Содержание
- 2. 200 ВОПРОСЫ 11. Принцип относительности в механике. Инерциальные системы отсчёта. Преобразования Галилея. 12. Неинерциальные системы отсчёта.
- 3. 200 Вопрос № 11. Принцип относительности в механике. Преобразования Галилея. Инерциальные системы отсчёта.
- 4. 200 Инерциальные системы Рассмотрим две системы отсчёта, одна покоится (K), другая (K/) движется относительно другой со
- 5. 200
- 6. 200 Запишем связь между координатами (x, y, z) и (x/, y/, z/) точки «P» в системах
- 7. 200 Получаем четыре уравнения это преобразование Галилея, используем его если V0
- 8. 200 Дифференцируем по времени:
- 9. 200 Или в следующем виде (напоминаем, что только для выбранной схемы, рисунка)
- 10. 200 Перейдём к векторам Дифференцируем или для уравнения движения
- 11. 200 Уравнения динамики не изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, то есть
- 12. 200 Итак, все инерциальные системы отсчёта инвариантны: Уравнения движения выглядят одинаково (дифференциальные уравнения), но движения разные,
- 13. 200
- 14. 200 12. Неинерциальные системы отсчёта. Сила инерции.
- 15. 200 Неинерциальные системы Рассмотрим две системы отсчёта, одна инерциальная, вторая – неинерциальная, Имеется некоторое тело, которое
- 16. 200 Разность ускорений тела в инерциальной и неинерциальной системах отсчёта (для поступательного движения) a – одинаково
- 17. 200 Через 2-й закон Ньютона представим ускорения. Инерциальная система: Неинерциальная система: m – масса тела.
- 18. 200 Отсюда, при F = 0 тело будет двигаться, в неинерциальной системе отсчёта с ускорением –a,
- 19. 200 Пример: платформа с грузом (a = 0) T mg
- 20. 200 Платформа с грузом, наблюдатель стоит рядом, T . mg . a
- 21. 200 Платформа с грузом, наблюдатель на платформе, T mg a
- 22. 200 Все силы в физике обусловлены взаимодействием тел, то есть одно тело действует на другое, и
- 23. 200
- 24. 200 13. Силы инерции во вращающихся неинерциальных системах и системах. Принцип эквивалентности масс.
- 25. 200 Рассмотрим движение тела по окружности. В инерциальной системе тело удерживается на окружности центростремительной силой. В
- 26. 143
- 27. 200 Если наблюдать из инерционной системы отсчёта (наблюдатель находится рядом, не двигается), то необходимо использовать силу
- 28. 200 Если наблюдать из неинерционной системы отсчёта (наблюдатель двигается по окружности радиусом R с угловой скоростью
- 29. 200 Влияние центробежной силы на силу тяжести. Сила гравитационного взаимодействия притягивает тела на поверхности Земли к
- 30. 143
- 31. 200 Центробежная сила на экваторе за счёт вращения Земли вокруг своей оси: aцб = 3,4 см/с2.
- 32. 200 При движении тела относительно вращающейся системы отсчёта, кроме центробежной силы инерции, появляется ещё одна сила,
- 33. 200
- 34. 200
- 35. 200 Если ʋотн II ω и ʋотн ן R: Fк = 0. При движении параллельно оси
- 36. 200 Принцип эквивалентности масс. Все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и
- 37. 200 (Или) масса гравитационная равняется массе инерционной
- 38. 200 Пустили фотон с некоторой частотой ν сверху вниз. Энергия и масса фотона: Eф = mc2,
- 39. 200 Изменение частоты: что и было зафиксировано. Точность измерений была:
- 40. 200
- 41. 200 ЛЕКЦИЯ № 5 Элементы релятивистской механики
- 42. 200 ВОПРОСЫ 14. Предпосылки появления специальной теории относительности (СТО). 15. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца.
- 43. 200 14. Предпосылки появления специальной теории относительности (СТО).
- 44. 200 Классическая физика рассматривает движение макротел с медленными скоростями. Описание взаимодействия тел с помощью потенциальной энергии
- 45. 200 Однако это противоречит экспериментальным данным, которые появились к концу XIX века. По Эйнштейну существует максимальная
- 46. 200 В связи с механическим принципом относительности Галилея возникает вопрос: равноправны ли все инерциальные системы отсчета
- 47. 200 Как показал, Эйнштейн принцип относительности распространяется на любые физические явления, а не только механические.
- 48. 200 Позднее им была создана специальная теория относительности (СТО) для движения тел и частиц со скоростями
- 49. 200 Позднее Эйнштейн создал общую теорию относительности (1916г.), которая учитывает большие гравитационные поля. Но рассмотрим только
- 50. 200 1-й постулат (релятивистский принцип относительности): в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних
- 51. 200 Следовательно, все физические законы инвариантны (независимы) по отношению к выбору инерциальной системы отсчета.
- 52. 200 2-й постулат (принцип инвариантности скорости света в вакууме): Скорость света в вакууме не зависит от
- 53. 200 Эти принципы приводят к тому, что события одновременные в классической механике в релятивистской становятся относительными.
- 54. 200
- 55. 200 Для вагона точки обозначим через А*, С* и В*, причем А*В*= В*С*. В тот момент,
- 56. 200 Наблюдатель же в точке В*, движущийся в направлении точки С*, заметит вначале вспышку, произведенную в
- 57. 200 Наблюдатель на Земле, находясь в точке В увидит два пространственно разделенных события, произошедшие одновременно, тогда
- 58. 200 Следовательно, понятие одновременности относительно, т. е. два пространственно разделенных события, одновременные в одной ИСО не
- 59. 200 Это относится лишь к событиям, между которыми отсутствуют причинно-следственная связь. Причинно связанные события ни в
- 60. 200
- 61. 200 15. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца: сокращение длины движущихся тел и замедление темпа хода
- 62. 200 Для описания движения в СТО используют преобразования Лоренца, позволяющие переходить от координат одной инерциальной системы
- 63. 200 Преобразования Лоренца имеют наиболее простой вид в случае, когда сходственные оси декартовых координат неподвижной К
- 64. 200
- 65. 200 Начало отсчета времени выбирается в тот момент, когда координаты начала 0 и 0' обеих инерциальных
- 66. 200 y = y′; y′ = y; z = z′; z′ = z;
- 67. 200 Следствия преобразований Лоренца. Одновременность событий в разных системах отсчёта. В системе К в точках x1
- 68. 200 Но в системе К′ эти события произойдут моменты времени: Но если события причинно связанные, ни
- 69. 200 Промежуток времени между событиями. Существуют события, вызванные причинно-следственной связью. Например, чтобы камень упал в воду,
- 70. 200 Бросок является причиной, а падение камня в воду – следствием. 1) сначала происходит событие, являющееся
- 71. 200 В связи с этим в СТО, хотя время и преобразуется, но последовательность во времени между
- 72. 200 Тогда скорость пули Используя преобразования Лоренца найдем промежуток времени между этими же событиями в ИСО
- 73. 200 где скорости u и ʋ t1, то и t′2 > t′1.
- 74. 200 Поэтому если событие происходит в одной и той же точке, т. е. х1 = х2.
- 75. 200 т. е. промежуток времени между двумя событиями имеет меньшее значение в ИСО, связанной с точкой,
- 76. 200 Промежуток времени Δt – собственное время тела, в системе, где тело покоится. Собственное время всегда
- 77. 200 Эксперименты подтвердили полученный результат. Например, время жизни покоящихся мюонов τ ≈ 2 мкс. Мюоны же
- 78. 200 Длина тел в разных системах. Длина стержня в ИСО равна разности координат его концов. Например,
- 79. 200 Однако результат изменяется, когда наблюдатель и стержень движутся относительно друг друга. Понятие одновременности относительно и
- 80. 200 Для вычисления длины стержня используют преобразования Лоренца. Например, пусть некоторый стержень расположен параллельно оси Х
- 81. 200 В ИСО К′, движущейся относительно ИСО К равномерно и прямолинейно со скоростью ʋ = const
- 82. 200 Используя преобразования Лоренца, имеем то есть
- 83. 200 Если координаты концов отрезка в ИСО К′ измерены одновременно (так как t′2 = t′1.), то
- 84. 200 Следовательно, длина отрезка в любой ИСО, относительно которой он движется, меньше длины отрезка в неподвижной
- 85. 200
- 86. 200 16. Закон сложения скоростей в СТО. Релятивистский импульс. Энергия релятивистской частицы. Инварианты преобразования Лоренца. Интервал.
- 87. 200 Интервал Любые события характеризуются точкой, где оно произошло, имеющей координаты х, у, z и временем
- 88. 200 В обычной механике рассматривают пространственные координаты отдельно от времени и расстояние между двумя точками является
- 89. 200 В релятивистской механике эта величина не является инвариантной. Приходится учитывать четвёртую величину – время. В
- 90. 200 Релятивистский закон сложения скоростей: где ux – скорость м. т. (тела) в ИСО К; u′x′
- 91. 200 Для скоростей параллельных осям Y и Z:
- 92. 200 Релятивистский импульс в виде обеспечивает инвариантность закона сохранения импульса по отношению к преобразованиям Лоренца,
- 93. 200 здесь dr – перемещение частицы (материальной точки) в той ИСО, в которой определяется её импульс;
- 94. 200 Так как, то где
- 95. 200 Следовательно, релятивистский импульс частицы
- 96. 200 Уравнение динамики
- 97. 200 Энергия Энергия покоя E0 = m0c2, Энергия релятивистской частицы m0 – масса покоя.
- 98. 200 Кинетическая энергия релятивистской частицы
- 99. 200 Полная энергия
- 100. 200 Инварианта энергии и импульса Величина E/c, px, py, pz образует четырёхвектор (вектор энергии-импульса).
- 101. 200 Рассмотрим неупругое соударение двух тел массой m каждое. Относительно системы К′ тела движутся навстречу друг
- 102. 200 Система К′ движется относительно системы К со скоростью ʋ0. В системе К′ В системе К
- 103. 200 Согласно переходу импульс до удара будет
- 104. 200 Или заменяя скорость ʋ1 на ʋ0:
- 105. 200 Но должно быть
- 106. 200 Такой результат получили, так как не учли массу системы
- 107. 200 Это обусловлено тем, что кинетическая энергия частиц превратилась в эквивалентное количество энергии покоя, а это
- 108. 200
- 109. 200 ЛЕКЦИЯ № 6 Элементы механики твёрдого тела.
- 110. 200 ВОПРОСЫ 17. Условия равновесия твёрдого тела. Мгновенная ось вращения. 18. Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела.
- 111. 200 19. Основной закон динамики вращательного движения твёрдого тела. Момент инерции, его свойства. Теорема Штейнера (теорема
- 112. 200 17. Условия равновесия твёрдого тела. Мгновенная ось вращения.
- 113. 200 В случае описания положения и/или движения материальной точки достаточно 3-х степеней свободы. Степень свободы –
- 114. 200 Для абсолютно твёрдого тела (тело, деформациями которого можно пренебречь) необходимо 6 степеней свободы: 3 –
- 115. 200 Уравнение динамики движения центра масс Уравнение динамики вращательного движения
- 116. 200 Если Fвнеш и Mвнеш равны нулю, то тело будет находиться в равновесии. Условия равновесия твёрдого
- 117. 200 Не всегда можно пользоваться моделью абсолютно твёрдого тела. Пример: рассмотрим балку на 3-х опорах. Для
- 118. 200 F1 F3 F2 P x ℓ Здесь два уравнения и три неизвестных: F1, F2, F3
- 119. 200 Данная задача оказалась неопределённой, решить её можно, если придать одной из сил произвольное значение. Механические
- 120. 200 Физики про себя шутят: если им дать задачу о равновесии стола на 4 ножках, то
- 121. 200 Любое движение твёрдого тела может быть представлено как наложение двух типов движения: поступательного и вращательного;
- 122. 200 Элементарное перемещение твёрдого тела при плоском движении всегда можно представить как поворот вокруг некоторой оси,
- 123. 200 Пример: катящийся цилиндр. Плоское движение твёрдого тела можно рассматривать как ряд последовательных элементарных вращений вокруг
- 124. 200 ω dφ ʋ ʋ O O/
- 125. 200
- 126. 200 18. Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела. Работа момента силы.
- 127. 200 Получим выражение для кинетической энергии вращающегося тела. Рассмотрим вращение тела вокруг неподвижной оси Z. Линейная
- 128. 200 Z ω fi Fi Ri mi ri O
- 129. 200 Кинетическая энергия элементарной массы mi: Кинетическая энергия всего тела:
- 130. 200 Рассмотрим силы, действующие на элементарную массу mi: внешние Fi, внутренние fi (эти силы перпендикулярны оси
- 131. 200 С другой стороны, работа внешних сил идёт на приращение кинетической энергии вращения:
- 132. 200 Так, мяч или обруч, брошенный горизонтально без вращения, раскрутится. Кинетическая энергия вращения получится за счёт
- 133. 200 И наоборот, раскрученный обруч, опущенный на горизонтальную опору, приобретёт горизонтальную скорость за счёт работы силы
- 134. 200 Теперь вычислим кинетическую энергию, поступательную и вращательную при плоском движении. Скорость i-й элементарной массы ʋ0
- 135. 200 Получим выражение для кинетической энергии твёрдого тела:
- 136. 200 Отметим следующее: Ri – расстояние от точки с массой mi до оси вращения. Запишем кинетическую
- 137. 200 здесь Σmi = m – масса всего тела, если в качестве точки О взять центр
- 138. 200 В итоге получили выражение кинетической энергии поступательного и вращательного движения (ось вращения проходит через центр
- 139. 200
- 140. 200 19. Основной закон динамики вращательного движения твёрдого тела. Момент инерции, его свойства. Теорема Штейнера (теорема
- 141. 200 Рассмотрим вращение тела вокруг неподвижной оси В общем случае вектор L не совпадает по направлению
- 142. 200 Z L ω O
- 143. 200 В случае однородного тела, симметричного относительного оси вращения, момент импульса относительно точки O, лежащей на
- 144. 200 Момент инерции зависит от выбора оси. Свободная ось – ось, положение которой в пространстве остаётся
- 145. 200
- 146. 200 Вычислим момент инерции однородного шара. Разобьём его на бесконечно тонкие сферические слои толщиной dr. Масса
- 147. 200
- 148. 200 Момент инерции шара складывается из моментов инерции сферических слоёв:
- 149. 200 Если происходит параллельный перенос оси вращения, то момент инерции увеличивается, согласно теореме Штейнера: IC –
- 150. 200 Моменты инерции: момент инерции кольца (обруча)
- 151. 200 Момент инерции диска
- 152. 200 Момент инерции шара и сферы
- 153. 200 Момент инерции стержня
- 154. 200
- 155. 200 20. Закон сохранения момента импульса изолированной системы. Изотропность пространства и закон сохранения момента импульса. Гироскоп.
- 156. 143 Из основного уравнения динамики вращательного движения Можно получить закон сохранения момента импульса (аналогично закону сохранения
- 157. 143 Пространство однородно, следовательно, параллельный перенос системы из одного места в другое не изменяет свойств системы
- 158. 143 Пространство изотропно, следовательно, поворот замкнутой системы как целого не отражается на её механических свойствах –
- 159. 200 Как правило, момент инерции не изменяется (I = const), следовательно, в силу закона сохранения импульса
- 160. 200 Если же момент инерции можно изменять, то угловая скорость тоже изменяется. Например, можно увеличить скорость
- 161. 200 Гироскоп (волчок) – массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (ось гироскопа).
- 162. 200 dL F1 L/ L dφ M F2 Z Y X
- 163. 200 Пара сил F1 и F2 (F1 = F2) перпендикулярны плоскости рисунка (ось X), пытаются повернуть
- 164. 200 Поскольку момент импульса L был направлен вертикально вверх (ось Z), а его приращение направлено влево,
- 165. 200 В самом деле
- 166. 200 Угол поворота и угловая скорость поворота оси вращения:
- 167. 200 Момент силы, вызывающий поворот оси гироскопа, угловая скорость поворота и момент инерции связаны следующим выражением
- 168. 200 Например, волчок, раскрученный в поле тяжести Земли будет испытывать поворот оси вращения. В поле сил
- 169. 200
- 170. 200 ЛЕКЦИЯ № 7 Элементы динамики сплошных сред.
- 171. 200 ВОПРОСЫ 21. Элементы гидродинамики. Идеальная несжимаемая жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Основное уравнение гидростатики.
- 172. 200
- 173. 200 Основные определения С точки зрения механики жидкости и газы могут быть определены как такие среды,
- 174. 200 Газы занимают весь предоставленный объём. Жидкость обладает собственным объёмом, который изменяется лишь незначительно с изменением
- 175. 200 Для описания движения жидкости указывают для каждой точки пространства вектор скорости как функцию времени.
- 176. 200 Совокупность векторов ʋ, заданны для всех точек пространства, образует поле вектора скорости. Линии тока –
- 177. 200
- 178. 200 Векторные поля Градиент – вектор, направленный в сторону наибольшего изменения поля. Если каждой точке P
- 179. 200 Поток вектора
- 180. 200 Можно сравнить с потоком жидкости: Поток вектора «a» через поверхность S Если вектор входит в
- 181. 200 Дивергенция (divergentia (лат) - расхождение) – величина, численно равная плотности точек, в которых начинаются (+)
- 182. 200 Рассмотрим дивергенцию некоторой точки с точки зрения трёхмерного пространства. Выделим некоторую точку, объём которой равен
- 183. 200 Z Y X Δ Z ΔY Δ X
- 184. 200
- 185. 200 Теорема Остроградского-Гаусса (Теорема Гаусса): Поток вектора a сквозь замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме источников
- 186. 200 Циркуляция Рассмотрим какой-нибудь канал в потоке. Если весь поток заморозить, оставить только этот канал, то
- 187. 200
- 188. 200 Примеры: поворот стрелы вокруг своей оси при полёте, вертушка в ручье.
- 189. 200 Ротор – плотность порождения циркуляции.
- 190. 200
- 191. 200
- 192. 200 Теорема Стокса: Циркуляция вектора a по произвольному контуру L равна потоку вектора rota через произвольную
- 193. 200
- 194. 200 21. Элементы гидродинамики. Идеальная несжимаемая жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Основное уравнение гидростатики. Уравнение
- 195. 200 Рассмотрим идеальную жидкость (жидкость, в которой внутреннее трение (вязкость) полностью отсутствует). Также, будем считать, что
- 196. 200 Рассмотрим бесконечно малый объём жидкости в виде цилиндра, ось цилиндра II оси X. P(x+dx) dx
- 197. 200 Силы давления на боковую поверхность не учитываем, так как их проекция на ось X равна
- 198. 200 Разность в скобках можно заменить дифференциалом: – частная производная (y, z, t = const).
- 199. 200 Таким образом, на единицу объёма будут действовать сила F:
- 200. 200 В состоянии равновесия сила F (сила давления) должна уравновешиваться силой f (сила f – объёмная
- 201. 200 Основное уравнение гидростатики: Уравнение Эйлера:
- 202. 200 Основное уравнение гидростатики gradp = f, здесь p – давление жидкости, f – объёмная плотность
- 203. 200 Уравнение Эйлера здесь dV – дифференциал скорости потока жидкости, dV/dt – ускорение жидкости в данной
- 204. 200 Условие неразрывности жидкости Рассмотрим стационарный поток идеальной несжимаемой жидкости, рассмотрим некоторую трубку тока, ограниченную линиями
- 205. 200 Поскольку жидкость несжимаема, объём входящий равен объёму выходящему, но поперечное сечение изменяется, это приводит к
- 206. 200 линии тока трубка тока S1 S2
- 207. 200 Уравнение Бернулли Ещё раз рассмотрим некоторую трубку тока. В силу неразрывности ΔV1 = ΔV2 =
- 208. 200
- 209. 200 Так как нет сил трения, то приращение энергии выделенного объёма равно: и работа сил давления
- 210. 200 Приравниваем ΔE и A, делим на ΔV, получаем уравнение Бернулли:
- 211. 200 Уравнение Бернулли объясняет разность давления в трубке тока с переменным сечением.
- 212. 200
- 213. 200
- 214. 200 22. Течение вязкой несжимаемой жидкости в трубе. Формула Пуазейля. Ламинарное и турбулентное течение.
- 215. 200 Рассмотрим две плоские пластины, S – площадь пластинок, ℓ – длина пластинок, d – расстояние
- 216. 108 Z S ʋ F F
- 217. 108 Сила передаётся за счёт трения между слоями жидкости (вязкое трение) η – коэффициент вязкости или
- 218. 200 Стационарное течение вязкой жидкости Ламинарное течение – течение жидкости как бы отдельными слоями, которые не
- 219. 200 При течении в трубе (радиус трубы R) в центре трубы (r = 0) скорость максимальна
- 220. 200 здесь p1 и p2 – давление на входе и выходе трубы, η – коэффициент вязкости,
- 221. 200 Поток жидкости через трубу за одну секунду (формула Пуазейля)
- 222. 200 Формула Пуазейля справедлива для ламинарного течения. Если число Рейнольдса меньше определённого значения, то течение жидкости
- 224. Скачать презентацию