Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

poz053

.pdf
Скачиваний:
101
Добавлен:
21.02.2016
Размер:
1.05 Mб
Скачать

30

Примеры решения задач

Пример 1. Высота Солнца такова, что его лучи составляют с горизонтом угол 40°. Сделайте чертеж и покажите на нем, как нужно расположить зеркало

MN, чтобы зайчик попал на дно колодца.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Покажем на рисунке ход луча, падающего на

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

плоскость

зеркала и

попадающего

в колодец.

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

При этом угол падения луча на зеркало α дол-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жен равняться углу, под которым луч отражает-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ся от зеркала, т.е. углу β. Пунктиром показан

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перпендикуляр к плоскости зеркала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. В солнечный день высота тени от отвесно поставленной мет-

ровой линейки составляет 0,4 м, а от березы – 10 м. Какова высота березы?

 

 

 

Дано:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H1 = 1 м

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1 = 0,4 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2 = 10 м

 

 

 

 

 

 

 

Н 2

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н2 = ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L 2

 

 

Н 1

 

 

L 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2

 

L2

,

Из

 

подобия

треугольников

АВС

и АВС

имеем, что

=

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

откуда H

2

= H

1

L2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Произведем расчеты: H2 =

10 м

= 25м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,4 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: Н2 = 25 м.

Пример 3. Камень, лежащий на дне озера на глубине 6м, находится в точке С. В каком примерно направлении видит данный камень наблюдатель, стоящий на берегу, если его глаз находится в точке А? Какова кажущаяся высота подъема камня, если показатель преломления воздуха равен n1 = 1, показатель преломления воды равен n2 = 1,33, угол падения луча составляет с вертикалью 60°?

Дано: n1 = 1

n2 = 1,33

ВС = 6 м

α = 60°

H = ?

 

 

31

Решение:

 

 

Покажем ход луча, идущего

 

А

от камня и попадающего в

 

В

α

глаз человека. При этом учтем,

О

что при переходе луча из воз-

С

 

 

β

духа в воду угол падения луча

Н

 

α больше угла преломления β.

С

 

Продолжив луч ОА до пересечения с вертикалью СВ, найдем кажущееся положение камня С.

Искомая высота может быть определена как разность ВС и ВС, т.е. Н = = СС= ВС – ВС. Воспользуемся тем, что данные отрезки являются катетами в треугольниках ОВС и ОВСи запишем тангенс углов α и β:

tg б = BBOC, tg в = BOBC .

Найдем отношение тангенсов, т.е. tgtg бв = BBCC= BCBCH и выразим иско-

мую величину:

H = BC (1tgtg вб) .

Воспользуемся законом преломления и определим tg β = sin β / cos β. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отно-

шению показателей преломления сред:

sin α

=

n2

, где n1, n2 – показатели пре-

sin β

 

 

 

 

 

 

 

n1

ломления воздуха и воды соответственно. Следовательно:

sinβ =

n1 sin α

=

1

3 2

= 0,65.

 

n2

 

 

1,33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos β = 1 sin2 β =

1 0,652 = 0,5775 = 0,76 ,

 

 

tg β =

0,65

= 0,855.

 

 

 

 

 

0,76

 

 

 

 

 

 

H = 6 м(1

0,855

) = 6 м(1

0,48) = 6 м 0,52 = 3,12 м.

 

1,732

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: H = 3,12 м.

32

Пример 4. Изображение предмета высотой 60 см, помещенного на расстоянии 50 см от линзы, получилось на расстоянии 15 см от нее. Определите фо-

кусное расстояние линзы и размер изображения.

 

 

Дано:

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

h = 60см

 

 

 

 

 

 

 

d = 50 см

 

 

 

 

 

 

 

f = 15 см

h

 

d

f

 

2 F

 

 

 

 

 

F = ?

 

 

 

 

 

 

2 F

F

F

 

H

 

 

 

H = ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполним рисунок, показав предполагаемый ход луча в собирающей линзе. Для определения фокусного расстояния воспользуемся формулой тонкой линзы:

F1 = d1 + 1f .

Проведем преобразования и выразим фокусное расстояние: F = fd+fd .

Чтобы ответить на второй вопрос, используем подобие треугольников. Из рисунка следует, что Hh = df , тогда высоту изображения определим по формуле:

H = df h .

Произведем вычисления:

F = 50 см 15см =11,5см, 15см+ 50 см

H = 1550смсм 60 см =18см.

Ответ: F = 11,5 см; Н = 18 см.

Пример 5. Перед рассеивающей линзой с оптической силой –5 дптр на расстоянии 10 см от нее поставлен предмет высотой 4 см. На каком расстоянии от линзы получается изображение предмета и какова его высота?

 

 

 

 

 

 

33

Дано:

 

СИ

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

D = –5 дптр

 

 

Выполним построение изображения предмета (стрел-

h = 4 cм

 

0,04 м

ки) высотой h. Для этого воспользуемся лучом, прохо-

d = 10 см

 

0,10 м

дящим через оптический центр без преломления (1) и

 

 

 

лучом (2), падающим параллельно оптической оси и

f = ?

 

 

Н = ?

 

 

проходящим своим продолжением через мнимый фокус

 

 

 

линзы F.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

H

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Оптическая сила линзы связана с фокусным расстоянием формулой: D = F1 . Тогда формула тонкой рассеивающей линзы с учетом мнимого изобра-

жения примет вид: D = d1 1f . Выразим из этого равенства расстояние f от линзы до изображения: f = 1 dd D .

Определим его величину: f =

 

 

0,1м

=

0,1м

= 0,067 м = 6,7 см.

1

0,1м (5 дптр)

1,5

 

 

 

Величина изображения составляет Н и может быть определена из подобия прямоугольных треугольников с вершиной в оптическом центре О: Hh = df .

Выразим и определим искомую величину:

Н = h df , или Н = 0,04 м 00,,067001мм = 2,68см.

Ответ: f = 6,7см; Н = 2,68см.

Пример 6. Найдите увеличение микроскопа, имеющего объектив с фокусным расстоянием 5 мм, окуляр с фокусным расстоянием 20 мм и длину тубуса

240 мм.

34

Дано:

Fоб = 5 мм Fок = 20 мм l = 240 мм

Кмикр = ?

Решение:

Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива Коб и окуляра Кок. Увеличение объектива приближенно равно отношению длины тубуса (трубки) и фокусного расстоя-

ния объектива: Коб =

f1

 

l

.

 

 

 

d1

Fоб

Увеличение окуляра Кок =

f2

 

L

, где L – расстояние наилучшего зре-

d2

 

 

 

 

 

Fок

 

 

ния (для нормального глаза L= 25 см). Тогда Кмикр = Коб Кок

l L

.

 

 

 

 

 

 

 

Fок Fоб

Произведем расчеты: Kмикр =

240 мм 250 мм = 600.

 

 

 

 

 

20 мм 5мм

 

 

Ответ: Кмикр = 600.

Пример 7. Телеобъектив состоит из собирающей (F1 = 30 см) и рассеивающей (F2 = –10 см) линз. Расстояние между ними 27,5 см. На каком расстоянии должна быть расположена фотопленка, если от объекта до собирающей

линзы 10 м?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1 = 30 см

Запишем формулу тонкой линзы для собирающей и для рас-

F2 = –10 см

сеивающей линз:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l = 27,5 см

 

 

 

 

 

 

 

1

=

1

+

1

 

и

1

=

1

1

.

 

 

 

 

 

 

d1

f1

 

 

 

d1 = 10 м

 

 

 

 

 

 

 

F1

 

 

 

 

 

 

F2

d2

f2

f 2 = ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1 d1

, f

 

=

F2 d2

.

 

 

 

 

Выразим f1

и f2: f

=

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

d1 F1

 

 

d2 + F2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

f1 =

 

F1 d1

=

 

0,3м 10 м

=

 

 

= 0,31м, т.е. данное расстояние

 

d1 F1

10 м0,3м

 

9,7 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

больше расстояния между линзами, и тогда расстояние от изображения, создаваемого собирающей линзой до линзы рассеивающей d2, равно:

d2 = f1 l = 0,31 м – 0,275 м = 0,035 м.

Следовательно, имеем для f2: f2 = 0,035м 0,1м = 0,026 м = 2,6 см. 0,035м+ 0,1м

(Постройте самостоятельно изображение объекта в данной системе линз). Ответ: f2 = 2,6 см.

35

Задачи для самостоятельного решения

1.Два плоских зеркала поставили одно к другому под углом 60°. Найти построением количество получаемых изображений светящейся точки, расположенной на биссектрисе данного угла.

2.Круглый бассейн радиусом 5 м залит до краев водой. Над центром бассейна на высоте 3 м от поверхности воды висит лампа. На какое расстояние от края бассейна может отойти человек, рост которого 1,8 м, чтобы все еще видеть отражение лампы в воде?

3.На горизонтальном дне водоема глубиной 15 м находится водолаз, рост которого 1,7 м. На каком расстоянии от водолаза находятся те части дна, которые он может увидеть отраженными от поверхности воды? Показатель преломления воды 1,33.

4.Какова толщина стеклянной плоскопараллельной пластинки, если точку на задней поверхности наблюдатель видит на расстоянии 5 см от передней поверхности? Показатель преломления стекла 1,6. Луч зрения перпендикулярен к поверхности пластинки. Для малых углов tg α ≈sin α.

5.Девочка приближается к плоскому зеркалу со скоростью 0,25 м/с. С какой скоростью она движется к своему изображению?

6.Луч света падает под углом 58° на поверхность воды, налитой слоем толщины 1 см на плоскопараллельную пластину из стекла. Показатель преломления воды 1,33. Определите показатель преломления данного сорта стекла, если прошедший сквозь воду и стекло луч света сместился по горизонтали на 6,2 мм относительно падающего луча, а в стекле луч проходит путь 5 мм.

7.Из прозрачного вещества изготовлен конус с углом при вершине 2α . На основание конуса падает пучок света (параллельный). Опишите поведение светового пучка в конусе. Показатель преломления вещества составляет 1,5.

8.В цистерне с сероуглеродом на глубине 26 см под поверхностью расположен точечный источник света. Найти площадь круга на поверхности жидкости, в пределах которого возможен выход лучей в воздух. Показатель преломления сероуглерода 1,64.

9.На горизонтальном дне водоема глубиной 1,2 м лежит плоское зеркало. Луч света падает на поверхность воды под углом 30°. На каком расстоянии от места падения этот луч снова выйдет на поверхность воды после отражения от зеркала? Показатель преломления воды составляет 1,33.

36

10.В жидкости с показателем преломления 1,8 помещен точечный источник света. На каком максимальном расстоянии над источником надо поместить диск диаметром 2 см, чтобы свет не вышел из жидкости в воздух?

11.Луч света входит в стеклянную призму под углом 60° и выходит из призмы в воздух под углом 30°, причем, пройдя призму, отклоняется от первоначального направления на угол 45°. Найдите преломляющий угол призмы.

12.Изображение миллиметрового деления шкалы, расположенной перед линзой на расстоянии 12,5 см, имеет на экране длину 8 см. На каком расстоянии от линзы находится экран?

13.Предмет находится на расстоянии 10 см от переднего фокуса собирающей линзы, а экран, на котором получается четкое изображение предмета, расположен на расстоянии 40 см от заднего фокуса линзы. Чему равно фокусное расстояние данной линзы?

14.Какое увеличение может дать лупа с оптической силой 8 дптр? Расстояние наилучшего зрения составляет 25 см.

15.Определить оптическую силу объектива проекционного фонаря, если диапозитив высотой 5 см получается на экране высотой 2 м, когда экран удален от объектива на 6 м.

16.Фокусное расстояние рассеивающей линзы равно 6 см. На каком расстоянии от линзы находится предмет, если между изображением и линзой 2 см?

17.Пучок сходящихся лучей падает на линзу с оптической силой –2 дптр. После линзы эти лучи идут расходящимся пучком так, что их продолжения сходятся на расстоянии 150 см от линзы, на ее главной оптической оси по другую сторону линзы. Определите, где соберутся эти лучи, если линзу убрать?

18.Пациент при проверке зрения в кабинете врача-окулиста хорошо различает буквы на расстоянии 32 см от глаза. Определите недостаток зрения. Какой оптической силы очки ему надо выписать?

37

Раздел 4. Механические колебания и волны

Колебания – движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени.

Механические колебания – колебания механических величин (смещения, скорости, ускорения, давления и т.п.).

Модуль максимального отклонения физической величины от ее среднего значения называется амплитудой колебаний А.

Частота колебаний ν число полных колебаний в единицу времени. Период колебаний Т равен времени одного полного колебания, т.е. это

промежуток времени, через который процесс полностью повторяется. Период и частота связаны друг с другом соотношением ν =1/ T .

Единица измерения частоты – Герц (Гц). Частота равна одному Гц, если за одну секунду совершается одно колебание.

Гармоническим колебанием называется периодическое изменение величины, которое выражается синусоидальным (или косинусоидальным) законом:

x = A sin(ω t + ϕ0 ) ,

где А – амплитуда колебаний; (ω t + ϕ0) – фаза гармонического колебания; ϕ0 – начальная фаза; ω – угловая (циклическая) частота, которая может быть вы-

ражена через период ω = 2πT или частоту ω = 2π ν.

Фаза колебания вместе с амплитудой определяет значение изменяющейся величины в данный момент времени.

Пример гармонического колебания – изменение проекции радиуса-вектора точки М, которая движется по окружности радиуса R = А с постоянной угловой скоростью ω. В момент времени

t = 0 величина проекции будет равна x0 = A sin(ϕ0 ) , в дальнейшем –

x = A sin(ω t + ϕ0 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость точки Ммаксимальна

 

М

 

 

при прохождении положения равновесия

 

 

 

 

М

(x = 0) и равна нулю при x = A и x = –A.

 

О

 

ϕo

 

 

 

 

 

 

 

 

Полная механическая

энергия W

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

колеблющегося тела

пропорциональна

 

 

 

 

М

квадрату амплитуды

его

колебаний:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W =

k

A2

, где k – жесткость системы,

О

МА х

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равная k = m ω2.

38

Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на нерастяжимой, невесомой нити, способная совершать колебания относительно точки подвеса (модель математического маятника – тело, подвешенное на длинной нити).

Период колебаний математического маятника:

T = 2π

l ,

 

 

 

 

 

 

l

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где l – длина нити маятника, g – ускорение свободного па-

 

 

 

 

дения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пружинным маятником называ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется тело, закрепленное на пружине и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

способное совершать колебания отно-

 

 

 

 

 

k

 

 

m

сительно вертикальной или

горизон-

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тальной оси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Период колебаний

пружинного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

маятника: T = 2π m , где

m

масса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

маятника, k жесткость пружины, скалярная величина, равная модулю силы, необходимой для растяжения пружины на 1 метр.

Механические колебания, которые происходят под действием сил, возникающих в самой системе, называются свободными (собственными) колебаниями.

Сила трения, которую нужно считать внешней силой, вызывает постепенное уменьшение амплитуды колебаний. Такие колебания называются затухающими колебаниями.

Графики гармонических колебаний:

х

 

х

А

 

 

О

t

О

t

Т

 

 

 

свободные колебания затухающие колебания Волной называется процесс распространения колебаний в пространстве. Расстояние, на которое распространяется колебание в пространстве за

время, равное периоду Т, называется длиной волны λ. Длина волны определяется соотношением:

λ = υ T ,

где υ– скорость распространения колебаний, Т – период колебаний.

39

Или λ = υν, где ν – частота колебаний.

Волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебаний частиц в волне, называются поперечными.

Волны, в которых колебания происходят вдоль той же прямой, что и их распространение, называются продольными.

График волны показывает, как зависит координата колеблющихся точек от их места в волне, т.е. от расстояния до источника волны.

Звуковые волны происходят с частотами от 20 до 20000 Гц и представляют собой продольные волны. Тон звука определяется его частотой: низкому тону соответствует малая частота колебаний, высокому тону – большая частота. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, т.к. связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Единица измерения громкости – децибел (дб). Скорость звука в воздухе составляет 343,1 м/с, в воде – 1483 м/с (при 20°С), в железе – 5850 м/с.

Примеры решения задач

Пример 1. Определить период колебаний материальной точки, совер-

шившей 50 полных колебаний за 20 с.

 

 

Дано:

 

Решение:

 

 

 

 

 

N = 50

 

Период колебаний равен времени, за которое совершается одно

T = 20 с

 

полное колебание, следовательно: T = t

N

.

Т = ?

 

 

20 c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Произведем вычисления: T =

= 0,4 c .

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: Т = 0,4 с.

Пример 2. Амплитуда гармонических колебаний составляет 25 см, период колебаний равен 4 с. Составьте уравнение колебательного движения, если начальная фаза колебаний равна π/2. Начертите график колебаний.

Дано:

Решение:

А = 25 см

Составим уравнение колебательного движения данной точки,

Т = 4 с

опираясь на закон изменения координаты гармонических колеба-

ϕо = π/2

ний: x = A sin(ω t + ϕ0 ) .

 

 

 

 

х = ?

У нас А = 25 см, ω = 2π/Τ = π/2, тогда имеем:

 

x = 25 sin(π

2

t + π/ 2) см.

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]