Решение уравнений, описывающих колебания в пружинном и математическом маятниках.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

Найдем решение уравнения:

(1)

Нельзя считать, что  или , так как вместо  получилось бы равенство

Чтобы в выражении второй производной был множитель  запишем уравнение (1) в виде:

(2)

Найдем первую и вторую производные:

Функция (2) есть решение исходного уравнения (1). Функция

есть также решение исходного уравнения.

Обозначим постоянную величину , зависящую от свойств системы, через :                

Тогда решение уравнения (2) можно записать:

 (3)

Тогда уравнение (1), описывающее свободные электромагнитные колебания примет вид:

(4)

Из курса математики известно, что наименьший период косинуса равен 2π. Следовательно, ω₀=2π,

. Так как  , тогда период колебаний равен

 - формула Томсона.

Аналогично этим рассуждениям решим уравнение для колебаний вертикального пружинного маятника:

 (5)

Запишем уравнение (5) в виде:

 (6)

Найдем первую и вторую производные:

Функция (6) есть решение исходного уравнения. Функция   есть также решение исходного уравнения. Обозначим постоянную величину

 через w₀ получим

                              (7)

Тогда уравнение (5) будет иметь вид:

 (8)

Период коле­баний для пружинного маятника по аналогии с формулой Томсона

где ;            получим

(9)

Аналогично выше изложенным рассуждениям решим уравнение для колебаний математического маятника:

                             (10)

Запишем уравнение (10) в виде:

                               (11)

Найдем первую и вторую производные уравнения (11):

Функция (11) есть решение уравнения (10). Обозначим постоянную величину  ,зависящую от свойств системы, через w₀ получим:

(12)

Тогда уравнение (10) примет вид:

 (13)

По аналогии с формулой(8) и формулой Томсона, для математического маятника период колебаний равен:

;       ;     

(14)

Уравнения (4), (8) и (13) являются решениями уравнений, описывающих колебания в пружинном и математическом маятникам.

Решение физических задач.

Рассмотрим несколько задач, решение которых методом аналогии возможно на уроках и факультативных занятиях в 11 классах (после изучения раздела "Электрические колебания) и при повторении материала.

Задача1. Изобразите механические системы, аналогичные электрическим цепям, схематически изображенными на рис.1,а,б

Решение. Аналогичная механическая система соответствующая рис.1,а,б должна содержать тело массой m и две пружины с разными жестокостями и

а) Общая емкость системы конденсаторов (рис.1,а) равна

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения

Это соответствует последовательному соединению двух пружин. Учитывая, что один конденсатор заряжен, искомую механическую систему можно представить в виде одной сжатой пружины жесткость и одной недеформированной пружины жесткостью (рис.2,а).

б) Аналогично рассмотрим вторую схему.

Общая емкость системы конденсаторов (рис.1,б) равна

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения

Это соответствует параллельному соединению двух пружин(рис.2,б).

рис.2.

Задача2 На рис.3,а,б  изображены колебательные контуры. Придумайте механические аналоги им.

рис.3,а

О т в е т. Аналогичная механическая система соответствующая рис.3,а,б должна содержать два тела массами и , и пружину жесткостью k.

а) Общая индуктивность системы при последовательном соединении катушек равна

Используя аналогию механических и электрических величин найдем, что общая масса

А это соответствует рис.4,а

Рис. 4.а

б) Аналогично рассматриваем вторую схему.

Общая индуктивность параллельно соединенных катушек находится из соотношения

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая масса катушек равна

Это соответствует рис.4,б

Задача3. Придумайте механическую систему, которая была бы аналогична электрической цепи, состоящей из конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R (рис. 5). Первоначальный заряд конденсатора равен q_м. Ключ К замыкается в некоторый момент времени принимаемый за начальный.

Рис. 5.

О т в е т. Электрическую цепь, состоящую из емкости и сопротивления, можно представить как предельный случай электрического колебательного контура, в котором индуктивность настолько мала, что ею можно пренебречь.

Поэтому аналогичная механическая система будет представлять собой прикрепленное к пружине (жесткость К) тело с очень малой массой, но с значительным объемом, находящееся в поле действия силы вязкого трения с коэффициентом ß.

Задача4. Придумайте механическую динамическую аналогию электрической цепи, представленной на рис. 6. В начальный момент катушка индуктивностью L и резистор сопротивлением R отключены от источника постоянного тока с ЭДС .

Рис. 6.

О т в е т. Аналогичная механическая система состоит из тела, находящегося в поле тяжести Земли и расположенного внутри жидкости с коэффициентом вязкости Р. Если отпустить это тело, то оно падает в жидкости под действием силы тяжести F_T= mg.

Задача5. Рассчитайте максимальное значение силы тока в цепи, изображенной на рис.7. До замыкания ключа заряд на конденсаторе  равен q, второй конденсатор не заряжен. Воспользуйтесь электромеханической аналогией.

рис. 7.

 Решение.

Здесь происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую или в соответствии с аналогией энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки.

так как   и

тогда

.

Отсюда значение максимальной силы тока равно

Задача 6. Найти максимальную скорость груза на пружине в вязкой среде при действии на него переменной силы F=10 sin10 t(H) (рис. 8). Масса - груза 0,1 кг, жесткость пружины 2 Н/м, вязкость среды 1 Н. м/с.

Рис.8

Р е ш е н и е. В связи с тем что такой более сложный процесс, какой представлен в условии этой задачи, в школьном курсе физики не изучается, снова обратимся к аналогии. Аналогичная электрическая система выглядит как колебательный контур, содержащий внешний источник переменного тока (рис. 9).

Рис.9

Из закона Ома для переменного то­ка (обозначения традиционные) максимальная сила тока

Установим соответствия характеристик механической и электрической систем: f U: ß R:m L: K 1/C.

Учитывая аналогичность систем, полу­чаем:

=

При подстановке следующих данных:

F=10Н, =10с^-1, ß=1 Н•м/с, w=0,1кг, K=2 Н/м окончательно получаем v_m 1,28 м/с.

Задача 7. Источник с ЭДС  и нулевым внутренним сопротивлением соединен последовательно с катушкой индуктивности L и конденсатором С (рис. 10). В начальный момент времени конденсатор не заряжен. Найти зависимость от времени напряжения на конденсаторе после замыкания ключа.

рис.10.

Решение. Искать нужную зависимость, используя законы электромагнетизма, довольно сложно и не наглядно, поэтому целесообразно использовать механическую аналогию. На рис.11 приведена аналогичная механическая колебательная система. Аналогом источника с ЭДС может служить поле силы тяжести. При выдергивании подставки из-под прикрепленного к пружине груза начинаются его колебания. Он совершает гармоническое колебание около точки X_m, график которого дан на рис. 12. а. Уравнение координаты имеет вид:

x_m-x(t)=x_m cos w _o t,

или

x(t)=x_m (1 - cos w _o t).

Рис. 11

Рис. 12

 Аналогичное электрическое колебание (график дан на рис. 12, б) описывается следующими уравнениями:

q (t)=q_м (1 – cos w _o t);

q_м = С,             q (t)=C  (1 — cos w _o t),

U(t)= ,            U(f)= (1 — cos w _o t).

Здесь w _o = .

В заключение отметим, что рассмотренные нами аналогии широко используются в научных исследованиях. Интересно, что принцип работы аналого-вычислительной машины основан на «поразительной анало­гичности» механического и электрического процессов.

Познавательные статьи:



Как правильно слушать собеседника

Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе

Принятие христианства на Руси и его значение

Средства массовой информации США