Гармоническим осциллятором называется система совершающая колебания описываемые уравнением

Как написать реферат быстро

Единая теория колебаний при анализе математически идентичных физических систем использует обобщающее понятие гармонического осциллятора, не различающего в принципе колебательные процессы в электрическом колебательном контуре и в системах, совершающих механические колебания.

Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, описываемые уравнением вида (26.1):

x = A × cos( w ot + j o)

Колебания гармонического осциллятора являются важным примером периодического движения и служат точной или приближенной моделью во многих задачах классической и квантовой физики. Примерами гармонического осциллятора являются пружинный, физический и математический маятники, колебательный контур (для токов и напряжений столь малых, что элементы контура можно было бы считать линейными).

Незатухающие механические колебания.

Пружинный, физический и математический маятники

1. Пружинный маятник — это груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы F = — kx (рис.26.2,б), где k – жесткость пружины. Уравнение движения маятника

Из выражений (26.11) и (26.12) следует, что формула (26.17) является дифференциальным уравнением движения пружинного маятника, который совершает гармонические колебания по закону х = A × cos( w ot + j ) с циклической частотой

Формула (26.19) справедлива для упругих колебаний в пределах, в которых выполняется закон Гука , т. е. когда масса пружины мала по сравнению с массой тела. Потенциальная энергия пружинного маятника равна

2. Физический маятник — это твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси, проходящей через точку О, не совпадающую с центром масс С тела (рис. 26.3).

Рис.26.3. Физический маятник.

Если маятник отклонен из положения равновесия на некоторый угол a , то в соответствии с уравнением динамики вращательного движения твердого тела момент М возвращающей силы можно записать в виде

где J — момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса О, l — расстояние между ней и центром масс маятника, F t = — mgsin a » -mg a — возвращающая сила (знак минус обусловлен тем, что направления F t и a всегда противоположны; sin a » a соответствует малым колебаниям маятника, т. е. малым отклонениям маятника из положения равновесия). Уравнение (26.20) можно записать в виде

идентичное с (26.11), решение которого известно:

Из выражения (26.22) следует, что при малых колебаниях физический маятник совершает гармонические колебания с циклической частотой w o (см. (26.21)) и периодом

где — приведенная длина физического маятника.

3. Математический маятник — это идеализированная система, состоящая из материальной точки массой m, подвешенной на нерастяжимой невесомой нити, и колеблющаяся под действием силы тяжести. Хорошим приближением математического маятника является небольшой тяжелый шарик, подвешенный на тонкой длинной нити. Момент инерции математического маятника, как материальной точки

где — длина маятника.

Так как математический маятник можно представить как частный случай физического маятника, предположив, что вся его масса сосредоточена в одной точке — центре масс, то, подставив выражение (26.24) в формулу (26.23), получим выражение для периода малых колебаний математического маятника

Сравнивая формулы (26.23) и (26.25), видим, что если приведенная длина L физического маятника равна длине математического маятника, то периоды колебаний этих маятников одинаковы. Следовательно, приведенная длина физического маятника — это длина такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом колебаний данного физического маятника.

Вынужденные механические колебания Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью какого-либо периодически действующего фактора Х(t), изменяющего по гармоническому закону

Энергия свободных механических колебаний

Квазиупругая сила является консервативной. Поэтому полная энергия гармонического колебания должна оставаться постоянной. В процессе колебаний, как мы выяснили выше, происходит превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно, причем в моменты наибольшего отклонения из положения равновесия полная энергия Е состоит только из потенциальной энергии, которая достигает своего наибольшего значения Ерmax

Свободные затухающие механические колебания пружинного маятника.

Сложение колебаний (колебания в системах с несколькими степенями свободы) Рассмотренные в предыдущих параграфах закономерности колебательных движений являются простейшими в том смысле, что они характеризуют свойства изолированного колебания. Такие колебания происходят в системах с одной степенью свободы (рассматривается движение под действием сил, направленных вдоль единственной оси, например, Х).

Сложение колебаний одинакового направления Возможны случаи, когда тело участвует одновременно в нескольких колебаниях, происходящих вдоль одного и того же направления. Если, например, подвесить шарик на пружине к потолку вагона, качающегося на рессорах, то движение шарика относительно поверхности Земли будет складываться из колебаний вагона относительно Земли и колебаний шарика относительно вагона.

7. Механические колебания 7.1 Гармонический осциллятор Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, которые описываются уравнением. — презентация

Презентация была опубликована 8 лет назад пользователемГаля Ядринцева

Презентация на тему: » 7. Механические колебания 7.1 Гармонический осциллятор Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, которые описываются уравнением.» — Транскрипт:

1 7. Механические колебания 7.1 Гармонический осциллятор Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, которые описываются уравнением (7.1.1) где s(t) — некоторая физическая величина (отклонение маятника от положения равновесия, величина заряда конденсатора и т.д.), — частота колебаний. В механике примерами гармонического осциллятора являются пружинный, физический и математический маятник. Рассмотрим их. 7. Механические колебания 7.1 Гармонический осциллятор Гармоническим осциллятором называется система, совершающая колебания, которые описываются уравнением (7.1.1) где s(t) — некоторая физическая величина (отклонение маятника от положения равновесия, величина заряда конденсатора и т.д.), — частота колебаний. В механике примерами гармонического осциллятора являются пружинный, физический и математический маятник. Рассмотрим их.

2 7.2 Пружинный маятник Маятник – это твердое тело, совершающее колебания под действием некоторой силы. Пусть груз массой m подвешен на упругой пружине и совершает колебания под действием упругой силы (закон Гука) F = — kx (7.2.1) х – отклонение груза от положения равновесия, k – жесткость пружины. Действие силы тяжести не учитывается. 7.2 Пружинный маятник Маятник – это твердое тело, совершающее колебания под действием некоторой силы. Пусть груз массой m подвешен на упругой пружине и совершает колебания под действием упругой силы (закон Гука) F = — kx (7.2.1) х – отклонение груза от положения равновесия, k – жесткость пружины. Действие силы тяжести не учитывается.

3 Уравнение Ньютона, описывающее движение тела или Сравнивая с (7.1.1), находим (7.2.2) Уравнение Ньютона, описывающее движение тела или Сравнивая с (7.1.1), находим (7.2.2)

4 Его решением являются гармонические волны (7.2.3) А – амплитуда колебаний, φ 0 — начальная фаза. Возвращающую упругую силу можно переписать в виде Сила пропорциональна отклонению о точки равновесия. Его решением являются гармонические волны (7.2.3) А – амплитуда колебаний, φ 0 — начальная фаза. Возвращающую упругую силу можно переписать в виде Сила пропорциональна отклонению о точки равновесия.

5 Найдем кинетическую и потенциальную энергии маятника

6 Таким образом, потенциальная и кинетическая энергии изменяются с удвоенной частотой — в 2 раза большей частоты колебаний маятника. Полная энергия пружинного маятника не зависит от времени – закон сохранения энергии замкнутой системы. Таким образом, потенциальная и кинетическая энергии изменяются с удвоенной частотой — в 2 раза большей частоты колебаний маятника. Полная энергия пружинного маятника не зависит от времени – закон сохранения энергии замкнутой системы.

7 Найдем среднюю кинетическую и среднюю потенциальную энергии. Для этого надо взять интеграл по периоду их изменений, то есть по T/2 Найдем среднюю кинетическую и среднюю потенциальную энергии. Для этого надо взять интеграл по периоду их изменений, то есть по T/2

8 Аналогично находим среднюю потенциальную энергию

9 Таким образом = = E/2 + = E Изменения от времени смещения груза и его энергий. Таким образом = = E/2 + = E Изменения от времени смещения груза и его энергий.

10 7.3 Физический маятник Физический маятник – это твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной оси, проходящей через точку, не совпадающую с центром масс тела. При отклонении маятника от положения равновесия возникает вращающий момент, стремящийся вернуть маятник в положение равновесия. О — точка подвеса, С — центр масс. Разложим силу тяжести на составляющие 7.3 Физический маятник Физический маятник – это твердое тело, совершающее колебания под действием силы тяжести вокруг неподвижной оси, проходящей через точку, не совпадающую с центром масс тела. При отклонении маятника от положения равновесия возникает вращающий момент, стремящийся вернуть маятник в положение равновесия. О — точка подвеса, С — центр масс. Разложим силу тяжести на составляющие

11 — возвращающая сила, которая приводит к колебаниям. Направим ось вращения z перпендикулярно листу, так чтобы она выходила из листа. У равнение вращательного движения тела вокруг этой оси — радиус вектор центра масс, J — момент инерции тела относительно точки подвеса О, — единичный вектор, направленный от точки О к центру масс С. — возвращающая сила, которая приводит к колебаниям. Направим ось вращения z перпендикулярно листу, так чтобы она выходила из листа. У равнение вращательного движения тела вокруг этой оси — радиус вектор центра масс, J — момент инерции тела относительно точки подвеса О, — единичный вектор, направленный от точки О к центру масс С.

12 Согласно правилу правого винта вектор момента сил направлен в лист, против оси z, кроме того, угол между радиус вектором центра масс и силой прямой, поэтому Из рисунка следует F t = mgsinα Согласно правилу правого винта вектор момента сил направлен в лист, против оси z, кроме того, угол между радиус вектором центра масс и силой прямой, поэтому Из рисунка следует F t = mgsinα

0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол» title=»Угол отклонения α является псевдовектором, его величина откладывается от вертикальной линии, направленной к Земле. На рисунке α > 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол» > 13 Угол отклонения α является псевдовектором, его величина откладывается от вертикальной линии, направленной к Земле. На рисунке α > 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол уменьшается 2)угловая скорость отрицательная и растет по величине 3)угловое ускорение положительное Вектора и в любой момент времени направлены в разные стороны. Угол отклонения α является псевдовектором, его величина откладывается от вертикальной линии, направленной к Земле. На рисунке α > 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол уменьшается 2)угловая скорость отрицательная и растет по величине 3)угловое ускорение положительное Вектора и в любой момент времени направлены в разные стороны. 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол»> 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол уменьшается 2)угловая скорость отрицательная и растет по величине 3)угловое ускорение положительное Вектора и в любой момент времени направлены в разные стороны. Угол отклонения α является псевдовектором, его величина откладывается от вертикальной линии, направленной к Земле. На рисунке α > 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол уменьшается 2)угловая скорость отрицательная и растет по величине 3)угловое ускорение положительное Вектора и в любой момент времени направлены в разные стороны.»> 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол» title=»Угол отклонения α является псевдовектором, его величина откладывается от вертикальной линии, направленной к Земле. На рисунке α > 0. Рисунок отвечает моменту времени, когда тело под действием силы возвращается к положению равновесия, поэтому : 1)угол»>

14 Поэтому уравнение вращательного движения имеет вид Пусть угол отклонения мал, тогда sinα α и получаем Поэтому уравнение вращательного движения имеет вид Пусть угол отклонения мал, тогда sinα α и получаем

15 Перепишем последнее уравнение в виде Следовательно, при малых колебаниях угловое отклонение маятника изменяется по гармоническому закону α 0 – максимальный угол отклонения (амплитуда). Перепишем последнее уравнение в виде Следовательно, при малых колебаниях угловое отклонение маятника изменяется по гармоническому закону α 0 – максимальный угол отклонения (амплитуда).

16 Введем обозначение приведенная длина физического маятника Если длину L откладывать вдоль линии ОС от точки подвеса О, то получим некоторую точку О, которую называют центром качаний. Согласно теореме Штейнера где J c — момент инерции тела относительно центра масс. Поэтому Введем обозначение приведенная длина физического маятника Если длину L откладывать вдоль линии ОС от точки подвеса О, то получим некоторую точку О, которую называют центром качаний. Согласно теореме Штейнера где J c — момент инерции тела относительно центра масс. Поэтому

17 С использованием приведенной длины частота и период колебаний можно записать в виде Точка подвеса и центр качаний обладают свойством взаимозаменяемости : если точку подвеса О перенести в центр качаний О, то точка подвеса О станет точкой качаний, при этом период колебаний не изменится. С использованием приведенной длины частота и период колебаний можно записать в виде Точка подвеса и центр качаний обладают свойством взаимозаменяемости : если точку подвеса О перенести в центр качаний О, то точка подвеса О станет точкой качаний, при этом период колебаний не изменится.

18 7.4 Математический маятник Математический маятник – это материальная точка массой m, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Ее колебания тоже происходят под действием силы тяжести. Поэтому математический маятник является частным случаем физического маятника, у которого вся масса тела расположена в одной точке – центре масс тела. l – длина нити. Векторы и направлены в противоположные стороны. 7.4 Математический маятник Математический маятник – это материальная точка массой m, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Ее колебания тоже происходят под действием силы тяжести. Поэтому математический маятник является частным случаем физического маятника, у которого вся масса тела расположена в одной точке – центре масс тела. l – длина нити. Векторы и направлены в противоположные стороны.

19 Момент инерции материальной точки относительно точки подвеса О равен J = ml 2 Можно использовать все формулы, полученные для физического маятника Приведенная длина математического маятника равна длине нити. Поэтому приведенную длину физического маятника можно рассматривать как длину такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом физического маятника. Момент инерции материальной точки относительно точки подвеса О равен J = ml 2 Можно использовать все формулы, полученные для физического маятника Приведенная длина математического маятника равна длине нити. Поэтому приведенную длину физического маятника можно рассматривать как длину такого математического маятника, период колебаний которого совпадает с периодом физического маятника.

20 7.5 Свободные затухающие колебания Свободные затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается за счет потерь энергии. Например, при механических колебаниях за счет трения часть энергии колебаний переходит в теплоту. В электрической цепи роль сил трения играет сопротивление. Кроме того, энергия электрических колебаний излучается в виде электромагнитных волн. Колебания называются свободными (или собственными), потому что они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему. 7.5 Свободные затухающие колебания Свободные затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается за счет потерь энергии. Например, при механических колебаниях за счет трения часть энергии колебаний переходит в теплоту. В электрической цепи роль сил трения играет сопротивление. Кроме того, энергия электрических колебаний излучается в виде электромагнитных волн. Колебания называются свободными (или собственными), потому что они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему.

21 Рассмотрим механический осциллятор. Пусть на тело наряду с упругой силой F упр действует сила трения F тр, направленная против скорости. Величина силы трения пропорциональна скорости движения r – коэффициент трения. Уравнение Ньютона для такого осциллятора имеет вид Рассмотрим механический осциллятор. Пусть на тело наряду с упругой силой F упр действует сила трения F тр, направленная против скорости. Величина силы трения пропорциональна скорости движения r – коэффициент трения. Уравнение Ньютона для такого осциллятора имеет вид

22 Обозначим δ — коэффициент затухания, ω 0 — циклическая частота незатухающих колебаний в отсутствие потерь энергии ( то есть при δ = 0 ), она называется собственной частотой колебаний. Тогда уравнение свободных затухающих колебаний механического осциллятора принимает вид Обозначим δ — коэффициент затухания, ω 0 — циклическая частота незатухающих колебаний в отсутствие потерь энергии ( то есть при δ = 0 ), она называется собственной частотой колебаний. Тогда уравнение свободных затухающих колебаний механического осциллятора принимает вид

23 Аналогичный вид имеют свободные затухающие колебания и для других величин s(t), описывающих другие колебательные процессы (7.5.1) В линейных системах параметры δ и ω 0 постоянны. Аналогичный вид имеют свободные затухающие колебания и для других величин s(t), описывающих другие колебательные процессы (7.5.1) В линейных системах параметры δ и ω 0 постоянны.

24 Будем искать решение уравнения (7.5.1) в виде Подставляя, получаем уравнение для функции u(t) (7.5.2) Решение этого уравнения зависит от знака разницы Будем искать решение уравнения (7.5.1) в виде Подставляя, получаем уравнение для функции u(t) (7.5.2) Решение этого уравнения зависит от знака разницы

25 Пусть затухание слабое, так что Тогда уравнение (7.5.2) по виду подобно (7.1.1) где — частота затухающих колебаний. Пусть затухание слабое, так что Тогда уравнение (7.5.2) по виду подобно (7.1.1) где — частота затухающих колебаний.

26 Решением этого уравнения является Поэтому в случае малых колебаний величина s, описывающая колебательный процесс меняется со временем по закону где — амплитуда затухающих колебаний — начальная амплитуда Решением этого уравнения является Поэтому в случае малых колебаний величина s, описывающая колебательный процесс меняется со временем по закону где — амплитуда затухающих колебаний — начальная амплитуда

27 Время, за которое амплитуда A(t) уменьшается в е раз называется временем релаксации (7.5.3) Затухающие колебания не повторяются, поэтому они не являются периодическими. Для малых затуханий можно условно пользоваться понятием периода (7.5.4) как промежутком времени между двумя характерными последующими значениями амплитуды. Время, за которое амплитуда A(t) уменьшается в е раз называется временем релаксации (7.5.3) Затухающие колебания не повторяются, поэтому они не являются периодическими. Для малых затуханий можно условно пользоваться понятием периода (7.5.4) как промежутком времени между двумя характерными последующими значениями амплитуды.

28 Изменение во времени затухающих колебаний

29 Амплитуды двух последовательных колебаний, отличающихся на период, относятся как (7.5.5) Это отношение называется декрементом затухания, а его логарифм (7.5.6) называется логарифмическим декрементом затухания, — число колебаний, совершаемое за время релаксации τ. Амплитуды двух последовательных колебаний, отличающихся на период, относятся как (7.5.5) Это отношение называется декрементом затухания, а его логарифм (7.5.6) называется логарифмическим декрементом затухания, — число колебаний, совершаемое за время релаксации τ.

30 Для характеристики колебаний используется также величина добротность (7.5.7) которая пропорциональна числу колебаний. Установим физический смысл добротности. Для этого вычислим полную энергию колебаний на примере механического осциллятора Для характеристики колебаний используется также величина добротность (7.5.7) которая пропорциональна числу колебаний. Установим физический смысл добротности. Для этого вычислим полную энергию колебаний на примере механического осциллятора

31 Скорость тела равна Подставляя υ(t) и x(t) в выражение для полной энергии, получаем где Скорость тела равна Подставляя υ(t) и x(t) в выражение для полной энергии, получаем где

32 Изменение во времени полной энергии затухающих колебаний Изменение во времени полной энергии затухающих колебаний

33 Убывание энергии связано с работой силы трения Мощность, развиваемая этой силой, равна Если бы трения не было, то энергия сохранялась во времени. Убывание энергии связано с работой силы трения Мощность, развиваемая этой силой, равна Если бы трения не было, то энергия сохранялась во времени.

34 При малом затухании вторым слагаемым в Е(t) можно пренебречь E 0 — энергия в начальный момент времени. При малом затухании вторым слагаемым в Е(t) можно пренебречь E 0 — энергия в начальный момент времени.

35 Подставим приближенную энергию в формулу для мощности Скорость убывания энергии равна Период колебаний Т мал, поэтому можно принять dt = T. Подставляя, получаем изменение (убыль) энергии за период Подставим приближенную энергию в формулу для мощности Скорость убывания энергии равна Период колебаний Т мал, поэтому можно принять dt = T. Подставляя, получаем изменение (убыль) энергии за период

36 Учитывая, что получаем Таким образом, при слабом затухании добротность с точностью до множителя 2π равна отношению энергии, запасенной в системе в данный момент к убыли этой энергии за период колебаний. Учитывая, что получаем Таким образом, при слабом затухании добротность с точностью до множителя 2π равна отношению энергии, запасенной в системе в данный момент к убыли этой энергии за период колебаний.

37 Пусть теперь затухание колебаний сильное. Если то Т =, значит движение перестает быть периодическим. Если то частота становится мнимой величиной. Пусть теперь затухание колебаний сильное. Если то Т =, значит движение перестает быть периодическим. Если то частота становится мнимой величиной.

38 В этом случае общее решение уравнения затухающих колебаний имеет вид где С 1 и С 2 — вещественные постоянные, зависящие от начальных условий. В этом случае общее решение уравнения затухающих колебаний имеет вид где С 1 и С 2 — вещественные постоянные, зависящие от начальных условий.

39 Такое движение носит апериодический характер – это значит, что система выведенная из положения равновесия, возвращается в него не совершая колебаний. При этом возможны два способа возвращения к положению равновесия : 1)– когда система выведена из положения равновесия без толчка, 2) – когда система выведена из положения равновесия достаточно сильным толчком, начальная скорость равна Такое движение носит апериодический характер – это значит, что система выведенная из положения равновесия, возвращается в него не совершая колебаний. При этом возможны два способа возвращения к положению равновесия : 1)– когда система выведена из положения равновесия без толчка, 2) – когда система выведена из положения равновесия достаточно сильным толчком, начальная скорость равна

40 8. Колебания в электрическом контуре 8.1 Свободные гармонические колебания в электрическом контуре Колебательный электрический контур – это замкнутая цепь, состоящая из конденсатора С, индуктивности L и сопротивления R. ЭДС в цепи отсутствует. Для возбуждения колебаний конденсатор заряжают, сообщая обкладкам заряды ± q. В конденсаторе возникает электрическое поле с энергией 8. Колебания в электрическом контуре 8.1 Свободные гармонические колебания в электрическом контуре Колебательный электрический контур – это замкнутая цепь, состоящая из конденсатора С, индуктивности L и сопротивления R. ЭДС в цепи отсутствует. Для возбуждения колебаний конденсатор заряжают, сообщая обкладкам заряды ± q. В конденсаторе возникает электрическое поле с энергией

41 Если затем конденсатор замкнуть на катушку индуктивности, то он начнет разряжаться и в контуре потечет ток I, увеличивающийся со временем. Вместе с ним будет возрастать магнитное поле в катушке. В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, а энергия магнитного поля катушки наоборот, будет увеличиваться. В момент, когда конденсатор полностью разрядится, его энергия и электрическое поле будут равны нулю, а ток в цепи и энергия магнитного поля в катушке будут максимальными. Если затем конденсатор замкнуть на катушку индуктивности, то он начнет разряжаться и в контуре потечет ток I, увеличивающийся со временем. Вместе с ним будет возрастать магнитное поле в катушке. В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, а энергия магнитного поля катушки наоборот, будет увеличиваться. В момент, когда конденсатор полностью разрядится, его энергия и электрическое поле будут равны нулю, а ток в цепи и энергия магнитного поля в катушке будут максимальными.

42 После этого ток и магнитное поле в катушке начнут убывать, а конденсатор начнет перезаряжаться – на обкладках возникнут заряды противоположных знаков по сравнению с первоначальными зарядами. Поскольку магнитный поток в катушке убывает, то в ней по правилу Ленца возникнет индукционный ток, направление которого совпадает с током разрядки конденсатора. В конденсаторе возникнет электрическое поле, которое будет стремиться ослабить ток. Через некоторое время заряд на обкладках достигнет максимума, ток будет равен нулю. Затем процессы пойдут в обратном направлении. Через период Т система придет в первоначальное состояние. Далее все процессы повторяться. После этого ток и магнитное поле в катушке начнут убывать, а конденсатор начнет перезаряжаться – на обкладках возникнут заряды противоположных знаков по сравнению с первоначальными зарядами. Поскольку магнитный поток в катушке убывает, то в ней по правилу Ленца возникнет индукционный ток, направление которого совпадает с током разрядки конденсатора. В конденсаторе возникнет электрическое поле, которое будет стремиться ослабить ток. Через некоторое время заряд на обкладках достигнет максимума, ток будет равен нулю. Затем процессы пойдут в обратном направлении. Через период Т система придет в первоначальное состояние. Далее все процессы повторяться.

43 Получим уравнение колебаний электрического контура. Согласно закону Ома для замкнутой цепи где I·R – падение напряжения на сопротивлении, U c – напряжение на конденсаторе, ε s — ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке Поэтому закон Ома принимает вид Получим уравнение колебаний электрического контура. Согласно закону Ома для замкнутой цепи где I·R – падение напряжения на сопротивлении, U c – напряжение на конденсаторе, ε s — ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке Поэтому закон Ома принимает вид

44 Поскольку то для заряда на обкладках конденсатора q(t) получаем уравнение (8.1.1) Решим это уравнение сначала для случая, когда сопротивлением цепи можно пренебречь R = 0 Поскольку то для заряда на обкладках конденсатора q(t) получаем уравнение (8.1.1) Решим это уравнение сначала для случая, когда сопротивлением цепи можно пренебречь R = 0

45 Тогда формула Томсона где q m – амплитуда колебаний заряда на обкладках конденсатора. Тогда формула Томсона где q m – амплитуда колебаний заряда на обкладках конденсатора.

46 Сила тока в контуре — амплитуда силы тока Сила тока в контуре — амплитуда силы тока

47 Напряжение на обкладках конденсатора — амплитуда напряжения. Сравнивая выражения для тока, заряда и напряжения видим, что колебания тока опережают по фазе колебания заряда и напряжения U c на π/2. Поэтому когда ток достигает максимума, заряд и напряжение равны 0, и наоборот. Напряжение на обкладках конденсатора — амплитуда напряжения. Сравнивая выражения для тока, заряда и напряжения видим, что колебания тока опережают по фазе колебания заряда и напряжения U c на π/2. Поэтому когда ток достигает максимума, заряд и напряжение равны 0, и наоборот.

48 Найдем полную энергию электрического контура Подставляя сюда амплитуды тока и напряжения и учитывая выражение для частоты колебаний, получаем Значит полная энергия контура совпадает с максимальной электрической энергией конденсатора и максимальной магнитной энергией катушки. Найдем полную энергию электрического контура Подставляя сюда амплитуды тока и напряжения и учитывая выражение для частоты колебаний, получаем Значит полная энергия контура совпадает с максимальной электрической энергией конденсатора и максимальной магнитной энергией катушки.

49 Электрические колебания в контуре можно сравнить с механическими колебаниям маятника, при которых происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Энергия электрического поля конденсатора аналогична потенциальной энергии маятника. Энергия магнитного поля катушки подобна кинетической энергии маятника. Сила тока в контуре подобна скорости движения маятника. Индуктивность играет роль массы. Сопротивление контура аналогично силе трения. Электрические колебания в контуре можно сравнить с механическими колебаниям маятника, при которых происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Энергия электрического поля конденсатора аналогична потенциальной энергии маятника. Энергия магнитного поля катушки подобна кинетической энергии маятника. Сила тока в контуре подобна скорости движения маятника. Индуктивность играет роль массы. Сопротивление контура аналогично силе трения.

50 Колебания в контуре сопровождаются превращениями энергий электрического и магнитного полей.

51 8.2 Свободные затухающие колебания в электрическом контуре В реальном электрическом контуре всегда имеется активное сопротивление. Протекающий по нему ток нагревает его, вследствие чего энергия контура уменьшается, а колебания в нем затухают. Поэтому вернемся к общему уравнению (8.1.1), описывающему затухающие колебания. Оно имеет вид, подобный уравнению затухающих колебаний общего вида (7.5.1) 8.2 Свободные затухающие колебания в электрическом контуре В реальном электрическом контуре всегда имеется активное сопротивление. Протекающий по нему ток нагревает его, вследствие чего энергия контура уменьшается, а колебания в нем затухают. Поэтому вернемся к общему уравнению (8.1.1), описывающему затухающие колебания. Оно имеет вид, подобный уравнению затухающих колебаний общего вида (7.5.1)

52 Его решениями являются затухающие колебания заряда на обкладках конденсатора с частотой и периодом Его решениями являются затухающие колебания заряда на обкладках конденсатора с частотой и периодом

53 Разделив заряд на емкость, получим изменение напряжения на обкладках конденсатора где U m – амплитуда напряжения. Разделив заряд на емкость, получим изменение напряжения на обкладках конденсатора где U m – амплитуда напряжения.

54 Взяв производную от заряда, получим силу тока в цепи которую, используя, перепишем в виде Взяв производную от заряда, получим силу тока в цепи которую, используя, перепишем в виде

55 Вводя угол ψ, согласно можем записать ток в виде Вводя угол ψ, согласно можем записать ток в виде

56 Поскольку то угол ψ заключен в пределах π/2

57 Для электрического контура используют те же самые параметры, что и для механических колебаний : логарифмический коэффициент затухания добротность Для электрического контура используют те же самые параметры, что и для механических колебаний : логарифмический коэффициент затухания добротность

58 Если активное сопротивление и затухание малы, так что то а добротность принимает вид Если активное сопротивление и затухание малы, так что то а добротность принимает вид

59 Если сопротивление большое то происходит апериодический разряд конденсатора. Сопротивление контура, начиная с которого колебательный процесс переходит в апериодический, называется критическим сопротивлением R k Оно определяется из условия откуда Если сопротивление большое то происходит апериодический разряд конденсатора. Сопротивление контура, начиная с которого колебательный процесс переходит в апериодический, называется критическим сопротивлением R k Оно определяется из условия откуда

60 8.3 Вынужденные колебания Чтобы в реальной колебательной системе колебания не затухали необходимо компенсировать потери энергии. Это возможно, если на систему действует периодически изменяющееся воздействие А) В случае механических колебаний таким воздействием является вынуждающая сила — частота вынуждающей силы. 8.3 Вынужденные колебания Чтобы в реальной колебательной системе колебания не затухали необходимо компенсировать потери энергии. Это возможно, если на систему действует периодически изменяющееся воздействие А) В случае механических колебаний таким воздействием является вынуждающая сила — частота вынуждающей силы.

61 В результате уравнение колебаний пружинного маятника принимает вид Поделив его на массу тела и вводя прежние параметры, получаем (8.3.1) Это уравнение вынужденных механических колебаний. В результате уравнение колебаний пружинного маятника принимает вид Поделив его на массу тела и вводя прежние параметры, получаем (8.3.1) Это уравнение вынужденных механических колебаний.

62 Б) Для электрического колебательного контура роль воздействия X(t) играет внешняя ЭДС, подведенная к контуру или переменное напряжение Уравнение, описывающее колебания заряда на обкладках конденсатора имеет вид Б) Для электрического колебательного контура роль воздействия X(t) играет внешняя ЭДС, подведенная к контуру или переменное напряжение Уравнение, описывающее колебания заряда на обкладках конденсатора имеет вид

63 Используя прежние параметры, уравнение можно переписать в виде (8.3.2) Это уравнение вынужденных электрических колебаний. Оба уравнения (8.3.1), (8.3.2) можно записать в общем виде (8.3.3) Используя прежние параметры, уравнение можно переписать в виде (8.3.2) Это уравнение вынужденных электрических колебаний. Оба уравнения (8.3.1), (8.3.2) можно записать в общем виде (8.3.3)

64 Уравнение (8.3.3) является неоднородным дифференциальным уравнением. Его решение равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения. Уравнение (8.3.3) удобнее записать в комплексном виде, в котором оно проще решается Будем искать его частное решение в виде Уравнение (8.3.3) является неоднородным дифференциальным уравнением. Его решение равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения. Уравнение (8.3.3) удобнее записать в комплексном виде, в котором оно проще решается Будем искать его частное решение в виде

65 Вычисляем производные и подставляем в (8.3.3) Это уравнение должно выполняться в любой момент времени, поэтому должны равняться частоты Вычисляем производные и подставляем в (8.3.3) Это уравнение должно выполняться в любой момент времени, поэтому должны равняться частоты

67 Запишем последнее выражение в виде где Запишем последнее выражение в виде где

68 Таким образом частное решение исходного уравнения равно Его вещественная часть равна К нему надо добавить общее решение однородного уравнения, которое было найдено ранее где частота затухающих колебаний А 0 и φ 1 — произвольные константы. Таким образом частное решение исходного уравнения равно Его вещественная часть равна К нему надо добавить общее решение однородного уравнения, которое было найдено ранее где частота затухающих колебаний А 0 и φ 1 — произвольные константы.

69 Итак, окончательно общее решение неоднородного уравнения равно Второе слагаемое играет заметную роль только в начальной стадии процесса – при установлении колебаний. Через время релаксации им можно пренебречь, колебания становятся гармоническими с частотой вынуждающей силы. Итак, окончательно общее решение неоднородного уравнения равно Второе слагаемое играет заметную роль только в начальной стадии процесса – при установлении колебаний. Через время релаксации им можно пренебречь, колебания становятся гармоническими с частотой вынуждающей силы.

70 Резонанс Рассмотрим зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы Эта функция имеет максимум, когда знаменатель минимален Резонанс Рассмотрим зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы Эта функция имеет максимум, когда знаменатель минимален

71 Откуда находим резонансную частоту и резонансную амплитуду При приближении частоты вынуждающей силы к резонансной частоте амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает — явление резонанса. Откуда находим резонансную частоту и резонансную амплитуду При приближении частоты вынуждающей силы к резонансной частоте амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает — явление резонанса.

72 При малом затухании резонансная частота приближается к частоте собственных колебаний системы, а амплитуда в резонансе равна Отклонение при нулевой частоте ω=0 называют статическим отклонением Сравнивая, видим, что резонансное и статическое отклонения связаны формулой При малом затухании резонансная частота приближается к частоте собственных колебаний системы, а амплитуда в резонансе равна Отклонение при нулевой частоте ω=0 называют статическим отклонением Сравнивая, видим, что резонансное и статическое отклонения связаны формулой

73 Коэффициент пропорциональности между этими амплитудами равен добротности контура где, согласно (7.5.5) — (7.5.7) логарифмический коэффициент затухания. Коэффициент пропорциональности между этими амплитудами равен добротности контура где, согласно (7.5.5) — (7.5.7) логарифмический коэффициент затухания.

74 Таким образом, при малом затухании Добротность можно переписать в виде где Δω =2δ — ширина пика. Поэтому добротность определяет остроту резонанса. Таким образом, при малом затухании Добротность можно переписать в виде где Δω =2δ — ширина пика. Поэтому добротность определяет остроту резонанса.

Одномерный классический гармонический осциллятор

Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные, электромеханические и т.д. Рассмотрим механические колебания.

В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные (или собственные) колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.

Силу, под действием которой происходит колебательный процесс, называют возвращающей силой, так как она стремится вернуть тело или материальную точку в положение равновесия.

Свободные колебания совершаются системой, выведенной из положения равновесия.

Собственныминазываются свободные колебания без учёта сил сопротивления (без затухания).

Вынужденныминазываются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодически изменяющейся силы. Примером служат колебания моста, возникающие при прохождении по нему людей, шагающих в ногу.

Автоколебания, как и вынужденные колебания, сопровождаются воздействием на колеблющуюся систему внешних сил, однако моменты времени, когда осуществляются эти воздействия, задаются самой колеблющейся системой – система сама управляет внешним воздействием. Примером автоколебательной системы являются часы, в которых маятник получает толчки за счёт энергии поднятой гири или закрученной пружины, причем эти толчки происходят в моменты прохождения маятника через среднее положение.

При параметрических колебаниях за счёт внешнего воздействия происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы, например, длины нити, к которой подвешен шарик, совершающий колебания.

Простейшими являются гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина (например, отклонение маятника) изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Этот вид колебаний особенно важен по следующим причинам: во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер, очень близкий к гармоническому, во-вторых, периодические процессы иной формы (с другой зависимостью от времени) могут быть представлены как наложение нескольких гармонических колебаний. Гармонические колебания удобно представить в виде круговой диаграммы (рис.1). Пусть точка движется по окружности радиусом . Её положение задаётся радиус-вектором . Положение равновесия задаётся точкой . Радиус-вектор равномерно вращается с угловой скоростью . Проекции радиус-вектора на оси или задаются математическими выражениями (уравнениями) гармонических колебаний:

(1)

(2)

Мы будем использовать уравнение гармонических колебаний в виде (1). Координата задаёт значение колеблющейся величины. Величина – амплитуда колебаний, т.е. максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия. Величина , равная числу колебаний за время секунды, называется циклической частотой. Аргумент косинуса , характеризующий значение колеблющейся величины в момент времени , называется фазойколебаний. Фаза колебаний , соответствующая начальному моменту времени, называется начальной фазой колебаний. Время одного полного колебания называется периодом колебаний. Число колебаний за время, равное одной секунде, называется частотойколебаний.

Скорость колеблющейся точки находится дифференцированием выражения (1) по времени:

(3)

Дифференцируя вторично, получаем ускорение:

. (4)

На рис. 2 представлены зависимости . Скорость опережает смещение на , ускорение находится в противофазе по отношению к смещению.

Каждое конкретное колебание характеризуется определенным значением амплитуды и начальной фазы . Определим их значения из начальных условий . В этом случае , . Отсюда следует, что

, .

Выведем дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Из выражения (4) следует, что

или . (5)

Уравнение (5) является дифференциальным уравнением гармонических колебаний. Это уравнение является общим уравнением, описывающим гармонические колебания. Его решением являются функции (1) или (2). Следовательно, можно сказать, что гармоническиминазываются колебания, совершаемые по закону синуса или косинуса.

Колебательные системы, описываемые уравнением (5) называются одномерным классическим гармоническим осциллятором.Модель одномерного классического гармонического осциллятора оказывается справедливой не только для механических, но и других видов собственных незатухающих колебаний. В различных разделах физики используется единый математический язык описания гармонических колебаний.

Рассмотрим конкретные примеры гармонических осцилляторов в механике.

Пружинный маятник (рис. 3)

Применим к движению груза на пружине второй закон Ньютона: , где — сила упругости: ,

. (6)

Сравнивая (5) и (6), получаем:

(7)

(8)

Мы нашли собственную циклическую частоту (7) и период колебаний (8) груза на пружине.

Физический маятник (рис. 4)

Физическим маятником называется твердое тело, колеблющееся относительно неподвижной горизонтальной оси (оси подвеса), не проходящей через центр тяжести. При небольших углах отклонения ( -мал) физический маятник совершает гармонические колебания. Сила, возвращающая маятник в положение равновесия, представляет собой составляющую силы тяжести, приложенную в точке :

Момент этой силы относительно оси равен:

, где — плечо силы относительно оси , знак минус соответствует тому, что момент стремится вернуть маятник в положение равновесия, аналогично квазиупругой силе.

В соответствии с уравнением динамики вращательного движения

, где — угловое ускорение, — момент инерции маятника относительно оси О. Получаем

. (9)

Ограничившись малыми колебаниями , после преобразований получаем уравнение (9) в виде:

(10).

Сравнив выражения (5) и (10) мы видим их математическую аналогию, что позволяет записать выражения для циклической частоты и периода колебаний физического маятника:

(11)

, (12)

где -расстояние от центра тяжести до оси вращения.

Если период колебаний не зависит от амплитуды, то такие колебания называются изохронными. Мы видим, что малые колебания физического маятника изохронны. Колебания приближенно изохронны, когда угловая амплитуда колебаний не превышает нескольких градусов. При больших амплитудах изохронность нарушается. На свойстве изохронности колебаний маятника основано его применение в часах.

Математический маятник (рис. 5)

Математический маятник является частным случаем физического маятника. Математическим маятником называют идеализированную систему, состоящую из невесомой и нерастяжимой нити, к которой подвешена масса, сосредоточенная в одной точке. Примером математического маятника может служить шарик, подвешенный на длинной нити. В случае математического маятника ,где -длина математического маятника. Тогда формулы (11) и (12) запишутся в виде: