--> Ãàðìîíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ. Ôèçèêà. 11 êëàññ

 


Ñîäåðæàíèå

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà. 11 êëàññ. Ïóðûøåâà

Ãëàâà 3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ è âîëíû

 


Ãàðìîíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ

Ñêîðîñòü è óñêîðåíèå ïðè ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèÿõ

2. Âåðí¸ìñÿ ê àíàëîãèè ìåæäó âðàùàòåëüíûì è êîëåáàòåëüíûì äâèæåíèÿìè, ÷òîáû çàïèñàòü óðàâíåíèå ñêîðîñòè êîëåáëþùåãîñÿ òåëà. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà 71, ïðîåêöèÿ íà îñü ÎÕ âåêòîðà ñêîðîñòè äâèæåíèÿ òî÷êè â ïîëîæåíèè À ðàâíà íóëþ, à â ïîëîæåíèè Ñ îíà ìàêñèìàëüíà, îäíàêî íàïðàâëåíà â ñòîðîíó, ïðîòèâîïîëîæíóþ ñìåùåíèþ. Ñëåäîâàòåëüíî, åñëè êîîðäèíàòà êîëåáàíèé ïðîåêöèè íà îñü ÎÕ òî÷êè, äâèæóùåéñÿ ïî îêðóæíîñòè, èçìåíÿåòñÿ ïî çàêîíó êîñèíóñà õ = xmcos ωt, òî å¸ ñêîðîñòü èçìåíÿåòñÿ ïî çàêîíó ñèíóñà ñ îáðàòíûì çíàêîì, υ = -υmsin ωt.

Êàê âû çíàåòå, óñêîðåíèå êîëåáàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ñìåùåíèþ ñ îáðàòíûì çíàêîì, ïîýòîìó à ~ õ èëè à ~ xmcos ωt, ò. å. à = -àm cos ωt. Òàêèì îáðàçîì, ñêîðîñòü è óñêîðåíèå êîëåáàòåëüíîãî äâèæåíèÿ, òàê æå êàê è ñìåùåíèå, èçìåíÿþòñÿ ïî ãàðìîíè÷åñêîìó çàêîíó.

Âûÿñíèì, ÷åìó ðàâíû àìïëèòóäíûå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ.

Çà âðåìÿ, ðàâíîå ïåðèîäó êîëåáàíèé Ò, òî÷êà, äâèãàÿñü ïî îêðóæíîñòè, äåëàåò îäèí îáîðîò, à å¸ ïðîåêöèÿ ñîâåðøàåò îäíî ïîëíîå êîëåáàíèå. Çà ýòî âðåìÿ òî÷êà ïðîõîäèò ïóòü S, ðàâíûé äëèíå îêðóæíîñòè, ò. å. S = 2πR èëè S = 2πõm. Ñîîòâåòñòâåííî ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ òî÷êè ïî îêðóæíîñòè υ ðàâíà ìàêñèìàëüíîé ñêîðîñòè êîëåáàíèé ïðîåêöèè ýòîé òî÷êè íà îñü ÎÕ:

Çà ýòî æå âðåìÿ, ðàâíîå ïåðèîäó, ðàäèóñ-âåêòîð òî÷êè ïîâîðà÷èâàåòñÿ íà óãîë, ðàâíûé 2ë, è óãëîâàÿ ñêîðîñòü òî÷êè è ñîîòâåòñòâåííî öèêëè÷åñêàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé ðàâíà Ïîäñòàâèâ ýòî ðàâåíñòâî â ôîðìóëó ñêîðîñòè, ïîëó÷èì υm = ωõm.

Öåíòðîñòðåìèòåëüíîå óñêîðåíèå, ñ êîòîðûì òî÷êà äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè, è ñîîòâåòñòâåííî àìïëèòóäà óñêîðåíèÿ êîëåáàíèé åãî ïðîåêöèè ðàâíà àm = ω2õm. Ýòî ðàâåíñòâî ñïðàâåäëèâî è äëÿ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé ñìåùåíèÿ è óñêîðåíèÿ: à = ω2x.

Ó÷èòûâàÿ ïîëó÷åííûå âûðàæåíèÿ äëÿ àìïëèòóäíûõ çíà÷åíèé ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ êîëåáàíèé, ïåðåïèøåì óðàâíåíèÿ çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ êîëåáàíèé îò âðåìåíè:

    υ = -ωxmsin ωt; à = -ω2xmcos ωt.

Íà ðèñóíêå 73 ïðèâåäåíû ãðàôèêè çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ îò âðåìåíè ïðè ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèÿõ.

    Ðèñ. 73

Óòî÷íèì ôèçè÷åñêèé ñìûñë ïîíÿòèÿ ôàçû êîëåáàíèé. Èç ïîëó÷åííûõ óðàâíåíèé âèäíî, ÷òî ïðè çàäàííîé àìïëèòóäå ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé, çíàÿ ôàçó êîëåáàíèé, ìîæíî â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè îïðåäåëèòü çíà÷åíèÿ ñìåùåíèÿ, ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ êîëåáàíèé. Òàêèì îáðàçîì,

ôàçà ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ñîñòîÿíèå êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè.

Ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû

3. Âûâåäåííàÿ èç ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ êîëåáàòåëüíàÿ ñèñòåìà ñîâåðøàåò ñâîáîäíûå êîëåáàíèÿ ñ îïðåäåë¸ííîé ÷àñòîòîé. Ýòà ÷àñòîòà îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû, ïîýòîìó å¸ íàçûâàþò ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû.

Ïðèðàâíèâàÿ âûðàæåíèÿ äëÿ óñêîðåíèÿ è à = ω2x, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî äëÿ ïðóæèííîãî ìàÿòíèêà ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé îïðåäåëÿåòñÿ ðàâåíñòâîì

    äëÿ ïðóæèííîãî ìàÿòíèêà ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé

Ñëåäîâàòåëüíî, ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà ïðóæèííîãî ìàÿòíèêà çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû — ìàññû ãðóçà è æ¸ñòêîñòè ïðóæèíû.

Àíàëîãè÷íî ìîæíî çàïèñàòü ôîðìóëó, âûðàæàþùóþ çàâèñèìîñòü ÷àñòîòû êîëåáàíèé ìàòåìàòè÷åñêîãî ìàÿòíèêà îò ïàðàìåòðîâ ýòîé êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû. Íàïîìíèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìîé ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìà «ìàÿòíèê — Çåìëÿ». Ïîñêîëüêó è à = ω2x, ìîæíî çàïèñàòü

îòêóäà

<<< Ê íà÷àëó      Îêîí÷àíèå >>>

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->