The solution before revision #12271 of , by astrosander. This is not the current version.

Условие

Возможны два типа линейных колебаний молекулы углекислого газа: а) ядра кислорода движутся в противоположные стороны, а ядро углерода остается на месте; б) ядра кислорода движутся с одинаковыми скоростями в направлении, противоположном направлению движения ядра углерода. Определите отношение частот этих колебаний.

Решение

Обозначим жесткость пружинок модели молекулы , массу шариков - атомов кислорода и массу шарика - атома углерода ().

Совершая колебания типа а), оба атома кислорода колеблются синхронно относительно неподвижного атома углерода. Эго связано с тем, что в силу симметрии колебании атомов кислорода на атом углерода в любой момент действуют с обеих сторон равные по абсолютной величине и противоположно направленные силы, которые "уравновешивают" друг друга. Поэтому в случае а) атомы кислорода совершают свободные колебания, период которых равен

При колебаниях типа б) на атом углерода действуют равные по абсолютной величине силы, по направлены они в одну к ту же сторону. Если шарик - атом углерода разбить на две равные части, то ясно, что они будут колебаться как одно целое: на них всегда действуют равные силы и, следовательно, шарики-половинки и любой момент будут иметь одинаковые ускорения, скорости и координаты. Частота колебаний молекулы , равна чистоте колебаний системы, состоящей из атома кислорода и половины атома углерода. Таким образом, задача сводится к определению периода колебании соединенных пружинкой шариков массы и . Такие шарики колеблются около неподвижного центра масс системы. Если длина пружинки в нерастянутом состоянии равна , то центр масс системы находится на расстоянии от шарика массы . Поэтому можно считать, что шарик массы (атом кислорода) колеблется относительно центра масс на пружинке длины

.

Жесткость части пружинки больше жесткости целой пружинки. Так как жесткость обратно пропорциональна отношению длины этой части к длине целой пружины, то жесткость части пружинки

Период колебаний шарика массы на пружинке жесткости равен
б,

ба.

Так как , то:
ба.

Следовательно, отношение частот:
ба.

Ответ

ба.