начальная фаза колебаний чему равна
Фаза колебаний.
Фаза колебаний — это аргумент периодически изменяющейся функции, описывающей колебательный или волновой процесс. Для гармонических колебаний:
где φ = ωt + φ0 — фаза колебания, А — амплитуда, ω — круговая частота, t — время, φ0 — начальная (фиксированная) фаза колебания; в момент времени t = 0φ = φ0. Фаза выражается в радианах.
Фаза гармонического колебания при постоянной амплитуде определяет не только координату колеблющегося тела в любой момент времени, но и скорость и ускорение, которые тоже изменяются по гармоническому закону (скорость и ускорение гармонических колебаний — это первая и вторая производные по времени функции (см. рис. ниже), которые, как известно, снова дают синус и косинус). Поэтому можно сказать, что фаза определяет при заданной амплитуде состояние колебательной системы в любой момент времени.
Два колебания с одинаковыми амплитудами и частотами могут отличаться друг от друга фазами. Так как ω = 2π/Т, то
Отношение t/T показывает, какая часть периода прошла от момента начала колебаний. Любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженной в радианах.
Сплошная кривая на рисунке — это зависимость координаты от времени и одновременно от фазы колебаний (верхние и нижние значения на оси абсцисс соответственно) для точки, совершающей гармонические колебания по закону:
Здесь начальная фаза равна нулю φ0 = 0. В начальный момент времени амплитуда максимальна. Это соответствует случаю колебаний тела, прикрепленного к пружине (или маятника), которое в начальный момент времени отвели от положения равновесия и отпустили. Описание колебаний, начинающихся из положения равновесия (например, при кратковременном толчке покоящегося шарика), удобнее вести с помощью функции синуса:
Как известно, cos φ = sin (φ + π/2), поэтому колебания, описываемые уравнениями x = xm cos ω0 t и x = xm sin ω0 t, отличаются друг от друга только фазами. Разность фаз, или сдвиг фаз, составляет π/2. Чтобы определить сдвиг фаз, нужно колеблющуюся величину выразить через одну и ту же тригонометрическую функцию — косинус или синус. Пунктирная кривая на рисунке выше (это график уравнения x = xm sin ω0 t) сдвинута относительно сплошной на π/2.
Начальная фаза колебаний
Определение фазы колебаний
Начальная фаза колебаний и способ возбуждения колебаний
Возведем в квадрат оба уравнения (2) и сложим их:
Из выражения (4) имеем:
Разделим уравнение (3) на (2), получим:
с начальными условиями:
\[x\left(0\right)=x_0;;\ \dot
При таком возбуждении колебания пружинного маятника можно описывать выражением:
Сложение колебаний и начальная фаза
Тело, совершающее колебания, способно принимать участие в нескольких колебательных процессах одновременно. В таком случае возникает необходимость выяснить, каким будет результирующее колебание.
Допустим, что два колебания с равными частотами происходят по одной прямой. Уравнением результирующих колебаний будет выражение:
тогда амплитуда суммарного колебания равна:
В случае равенства начальных фаз составляющих колебаний уравнение траектории имеет вид:
что говорит о движении точки по прямой линии.
что означает, траектория движения эллипс.
Примеры задач с решением
начальными условиями будут:
Решение. Запишем уравнение гармонических колебаний по оси X:
Преобразуем заданные в условии задачи уравнения к этому же виду:
Сравнивая уравнения (2.2) с (2.1) получим, что начальные фазы колебаний равны:
Изобразим на рис.1 векторную диаграмму колебаний.
Начальная фаза колебаний – точки, формулы, единица измерения в физике
Одной из характеристик колебательного процесса в физике является фаза. Особенно важным этот параметр становится, когда сравниваются два колебания одинаковой частоты. Начальная фаза колебаний характеризует начало отклонения, когда система выводится из равновесия.
Понятие фазы колебательного процесса
Любой колебательный процесс может быть представлен в виде бесконечной суммы простейших гармонических колебаний. Гармоническое колебание — это колебание, которое совершается по закону круговых функций (синуса или косинуса).
Рис. 1. График гармонической функции.
Формула гармонического колебания имеет следующий вид:
$$X = X_m sin(omega t+varphi)$$
Рис. 2. Фаза колебания.
Значение начальной фазы колебательного процесса
Точка начальной фазы колебаний характеризует значение параметра функции в нулевой момент времени. Учитывая, что для того, чтобы система начала колебаться, она должна быть выведена из положения равновесия, начальная фаза колебаний характеризует именно это начальное отклонение, которое хорошо видно на графике функции.
Для нитяного или пружинного маятника зачастую начальная фаза колебаний также характеризует точку максимального отклонения.
Но наибольшее значение начальная фаза колебаний принимает для случая, когда происходит два и более колебательных процесса одинаковой частоты. При одинаковой частоте разность фаз колебаний в этих процессах будет постоянна. Следовательно, именно от начальной фазы зависит взаимное значение колебаний.
Например, если в обоих колебательных процессах, происходящих с равной частотой, начальные фазы будут равны, то нулевые и амплитудные значения обоих процессов будут всегда достигаться одновременно. Говорят, что процессы происходят синфазно.
При других начальных фазах такие процессы будут меняться «с отставанием» или «с опережением», в зависимости от конкретных значений. И, поскольку их частота одинакова, то отставание или опережение будет постоянно. Нулевые и амплитудные значения никогда не будут достигнуты одновременно.
Рис. 3. Разность фаз колебаний.
Что мы узнали?
Фаза колебания — это аргумент гармонической функции в ее формуле. Фактически это конкретный момент колебания. Начальная фаза — это аргумент в нулевой момент времени. Наибольшее значение начальная фаза колебаний играет при сравнении различных колебаний с одинаковой частотой.
Начальная фаза колебаний
Всего получено оценок: 246.
Всего получено оценок: 246.
Одной из характеристик колебательного процесса в физике является фаза. Особенно важным этот параметр становится, когда сравниваются два колебания одинаковой частоты. Начальная фаза колебаний характеризует начало отклонения, когда система выводится из равновесия.
Понятие фазы колебательного процесса
Любой колебательный процесс может быть представлен в виде бесконечной суммы простейших гармонических колебаний. Гармоническое колебание — это колебание, которое совершается по закону круговых функций (синуса или косинуса).
Рис. 1. График гармонической функции.
Формула гармонического колебания имеет следующий вид:
$$X = X_m sin(\omega t+\varphi)$$
Рис. 2. Фаза колебания.
Значение начальной фазы колебательного процесса
Точка начальной фазы колебаний характеризует значение параметра функции в нулевой момент времени. Учитывая, что для того, чтобы система начала колебаться, она должна быть выведена из положения равновесия, начальная фаза колебаний характеризует именно это начальное отклонение, которое хорошо видно на графике функции.
Для нитяного или пружинного маятника зачастую начальная фаза колебаний также характеризует точку максимального отклонения.
Но наибольшее значение начальная фаза колебаний принимает для случая, когда происходит два и более колебательных процесса одинаковой частоты. При одинаковой частоте разность фаз колебаний в этих процессах будет постоянна. Следовательно, именно от начальной фазы зависит взаимное значение колебаний.
Например, если в обоих колебательных процессах, происходящих с равной частотой, начальные фазы будут равны, то нулевые и амплитудные значения обоих процессов будут всегда достигаться одновременно. Говорят, что процессы происходят синфазно.
При других начальных фазах такие процессы будут меняться «с отставанием» или «с опережением», в зависимости от конкретных значений. И, поскольку их частота одинакова, то отставание или опережение будет постоянно. Нулевые и амплитудные значения никогда не будут достигнуты одновременно.
Что мы узнали?
Фаза колебания — это аргумент гармонической функции в ее формуле. Фактически это конкретный момент колебания. Начальная фаза — это аргумент в нулевой момент времени. Наибольшее значение начальная фаза колебаний играет при сравнении различных колебаний с одинаковой частотой.
Гармонические колебания
9 класс, 11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Механические колебания
Механические колебания — это физические процессы, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.
Колебания делятся на два вида: свободные и вынужденные.
Свободные колебания
Это колебания, которые происходят под действием внутренних сил в колебательной системе.
Они всегда затухающие, потому что весь запас энергии, сообщенный в начале, в конце уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (в этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю). Из-за этого свободные колебания почти не имеют практического применения.
Вынужденные колебания
А вот вынужденные колебания восполняют запас энергии внешним воздействием. Если это происходит каждый период, то колебания вообще затухать не будут.
Частота, с которой эта сила воздействует, равна частоте, с которой система будет колебаться.
Например, качели. Если вас кто-то будет на них качать, каждый раз давая толчок, когда вы приходите в одну и ту же точку — такое колебание будет считаться вынужденным.
Это колебание все еще будет считаться вынужденным, если вас будут раскачивать из положения равновесия. Просто в данном случае амплитуда (о которой речь пойдет чуть ниже) будет увеличиваться с каждым колебанием.
Автоколебания
Иногда вынужденному колебанию не нужно внешнего воздействия, чтобы случиться. Бывают такие системы, в которых это внешние воздействие возникает само из-за способности регулировать поступление энергии от постоянного источника.
У автоколебательной системы есть три важных составляющих:
Часы с кукушкой — пример автоколебательной системы. Гиря на ниточке (цепочке) стремится вращать зубчатое колесо (храповик). При колебаниях маятника анкер цепляет за зубец, и вращение приостанавливается.
Но в результате маятник получает толчок, компенсирующий потери энергии из-за трения. Потенциальная энергия гири, которая постепенно опускается, расходуется на поддержание незатухающих колебаний.
Характеристики колебаний
Чтобы перейти к гармоническим колебаниям, нам нужно описать величины, которые помогут нам эти колебания охарактеризовать. Любое колебательное движение характеризуется величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.
Формула периода колебаний
T = t/N
N — количество колебаний [-]
Также есть величина, обратная периоду — частота. Она показывает, сколько колебаний совершает система в единицу времени.
Формула частоты
ν = N/t = 1/T
N — количество колебаний [-]
Она используется в уравнении гармонических колебаний:
Гармонические колебания
Простейший вид колебательного процесса — простые гармонические колебания, которые описывают уравнением:
Уравнение гармонических колебаний
x — координата в момент времени t [м]
t — момент времени [с]
2πνtв этом уравнении — это фаза. Ее обозначают греческой буквой φ
Фаза колебаний
t — момент времени [с]
Например, в тех же самых часах с кукушкой маятник совершает колебания. Он качается слева направо и приходит в самую правую точку. В той же фазе он будет находиться, когда придет в ту же точку, идя справа налево. Если мы возьмем точку на сантиметр левее самой правой, то идя в нее не слева направо, а справа налево, мы получим уже другую фазу.
На рисунке ниже показаны положения тела через одинаковые промежутки времени при гармонических колебаниях. Такую картину можно получить при освещении колеблющегося тела короткими периодическими вспышками света (стробоскопическое освещение). Стрелки изображают векторы скорости тела в различные моменты времени.
Если изменить период, начальную фазу или амплитуду колебания, графики тоже изменятся.
На рисунке ниже во всех трех случаях для синих кривых начальная фаза равна нулю, а в последнем (с) — красная кривая имеет меньшую начальную фазу.
Во втором случае (b) красная кривая отличается от синей только значением периода — у красной период в два раза меньше.
Математический маятник
Математический маятник — отличный пример гармонических колебаний. Если мы подвесим шарик на нити, то это еще не будет математическим маятником — пока он только физический.
Математическим этот маятник станет, если размеры шарика много меньше длины нити (тогда этими размерами можно пренебречь и рассматривать шарик как материальную точку), растяжение нити очень мало, а масса нити во много раз меньше массы шарика.
Математическим маятником называется система, которая состоит из материальной точки массой m и невесомой нерастяжимой нити длиной l, на которой материальная точка подвешена, и которая находится в поле силы тяжести (или других сил).
Период малых колебаний математического маятника в поле силы тяжести Земли определяется по формуле:
Формула периода колебания математического маятника
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Пружинный маятник
Пружинный маятник — это груз, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь.
В пружинном маятнике колебания совершаются под действием силы упругости.
Пока пружина не деформирована, сила упругости на тело не действует.
