Номер 4.25, страница 25 - гдз по физике 9 класс задачник Артеменков, Ломаченков

IV. Электромагнитные колебания - номер 4.25, страница 25.

Условие.

4.25 Назовите общие и отличительные черты, присущие механическим и электромагнитным колебаниям.

Решение.

Решение

Общие черты

Механические и электромагнитные колебания, несмотря на различную физическую природу, имеют ряд фундаментальных общих черт, что позволяет описывать их с помощью единого математического аппарата.

1. Периодичность. И те, и другие колебания являются процессами, которые повторяются через определенные промежутки времени. Они характеризуются одинаковыми параметрами: периодом $T$ (время одного полного колебания), частотой $\nu$ (число колебаний в единицу времени) и циклической (круговой) частотой $\omega = 2\pi\nu$.

2. Превращение энергии. В обоих типах колебательных систем происходит периодическое превращение энергии из одного вида в другой.
• В механической системе (например, пружинный маятник) потенциальная энергия упругой деформации пружины ($E_p = \frac{kx^2}{2}$) переходит в кинетическую энергию движения груза ($E_k = \frac{mv^2}{2}$) и обратно.
• В электромагнитной системе (колебательный LC-контур) энергия электрического поля конденсатора ($W_E = \frac{q^2}{2C}$) переходит в энергию магнитного поля катушки индуктивности ($W_M = \frac{LI^2}{2}$) и обратно.

3. Единое математическое описание. В идеальных условиях (без потерь энергии) оба вида колебаний являются гармоническими и описываются дифференциальным уравнением одного и того же вида: $y'' + \omega_0^2 y = 0$. Решением этого уравнения является гармоническая функция, например, $y(t) = A \cos(\omega_0 t + \phi_0)$. Это позволяет установить прямую аналогию между физическими величинами, описывающими эти процессы (механические — электромагнитные): смещение $x$ — заряд $q$; скорость $v$ — сила тока $I$; масса $m$ (мера инертности) — индуктивность $L$; коэффициент жесткости $k$ — величина, обратная емкости $1/C$.

4. Затухание. В реальных условиях любые свободные колебания являются затухающими из-за неизбежных потерь энергии. В механических системах энергия расходуется на преодоление сил трения и сопротивления среды. В электромагнитных системах — на тепловое действие тока в проводниках с активным сопротивлением $R$ (закон Джоуля-Ленца).

5. Резонанс. Для обоих типов колебаний характерно явление резонанса — резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней периодической силы (или ЭДС) совпадает с собственной частотой колебательной системы.

Ответ: Общими чертами механических и электромагнитных колебаний являются: периодичность процесса, периодическое превращение энергии между двумя видами, единая математическая форма описания гармонических колебаний, наличие затухания в реальных системах и возможность возникновения резонанса.

Отличительные черты

1. Физическая природа. Это главное отличие.
• Механические колебания — это периодические изменения механических величин: смещения, скорости, ускорения, давления. Они представляют собой движение макроскопических тел или их частей в пространстве.
• Электромагнитные колебания — это периодические изменения электромагнитных величин: заряда, силы тока, напряжения, напряженности электрического и индукции магнитного полей.

2. Условия распространения. Колебания могут распространяться в пространстве, образуя волны.
• Механические волны (например, звук) для своего распространения требуют наличия упругой среды (твердой, жидкой или газообразной). Они не могут распространяться в вакууме.
• Электромагнитные волны (например, свет, радиоволны) могут распространяться не только в веществе, но и в вакууме.

3. Скорость распространения.
• Скорость распространения механических волн определяется свойствами (плотностью, упругостью) среды и относительно невелика (например, скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет около 340 м/с).
• Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической постоянной и предельной скоростью передачи взаимодействий — скоростью света $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с.

4. Диапазон частот.
• Частоты механических колебаний, встречающихся в природе и технике, обычно лежат в относительно узком и низкочастотном диапазоне (от долей герца до нескольких десятков килогерц).
• Спектр электромагнитных колебаний и волн чрезвычайно широк: от радиоволн (от 30 кГц) до гамма-излучения с частотами более $10^{20}$ Гц.

Ответ: Отличительными чертами являются: различная физическая природа (колебания механических величин против электромагнитных), необходимость среды для распространения механических волн и способность электромагнитных волн распространяться в вакууме, огромная разница в скоростях распространения волн и в характерных диапазонах частот.