- •Часть 1
- •Введение
- •Математический аппарат физики.
- •Кинематика
- •Динамика
- •Работа. Мощность. Энергия. Закон сохранения энергии.
- •Статика. Статика жидкостей и газов.
- •Молекулярная физика и термодинамика
- •Задания для контрольной работы № 1 по теме « Механика. Молекулярная физика. Термодинамика».
- •Физические постоянные
- •Плотности твердых тел, жидкостей, газов (при нормальных условиях)
- •Критические параметры и поправки Ван-дер-Ваальса
- •Поверхностное натяжение жидкостей при 20с (мН/м)
Динамика
1. Основным законом динамики поступательного движения является второй закон Ньютона:
,
где - равнодействующая всех сил, приложенных к телу массой m, - ускорение тела.
При решении задач по динамике необходимо обратить особое внимание на правильное использование второго закона Ньютона. Сначала нужно сделать рисунок, на котором указываются все силы, действующие на тело, и выбирается система отсчета. Затем записывается второй закон Ньютона в векторной форме:
где
Наконец, данное векторное уравнение нужно спроецировать на выбранные направления осей x и y и решить полученную систему уравнений. Если в движении находится не одно, а несколько связанных между собой тел, то необходимо для каждого тела в отдельности выполнить все вышеуказанные действия и решить полученную систему уравнений.
2. В механике приходится иметь дело со следующими силами:
1) силой тяжести ;
2) силой трения , где - коэффициент трения, N- сила нормальной реакции опоры;
3) силой упругости , где k- коэффициент жесткости, x- величина деформации тела.
3. Закон Всемирного тяготения, для любых тел массами m1 и m2, находящихся на расстоянии r:
где G=6,67∙10-11Н∙м2/кг2- гравитационная постоянная
4. В замкнутой системе справедлив закон сохранения импульса
где mi- масса отдельно взятого тела в системе взаимодействующих тел, - скорость этого тела, n- число взаимодействующих тел. Для двух тел, закон сохранения импульса примет вид:
где и - скорости тел до их взаимодействия, и - скорости тел после взаимодействия. При решении задач записываем закон сохранения импульса в векторной форме, выбираем направление осей координат и проецируем на них обе части векторного уравнения.
5. Основное уравнение динамики вращательного движения относительно неподвижной оси:
М = J
где М – результирующий момент внешних сил, действующих на тело;
- угловое ускорение;
J - момент инерции тела относительно оси вращения.
Моменты инерции некоторых тел массы m
Твердое тело |
Момент инерции |
обруч радиусом R - относительно оси, перпендикулярной плоскости обруча (совпадающей с осью цилиндра) |
|
диск радиусом R - относительно оси, перпендикулярной плоскости диска, сплошной цилиндр относительно оси вращения |
|
стержень длины l - относительно оси, перпендикулярной стержню и проходящей через его середину |
|
стержень длины l - относительно оси, перпендикулярной стержню и проходящей через его конец |
|
шар радиусом R - относительно оси, проходящей через его центр |
|
6. Момент импульса тела, вращающегося относительно неподвижной оси:
L = J,
где – угловая скорость тела.
Закон сохранения момента импульса системы тел, вращающихся вокруг неподвижной оси:
где J1 и 1 – момент инерции системы тел и угловая скорость вращения в начальный момент времени; J2 и 2 – момент инерции и угловая скорость в конечный момент времени.
Пример 9.
Брусок массой m2=3 кг движется по поверхности стола под действием силы натяжения нити. Нить перекинута через блок, укрепленный в конце стола. На другом конце нити висит брусок массой m1=2 кг, падающий вниз. Найти ускорение, с которым движутся бруски. Коэффициент трения 0,2.
Решение.
П о второму закону Ньютона для обоих брусков можно написать:
В проекциях на оси x и y:
m1 =m1g - T
m2a=T - Fтр,
Учитывая, что Fтр=μmg и складывая эти уравнения, получим:
a(m1+m)=g(m1-μm2)
Тогда
= 2,8 м/с2
Пример 10.
Чему равно ускорение свободного падения на высоте, равной радиусу Земли?
Решение.
На поверхности Земли сила тяжести равна силе Всемирного тяготения:
где m- масса тела, Mз- масса Земли, Rз – радиус Земли. На высоте h от поверхности Земли сила тяжести будет равна:
Тогда
Отсюда находим g=2,5м/с2
Пример 11.
Шарик массой 500 г, подвешенный на нерастяжимой нити длиной 1 м, совершает колебания в вертикальной плоскости. Найти силу натяжения нити в момент, когда она образует с вертикалью угол 60°. Скорость шарика в этот момент 1,5 м/с.
Решение.
На шарик действуют сила тяжести и сила натяжения нити. Запишем для шарика второй закон Ньютона:
Направляя ось y вдоль радиуса, и проецируя на нее уравнение, получаем:
При движении по окружности ускорение центростремительное
Тогда
Выразим силу натяжения:
Пример 12.
Средняя высота спутника над поверхностью Земли 1700 км. Определить его скорость и период вращения.
Решение.
Движение по круговой орбите происходит под действием только силы тяготения со стороны Земли:
где Rз- радиус Земли, Mз- масса Земли. По второму закону Ньютона: , где - центростремительное ускорение. Тогда
Откуда
Умножая числитель и знаменатель уравнения на Rз2, получаем:
Так как , следовательно =7,01∙103м/с
Период вращения спутника по круговой орбите радиусом RЗ+h:
=7,24 ∙ 103с
Пример 13.
Снаряд, летящий со скоростью 100м/с. Разорвался на два осколка. Большой осколок, масса которого равна 0,8 массы снаряда, продолжал двигаться со скоростью 200 м/с в прежнем направлении. Найти величину скорости меньшего осколка.
Решение.
П о закону сохранения импульса можно записать
По условию движение снаряда и осколков происходит по одной прямой, поэтому
Так как масса большего осколка m1=0,8mсн, а меньшего m2=0,2mсн, тогда скорость меньшего будет:
Знак «-» указывает, что меньший осколок полетит в противоположную сторону. Требуется определить величину скорости, т.е.