求解无限弦长的自由振动与强迫振动

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1、数学物理方程第二版答案第一章 波动方程1 方程的导出。定解条件4. 绝对柔软逐条而均匀的弦线有一端固定,在它本身重力作用下,此线处于铅垂平衡位置,试导出此线的微小横振动方程。解:如图2,设弦长为,弦的线密度为,则点处的张力为且的方向总是沿着弦在点处的切线方向。仍以表示弦上各点在时刻沿垂直于轴方向的位移,取弦段则弦段两端张力在轴方向的投影分别为其中表示方向与轴的夹角又 于是得运动方程 利用微分中值定理,消去,再令得。5. 验证 在锥0中都满足波动方程证:函数在锥0内对变量有二阶连续偏导数。且 同理 所以 即得所证。2 达朗贝尔公式、 波的传抪3.利用传播波法,求解波动方程的特征问题(又称古尔沙问

用分离变量法求下列问题的解:(1) 解:边界条件齐次的且是第一类的,令得固有函数,且, 于是 今由始值确定常数及,由始值得 所以 当 因此所求解为 (2) 解:边界条件齐次的,令 得: (1)及 。求问题(1)的非平

3、凡解,分以下三种情形讨论。时,方程的通解为 由得由得解以上方程组,得,故时得不到非零解。时,方程的通解为由边值得,再由得,仍得不到非零解。时,方程的通解为 由得,再由得 为了使,必须 ,于是 且相应地得到 将代入方程(2),解得 于是 再由始值得容易验证构成区间上的正交函数系:利用正交性,得 所以 2。设弹簧一端固定,一端在外力作用下作周期振动,此时定解问题归结为 求解此问题。解:边值条件是非齐次的,首先将边值条件齐次化,取,则满足 ,令代入原定解问题,则满足 满足第一类齐次边界条件,其相应固有函数为, 故设 将方程中非齐次项及初始条件中按展成级数,得其中 其中 将(2)代入问题(1),得满足

4、解方程,得通解由始值,得 所以 因此所求解为 3用分离变量法求下面问题的解 解:边界条件是齐次的,相应的固有函数为 设 将非次项按展开级数,得其中 将 代入原定解问题,得满足方程的通解为由,得:由,得所以 所求解为 4 高维波动方程的柯西问题1 利用泊松公式求解波动方程 的柯西问题 解:泊松公式 现 且 其中 计算 所以u(x,y,z)=即为所求的解。2 试用降维法导出振动方程的达朗贝尔公式。解:三维波动方程的柯西问题 当u不依赖于x,y,即u=u(z),即得弦振动方程的柯西问题:利用泊松公式求解 因只与z有关,故令,得所以即为达郎贝尔公式。3. 求解平面波动方程的柯西问题:解: 由二维波动方

5、程柯西问题的泊松公式得: 又 因为 所以 又 于是 即为所求的解。4. 求二维波动方程的轴对称解(即二维波动方程的形如的解,.解: 解法一:利用二维波动方程柯西问题的积分表达式 由于u是轴对称的故其始值,只是r 的函数,,记圆上任一点的矢径为圆心其矢径为记则由余弦定理知,其中为与的夹角。选极坐标。 于是以上公式可写成 由上式右端容易看出,积分结果和有关,因此所得的解为轴对称解,即 +解法二:作变换,.波动方程化为用分离变量法,令u(r,t)=R(r)T(t).代入方程得 解得: 令叠加得 5.求解下列柯西问题 提示:在三维波动方程中,令解:令 则 代入原问题,得 记为上半球,为下半球,为在平面

6、上的投影。,则所以 于是 即为所求的解。6试用第七段中的方法导出平面齐次波动方程 在齐次初始条件 下的求解公式。解:首先证明齐次化原理:若是定解问题 的解,则即为定解问题 的解。 显然, ( ).所以又 因为w满足齐次方程,故u满足 齐次化原理得证。由齐次方程柯西问题解的泊松公式知所以即为所求的解。所以 7用降维法来解决上面的问题解:推迟势 其中积分是在以为中心,为半径的球体中进行。它是柯西问题 的解。对于二维问题,皆与无关,故 其中为以为中心r为半径的球面,即 其中分别表示的上半球面与下半球面,表示在平面上的投影。所以 在最外一层积分中,作变量置换,令,即,当时,当时,得即为所求,与6题结果

7、一致。8 非齐次方程的柯西问题解:由解的公式得计算所以 计算 所以即为所求的解。 5能量不等式,波动方程解的唯一和稳定性1 设受摩擦力作用的固定端点的有界弦振动,满足方程 证明其能量是减少的,并由此证明方程的混合问题解的唯一性以及关于初始条件及自由项的稳定性。证:首先证明能量是减少。能量 因弦的两端固定, 所以 于是 (因此,随着的增加,是减少的。 证明混合问题解的唯一性混合问题:设是以上问题的解。令则满足 能量 当利用初始条件有由得 所以 又是减少的,故当又由的表达式知所以 由此得及于是得到 常量再由初始条件得因此即混合问题解的唯一的。3证明解关于初始条件的稳定性,即对任何可以找到只要初始条

8、件之差满足 则始值所对应的解及所对应的解之差满足 或 令 即 积分得 又,所以 即 记,则满足 则相对应地有 故若 则 于是 (对任何t)即 或 解关于自由的稳定性设满足满足则满足今建立有外力作用时的量不等式 =其中故又 , 所以 由中证明, 知 而 故 因此, 当 ,则 亦即当,则。即解关于自由项是稳定的。2证明如果函数在G:,作微小改变时,方程(,和都是一些充分光滑的函数)满足固定端点边界条件的混合问题的解在G内的改变也是很微小的。证:只须证明,当很小时,则问题的解也很小(按绝对值)。考虑能量 由边界条件 ,故,。所以 又由于,故,即或 记 得 由初始条件 ,又因 ,得,故,即若很小,即,

9、则,故 即在中任一时刻,当很小时,又中积分号下每一项皆为非负的,故(对中任一时刻)今对,估计。因为 ,应用布尼亚科夫斯基不等式,可以得到 其中 (因且充分光滑)即 又由边界条件 ,得即当 ,有很小,得证。3证明波动方程的自由项中在意义下作微小改变时,对应的柯西问题的解在意义之下改变也是微小的。 证:研究过的特征锥令截,得截面,在上研究能量: 其中为的边界曲线。再利用奥氏公式,得 因为第二项是非正的,故所以 令 上式可写成 即 即 研究 所以 为证明柯西问题的解的关于自由项的稳定性,只须证明柯西问题当“很小”时,则解的模也“很小”此时,由始值,而由于得 所以 ,即 故任给,当,则得证4固定端点有

10、界弦的自由振动可以分解成各种不同固有频率的驻波(谐 波)的迭加。试计算各个驻波的动能和位能,并证明弦振动的总能量等于各个驻波能量的迭加。这个物理性质对应的数学事实是什么?解:固定端点有界弦的自由振动,其解为 每一个是一个驻波,将的总能量记作,位能记作,动能记作,则 总能量 由此知与无关,即能量守恒,。现在计算弦振动的总能量,由于自由振动能量守恒,故总能量亦满足守恒定律,即 即 又由分离变量法,、由始值决定,且所以 利用在上的正交性,得 同理 所以 。即总能量等于各个驻波能量之和。这个物理性质所对应的数学意义说明线性齐次方程在齐次边界知件下,不仅解具有可加性,而且及仍具有可加性。这是由于的正交性

11、所决定的。5.在的情况下,证明定理5,即证明此时波动方程柯西问题存在着唯一的广义解,并且它在证理4的意义下是稳定的。证:我们知道当,则波动方程柯西问题的古典解唯一存在,且在意义下关于初始条件使稳定的(定理3、4)今,根据维尔斯特拉斯定理,存在, 当时及其一阶偏导数,分别一致收敛于及一致收敛于。记:为初始条件的柯西问题的古典解为,则二阶连续可微,且在意义下关于是稳定的。,为一致连续序列,自然在 :特征锥K与相交截出的圆意义下为一基本列,即时 , , 根据的稳定性,得即在意义下为一基本列,根据黎斯弗歇尔定理,存在唯一的函数,使当时 即为对应于初始条件的柯西问题的广义解。 现在证明广义解的唯一性。

12、若另有,当时且 是一致的,其所对应的古典解(按), 现在, 用反证法, 若,研究序列 (1) (2)则序列(1)及其对的偏导数仍分别一致收敛于, 序列(2)仍为一致收敛于,利用古典解关于初始条件的稳定性,序列(1)(2)所对应的古典解序列 根据黎期弗歇尔定理,按意义收敛于唯一的极限函数。与矛盾。故以上所定义的广义解是唯一的。若,所对应的广义解记作又所对应的广义解记作,即存在。分别一致收敛于则,所对应的古典解按意义收敛于所对应的古典解按意义收敛于 (3)若,。则 =3+因,故当有,所以即同理有 ,由古典解的稳定性,得。(当)又由广义解的定义知,对,当有,故当时,由(3)式有即广义解对于初始条件是

13、稳定的。6对弦振动方程的柯西问题建立广义解的定义,并证明在为连续,为可积的情形,广义解仍然可以用达朗贝尔公式来给出,因而是连续函数。解:由达朗贝尔公式知,当时则柯西问题 有古典解.且关于是稳定的。现在按以下方法来定义广义解。给出一对初始函数可以唯的确定一个。函数对的全体构成一个空间,它的元素的模按以下方式来定义,记的依赖区域为,记为区域:,则在上的值仅依赖于上函数对的值。今定义则构成一个线性赋范空间,其中任意两个元素 , 的距离为 中任一元素对应一个解是中二阶连续可微函数,它的全体也构成一个函数空间,记为,其模定义为,二元素的距离为则与的关系可以看成到的一个映象,且根据关于的稳定性知,映象是连续的。现将完备化,考虑中任一基本列,满足,则在中按模成为基本列,由黎斯弗歇尔定理,存在着极限元素即将添入且定义的模为 则为一完备空间又为基本列,则所对应的也是一个中的基本列(稳定性),再根据黎斯弗

}

8.实验用推论Δs=aT2 {Δs为连续相邻相等时间(T)内位移之差}

(1)平均速度是矢量;

(2)物体速度大,加速度不一定大;

5.往返时间t=2Vo/g (从抛出落回原位置的时间)

1.水平方向速度:Vx=Vo 2.竖直方向速度:Vy=gt

3.水平方向位移:x=Vot 4.竖直方向位移:y=gt2/2

8.水平方向加速度:ax=0;竖直方向加速度:ay=g

5.周期与频率:T=1/f 6.角速度与线速度的关系:V=ωr

7.角速度与转速的关系ω=2πn(此处频率与转速意义相同)

1.开普勒第三定律:T2/R3=K(=4π2/GM){R:轨道半径,T:周期,K:常量(与行星质量无关,取决于中心天体的质量)}

3.天体上的重力和重力加速度:GMm/R2=mg;g=GM/R2 {R:天体半径(m),M:天体质量(kg)}

(1)天体运动所需的向心力由万有引力提供,F向=F万;

(2)应用万有引力定律可估算天体的质量密度等;

(3)地球同步卫星只能运行于赤道上空,运行周期和地球自转周期相同;

(4)卫星轨道半径变小时,势能变小、动能变大、速度变大、周期变小(一同三反);

(5)地球卫星的最大环绕速度和最小发射速度均为7.9km/s。

1.重力G=mg (方向竖直向下,g=9.8m/s2≈10m/s2,作用点在重心,适用于地球表面附近)

2.胡克定律F=kx {方向沿恢复形变方向,k:劲度系数(N/m),x:形变量(m)}

3.滑动摩擦力F=μFN {与物体相对运动方向相反,μ:摩擦因数,FN:正压力(N)}

4.静摩擦力0≤f静≤fm (与物体相对运动趋势方向相反,fm为最大静摩擦力)

7.电场力F=Eq (E:场强N/C,q:电量C,正电荷受的电场力与场强方向相同)

2.互成角度力的合成:

4.力的正交分解:Fx=Fcosβ,Fy=Fsinβ(β为合力与x轴之间的夹角tgβ=Fy/Fx)

四、动力学(运动和力)

1.牛顿第一运动定律(惯性定律):物体具有惯性,总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止

2.牛顿第二运动定律:F合=ma或a=F合/ma{由合外力决定,与合外力方向一致}

3.牛顿第三运动定律:F=-F′{负号表示方向相反,F、F′各自作用在对方,平衡力与作用力反作用力区别,实际应用:反冲运动}

4.共点力的平衡F合=0,推广 {正交分解法、三力汇交原理}

5.超重:FN>G,失重:FN<G {加速度方向向下,均失重,加速度方向向上,均超重}

6.牛顿运动定律的适用条件:适用于解决低速运动问题,适用于宏观物体,不适用于处理高速问题,不适用于微观粒子

五、振动和波(机械振动与机械振动的传播)

1.简谐振动F=-kx {F:回复力,k:比例系数,x:位移,负号表示F的方向与x始终反向}

3.受迫振动频率特点:f=f驱动力

4.发生共振条件:f驱动力=f固,A=max,共振的防止和应用

6.波速v=s/t=λf=λ/T{波传播过程中,一个周期向前传播一个波长;波速大小由介质本身所决定}

8.波发生明显衍射(波绕过障碍物或孔继续传播)条件:障碍物或孔的尺寸比波长小,或者相差不大

9.波的干涉条件:两列波频率相同(相差恒定、振幅相近、振动方向相同)

(1)物体的固有频率与振幅、驱动力频率无关,取决于振动系统本身;

(2)波只是传播了振动,介质本身不随波发生迁移,是传递能量的一种方式;

(3)干涉与衍射是波特有的;

6.弹性碰撞:Δp=0;ΔEk=0 {即系统的动量和动能均守恒}

8.完全非弹性碰撞Δp=0;ΔEK=ΔEKm {碰后连在一起成一整体}

9.物体m1以v1初速度与静止的物体m2发生弹性正碰:

10.由9得的推论-----等质量弹性正碰时二者交换速度(动能守恒、动量守恒)

11.子弹m水平速度vo射入静止置于水平光滑地面的长木块M,并嵌入其中一起运动时的机械能损失

4.电功:W=UIt(普适式) {U:电压(V),I:电流(A),t:通电时间(s)}

6.汽车牵引力的功率:P=Fv;P平=Fv平 {P:瞬时功率,P平:平均功率}

7.汽车以恒定功率启动、以恒定加速度启动、汽车最大行驶速度(vmax=P额/f)

8.电功率:P=UI(普适式) {U:电路电压(V),I:电路电流(A)}

12.重力势能:EP=mgh {EP :重力势能(J),g:重力加速度,h:竖直高度(m)(从零势能面起)}

13.电势能:EA=qφA {EA:带电体在A点的电势能(J),q:电量(C),φA:A点的电势(V)(从零势能面起)}

14.动能定理(对物体做正功,物体的动能增加):

16.重力做功与重力势能的变化(重力做功等于物体重力势能增量的负值)WG=-ΔEP

(1)功率大小表示做功快慢,做功多少表示能量转化多少;

(2)O0≤α<90O 做正功;90O<α≤180O做负功;α=90o不做功(力的方向与位移(速度)方向垂直时该力不做功);

(3)重力(弹力、电场力、分子力)做正功,则重力(弹性、电、分子)势能减少

(4)重力做功和电场力做功均与路径无关(见2、3两式);(5)机械能守恒成立条件:除重力(弹力)外其它力不做功,只是动能和势能之间的转化;(6)能的其它单位换算:1kWh(度)=3.6×106J,1eV=1.60×10-19J;*(7)弹簧弹性势能E=kx2/2,与劲度系数和形变量有关。

八、分子动理论、能量守恒定律

2.油膜法测分子直径d=V/s {V:单分子油膜的体积(m3),S:油膜表面积(m)2}

3.分子动理论内容:物质是由大量分子组成的;大量分子做无规则的热运动;分子间存在相互作用力。

4.分子间的引力和斥力(1)r<r0,f引<f斥,F分子力表现为斥力

(2)r=r0,f引=f斥,F分子力=0,E分子势能=Emin(最小值)

5.热力学第一定律W+Q=ΔU{(做功和热传递,这两种改变物体内能的方式,在效果上是等效的),

W:外界对物体做的正功(J),Q:物体吸收的热量(J),ΔU:增加的内能(J),涉及到第一类永动机不可造出

7.热力学第三定律:热力学零度不可达到{宇宙温度下限:-273.15摄氏度(热力学零度)}

(1)布朗粒子不是分子,布朗颗粒越小,布朗运动越明显,温度越高越剧烈;

(2)温度是分子平均动能的标志;

3)分子间的引力和斥力同时存在,随分子间距离的增大而减小,但斥力减小得比引力快;

(4)分子力做正功,分子势能减小,在r0处F引=F斥且分子势能最小;

(5)气体膨胀,外界对气体做负功W<0;温度升高,内能增大ΔU>0;吸收热量,Q>0

(6)物体的内能是指物体所有的分子动能和分子势能的总和,对于理想气体分子间作用力为零,分子势能为零;

(7)r0为分子处于平衡状态时,分子间的距离;

1.两种电荷、电荷守恒定律、元电荷:(e=1.60×10-19C);带电体电荷量等于元电荷的整数倍

2.库仑定律:F=kQ1Q2/r2(在真空中){F:点电荷间的作用力(N),k:静电力常量k=9.0×109N?m2/C2,Q1、Q2:两点电荷的电量(C),r:两点电荷间的距离(m),方向在它们的连线上,作用力与反作用力,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引}

3.电场强度:E=F/q(定义式、计算式){E:电场强度(N/C),是矢量(电场的叠加原理),q:检验电荷的电量(C)}

4.真空点(源)电荷形成的电场E=kQ/r2 {r:源电荷到该位置的距离(m),Q:源电荷的电量}

5.匀强电场的场强E=UAB/d {UAB:AB两点间的电压(V),d:AB两点在场强方向的距离(m)}

6.电场力:F=qE {F:电场力(N),q:受到电场力的电荷的电量(C),E:电场强度(N/C)}

8.电场力做功:WAB=qUAB=Eqd{WAB:带电体由A到B时电场力所做的功(J),q:带电量(C),UAB:电场中A、B两点间的电势差(V)(电场力做功与路径无关),E:匀强电场强度,d:两点沿场强方向的距离(m)}

10.电势能的变化ΔEAB=EB-EA {带电体在电场中从A位置到B位置时电势能的差值}

11.电场力做功与电势能变化ΔEAB=-WAB=-qUAB (电势能的增量等于电场力做功的负值)

13.平行板电容器的电容C=εS/4πkd(S:两极板正对面积,d:两极板间的垂直距离,ω:介电常数)

15.带电粒子沿垂直电场方向以速度Vo进入匀强电场时的偏转(不考虑重力作用的情况下)

类平 垂直电场方向:匀速直线运动L=Vot(在带等量异种电荷的平行极板中:E=U/d)

抛运动 平行电场方向:初速度为零的匀加速直线运动d=at2/2,a=F/m=qE/m

(1)两个完全相同的带电金属小球接触时,电量分配规律:原带异种电荷的先中和后平分,原带同种电荷的总量平分;

(2)电场线从正电荷出发终止于负电荷,电场线不相交,切线方向为场强方向,电场线密处场强大,顺着电场线电势越来越低,电场线与等势线垂直;

(3)常见电场的电场线分布要求熟记〔见图[第二册P98];

(4)电场强度(矢量)与电势(标量)均由电场本身决定,而电场力与电势能还与带电体带的电量多少和电荷正负有关;

(5)处于静电平衡导体是个等势体,表面是个等势面,导体外表面附近的电场线垂直于导体表面,导体内部合场强为零,导体内部没有净电荷,净电荷只分布于导体外表面;

1.电流强度:I=q/t{I:电流强度(A),q:在时间t内通过导体横载面的电量(C),t:时间(s)}

2.欧姆定律:I=U/R {I:导体电流强度(A),U:导体两端电压(V),R:导体阻值(Ω)}

3.电阻、电阻定律:R=ρL/S{ρ:电阻率(Ω?m),L:导体的长度(m),S:导体横截面积(m2)}

{I:电路中的总电流(A),E:电源电动势(V),R:外电路电阻(Ω),r:电源内阻(Ω)}

6.焦耳定律:Q=I2Rt{Q:电热(J),I:通过导体的电流(A),R:导体的电阻值(Ω),t:通电时间(s)}

8.电源总动率、电源输出功率、电源效率:P总=IE,P出=IU,η=P出/P总{I:电路总电流(A),E:电源电动势(V),U:路端电压(V),η:电源效率}

9.电路的串/并联 串联电路(P、U与R成正比) 并联电路(P、I与R成反比)

(1)电路组成 (2)测量原理

两表笔短接后,调节Ro使电表指针满偏,得

接入被测电阻Rx后通过电表的电流为

由于Ix与Rx对应,因此可指示被测电阻大小

(3)使用方法:机械调零、选择量程、欧姆调零、测量读数{注意挡位(倍率)}、拨off挡。

(4)注意:测量电阻时,要与原电路断开,选择量程使指针在中央附近,每次换挡要重新短接欧姆调零。

电压表示数:U=UR+UA

电流表示数:I=IR+IV

12.滑动变阻器在电路中的限流接法与分压接法

电压调节范围小,电路简单,功耗小

便于调节电压的选择条件Rp>Rx

电压调节范围大,电路复杂,功耗较大

便于调节电压的选择条件Rp<Rx

(2)各种材料的电阻率都随温度的变化而变化,金属电阻率随温度升高而增大;

(3)串联总电阻大于任何一个分电阻,并联总电阻小于任何一个分电阻;

(4)当电源有内阻时,外电路电阻

13.平行板电容器的电容C=εS/4πkd(S:两极板正对面积,d:两极板间的垂直距离,ω:介电常数)

15.带电粒子沿垂直电场方向以速度Vo进入匀强电场时的偏转(不考虑重力作用的情况下)

类平 垂直电场方向:匀速直线运动L=Vot(在带等量异种电荷的平行极板中:E=U/d)

抛运动 平行电场方向:初速度为零的匀加速直线运动d=at2/2,a=F/m=qE/m

(1)两个完全相同的带电金属小球接触时,电量分配规律:原带异种电荷的先中和后平分,原带同种电荷的总量平分;

(2)电场线从正电荷出发终止于负电荷,电场线不相交,切线方向为场强方向,电场线密处场强大,顺着电场线电势越来越低,电场线与等势线垂直;

(3)常见电场的电场线分布要求熟记〔见图[第二册P98];

(4)电场强度(矢量)与电势(标量)均由电场本身决定,而电场力与电势能还与带电体带的电量多少和电荷正负有关;

(5)处于静电平衡导体是个等势体,表面是个等势面,导体外表面附近的电场线垂直于导体表面,导体内部合场强为零,导体内部没有净电荷,净电荷只分布于导体外表面;

1.电流强度:I=q/t{I:电流强度(A),q:在时间t内通过导体横载面的电量(C),t:时间(s)}

2.欧姆定律:I=U/R {I:导体电流强度(A),U:导体两端电压(V),R:导体阻值(Ω)}

3.电阻、电阻定律:R=ρL/S{ρ:电阻率(Ω?m),L:导体的长度(m),S:导体横截面积(m2)}

{I:电路中的总电流(A),E:电源电动势(V),R:外电路电阻(Ω),r:电源内阻(Ω)}

6.焦耳定律:Q=I2Rt{Q:电热(J),I:通过导体的电流(A),R:导体的电阻值(Ω),t:通电时间(s)}

8.电源总动率、电源输出功率、电源效率:P总=IE,P出=IU,η=P出/P总{I:电路总电流(A),E:电源电动势(V),U:路端电压(V),η:电源效率}

9.电路的串/并联 串联电路(P、U与R成正比) 并联电路(P、I与R成反比)

(1)电路组成 (2)测量原理

两表笔短接后,调节Ro使电表指针满偏,得

接入被测电阻Rx后通过电表的电流为

由于Ix与Rx对应,因此可指示被测电阻大小

(3)使用方法:机械调零、选择量程、欧姆调零、测量读数{注意挡位(倍率)}、拨off挡。

(4)注意:测量电阻时,要与原电路断开,选择量程使指针在中央附近,每次换挡要重新短接欧姆调零。

电压表示数:U=UR+UA

电流表示数:I=IR+IV

12.滑动变阻器在电路中的限流接法与分压接法

电压调节范围小,电路简单,功耗小

便于调节电压的选择条件Rp>Rx

电压调节范围大,电路复杂,功耗较大

便于调节电压的选择条件Rp<Rx

(2)各种材料的电阻率都随温度的变化而变化,金属电阻率随温度升高而增大;

(3)串联总电阻大于任何一个分电阻,并联总电阻小于任何一个分电阻;

(4)当电源有内阻时,外电路电阻

(5)当外电路电阻等于电源电阻时,电源输出功率最大,此时的输出功率为E2/(2r);

1.磁感应强度是用来表示磁场的强弱和方向的物理量,是矢量,单位T),1T=1N/A?m

4.在重力忽略不计(不考虑重力)的情况下,带电粒子进入磁场的运动情况(掌握两种):

(1)带电粒子沿平行磁场方向进入磁场:不受洛仑兹力的作用,做匀速直线运动V=V0

(2)带电粒子沿垂直磁场方向进入磁场:做匀速圆周运动,规律如下a)F向=f洛=mV2/r=mω2r=mr(2π/T)2=qVB;r=mV/qB;T=2πm/qB;(b)运动周期与圆周运动的半径和线速度无关,洛仑兹力对带电粒子不做功(任何情况下);(c)解题关键:画轨迹、找圆心、定半径、圆心角(=二倍弦切角)。

(1)安培力和洛仑兹力的方向均可由左手定则判定,只是洛仑兹力要注意带电粒子的正负;

1)E=nΔΦ/Δt(普适公式){法拉第电磁感应定律,E:感应电动势(V),n:感应线圈匝数,ΔΦ/Δt:磁通量的变化率}

2)E=BLV垂(切割磁感线运动) {L:有效长度(m)}

3)Em=nBSω(交流发电机最大的感应电动势) {Em:感应电动势峰值}

3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定{电源内部的电流方向:由负极流向正极}

十四、交变电流(正弦式交变电流)

4.理想变压器原副线圈中的电压与电流及功率关系

5.在远距离输电中,采用高压输送电能可以减少电能在输电线上的损失损′=(P/U)2R;(P损′:输电线上损失的功率,P:输送电能的总功率,U:输送电压,R:输电线电阻)

6.公式1、2、3、4中物理量及单位:ω:角频率(rad/s);t:时间(s);n:线圈匝数;B:磁感强度(T);

(1)交变电流的变化频率与发电机中线圈的转动的频率相同即:ω电=ω线,f电=f线;

(2)发电机中,线圈在中性面位置磁通量最大,感应电动势为零,过中性面电流方向就改变;

(3)有效值是根据电流热效应定义的,没有特别说明的交流数值都指有效值;

(4)理想变压器的匝数比一定时,输出电压由输入电压决定,输入电流由输出电流决定,输入功率等于输出功率,当负载的消耗的功率增大时输入功率也增大,即P出决定P入;

十五、电磁振荡和电磁波

2.电磁波在真空中传播的速度c=3.00×108m/s,λ=c/f {λ:电磁波的波长(m),f:电磁波频率}

(1)在LC振荡过程中,电容器电量最大时,振荡电流为零;电容器电量为零时,振荡电流最大;

(2)麦克斯韦电磁场理论:变化的电(磁)场产生磁(电)场;

十六、光的反射和折射(几何光学)

1.反射定律α=i {α;反射角,i:入射角}

2.绝对折射率(光从真空中到介质)n=c/v=sin /sin {光的色散,可见光中红光折射率小,n:折射率,c:真空中的光速,v:介质中的光速, :入射角, :折射角}

3.全反射:1)光从介质中进入真空或空气中时发生全反射的临界角C:sinC=1/n

2)全反射的条件:光密介质射入光疏介质;入射角等于或大于临界角

(1)平面镜反射成像规律:成等大正立的虚像,像与物沿平面镜对称;

(2)三棱镜折射成像规律:成虚像,出射光线向底边偏折,像的位置向顶角偏移;

十七、光的本性(光既有粒子性,又有波动性,称为光的波粒二象性)

1.两种学说:微粒说(牛顿)、波动说(惠更斯)

2.双缝干涉:中间为亮条纹;亮条纹位置: =nλ;暗条纹位置: =(2n+1)λ/2(n=0,1,2,3,、、、);条纹间距 { :路程差(光程差);λ:光的波长;λ/2:光的半波长;d两条狭缝间的距离;l:挡板与屏间的距离}

3.光的颜色由光的频率决定,光的频率由光源决定,与介质无关,光的传播速度与介质有关,光的颜色按频率从低到高的排列顺序是:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫(助记:紫光的频率大,波长小)

4.薄膜干涉:增透膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4,即增透膜厚度d=λ/4〔见第三册P25〕

5.光的衍射:光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的,在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下,光的衍射现象不明显可认为沿直线传播,反之,就不能认为光沿直线传播

6.光的偏振:光的偏振现象说明光是横波

7.光的电磁说:光的本质是一种电磁波。电磁波谱(按波长从大到小排列):无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线。红外线、紫外、线伦琴射线的发现和特性、产生机理、实际应用

8.光子说,一个光子的能量E=hν {h:普朗克常量=6.63×10-34J.s,ν:光的频率}

9.爱因斯坦光电效应方程:mVm2/2=hν-W {mVm2/2:光电子初动能,hν:光子能量,W:金属的逸出功}

(1)要会区分光的干涉和衍射产生原理、条件、图样及应用,如双缝干涉、薄膜干涉、单缝衍射、圆孔衍射、圆屏衍射等;

(2)其它相关内容:光的本性学说发展史/泊松亮斑/发射光谱/吸收光谱/光谱分析/原子特征谱线〔见第三册P50〕/光电效应的规律光子说〔见第三册P41〕/光电管及其应用/光的波粒二象性〔见第三册P45〕/激光〔见第三册P35〕/物质波〔见第三册P51〕。

1.α粒子散射试验结果a)大多数的α粒子不发生偏转;(b)少数α粒子发生了较大角度的偏转;(c)极少数α粒子出现大角度的偏转(甚至反弹回来)

2.原子核的大小:10-15~10-14m,原子的半径约10-10m(原子的核式结构)

3.光子的发射与吸收:原子发生定态跃迁时,要辐射(或吸收)一定频率的光子:hν=E初-E末{能级跃迁}

4.原子核的组成:质子和中子(统称为核子), {A=质量数=质子数+中子数,Z=电荷数=质子数=核外电子数=原子序数〔见第三册P63〕}

5.天然放射现象:α射线(α粒子是氦原子核)、β射线(高速运动的电子流)、γ射线(波长极短的电磁波)、α衰变与β衰变、半衰期(有半数以上的原子核发生了衰变所用的时间)。γ射线是伴随α射线和β射线产生的〔见第三册P64〕

6.爱因斯坦的质能方程:E=mc2{E:能量(J),m:质量(Kg),c:光在真空中的速度}

7.核能的计算ΔE=Δmc2{当Δm的单位用kg时,ΔE的单位为J;当Δm用原子质量单位u时,算出的ΔE单位为uc2;1uc2=931.5MeV}〔见第三册P72〕。

(1)常见的核反应方程(重核裂变、轻核聚变等核反应方程)要求掌握;

(2)熟记常见粒子的质量数和电荷数;

(3)质量数和电荷数守恒,依据实验事实,是正确书写核反应方程的关键;

(4)其它相关内容:氢原子的能级结构〔见第三册P49〕/氢原子的电子云〔见第三册P53〕/放射性同位数及其应用、放射性污染和防护〔见第三册P69〕/重核裂变、链式反应、链式反应的条件、核反应堆〔见第三册P73〕/轻核聚变、可控热核反应〔见第三册P77〕/人类对物质结构的认识。(完)

左手定则(安培定则):已知电流方向和磁感线方向,判断通电导体在磁场中受力方向,如电动机。

伸开左手,让磁感线穿入手心(手心对准N极,手背对准S极), 四指指向电流方向 ,那么大拇指的方向就是导体受力方向。

当你把磁铁的磁感线和电流的磁感线都画出来的时候,两种磁感线交织在一起,按照向量加法,磁铁和电流的磁感线方向相同的地方,磁感线变得密集;方向相反的地方,磁感线变得稀疏。磁感线有一个特性就是,每一条磁感线互相排斥!磁感线密集的地方“压力大”,磁感线稀疏的地方“压力小”。于是电流两侧的压力不同,把电流压向一边。拇指的方向就是这个压力的方向。

确定导体切割磁感线运动时在导体中产生的感应电流方向的定则。(发电机)

右手定则的内容是:伸开右手,使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内,把右手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,大拇指指向导体运动方向,则其余四指指向感应电流的方向。

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这是应《现代物理知识》邀请写的文章。这篇文章将尽量不同于我的书《超弦史话》,除了题目比较接近。

阅读费恩曼的物理学讲义,我们注意到作者一开始就提出一个有趣的问题。为了预防未来的一场毁灭性的灾难,不让人类的文明就此毁灭,如果我们只能给未 来的智慧生物留一句话,那么这句话应该是什么?费恩曼提出他的答案:物质世界是由永恒运动着的原子所组成,当这些原子分开时,存在吸引力,当这些原子靠近 时,又存在排斥力。

注意,这里不含任何物理学原理,如量子力学的测不准原理,相对论的光速不变原理。费恩曼的那句话又和一些原理有关,是人类关于我们这个世界目前所知 的最基本的事实。原子的运动是永恒的,这含有惯性原理以及某种程度上的测不准原理。当原子之间的距离足够大是,主导的力是吸引力,这解释了地球上所有物体 为什么具有一定的凝聚性,例如水这样的液体,石头、木头这样的固体,同时又解释了地球本身为什么是一个整体,太阳系为什么是一个整体,银河系为什么是一个 整体。当原子之间的距离变得很小时,主导的力变成排斥力,这解释了我们看到的许许多多的物体为什么具备稳定性,没有在一夜之间塌缩,等等。我们还可以从费 恩曼的那句话中推出热和热传导……

所以,在费恩曼看来人类文明迄今为止所发现的关于世界最重要的事情是还原论。世界虽然在表面开起来多种多样,其实还原后是简单的,只有分子和原子。 当我们继续追问下去的时候,我们发现有很多种原子。这些原子可以被继续还原成电子和原子核。而原子核可以还原成质子和中子,后者又可还原成夸克和胶子。

到了夸克、胶子和电子,人们似乎走不下去了。也许世界是由这些最基本的“砖块”码成的,除了这些砖块之外,还有一些类似的但不常见的砖块。那些砖块需要特殊的仪器才能被我们看到,例如高能加速器。在高能加速器上,我们可以看到类似电子的子,他们看起来非常像电子,除了质量和寿命不同外。除了这些看起来像电子的粒子外,还有中微子,对所有物体有最好的穿透力。用专业术语说,中微子和所有其他粒子的相互作用非常微弱,所以它们可以轻松地穿透物体,包括整个地球本身。

中微子为什么能够轻松地穿过物体?因为在它们和其它粒子如电子和质子之间的相互作用是通过一种我们很难看到的粒子来传递的。这些粒子相比其它粒子来 说质量很大,所以能够传递的力很快就随着距离变小了,加之,这些粒子本身也是极其不稳定的,很快就会衰变成其它粒子。这些粒子叫中间玻色子。

将所有以上提高的粒子加起来,它们组成一个和谐的家庭。这个家庭目前只有一位非常重要的人物缺席,换句话说,我们的仪器还没有强大到可以看到这位重 要人物,它的专业名字叫黑格斯粒子。这个粒子至今还没有被看到的原因有两个,第一它的质量很重,可能是中间玻色子的一倍多到两倍,甚至更重。第二,黑格斯 粒子和其它粒子的相互作用也很弱。黑格斯粒子的命名来自于它的父亲之一,彼得·黑格斯。1964年,除了黑格斯之外,另外五名物理学家,分成两组人,也在 理论上提出了它的存在的可能。所以,有些喜欢八卦的人很担心如果将来在某个仪器上,如明年将要运转的大型强子对撞机上,发现黑格斯粒子,彼得·黑格斯有无 可能获得诺贝尔物理学奖,因为诺贝将不能同时奖给三个以上的科学家。

为什么黑格斯粒子这么重要?因为如果没有它,许多粒子不会有质量,特别是电子和中微子这些叫做轻子的粒子。质子和中子的质量只有一小部分来自于黑格 斯粒子,大部分质量来自于今天我们还没有完全理解的所谓的色动力学,就是胶子引起的相互作用。在我们所处的空间中,黑格斯粒子所对应的场无所不在。有人打 了一个很形象的比方,黑格斯场就像一场晚宴中的众宾客充斥着空间,而其它粒子们就像晚宴中的重要客人,当任何一位这样的客人移动的时候,引起周围普通客人 的围观和招呼甚至索要签名,使得他们难以移动,于是质量就增加了。

欧洲核子中心的大型强子对撞机的主要目的是发现黑格斯粒子。这只是书面上的理由,很多参加这项宏大实验的物理学家以及相关的人则希望除了黑格斯粒子 外,强子对撞机还会发现一些我们在理论已经预料和没有料到的粒子和现象。因为,很多迹象表明,即使将黑格斯发现使之和粒子大家庭团聚,这个表面上看起来很 和谐的家庭总有种种问题,有破裂的迹象。所以,我们期待更多更新的成员加入大家庭。几乎所有高能物理界的同行都期待强子对撞机在今后几年为我们带来惊喜。

(上图是探测器之一Atlas上用来确定粒子轨迹的光谱仪)

凡事总有例外,肯定有一部分人认为黑格斯粒子是最后的圣杯,被我们找到之后粒子物理的标准模型就完全确立,今后我们不会再有任何所谓的基础物理的发 现了。就像19世纪末开尔文勋爵说的那样,今后几代粒子物理学家的任务将是寻找每个物理学参数的小数点后几位的数字。这种工作将使得粒子物理显得更加不重 要,不吸引人。如果我们有精力和金钱去做这样的事,有人会说,真的不如去做与日常生活更密切相关的研究,例如材料物理,生物物理,量子计算,等等。

但是,同一个开尔文勋爵也说过,物理学的晴空中还漂浮着两朵乌云。这句话放在今天再适合不过,一百多年后,物理学的晴空中又升起了两朵乌云。这两朵 乌云相比开尔文时代的乌云看起来更加诡异,更加不可捉摸。这两朵乌云都和高能物理的兄弟学科宇宙学有关。其中一朵乌云出现的时间长些,就是所谓的暗物质。 天文观测表明,在类似银河系的大多数星系中,存在一些利用传统的观测手段看不到的物质。这些物质既不发光,也不辐射其它波段的电磁波,甚至也不辐射其它轻 粒子,所以叫做暗物质。暗物质的存在改变了星系、星系团这些巨大系统的引力结构,所以暗物质参与万有引力相互作用。

暗物质的构成到今天还不十分清楚。有些人认为这些看不见的物质可能是燃烧完的恒星,甚至黑洞,如果我们还不能完全排除它们,这些“正常”的候选者肯 定不是暗物质的主要成分。剩下的最有可能的是基本不怎么参与相互作用的粒子,如所谓的轴子,超对称理论中的中性微子,等。如果是超对称理论中的最轻的中性 粒子,这个粒子很可能在强子对撞机中其它超对称粒子的衰变过程中产生。一位不相信超对称的粒子物理学家曾经说过,如果超对称是可能的话,中性微子是最好的 理由。他的观点代表了很多人的看法,所以不相信超对称的人对超对称偶尔也会致敬。无论如何,暗物质的存在暗示了所谓的标准粒子模型肯定不是最终理论。

暗物质也许离我们的日常生活足够遥远,但它却和宇宙今天的格局息息相关。毫不夸张地说,如果我们喜欢追根究底,我们会发现如果没有暗物质,人类的存 在就是不可能的事情。原因很简单,在宇宙的年龄只有几亿年的时候,我们今天看到的一些恒星和星系开始形成,形成的原因是宇宙中的物质密度不是严格均匀的。 但是,如果没有暗物质,那个时候的物质密度非均匀性不够大,不足以使得通常的物质形成恒星和星系。没有恒星和星系,自然就不会有
身为第三代恒星的太阳,自然也不会有人类产生。

在谈第二朵乌云之前,我们再说几句关于大型强子对撞机的话。对于一个粒子物理学家来说,天空中的乌云远远不止两朵。他们会说,标准模型中有这样的问 题,有那样的问题,这些问题都可能导致灭顶的大问题。是否这些问题离我们不远,强子对撞机很快机会告诉我们答案。我个人觉得,当强子对撞机开始运转之后, 我们打开了偷窥自然的一扇重要的窗口。非常有可能,许许多多不大不小的乌云从这个窗口逸出,布满我们以为干净晴朗的物理学天空。

(子弹星系团,目前暗物质存在的最好的观测证据)

(星系团CL0024+17,环状暗物质引起的引力透镜效果非常明显)

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