- Тестирование онлайн
- Гармоническое колебание
- График гармонического колебания
- Уравнение гармонического колебания
- Изменение скорости и ускорения при гармоническом колебании
- Максимальные значения скорости и ускорения
- Как получить зависимости v(t) и a(t)
- Гармонические колебания в физике — формулы и определение с примерами
- Основные параметры гармонических колебаний
- Гармонические колебания пружинного маятника
- Гармонические колебания математического маятника
- Скорость и ускорение при гармонических колебаниях
- Превращения энергии при гармонических колебаниях
- Теоретический материал
- Превращения энергии при гармонических колебаниях
- Энергия при гармонических колебаниях
- Гармонические колебания.
- 🔥 Видео
Видео:Урок 330. Скорость и ускорение при гармонических колебанияхСкачать

Тестирование онлайн
Видео:Выполнялка 53.Гармонические колебания.Скачать

Гармоническое колебание
Это периодическое колебание, при котором координата, скорость, ускорение, характеризующие движение, изменяются по закону синуса или косинуса.
Видео:Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.Скачать

График гармонического колебания
График устанавливает зависимость смещения тела со временем. Установим к пружинному маятнику карандаш, за маятником бумажную ленту, которая равномерно перемещается. Или математический маятник заставим оставлять след. На бумаге отобразится график движения.

Графиком гармонического колебания является синусоида (или косинусоида). По графику колебаний можно определить все характеристики колебательного движения.
Видео:Уравнения и графики механических гармонических колебаний. Практ. часть - решение задачи. 11 класс.Скачать

Уравнение гармонического колебания
Уравнение гармонического колебания устанавливает зависимость координаты тела от времени

График косинуса в начальный момент имеет максимальное значение, а график синуса имеет в начальный момент нулевое значение. Если колебание начинаем исследовать из положения равновесия, то колебание будет повторять синусоиду. Если колебание начинаем рассматривать из положения максимального отклонения, то колебание опишет косинус. Или такое колебание можно описать формулой синуса с начальной фазой 
Видео:Гармонические колебания | Физика 9 класс #25 | ИнфоурокСкачать

Изменение скорости и ускорения при гармоническом колебании
Не только координата тела изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Но и такие величины, как сила, скорость и ускорение, тоже изменяются аналогично. Сила и ускорение максимальные, когда колеблющееся тело находится в крайних положениях, где смещение максимально, и равны нулю, когда тело проходит через положение равновесия. Скорость, наоборот, в крайних положениях равна нулю, а при прохождении телом положения равновесия — достигает максимального значения.
Если колебание описывать по закону косинуса

Если колебание описывать по закону синуса

Видео:5.4 Уравнение гармонических колебанийСкачать

Максимальные значения скорости и ускорения
Проанализировав уравнения зависимости v(t) и a(t), можно догадаться, что максимальные значения скорость и ускорение принимают в том случае, когда тригонометрический множитель равен 1 или -1. Определяются по формуле

Видео:КОЛЕБАНИЯ физика 9 класс решение задачСкачать

Как получить зависимости v(t) и a(t)
Формулы зависимостей скорости от времени и ускорения от времени можно получить математически, зная зависимость координаты от времени. Аналогично равноускоренному движению, зависимость v(t) — это первая производная x(t). А зависимость a(t) — это вторая производная x(t).
При нахождении производной предполагаем, что переменной (то есть x в математике) является t, остальные физические величины воспринимаем как постоянные.
Видео:МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ период колебаний частота колебанийСкачать

Гармонические колебания в физике — формулы и определение с примерами
Содержание:
Гармонические колебания:
Некоторые движения, встречающиеся в быту, за равные промежутки времени повторяются. Такое движение называется периодическим движением. Часто встречается движение, при котором тело перемещается то в одну, то в другую сторону относительно равновесного состояния. Такое движение тела называется колебательным движением или просто колебанием.
Колебания, совершаемые телом, которое выведено из равновесного состояния в результате действия внутренних сил, называются собственными (свободными) колебаниями. Величина удаления от равновесного состояния колеблющегося тела называется его смещением (
Для наблюдения механических колебаний ознакомимся с колебаниями груза, закрепленного на конце пружины (рис. 5.1). На этом рисунке груз, закрепленный на пружине, сможет двигаться без трения с горизонтальным стержнем, так как силу тяжести шарика приводит в равновесие реакционная сила стержня.
Коэффициент упругости пружины – 
Если груз, который находится в равновесии, потянем вправо на расстояние 
сторону равновесного состояния.
С течением времени смещение груза уменьшается относительно 

Для определения закономерности изменения в течение времени системы, которая периодически совершает колебания, заполним воронку песком, подвесим на веревке, подложим бумагу под систему и раскачаем воронку. В ходе колебания начинаем равномерно вытягивать бумагу из-под системы. В результате мы увидим, что следы песка на бумаге образуют синусоиду. Из этого можно сделать следующий вывод: смещение периодически колеблющегося тела по истечении времени изменяется по закону синусов и косинусов. При этом самое большое значение смещения равняется амплитуде (
здесь: 



Из математики известно, что 
Колебания, в которых с течением времени параметры меняются по закону синуса или косинуса, называются гармоническими колебаниями.
Значит, пружинный маятник, вышедший из равновесного состояния, совершает гармоническое колебание. Для того чтобы система совершала гармоническое колебание: 1) при выходе тела из равновесного состояния, для возвращения его в равновесное состояние должна появиться внутренняя сила; 2) колеблющееся тело должно обладать инертностью и на него не должны оказывать воздействие силы трения и сопротивления. Эти условия называется условиями проявления колебательных движений.
Видео:Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 1 часть. 9 класс.Скачать

Основные параметры гармонических колебаний
a) период колебания 

б) частота колебания 
Единица 
c) циклическая частота 

С учетом формул (5.5) и (5.6) уравнение гармонических колебаний (5.2) можно записать в следующей форме.
Большинство величин, количественно описывающих гармонические колебания, смещения которых с течением времени меняются по закону синусов или косинусов (скорость, ускорение, кинетическая и потенциальная энергия), тоже гармонически меняются.
Это подтверждается следующими графиками и уравнениями:
Пример решения задачи:
Точка совершает гармоническое колебательное движение. Максимальное смещение и скорость соответственно равны 0,05 м и 0,12 м/с. Найдите максимальное ускорение и скорость колебательного движения, а также ускорение точки в момент, когда смещение равно 0,03 м.
Формула и решение:
Видео:ФИЗИКА 10 класс : Механическое движение | Материальная точка, траектория, перемещение.Скачать

Гармонические колебания пружинного маятника
В 1985 году в городе Мехико произошла ужасная катастрофа, причина которой было землетрясение: 5526 человек погибли, 40 ООО человек ранены, 31000 человек остались без крова. Из проведенных затем исследований ученые выяснили, что главной причиной разрушений во время землетрясения является совпадение частоты свободных колебаний зданий с частотой вынужденных колебаний Земли. Поэтому при возведении новых зданий в сейсмически активной зоне необходимо, чтобы эти частоты не совпадали. Это даст возможность уменьшить последствия землетрясения. С этой целью важно знать, от чего зависят частота и период колебаний.
Одной из простейших колебательных систем, совершающих гармонические колебания, является пружинный маятник.
Пружинный маятник — это колебательная система, состоящая из пружины и закрепленного на ней тела. Колебания, возникающие в пружинном маятнике, являются гармоническими колебаниями:
Под гармоническими колебаниями подразумеваются колебания, возникающие под действием силы, прямо пропорциональной перемещению и направленной против направления перемещения.
Исследование колебаний пружинного маятника имеет большое практическое значение, например, при вычислении колебаний рессор автомобиля при езде; в исследовании воздействия колебаний на фундамент зданий и тяжелых станков, в определении эластичности ушных перепонок при диагностике лор-заболеваний. По этой причине изучение колебаний пружинного маятника является актуальной проблемой.
С целью уменьшения количества сил, действующих на колебательную систему, целесообразно использовать горизонтально расположенную колебательную систему пружина-шарик (d).
В этой системе действия силы тяжести и реакции опоры уравновешивают друг друга. При выведении шарика из состоянии равновесия, например, при растяжении пружины до положения 
Формула (4.9) является уравнением свободных гармонических колебаний пружинного маятника.
Где 





Таким образом, уравнение движения пружинного маятника можно записать и так:
Уравнение (4.12) показывает, что колебания пружинного маятника с циклической частотой 
Так как тригонометрическая функция является гармонической функцией, то и колебания пружинного маятника являются гармоническими колебаниями.
Здесь 




Из сравнения выражений (4.11) и (4.5) определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний пружинного маятника:
Из выражений (4.14) и (4.15) видно, что период и частота пружинного маятника зависят от жесткости пружины и массы груза, подвешенного к нему.
Видео:Урок 325. Колебательное движение и его характеристикиСкачать

Гармонические колебания математического маятника
До наших дней дошла такая историческая информация: однажды в 1583 году итальянский ученый Г. Галилей, находясь в храме города Пиза, обратил внимание на колебательное движение люстры, подвешенной на длинном тросе. Он, сравнивая колебания люстры со своим пульсом, определил, что, несмотря на уменьшение амплитуды колебания, время, затрачиваемое на одно полное колебание (период колебания) люстры, не изменяется. Затем Галилей в результате многочисленных проведенных исследований, изменяя длину нитевого маятника, массу подвешенного к нему груза, высоту расположения маятника (по сравнению с уровнем моря), определил, от чего зависят период и частота колебаний маятника.
Гармонические колебания возникают также под действием силы тяжести. Это можно наблюдать с помощью математического маятника.
Математический маятник — это идеализированная колебательная система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити.
Для исследования колебаний математического маятника можно использовать систему, состоящую из тонкой длинной нити и шарика (b).
Сила тяжести 








Приняв во внимание, что:
Для уравнения движения математического маятника получим:
Где 


Для данной колебательной системы отношение 

Таким образом, уравнение движения математического маятника можно записать и так:
Уравнение (4.19) показывает, что колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями с циклической частотой со. Из математики вы знаете, что решением этого уравнения является нижеприведенная функция:
Так как эта функция является гармонической, то и колебания математического маятника являются гармоническими колебаниями.
Отсюда определяются величины, от которых зависят период и частота колебаний математического маятника:
Таким образом, период и частота колебаний математического маятника зависят от длины маятника и напряженности гравитационного поля в данной точке.
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях
Вы уже знакомы с основными тригонометрическими функциями и умеете строить графики тригонометрических уравнений, описывающих гармонические колебания.
При гармонических колебаниях маятника его смещение изменяется по гармоническому закону, поэтому не трудно доказать, что его скорость и ускорение также изменяются по гармоническому закону. Предположим, что смещение изменяется по закону косинуса и начальная фаза равна нулю
Так как скорость является первой производной смещения (координат) по времени, то:
Как видно из выражения (4.23), скорость, изменяющаяся по гармоническому закону, опережает колебания смещения по фазе на 
Максимальное (амплитудное) значение скорости зависит от амплитуды, частоты и периода колебаний:
Так как ускорение является первой производной скорости по времени, то получим:
Как видим, колебания ускорения, изменяющегося по гармоническому закону, опережают колебания скорости по фазе на 

Превращения энергии при гармонических колебаниях
Теоретический материал
Потенциальная и кинетическая энергия свободных гармонических колебаний в замкнутой системе периодически превращаются друг в друга.
В таблице 4.4 дано сравнение превращений энергий в пружинном и математическом маятниках. Как видно из таблицы, потенциальная энергия колебательной системы в точке возвращения 
Если же маятник находится в точке равновесия, потенциальная энергия минимальна:
Кинетическая энергия системы, наоборот, в точке возвращения минимальна 
На рисунке (а) даны графики зависимости потенциальной и кинетической энергии при гармоническом колебательном движении от смещения.
Полная механическая энергия замкнутой колебательной системы в произвольный момент времени 
a) для пружинного маятника:
b) для математического маятника:
Если принять во внимание изменение смещения и скорости по гармоническому закону в формулах потенциальной и кинетической энергии колебательного движения, то станет очевидно, что при гармонических колебаниях эти энергии так же изменяются по гармоническому закону (b):
Как было отмечено выше, полная энергия системы не изменяется по гармоническому закону:
• Полная энергия гармонических колебаний прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
Если же в системе существует сила трения, то его полная энергия не сохраняется — изменение полной механической энергии равно работе силы трения. В результате колебания затухают:
Превращения энергии при гармонических колебаниях
Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергий. Кинетической энергией тело обладает вследствие своего движения, а потенциальная энергия определяется взаимодействием тела с другими телами или полями. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силу трения не учитывают, то его механическая энергия сохраняется.
Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.
При отклонении маятника на угол а (рис. 7), соответствующий максимальному смещению от положения равновесия, потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю:

Рис. 7. Превращения энергии при колебаниях математического маятника
Поскольку при прохождении положения равновесия его потенциальная энергия равна нулю, то кинетическая энергия (а следовательно, и скорость) будет максимальна:
Из закона сохранения механической энергии следует (рис. 8), что

Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:

Высоту 
Если колебания малые, то 
Подставив выражение для 
Подставляя выражения для 

Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную.
В любом промежуточном положении
Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 9). В крайних точках, когда координата груза принимает значение 
Таким образом, получаем, что механическая энергия гармонического осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
В положении равновесия, когда x = 0, вся энергия осциллятора переходит в кинетическую энергию груза:
где 
В промежуточных точках полная механическая энергия
Отсюда можно вывести выражение для модуля скорости 
Так как
Энергия при гармонических колебаниях
Механическая энергия системы равна сумме ее кинетической и потенциальной энергии. Механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Поскольку при колебаниях гармонического осциллятора силой трения пренебрегают, то его механическая энергия сохраняется. Рассмотрим превращения энергии при колебаниях математического маятника. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы в положении равновесия его потенциальная энергия была равна нулю.
При отклонении маятника на угол 
Поскольку при прохождении положения равновесия потенциальная энергия равна нулю 

Запишем закон сохранения механической энергии, подставив в него выражения для потенциальной и кинетической энергии:
Отсюда найдем модуль максимальной скорости маятника:
Высоту 




или
Подставив выражение (3) для 
Подставляя выражения (3) для 

Таким образом, в положении равновесия потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую, а в положениях максимального отклонения кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную (рис. 11). В любом промежуточном положении
Покажем, что аналогичные превращения энергии имеют место и для пружинного маятника (рис. 12).
В крайних положениях, когда 

Таким образом, из соотношения (6) следует, что механическая энергия пружинного маятника пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.
В положении равновесия, когда 
где 
В положениях между крайними точками полная энергия
С учетом выражений для координаты 




Тогда полная механическая энергия пружинного маятника в этот же. момент времени есть величина постоянная и равная:
Таким образом, начальное смещение 

Заметим, что частота периодических изменений кинетической (потенциальной) энергии колеблющегося тела в два раза больше частоты колебаний маятника. Действительно, дважды за период механическая энергия тела будет полностью превращаться в потенциальную (в двух крайних положениях маятника) и дважды за период — в кинетическую (при его прохождении через положение равновесия) (рис. 13).
Пример №1
Математический маятник при колебаниях от одного крайнего положения до другого смещается на расстояние 


Дано:

Решение
По закону сохранения механической энергии

Ответ:
Пример №2
Груз массой 






Решение Потенциальная энергия груза: 
Кинетическая энергия груза:
Начальное смещение груза не является амплитудой, так как вместе с начальным отклонением грузу сообщили и скорость. Однако полная энергия может быть выражена через амплитуду колебаний:
Отсюда 
Циклическая частота: 
В начальный момент времени 


Тогда закон гармонических колебаний имеет вид (рис. 14):
Ответ:
| Рекомендую подробно изучить предметы: |
|
| Ещё лекции с примерами решения и объяснением: |
- Вынужденные колебания в физике
- Электромагнитные колебания
- Свободные и вынужденные колебания в физике
- Вынужденные электромагнитные колебания
- Закон Архимеда
- Движение жидкостей
- Уравнение Бернулли
- Механические колебания и волны в физике
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Видео:Механические модели волн. 1.Скачать

Гармонические колебания.
Колебания, при которых изменения физических величин происходят по закону косинуса или синуса (гармоническому закону), наз. гармоническими колебаниями.
Например, в случае механических гармонических колебаний:.
В этих формулах ω – частота колебания, xm – амплитуда колебания, φ0 и φ0’ – начальные фазы колебания. Приведенные формулы отличаются определением начальной фазы и при φ0’ = φ0 +π/2 полностью совпадают.
Это простейший вид периодических колебаний. Конкретный вид функции (синус или косинус) зависит от способа выведения системы из положения равновесия. Если выведение происходит толчком (сообщается кинетическая энергия), то при t=0 смещение х=0, следовательно, удобнее пользоваться функцией sin, положив φ0’=0; при отклонении от положения равновесия (сообщается потенциальная энергия) при t=0 смещение х=хm, следовательно, удобнее пользоваться функцией cos и φ0=0.
Выражение, стоящее под знаком cos или sin, наз. фазой колебания: 
Фаза колебания измеряется в радианах и определяет значение смещения (колеблющейся величины) в данный момент времени.
Амплитуда колебания зависит только от начального отклонения (начальной энергии, сообщенной колебательной системе).
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях.
Согласно определению скорости, скорость – это производная от координаты по времени
Таким образом, мы видим, что скорость при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания скорости опережают колебания смещения по фазе на π/2.
Величина 
Следовательно, для скорости при гармоническом колебании имеем: 

Согласно определению ускорения, ускорение – это производная от скорости по времени:


Ускорение при гармоническом колебательном движении также изменяется по гармоническому закону, но колебания ускорения опережают колебания скорости на π/2 и колебания смещения на π (говорят, что колебания происходят в противофазе).
Величина
— максимальное ускорение (амплитуда колебаний ускорения). Следовательно, для ускорения имеем: 

Из анализа процесса колебательного движения, графиков и соответствующих математических выражений видно, что при прохождении колеблющимся телом положения равновесия (смещение равно нулю) ускорение равно нулю, а скорость тела максимальна (тело проходит положение равновесия по инерции), а при достижении амплитудного значения смещения – скорость равна нулю, а ускорение максимально по модулю (тело меняет направление своего движения).
Сравним выражения для смещения и ускорения при гармонических колебаниях:


Можно записать: 
т.е. вторая производная смещения прямо пропорциональна (с противоположным знаком) смещению. Такое уравнение наз. уравнением гармонического колебания. Эта зависимость выполняется для любого гармонического колебания, независимо от его природы. Поскольку мы нигде не использовали параметров конкретной колебательной системы, то от них может зависеть только циклическая частота.
Часто бывает удобно записывать уравнения для колебаний в виде: 
где T – период колебания. Тогда, если время выражать в долях периода подсчеты будут упрощаться. Например, если надо найти смещение через 1/8 периода, получим: 
🔥 Видео
Урок 327. Гармонические колебанияСкачать

Урок 24. Мгновенная скорость. Равноускоренное движение. УскорениеСкачать

Физика 9 класс. §25 Гармонические колебанияСкачать

Величины, характеризующие колебательное движение | Физика 9 класс #24 | ИнфоурокСкачать

Урок 92 (осн). Колебательное движение. МаятникиСкачать

Колебательное движение. Практическая часть - решение задачи. 9 класс.Скачать

Превращение энергии при колебаниях. Уравнение колебательного движения. 2 часть. 9 класс.Скачать

Ускорение. Движение с постоянным ускорением. Единица ускорения | Физика 10 класс #5 | ИнфоурокСкачать








































































































