еще может быть? Взмахните рукой и проследите: понятно, что ладонь и плечо двигались по-разному. Посмотрите на колесо обозрения: точки вблизи оси почти не движутся, а кабинки движутся с другой скоростью и по другим траекториям (см. рис. 8).

Рис. 8. Движение выбранных точек на колесе обозрения

Посмотрите на движущийся автомобиль: если не учитывать вращение колес и движение частей мотора, все точки автомобиля движутся одинаково, движение автомобиля считаем поступательным (см. рис. 9).

Рис. 9. Движение автомобиля

Тогда нет смысла описывать движение каждой точки, можно описать движение одной. Автомобиль считаем материальной точкой. Обратите внимание, что при поступательном движении линия, соединяющая любые две точки тела при движении, остается параллельной сама себе (см. рис. 10).

Рис. 10. Положение линии, соединяющей две точки

Автомобиль ехал прямолинейно в течение часа. В начале часа его скорость была 10 км/ч, а в конце - 100 км/ч (см. рис. 11).

Рис. 11. Рисунок к задаче

Скорость изменялась равномерно. Сколько километров проехал автомобиль?

Проанализируем условие задачи.

Скорость автомобиля изменялась равномерно, то есть всё время пути его ускорение было постоянным. Ускорение по определению равно:

Автомобиль ехал прямолинейно, поэтому мы можем рассматривать его движение в проекции на одну ось координат:

Найдем перемещение.

Пример возрастающей скорости

На стол кладут орехи, по одному ореху в минуту. Понятно: сколько минут пройдет, столько орехов на столе окажется. А теперь представим, что скорость накладывания орехов равномерно возрастает с нуля: первую минуту орехов не кладут, во вторую кладут один орех, потом два, три и так далее. Сколько орехов окажется на столе через какое-то время? Понятно, что меньше, чем если бы максимальная скорость поддерживалась всегда. Причем хорошо видно, что меньше в 2 раза (см. рис. 12).

Рис. 12. Количество орехов при разной их скорости выкладывании

Так же и с равноускоренным движением: допустим, сначала скорость была равна нулю, в конце стала равна (см. рис. 13).

Рис. 13. Изменение скорости

Если бы тело постоянно двигалось с такой скоростью, его перемещение было бы равно , но поскольку скорость равномерно возрастала - то в 2 раза меньше.

Мы умеем находить перемещение при РАВНОМЕРНОМ движении: . Как обойти эту проблему? Если скорость изменяется не на много, то движение можно приближенно считать равномерным. Изменение скорости будет небольшим за небольшой интервал времени (см. рис. 14).

Рис. 14. Изменение скорости

Поэтому разобьем время в пути T на N небольших отрезков длительностью (см. рис. 15).

Рис. 15. Разбиение отрезка времени

Подсчитаем перемещение на каждом отрезке времени. Скорость прирастает на каждом интервале на:

На каждом отрезке мы будем считать движение равномерным и скорость приближенно равной начальной скорости на данном отрезке времени. Посмотрим, не приведет ли к ошибке наше приближение, если на небольшом промежутке движение будем считать равномерным. Максимальная ошибка будет равна:

и суммарная ошибка за всё время пути -> . При больших N принимаем ошибка близка к нулю. Это мы увидим и на графике (см. рис. 16): на каждом интервале будет ошибка, но суммарная ошибка при достаточно большом количестве интервалов будет пренебрежимо мала.

Рис. 16. Ошибка на интервалах

Итак, каждое следующее значение скорости на одну и ту же величину больше предыдущего. Из алгебры мы знаем, что это арифметическая прогрессия с разностью прогрессии :

Путь на участках (при равномерном прямолинейном движении (см. рис. 17) равен:

Рис. 17. Рассмотрение участков движения тела

На втором участке:

На n-м участке путь равен:

Арифметическая прогрессия

Арифметической прогрессией называется такая числовая последовательность, в которой каждое следующее число отличается от предыдущего на одну и ту же величину. Арифметическая прогрессия задается двумя параметрами: начальный член прогрессии и разность прогрессии . Тогда последовательность записывается так:

Сумма первых членов арифметической прогрессии вычисляется по формуле:

Просуммируем все пути. Это будет сумма первых N членов арифметической прогрессии:

Т. к. мы разбили движение на много интервалов, то можно считать, что , тогда:

У нас было множество формул, и, чтобы не запутаться, мы не писали каждый раз индексы х, но рассматривали всё в проекции на координатную ось.

Итак, мы получили главную формулу равноускоренного движения: перемещение при равноускоренном движении за время T, которую мы наряду с определением ускорения (изменение скорости за единицу времени) будем использовать для решения задач:

Мы занимались решением задачи об автомобиле. Подставим в решение числа и получим ответ: автомобиль проехал 55,4 км.

Математическая часть решения задачи

С перемещением мы разобрались. А как определить координату тела в любой момент времени?

По определению перемещение тела за время - это вектор, начало которого находится в начальной точке движения, а конец - в конечной точке, в которой тело будет через время . Нам нужно найти координату тела, поэтому запишем выражение для проекции перемещения на ось координат (см. рис. 18):

Рис. 18. Проекция перемещения

Выразим координату :

То есть координата тела в момент времени равна начальной координате плюс проекция перемещения, которое совершило тело за время . Проекцию перемещения при равноускоренном движении мы уже нашли, осталось подставить и записать:

Это и есть уравнение движения с постоянным ускорением. Оно позволяет узнать координату движущейся материальной точки в любой момент времени. Понятно, что момент времени мы выбираем в пределах промежутка, когда работает модель: ускорение постоянное, движение прямолинейное.

Почему уравнение движения нельзя применять для нахождения пути

В каких случаях мы можем считать перемещение по модулю равным пути? Когда тело движется вдоль прямой и не меняет направления. Например, при равномерном прямолинейном движении мы не всегда четко оговариваем, путь мы находим или перемещение, всё равно они совпадают.

При равноускоренном движении скорость изменяется. Если скорость и ускорение направлены в противоположные стороны (см. рис. 19), то модуль скорости убывает, и в какой-то момент он станет равен нулю и скорость поменяет направление, то есть тело начнет двигаться в противоположную сторону.

Рис. 19. Модуль скорости убывает

И тогда, если в данный момент времени тело находится на расстоянии 3 м от начала наблюдения, то его перемещение равно 3 м, но если тело сначала прошло 5 м, затем развернулось и прошло еще 2 м, то путь будет равен 7 м. И как же его найти, если не знать этих чисел? Просто надо найти момент, когда скорость равна нулю, то есть когда тело развернется, и найти путь к этой точке и от нее (см. рис. 20).

Рис. 20. Момент, когда скорость равна 0

Список литературы

Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики; т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика - М.: Издательство «Наука», 1985.

Интернет портал «kaf-fiz-1586.narod.ru» ()
Интернет портал «Учеба - Легко» ()
Интернет портал «Гипермаркет знаний» ()

Домашнее задание

Что такое арифметическая прогрессия?
Какое движение называется поступательным?
Чем характеризуется векторная величина?
Запишите формулу для ускорения через изменение скорости.
Какой вид имеет уравнение движения с постоянным ускорением?
Вектор ускорения направлен в сторону движения тела. Как будет изменять свою скорость тело?

§ 12-й. Движение с постоянным ускорением

При равноускоренном движении справедливы следующие уравнения, которые мы приводим без вывода:

Как вы понимаете, векторная формула слева и две скалярные формулы справа равноправны. С точки зрения алгебры, скалярные формулы означают, что при равноускоренном движении проекции перемещения зависят от времени по квадратичному закону. Сравните это с характером проекций мгновенной скорости (см. § 12-з).

Зная, что s x = x – x o и s y = y – y o (см. § 12-е), из двух скалярных формул из правой верхней колонки получим уравнения для координат:

Поскольку ускорение при равноускоренном движении тела постоянно, то координатные оси всегда можно расположить так, чтобы вектор ускорения был направлен параллельно одной оси, например оси Y. Следовательно, уравнение движения вдоль оси X заметно упростится:

x = x o + υ ox t + (0) и y = y o + υ oy t + ½ a y t²

Обратите внимание, что левое уравнение совпадает с уравнением равномерного прямолинейного движения (см. § 12-ж). Это означает, что равноускоренное движение может «складываться» из равномерного движения вдоль одной оси и равноускоренного движения вдоль другой. Подтверждением этому служит опыт с ядром на яхте (см. § 12-б).

Задача . Вытянув руки, девочка подбросила шар. Он поднялся на 80 cм и вскоре упал к ногам девочки, пролетев 180 cм. С какой скоростью шар был подброшен и какую скорость шар имел при ударе о землю?

Возведём в квадрат обе части уравнения для проекции на ось Y мгновенной скорости: υ y = υ oy + a y t (см. § 12-и). Получим равенство:

υ y ² = ( υ oy + a y t )² = υ oy ² + 2 υ oy a y t + a y ² t²

Вынесем за скобки множитель 2 a y только для двух правых слагаемых:

υ y ² = υ oy ² + 2 a y ( υ oy t + ½ a y t² )

Заметим, что в скобках получилась формула для вычисления проекции перемещения: s y = υ oy t + ½ a y t². Заменяя её на s y , получим:

Решение. Сделаем чертёж: ось Y направим вверх, а начало координат поместим на земле у ног девочки. Применим выведенную нами формулу для квадрата проекции скорости сначала в верхней точке подъёма шара:

0 = υ oy ² + 2·(–g)·(+h) ⇒ υ oy = ±√¯2gh = +4 м/с

Затем при начале движения из верхней точки вниз:

υ y ² = 0 + 2·(–g)·(–H) ⇒ υ y = ±√¯2gh = –6 м/с

Ответ: шар был брошен вверх со скоростью 4 м/с, а в момент приземления имел скорость 6 м/с, направленную против оси Y.

Примечание. Надеемся, вы понимаете, что формула для квадрата проекции мгновенной скорости будет верна по аналогии и для оси X.

Движение с постоянным ускорением–это такое движение, при котором вектор ускорения остается постоянным как по величине, так и по направлению. Примером такого типа движения может служить движения точки в поле силы тяжести (как вертикально, так и под углом к горизонту).

Используя определение ускорения получим следующее соотношение

После интегрирования имеем равенство
.

С учетом того, что вектор мгновенной скорости есть
, будем иметь следующее выражение

Интегрирование последнего выражение дает следующее соотношение

. Откуда имеем получаем уравнение движения точки с постоянным ускорением

Примеры векторных уравнений движения материальной точки

Равномерное прямолинейное движение (
):

. (1.7)

Движение с постоянным ускорением (
):

. (1.8)

Зависимость скорости от времени при движении точки с постоянным ускорением имеет вид:

. (1.9)

Вопросы для самоконтроля.

Сформулируйте определение механического движения.

Дайте определение материальной точки.

Каким образом определяется положение материальной точки в пространстве в векторном способе описания движения?

В чем сущность векторного метода описания механического движения? Какие характеристики используются для описания этого движения?

Дайте определения векторов средней и мгновенной скорости. Как определяется направление этих векторов?

Дайте определение векторов среднего и мгновенного ускорений.

Какое из соотношений является уравнением движения точки с постоянным ускорением? Какое соотношение определяет зависимость вектора скорости от времени?

§1.2. Координатный способ описания движения

В координатном способе для описания движения выбирают систему координат (например, декартову). Начало отсчета жестко закрепляют с выбранным телом (телом отсчета ). Пусть
единичные орты, направленные в положительные стороны осейOX, OY и OZ соответственно. Положение точки задается координатами
.

Вектор мгновенной скорости определяется следующим образом:

где
проекции вектора скорости на оси координат, а
производные от координат по времени.

Длина вектора скорости связана с его проекциями соотношением:

. (1.11)

Для вектора мгновенного ускорения справедливо соотношение:

где
проекции вектора ускорения на оси координат, а
производные по времени от проекций вектора скорости.

Длина вектора мгновенного ускорения находится по формуле:

. (1.13)

Примеры уравнений движения точки в декартовой системе координат

. (1.14)

Уравнения движения:
. (1.15)

Зависимости проекций вектора скорости на оси координат от времени:

(1.16)

Вопросы для самоконтроля.

В чем сущность координатного способа описания движения?

Каким соотношением определяется вектор мгновенной скорости? По какой формуле вычисляется величина вектора скорости?

Каким соотношением определяется вектор мгновенного ускорения? По какой формуле вычисляется величина вектора мгновенного ускорения?

Какие соотношения называют уравнениями равномерного движения точки?

Какие соотношения называют уравнениями движения с постоянным ускорением? По каким формулам рассчитывают проекции мгновенной скорости точки на оси координат?

КОНСПЕКТ

Лекций по физике

МЕХАНИКА

Кинематика

Кинематика - это раздел механики, изучающий механическое движение без анализа причин его вызывающих .

Механическое движение - простейшая форма движения тел, заключающаяся в изменении с течением времени положения одних тел относительно других, либо положения частей тела друг относительно друга. При этом тела взаимодействуют по законам механики.

Основные понятия :

Материальная точка – тело, размерами и формами которого можно пренебречь.

Тело отсчёта – тело, относительно которого рассматривается движение исследуемого тела (других тел).

Система отсчёта – совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов, неподвижных относительно тела отсчета.

Радиус-вект ор – вектор, соединяющий начало координат с точкой расположения тела в данный момент времени.

Траектория – линия, которую описывает тело (центр масс ) в процессе своего движения,

Путь – скалярная физическая величина, равная длине траектории, описываемой телом за рассматриваемый промежуток времени. ( , м)

Скорость – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения частицы по траектории, и направление, в котором движется частица в каждый момент времени, т.е. изменения положения со временем (υ, м/с).

Ускорение – векторная физическая величина, равная отношению приращения скорости тела за некоторый промежуток времени к величине этого промежутка, т.е. быстроту (скорость) изменения скорости (а , м/с 2).

Вектор ускорения может меняться за счет изменения его направления, величины, или и того и другого. Если скорость уменьшается, то пользуются термином «замедление».

Скорость точки

Виды движений:

Равномерное движение –

движение тела, при котором оно проходит одинаковые пути за любые равные промежутки времени.

1 – Координата точки в момент времени t.

2 – Координата точки в начальный момента времени t = 0

3 –Проекция вектора скорости на координатную ось

Движение с постоянным ускорением

a = = S = υ 0 t ± υ = υ 0 ± a t

Равномерное движение по окружности –

Динамика

Динамика - раздел механики, в котором изучаются причины возникновения механического движения.

Масса – скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой инертности тела, а также характеризующая количество вещества (m, кг),

Сила – векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел и приводящая к появлению у тела ускорения или к деформации тела. Сила характеризуется величиной, направлением и точкой приложения (F, Н).

СИЛЫ

Законы Ньютона:

Первый закон Ньютона:

в инерциальных системах отсчёта замкнутая система продолжает оставаться в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения .

Классическая механика Ньютона применима в особом классе инерциальных систем отсчёта .

Все инерциальные системы отсчёта движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно.

Второй закон Ньютона:

сила, действующая на систему извне, приводит к ускорению системы.

Третий закон Ньютона:

сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия; силы имеют одинаковую природу, но приложены к разным телам и не компенсируются.

Гравитационная сила

Силы в природе :

Закон сохранения импульса

Импульс – векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость: ,

Закон сохранения импульса:

Закон сохранения энергии

Энергия – характеристика движения и взаимодействия тел, их способность совершать изменения во внешнем мире (Е, Дж).

Под полной механической энергией понимают сумму кинетической и потенциальной энергий:

Полная механическая энергия

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия

Потенциальная энергия тела - скалярная физическая величина, характеризующая способность тела (или материальной точки) совершать работу за счет своего нахождения в поле действия сил.

Кинетическая энергия тела - энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек.

Закон сохранения механической энергии:

Абсолютная шкала температур

Введена англ. физиком У. Кельвином
- нет отрицательных температур
Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный ноль (0К = -273 С), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура - 0,0001К.
По величине 1К равен 1 градусу по шкале Цельсия.

Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия: в формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».

Основное уравнение МКТ газа

Основное уравнение МКТ связывает микропараметры частиц (массу молекулы, среднюю кинетическую энергию молекул, средний квадрат скорости молекул) с макропараметрами газа (р - давление, V - объем, Т - температура).

средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул средняя квадратичная скорость

средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул

Средняя квадратичная скорость : =

Внутренняя энергия одноатомного идеального газа : U = = pV

Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.
Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.
Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

Жидкость

Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями.
Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.

Твердое тело

Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.

Влажность воздуха:

Точка росы – температура, при которой пар становится насыщенным

Твердое тело

Основы термодинамики

Основные понятия:

Термодинамика – теория физики, изучающая тепловые свойства макроскопических систем, не обращаясь к микроскопическому строению тел, составляющих систему.

Термодинамическая система – физическая система, состоящая из большого числа частиц (атомов и молекул), которые совершают тепловое движение, и взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями.

Термодинамика рассматривает только равновесные состояния.

Равновесные состояния – состояния, в которых параметры термодинамической системы не меняются со временем.

Термодинамический процесс – переход системы из начального состояние в конечное через последовательность промежуточных состояний (любое изменение термодинамической системы).

Термодинамические процессы

Внутренняя энергия – энергия, состоящая из суммы энергий молекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул, зависящая только от термодинамического состояния системы.

Способы изменения внутренней энергии :

Совершение механической работы.
Теплообмен (теплопередача)

Теплообмен – передача внутренней энергий от одного тела к другому.

Теплообмен

десублимация

сублимация

парообразование

конденсация

кристаллизация

плавление

Количество теплоты (Q, Дж) – мера энергии

Количество теплоты:

Первый закон термодинамики

Формулирока первого закона термодинамики:

Совершение работы

Q 2 – отдаваемая энергия (передаётся «остаток» энергии)

Тепловая машина должна работать циклически. По окончании цикла тело возвращается в своё первоначальное состояние, при этом внутренняя энергия принимает начальное значение. Работа цикла может совершаться только за счёт внешних источников, подводящих теплоту к рабочему телу.

Реальные тепловые двигатели работаю по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится новая порция газа.

Коэффициент полезного действия

КПД (η ) – отношение работы А совершённой рабочим телом за цикл, к количеству теплоты Q полученным рабочим телом за этот же цикл.

η = · 100% = · 100% = · 100%

КПД характеризует степень экономичности теплового двигателя, зависит только от температуры нагревателя и холодильника.

ü Для повышения КПД тепловой машины можно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;

ü КПД всегда < 1

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики определяет направление процессов, происходящих в природе и связанных с превращением энергии.

Формулировки второго закона термодинамики:

Несуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила бы передача тепла от холодного тела к более горячему, без каких-либо других изменений в природе.
В природе не возможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от некоторого тела, в работу.

Второй закон термодинамики отрицает возможность использования запасов внутренней энергии какого-либо источника без перевода её на более низкий уровень, т.е. без холодильника.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.

1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
- раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.
Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными; взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).
Электрический заряд – основная скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий (q, Кл).

1 Кл - заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.
Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно.
Тело заряжено , если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.
Электризация тел - один из способов получения заряженных тел.

При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

МАГНИТЫ

Магниты имеют два полюса: S (южный) и N (северный), которые обладают наибольшей силой притяжения.

Одноимённые полюса магнита отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются.

Характеристики магнитного поля:

Магнитный поток (Ф, Вб) – число линий магнитной индукции пронизывающих площадку.

Напряжённость магнитного поля (Н, А/м) – величина, которая характеризует магнитное поле в какой либо точке пространства, созданное макротоками (токи, текущие в проводах электрической цепи) в проводниках независимо от окружающей среды.

В = μ с Н

Для прямолинейного тока: Н = ;

в центре кругового тока: Н = ;

в центре соленоида: Н = .

Магнитная проницаемость вещества

Значение магнитной индукции зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Отношение магнитной индукции В поля в данной среде к магнитной индукции В о в вакууме, характеризует магнитные свойства данной среды и называется относительной магнитной проницаемостью вещества - µ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Способы получения индукционного тока:

Явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ:

Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.
Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Вихревые токи:

Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин.
В ферритах - магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.

Использование вихревых токов

Нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.

Вредное действие вихревых токов

Это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.

САМОИНДУКЦИЯ

Явление самоиндукции – возникновение ЭДС индукции в цепи, которое вызвано изменением магнитного поля тока, текущего в этой же цепи.

Собственное магнитное поле в цепи постоянного тока изменяется в моменты замыкания и размыкания цепи и при изменении силы тока.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) – физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник.
Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.
Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Переменный ток

Переменный ток – ток, изменяющийся по направлению и величине по гармоническому закону.

Действующее значение силы тока – сила постоянного тока, выделяющего в проводнике за то же время такое же количество теплоты, что и переменный ток. I =

Мгновенное значение силы тока пропорционально мгновенному значению напряжения и совпадает по фазе: i = = I m cos ωt

Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично действующему значению силы тока U =

Мгновенное значение напряжения меняется по гармоническому закону: u = U m cos ωt

Активные сопротивления – электрические устройства, преобразующие электрическую энергию во внутреннюю (высокоомные провода, спирали нагревательных приборов, резисторы).

Мощность переменного тока.

При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность переменного тока равна:

p = iu = i 2 R= I m U m cos 2 ωt

Среднее значение мощности за период переменного тока равно: p =

Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока:

1. Индуктивность

В катушке, включённой в цепь переменного напряжения, сила тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для этой же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи постоянного напряжения.

Напряжение опережает ток по фазе на π/2

Индуктивное сопротивление равно: Х L = ωL = 2πνL

Закон Ома: I m = , где Lω – индуктивное сопротивление.

2. Ёмкость

При включении конденсатора в цепь постоянного напряжения сила тока равна нулю, а при включении конденсатора в цепь переменного напряжения сила тока не равна нулю. Следовательно, конденсатор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного тока.

Емкостное сопротивление равно: Х С = =

Резонанс в электрической цепи.

Резонанс в электрической цепи – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тока при совпадении частот ω 0 = ω, где ω 0 – собственная частота колебательного контура, ω – частота питающего напряжения.

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия на холостом ходу, т.е. без R н:

ε инд1 /ε инд2 = ω 1 /ω 2 = k, где ε инд1 и ε инд2 – ЭДС индукции в обмотках, ω 1 и ω 2 - число витков в обмотках,

k – коэффициент трансформации.

Если k > 1 , то трансформатор понижает напряжение; если k < 1 , то трансформатор повышает напряжение. При холостом ходе трансформатор потребляет из сети небольшую энергию, которая затрачивается на перемагничивание его сердечника.

Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высоким КПД.

Передача электрической энергии:

5. Электромагнитные колебания и волны

Колебательный контур – цепь, в которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию магнитного поля и обратно.

Электрический колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки, соединённых между собой в замкнутую электрическую цепь

Свободные электромагнитные колебания – периодически повторяющиеся изменения силы тока в катушке и напряжения между обкладками конденсатора без потребления энергии от внешних источников.

Если контур «идеален», т.е. электрическое сопротивление равно 0 Х L = Х С ω =

Т = 2π – формула Томсона (период свободных электромагнитных колебаний в электрическом контуре)

Электромагнитное поле – особая форма материи, совокупность электрических и магнитных полей.

Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле.

ü При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле.

ü При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

ü При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Материальность электромагнитного поля:

ü можно зарегистрировать

ü существует независимо от нашей воли и желаний

ü имеет большую, но конечную скорость

Электромагнитные волны

Изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве (вакууме) электромагнитное поле со скоростью 3 · 10 8 м/с образует электромагнитную волну. Конечная скорость распространения электромагнитного поля приводит к тому, что электромагнитные колебания в пространстве распространяются в виде волн.

Вдали от антенны значения векторов Е и В совпадает по фазе.

Главное условие возникновения электромагнитной волны – ускоренное движение электрических зарядов.

Скорость электромагнитной волны: υ = νλ λ = = υ2π

Свойства волн:

Ø отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация;

Ø давление на вещество;

Ø поглощение средой;

Ø конечная скорость распространения в вакууме с;

Ø вызывает явление фотоэффекта;

Ø скорость в среде убывает.

6. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Оптика – раздел физики, изучающий световые явления.
По современным представлениям свет имеет двойственную природу (корпускулярно-волновой дуализм): свет обладает волновыми свойствами и представляет собой электромагнитные волны, но одновременно является и потоком частиц – фотонов. В зависимости от светового диапазона проявляются в большей мере те или иные свойства.

Скорость света в вакууме:

При решении задач для вычислений берут обычно величину c = 3 · 10 8 км/с.

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА

Волновая поверхность – множество точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Принцип Гюйгенса: Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.
Законы отражения света
MN - отражающая поверхность
АА 1 и ВВ 1 - лучи падающей плоской волны
АА 2 и ВВ 2 - лучи отраженной плоской волны
АС - волновая поверхность падающей плоской волны перпендикулярна падающим лучам
DB - волновая поверхность отраженной плоской волны перпендикулярная отраженным лучам
α - угол падения (между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)
β - угол отражения (между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)
Законы отражения:
1. Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Преломление света – это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред.
Законы преломления света:

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная

где n – это относительный показатель преломления (иначе показатель преломления второй среды относительно первой)
Показатель преломления

Физический смысл: он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА

Пусть абсолютный показатель преломления первой среды больше, чем абсолютный показатель преломления второй среды
, то есть первая среда оптически более плотная.
Тогда, если направит

При равноускоренном движении справедливы следующие уравнения, которые мы приводим без вывода:

Как вы понимаете, векторная формула слева и две скалярные формулы справа равноправны. С точки зрения алгебры, скалярные формулы означают, что при равноускоренном движении проекции перемещения зависят от времени по квадратичному закону. Сравните это с характером проекций мгновенной скорости (см. § 12-з).

Зная, что sx = x – xo и sy = y – yo (см. § 12-е), из двух скалярных формул из правой верхней колонки получим уравнения для координат:

x = xo + υox t + (0) и y = yo + υoy t + ½ ay t²

Возведём в квадрат обе части уравнения для проекции на ось Y мгновенной скорости: υy = υoy + ay t (см. § 12-и). Получим равенство:

υy² = ( υoy + ay t )² = υoy² + 2 υoy ay t + ay² t²

Вынесем за скобки множитель 2 ay только для двух правых слагаемых:

υy² = υoy² + 2 ay ( υoy t + ½ ay t² )

Заметим, что в скобках получилась формула для вычисления проекции перемещения: sy = υoy t + ½ ay t². Заменяя её на sy , получим:

Решение. Сделаем чертёж: ось Y направим вверх, а начало координат поместим на земле у ног девочки. Применим выведенную нами формулу для квадрата проекции скорости сначала в верхней точке подъёма шара:

0 = υoy² + 2·(–g)·(+h) ⇒ υoy = ±√¯2gh = +4 м/с

Затем при начале движения из верхней точки вниз:

υy² = 0 + 2·(–g)·(–H) ⇒ υy = ±√¯2gh = –6 м/с

Ответ: шар был брошен вверх со скоростью 4 м/с, а в момент приземления имел скорость 6 м/с, направленную против оси Y.

Примечание. Надеемся, вы понимаете, что формула для квадрата проекции мгновенной скорости будет верна по аналогии и для оси X:

Если движение одномерное, то есть происходит только вдоль одной оси, можно пользоваться любой из двух формул в рамках.