Номер 4, страница 48, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 74. Электромагнитные колебания. Вопросы и задания - номер 4, страница 48.

Условие.

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

Решение.

Общие черты

1. Периодичность. И механические, и электромагнитные колебания представляют собой процессы, повторяющиеся через равные или почти равные промежутки времени.

2. Математическое описание. Оба вида колебаний (в идеализированном случае свободных незатухающих колебаний) описываются гармоническим законом и имеют одинаковый вид дифференциального уравнения второго порядка: $x'' + \omega_0^2 x = 0$, где $\text{x}$ — колеблющаяся величина, а $\omega_0$ — собственная циклическая частота системы.

3. Превращение энергии. В ходе колебаний происходит периодическое преобразование энергии из одного вида в другой.
- В механической колебательной системе (например, пружинный маятник) кинетическая энергия ($E_k = \frac{mv^2}{2}$) переходит в потенциальную ($E_p = \frac{kx^2}{2}$) и обратно.
- В электромагнитной системе (колебательный 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.

4. Основные характеристики. Колебательные процессы обоих типов характеризуются одинаковым набором величин: амплитуда (максимальное значение колеблющейся величины), период $\text{T}$ (время одного полного колебания), частота $\nu=1/T$ (число колебаний в единицу времени) и циклическая частота $\omega=2\pi\nu$.

5. Затухание и вынужденные колебания. В реальных условиях любые свободные колебания являются затухающими из-за потерь энергии (трение, сопротивление среды для механических; активное сопротивление для электромагнитных). Оба типа систем могут совершать вынужденные колебания под действием внешней периодической силы.

6. Резонанс. Для обоих видов колебаний характерно явление резонанса — резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой колебательной системы.

Ответ: Общими чертами механических и электромагнитных колебаний являются: периодичность процесса, единый математический аппарат для их описания (гармонический закон), периодические взаимные превращения двух видов энергии, наличие общих характеристик (амплитуда, период, частота), а также существование явлений затухания и резонанса.

Отличительные черты

1. Физическая природа.
- Механические колебания — это периодическое изменение механических величин, таких как координата, скорость, ускорение, давление. Они представляют собой движение макроскопических тел или частей сплошной среды.
- Электромагнитные колебания — это периодическое изменение электрических и магнитных величин: заряда ($\text{q}$), силы тока ($\text{I}$), напряжения ($\text{U}$), напряженности электрического поля ($\vec{E}$) и магнитной индукции ($\vec{B}$).

2. Условия существования.
- Механические колебания возникают в системах, где есть упругие или другие силы, возвращающие тело в положение равновесия (например, пружина, сила тяжести у маятника). Для распространения в виде волн им необходима материальная среда.
- Электромагнитные колебания возникают в электрических цепях, содержащих индуктивность и ёмкость (колебательный контур). Для распространения в виде волн им не требуется среда, они могут распространяться в вакууме.

3. Скорость распространения волн.
- Скорость распространения механических волн (например, звука) зависит от свойств среды (плотности, упругости) и относительно невелика.
- Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме — это фундаментальная физическая постоянная, скорость света $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с, которая является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий.

4. Аналогия физических величин. Несмотря на общность математического описания, физические величины, характеризующие процессы, различны, хотя между ними можно установить аналогию:
- Координата ($\text{x}$) $\leftrightarrow$ Заряд ($\text{q}$)
- Скорость ($v=x'$) $\leftrightarrow$ Сила тока ($I=q'$)
- Масса ($\text{m}$) $\leftrightarrow$ Индуктивность ($\text{L}$)
- Коэффициент жесткости ($\text{k}$) $\leftrightarrow$ Величина, обратная емкости ($1/C$)
- Кинетическая энергия ($\frac{mv^2}{2}$) $\leftrightarrow$ Энергия магнитного поля ($\frac{LI^2}{2}$)
- Потенциальная энергия ($\frac{kx^2}{2}$) $\leftrightarrow$ Энергия электрического поля ($\frac{q^2}{2C}$)

Ответ: Отличительные черты заключаются в различной физической природе (колебания механических величин против электромагнитных), в разных условиях возникновения и распространения (механическим волнам нужна среда, электромагнитным — нет) и в кардинально различающихся скоростях распространения соответствующих волн.