Творческое задание, страница 11, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Рассмотрите картинки на рисунке 1.1. Расскажите, какие колебания происходят в каждом примере, и объясните, какова их природа. Напишите краткий рассказ.

Поскольку на изображении отсутствует рисунок 1.1, для ответа на вопрос будут рассмотрены несколько распространенных примеров колебательных процессов.

Представим себе ребенка на качелях. Это пример, близкий к математическому маятнику. Когда качели отклоняются от самого нижнего положения (положения равновесия) и отпускаются, они начинают совершать периодические движения вперед и назад.

Природа колебаний: Это механические колебания. Движение происходит под действием силы тяжести и силы реакции опоры (подвеса). Возвращающей силой, которая всегда направлена к положению равновесия, является составляющая силы тяжести. В процессе колебаний происходит непрерывное преобразование энергии: в крайних точках подъема потенциальная энергия максимальна, а кинетическая равна нулю; при прохождении положения равновесия, наоборот, кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна. Из-за трения в точке подвеса и сопротивления воздуха эти колебания являются затухающими — их амплитуда постепенно уменьшается, и без внешнего воздействия они в конце концов прекратятся. Период этих колебаний (время одного полного качания) зависит в основном от длины подвеса $\text{l}$ и определяется формулой, схожей с формулой для периода математического маятника: $T \approx 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$, где $\text{g}$ — ускорение свободного падения.

Ответ: Колебания качелей — это затухающие механические колебания, природой которых является действие силы тяжести, вызывающее периодическое преобразование энергии из потенциальной в кинетическую и обратно.

Если подвесить груз на пружину, оттянуть его вниз и отпустить, он начнет совершать колебания вверх-вниз относительно своего положения равновесия.

Природа колебаний: Это также механические колебания. В этом случае возвращающей силой является сила упругости пружины, возникающая при ее деформации (растяжении или сжатии) и описываемая законом Гука. Когда груз смещается, сила упругости стремится вернуть его в положение равновесия. За счет инерции груз проскакивает это положение, и процесс повторяется. Здесь происходит периодическое превращение кинетической энергии движущегося груза в потенциальную энергию упруго деформированной пружины и обратно. Как и в большинстве реальных систем, эти колебания являются затухающими. Период колебаний пружинного маятника зависит от массы груза $\text{m}$ и жесткости пружины $\text{k}$: $T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$.

Ответ: Колебания груза на пружине — это затухающие механические колебания, природа которых заключается в действии силы упругости.

Когда музыкант задевает струну гитары, она начинает быстро вибрировать, создавая звук.

Природа колебаний: Это механические колебания, которые формируют стоячую волну на струне. Возвращающей силой здесь выступает сила натяжения струны. Отклоненная от положения равновесия струна стремится выпрямиться под действием этой силы. Эти колебания являются источником звуковых волн: вибрирующая струна заставляет колебаться частицы окружающего воздуха, и эти колебания распространяются в пространстве. Частота колебаний струны определяет высоту звука. Это пример свободных затухающих колебаний, так как после первоначального щипка на струну не действуют внешние периодические силы, и ее колебания постепенно затухают из-за внутреннего трения и передачи энергии воздуху.

Ответ: Колебания струны — это свободные затухающие механические колебания в виде стоячих волн, обусловленные силой натяжения и являющиеся источником звука.

Рассмотрим колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора (LC-контур). Если зарядить конденсатор и замкнуть цепь, в ней возникнут электромагнитные колебания.

Природа колебаний: Это электромагнитные колебания. Их природа не механическая, а электрическая и магнитная. Энергия периодически переходит из электрического поля заряженного конденсатора в магнитное поле тока в катушке и обратно. Когда конденсатор разряжается, ток в цепи нарастает, создавая магнитное поле в катушке. Когда конденсатор полностью разряжен, ток и энергия магнитного поля максимальны. Затем убывающее магнитное поле создает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает ток и перезаряжает конденсатор в обратной полярности. Процесс повторяется. В реальном контуре из-за наличия сопротивления проводов часть энергии теряется на нагрев, поэтому колебания являются затухающими. Период этих колебаний определяется по формуле Томсона: $T = 2\pi\sqrt{LC}$, где $\text{L}$ — индуктивность катушки, а $\text{C}$ — ёмкость конденсатора.

Ответ: Колебания в LC-контуре — это затухающие электромагнитные колебания, природой которых является периодический обмен энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки индуктивности.

Мир вокруг нас полон колебаний, от видимых до незримых. Качели в парке, взмывающие вверх и вниз, демонстрируют превращение энергии движения в энергию высоты под действием силы тяжести. Подобно им, но уже подчиняясь силе упругости, колеблется грузик на пружинке, упрямо возвращаясь к центру. Звук гитарной струны рождается из ее стремительной вибрации, вызванной силой натяжения, и разносится волнами по воздуху. Но колебания бывают и немеханическими: в крошечном радиоприемнике невидимые электромагнитные волны возникают благодаря тому, что энергия электрического поля конденсатора перетекает в энергию магнитного поля катушки и обратно. Все эти разные по своей природе процессы — от маятника до электрического контура — объединены общим закономерным движением, повторяющимся во времени, которое мы называем колебаниями.