Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Скорость автомобиля сотрудники милиции измеряют дистанционно, с помощью радаров-локаторов. Принципы работы таких дистанционных спидометров могут быть различными. В данной задаче рассматриваются некоторые из них.

Считаем, что в начальный момент времени машина
1.1 Запишите законы движения обоих автомобилей
Нарисуй две прямые на координатной оси времени: где находятся обе машины в моменте t и как они движутся со временем?
Запиши уравнения равномерного движения для каждой машины в общем виде
- Подпиши начальные координаты для каждой машины (
и ). - Запиши для машины a и машины b уравнения вида
и с подставленными начальными значениями из условия. - Нарисуй на одном графике обе зависимости
и укажи направление движения и углы наклона линий. - Вырази окончательно
и из полученной системы уравнений.
1.1 Так как автомобили движутся равномерно, то законы их движения имеют вид
1.2 Постройте графики законов движения двух последовательно испущенных импульсов. Рассчитайте и укажите на графике: времена
Запишите также закон движения посланных и отраженных импульсов
Нарисуй на том же графике мировые линии двух последовательно посланных импульсов: прямые с наклоном, соответствующим скорости распространения сигналов, и укажи моменты посылки, отражения и приёма.
Запиши уравнение для луча (импульса) как линейную зависимость
- Обозначь моменты испускания
и соответствующие координаты через номер импульса и период ; запиши их в общем виде. - Запиши уравнение движения импульса до отражения и приравняй его к уравнению движения машины a, чтобы получить условие на
; подпиши координату отражения как . - Запиши уравнение движения отражённого импульса и приравняй его к движению машины b, чтобы получить условие на
и координату . - Выразите
из полученной системы уравнений.
1.2 Импульс номер
Закон движения импульса до отражения имеет вид
В момент отражения координаты импульса и автомобиля равны
И координату соответствующей точки
После отражения импульс движется в противоположном направлении по закону
Для определения координаты первого автомобиля и момента времени, когда будет зарегистрирован отраженный сигнал, необходимо решить уравнение
Графики найденных законов движения автомобилей и импульсов показаны на рисунке.
1.3 Рассчитайте время
1.3 Время между приходами двух последовательных импульсов
При
1.4 Рассчитайте численное относительного изменения времени между посланными и принятыми импульсами
1.4 Относительное изменение интервала между импульсами равно
Если разность скоростей составляет величину порядка
2.1 Рассчитайте значения длин волн посланной
2.1 За период одного колебания волна проходит расстояние,
Время между отражениями двух максимумов волны от движущегося автомобиля можно рассчитать по формуле
Длина отраженной волны рассчитывается по формуле аналогичной формуле (11)
2.2 Определите частоту
Сопоставь времена между максимумами приёмной волны в системе радара и найди, как изменится частота приёма по сравнению с исходной.
Используй соотношение
- Запиши
как отношение длины отражённой волны к скорости распространения волны относительно локатора . - Вычисли
и запиши отношение в точной форме через . - Разложи полученное отношение по малым параметрам
и , оставив первый порядок по . - Выразите относительное изменение частоты
из полученного приближённого разложения.
2.2 По аналогии с формулой (12) запишем интервал между приемами максимумов отраженной волны движущимся локатором
Следовательно, частота принятого сигнала равна
Относительное изменение частоты определяется по формуле
Что совпадет с формулой (10), полученной в первой части.
3.1 Покажите что амплитуда сумма двух сигналов, посылаемого и принятого отраженного, испытывает периодические изменения (биения). Считайте, что амплитуды этих сигналов выравниваются. Запишите закон изменения амплитуды суммарного сигнала с течением времени. Найдите период биений.
Представь две гармоники близких частот, сложи их и посмотри на результат: что происходит с амплитудой полученного сигнала со временем?
Запиши оба сигнала как косинусы с частотами
- Запиши входной и принятый сигналы в виде
и (полагая выровненные амплитуды). - Применив формулу суммы, выпиши выражение для суммарного сигнала как произведения быстрого и медленного множителей; определи выражение для огибающей амплитуды
. - Определи частоту биений как модуль половины разности угловых частот и запиши период биений как обратную величину этой частоты.
- Выразите закон изменения амплитуды суммарного сигнала и период биений через
(или через и с использованием связи частот).
3.2 Получите приближенное выражение для относительной скорости автомобиля, выразив ее через измеряемый период биений. Является ли измеренное указанным способом значение скорости мгновенной (в строгом смысле) скоростью?
Что непосредственно измеряется в эксперименте — период биений суммарного сигнала? Подумай, какая величина колеблется с этим периодом: фаза, частота или амплитуда суммарного колебания.
Биения возникают из-за разности частот посланного и отражённого сигналов: частота биений равна разности этих частот. Разность частот связана с относительной скоростью при отражении (допплеровское смещение) — используй приближение для малых скоростей
- Запиши, что частота биений
равна разности принятой и посланной частотби би . - Запиши приближенное выражение для сдвига частоты отражённого сигнала в терминах относительной скорости
(используй линейный поотн член допплеровского смещения).отн - Подставь это выражение в соотношение из первого шага и свяжи
сби .отн - Вырази
через измеренный период биенийотн из полученной системы.би
3.2 Из формулы (20) следует, что относительная скорость движения автомобилей может быть рассчитана следующим образом
Эта скорость не является мгновенной, так как для измерения периода биений должно пройти время, по крайней мере, равное этому периоду.
При указанных численных значениях параметров период биений равен
и может быть достаточно просто измерен.
3.3 Пусть относительная скорость автомобиля равна
3.3 Относительное смещение автомобилей равно примерно равно длине волны посылаемого сигнала.