Лекции По Физике Оптике Для Дневников (Переверзев В. Г
.).pdf14.1. Понятие о колебательных процессах
Колебаниями называются движения или процессы, обладающие той или иной повторяемостью во времени.
Примеры колебаний:
1.колебание величины заряда на обкладках конденсатора в колебательном контуре;
2.колебание грузика, закрепленного на пружине;
3.колебание маятника.
14.1.1. Гармонические колебания
Гармонические колебания - это такие колебания, при которых колеблющаяся величина x изменяется со временем по закону синуса, либо косинуса:
,
или
где A- амплитуда;
ω- круговая частота;
α- начальная фаза;
( ωt + α) - фаза.
14.1.1.1. Фаза колебания
Фаза колебания - это аргумент гармонической функции: ( ωt + α). Начальная фаза α- это значение фазы в начальный момент времени, т.е. при t= 0.
14.1.1.2. Амплитуда колебания
Амплитуда колебания A- это наибольшее значение колеблющейся величины.
14.1.1.3. Круговая или циклическая частота ω
При изменении аргумента косинуса, либо синуса на 2πэти функции возвращаются к прежнему значению. Найдем промежуток времени T, в течение которого фаза гармонической функции изменяется на 2π.
ω(t + T) + α = ωt + α + 2π,
или
ωT = 2π.
.
Время Tодного полного колебания называется периодом колебания. Частотой ν называют величину, обратную периоду
.
Единица измерения частоты - герц (Гц), 1 Гц = 1 с-1.
Так как
,
то
.
Круговая, или циклическая частоты ωв 2πраз больше частоты колебаний ν. Круговая частота - это скорость изменения фазы со временем. Действительно:
.
14.1.1.4. График гармонического колебания
14.2Дифференциальное уравнение гармонических колебаний
14.2.1Колеблющиеся системы
Рассмотрим колебания в трех системах:
а) колебания заряда в колебательном контуре L,C;
б) колебания грузика, прикрепленного к пружине;
в) колебание физического маятника - любого тела, совершающего колебания вокруг горизонтальной оси, не проходящей через его центр тяжести.
14.2.2 Колеблющиеся величины
q- заряд |
x - координата грузика |
φ- угол отклонения |
|
||
14.2.3. Уравнения движения |
|
Уравнение динамики вращательного |
Закон Ома (10.7) |
Второй закон Ньютона (4.6) |
|
|
|
движения (7.3) |
14.2.4. Применим закон движения, т.е. учтем особенности наших систем:
Используя другое обозначение производной получим после несложных преобразований:
Мы получили дифференциальные уравнения, описывающие движения наших систем. В первых двух случаях уравнения одинаковы по форме, в третьем случае второй член уравнения содержит не φ, а Sin φ. Если рассматривать только малые отклоне-
ния маятника от положения равновесия, то тогда, при φ<< 1, Sin φ ≈ φ и мы имеем:
|
|
. |
Введем обозначения: |
|
|
, |
, |
, |
, |
, |
. |
|
|
14.2.5. Дифференциальное уравнение колебательного движения
Для всех трех рассмотренных случаев имеем одно и то же дифференциальное уравнение колебательного движения
.
14.2.6. Решение дифференциального уравнения
Решением дифференциального уравнения называется функция, обращающая это уравнение в тождество.
Нетрудно проверить прямой подстановкой, что в нашем случае решение имеет вид:
|
, |
т.е. является гармонической функцией. Значит уравнение |
, это дифференциальное уравнение гармонических ко- |
лебаний. |
|
14.3. Сложение колебаний
14.3.1. Векторная диаграмма
Векторная диаграмма - это способ графического задания колебательного движения в виде вектора.
Аналитическое задание колеба- |
Графическое задание колебательного |
тельного движения |
движения |
Вдоль горизонтальной оси откладывается колеблющаяся величина ξ(любой физической природы). Вектор , отложенный из точки 0 равен по модулю амплитуде колебания Aи направлен под углом α, равным начальной фазе колебания, к оси ξ. Если привести этот вектор во вращение с угловой скоростью ω, равной циклической частоте колебаний, то проекция этого вектора на ось ξдает значение колеблющейся величины в произвольный момент времени.
14.3.2. Сложение колебаний одинаковой частоты и одинакового направления
Пусть складывается два колебания:
строим векторные диаграммы и складываем векторы:
По теореме косинусов .
Так как
,
то
.
Очевидно (см. диаграмму), что начальная фаза результирующего колебания определяется соотношением:
.
14.3.3. Сложение колебаний близких частот
Пусть складывается два колебания с почти одинаковыми частотами, т.е.
, .
Из тригонометрии: |
. Применяя к нашему случаю, получим: |