32. Получите уравнение стоячей волны. Пучности и узлы, условия их расположения.

Для вывода уравнения стоячей волны предположим, что две плоские волны рас­пространяются навстречу друг другу вдоль оси х в среде без затухания, причем обе волны характеризуются одинаковыми амплитудами и частотами. Кроме того, начало координат выберем в точке, в которой обе волны имеют одинаковую начальную фазу, а отсчет времени начнем с момента, когда начальные фазы обеих волн равны нулю. Тогда соответственно уравнения волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х, и волны, распространяющейся ей навстречу, будут иметь вид (157.1). Сложив эти уравнения и учитывая, что k=2v/X получим уравнение стоячей волны: (157.2)

Из уравнения стоячей волны (157.2) вытекает, что в каждой точке этой волны происходят колебания той же частоты  с амплитудой A_ст=|2А cos (2х/)|, зависящей от координаты х рассматриваемой точки.

В точках среды, где (157.3) амплитуда колебаний достигает максимального значения, равного 2А. В точках среды, где (157.4)

амплитуда колебаний обращается в нуль. Точки, в которых амплитуда колебаний максимальна (А_ст=2А), называются пучностями стоячей волны, а точки, в которых амплитуда колебаний равна нулю (A_ст=0), называются узлами стоячей волны. Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают. Из выражений (157.3) и (157.4) получим соответственно координаты пучностей и узлов:

(157.5); (157.6)

Из формул (157.5) и (157.6) следует, что расстояния между двумя соседними пучностями и двумя соседними узлами одинаковы и равны /2. Расстояние между сосед­ними пучностью и узлом стоячей волны равно /4.

33. Что такое волна? Уравнение плоской бегущей гармонической волны. В чем состоит эффект Доплера? Выведите формулу для частоты волны при движении ее источника и приемника.

Волна — это явление распространения в пространстве с течением времени возмущения физической величины. Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, не поглощающей энергию, имеет вид ;  

  (154.4). Уравнение волны, распространяющейся вдоль отрицательного направления оси х, отличается от (154.4) только знаком члена kx. Основываясь на формуле Эйлера (140.7), уравнение плоской волны можно записать в виде

Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга. Например, из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых коле­баний. Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; v_ист и v_пр — соответственно скорости движе­ния источника и приемника, причем они положительны, если источник (приемник) приближается к приемнику (источнику), и отрицательны, если удаляется. Частота колебаний источника равна v₀.

1. Источник и приемник покоятся относительно среды, т. е. v_ист = v_пр=0. Если v — скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среда, то длина волны =vT=v/v₀. Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вызовет колебания его звукочувствительного элемента с частотой . Следовательно, частота v звука, которую зарегистрирует приемник, равна частоте v₀, с которой звуковая волна излучается источником.

2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т. е. v_пр>0, v_ист=0. В данном случае скорость распространения волны относительно приемника станет равной v + v_пр. Так как длина волны при этом не меняется, то т. е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в (v+v_пр)/v раз больше частоты колебаний источника.

3. Источник приближается к преемнику, а приемник покоится, т. е. v_ист >0, v_пр=0.

Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направле­нии к приемнику расстояние vT (равное длине волны ) независимо от того, движется ли источник или покоится. За это же время источник пройдет в направлении волны расстояние v_истT , т. е. длина волны в направлении движения сократится и станет равной '=—v_истТ=(v—v_ист)T, тогда , т. е. частота  колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится в v/(v – v_ист) раз. В случаях 2 и 3, если v_ист<0 и v_пр<0, знак будет обратным.

4. Источник и приемник движутся относительно друг друга. Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых приемником: (159.1), причем верхний знак берется, если при движении источника или приемника происходит их сближение, нижний знак — в случае их взаимного удаления.

Из приведенных формул следует, что эффект Доплера различен в зависимости от того, движется ли источник или приемник. Если направления скоростей v_пр и v_ист не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо этих скоростей в формуле (159.1) надо брать их проекции на направление этой прямой.

34. Какой газ называют идеальным? Выведите основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Запишите его с использование различных термодинамических параметров. В чем состоит физический смысл температуры?

В идеальном газе силы взаимодействия между частицами (атомами, молекулами) пренебрежимо малы. К идеальному газу близки разреженные реальные газы при температурах, далёких от температуры их конденсации.

Вывод: одно­атомный идеальный газ, молекулы газа движутся хаотически, число взаимных столкновений между молекулами газа пренебрежимо мало по сравнению с числом ударов о стенки сосуда, а соударения молекул со стенками сосуда абсолютно упругие, выделим элементарную площадку S и вычислим давление, оказываемое на эту площадку. При каждом соударении молеку­ла, движущаяся перпендикулярно площадке, передает ей импульс m₀v – (– m₀v) = 2m₀v, где m₀ — масса молекулы, v — ее скорость. За время t площадки S достигнут только те молекулы, которые заключены в объеме цилиндра с основанием S и высотой vt. Число этих молекул равно nSvt. Необходимо, однако, учитывать, что реально молекулы движутся к площадке S под разными углами и имеют различные скорости, причем скорость молекул при каждом соударении меняется. Для упрощения расчетов хаотическое движение молекул заменяют движением вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений. Число ударов молекул, движущихся в заданном направлении, о площадку S будет ¹/₆nSvt. При столкновении с площадкой эти молекулы передадут ей импульс

Тогда давление газа, оказываемое им на стенку сосуда, (43.1). Если газ в объеме V содержит N молекул, движущихся со скоростями v₁, v₂, ..., v_N, то целесообразно рассматривать среднюю квадратную скорость (43.2)

характеризующую всю совокупность молекул газа.

Уравнение (43.1) с учетом (43.2) примет вид (43.3).

Выражение (43.3) называется основным уравнением молекулярно-кинетической те­ории идеальных газов.

Температура: Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеаль­ного газа

(43.8) пропорциональна термодинамической тем­пературе и зависит только от нее. Из этого уравнения следует, что при Т=0 <₀>=0, т. е. при 0К прекращается поступательное движение молекул газа, а следовательно, его давление равно нулю. Таким образом, термодинамическая температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа, и формула (43.8) раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

35. Изобразите на чертеже функцию распределения Максвелла по скоростям теплового движения молекул идеального газа. В чем состоит физический смысл этой функции? Запишите формулы для расчета наиболее вероятной, средней и среднеквадратичной скоростей молекул данного газа при данной температуре.

Закон о распределеня молекул идеального газа по скоростям:

Физический смысл этой функции: функция показывает долю молекул, скорости которых находятся в данном единичном интервале скоростей, т.е. доля молекул в интервале скоростей (В данном единичном интервале скоростей число молекул среднестатистически остается постоянным с течением времени, т.е. состав молекул меняется, а количество молекул остается постоянно); к функции можно применить принцип детального равновесия.

Наиболее вероятная скорость:

средняя средняя квадратичная .