Гармонические колебания реферат по математике
Обновлено: 04.07.2024
Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определённой повторяемостью во времени. Колебания бывают:
Внешняя сила, обеспечивающая незатухающие колебания системы, называется вынужденной, а колебания системы – вынужденными.
Гармоническим называют колебание, при котором изменение колеблющейся величины со временем происходит по закону синуса (или косинуса, если точка М (материальная точка) проецируется на горизонтальный диаметр).
Колебательное движение реальной механической системы всегда сопровождается трением, на преодоление которого расходуется часть энергии колебательной системы. Поэтому энергия колебания в процессе колебания уменьшается, переходя в теплоту. Т.к. энергия колебания пропорциональна квадрату амплитуды, то постепенно уменьшается и амплитуда колебаний (см. Рисунок: х - смещение, t – время). Когда вся энергия колебания перейдёт в теплоту, колебание прекратится. Такого рода колебания называются затухающими.
Периодическим называется колебание, при котором, система отклоняется от своего состояния равновесия, и каждый раз возвращается к нему через одинаковые промежутки времени.
Колебательные процессы широко распространены в природе и технике: вибрация натянутой струны, движение поршня дизеля и ножей косилки, суточные и годичные изменения температуры воздуха, морские приливы и отливы, волнение водной поверхности, биение сердца, дыхание, тепловое движение ионов кристаллической решётки твёрдого тела, переменный ток и его электромагнитное поле, движение электронов в атоме, и, конечно, движение часового маятника. Рассмотрим колебания математического маятника:
Математическим маятником называется материальная точка, колеблющаяся на невесомой и недеформируемой нити.
Момент инерции математического маятника равен:
Где m – масса материальной точки, l – длина нити.
Подставляя это выражение в выражение периода колебание маятника (T = 2 / = 2 J/(mgl)), получим окончательную формулу периода колебаний математического маятника:
Отсюда следует, что при малых отклонениях период колебания математического маятника пропорционален квадратному корню из длины маятника, обратно пропорционален квадратному корню из ускорения свободного падения и не зависит от амплитуды колебаний и массы маятника.
Колебательные явления могут возникать помимо нашего желания и играть вредную роль: часто наблюдаются нежелательные и опасные колебания сооружений, вибрации механизмов и т.д.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Всероссийский конкурс исследовательских работ учащихся
“ЮНОСТЬ, НАУКА, КУЛЬТУРА”
Направление - математика
Исследовательский реферат
Бородич Никита Георгиевич
МБОУ СОШ № 1 ЗАТО Озерный Тверской области
11 класс
Бородич Ирина Сергеевна
МБОУ СОШ № 1 ЗАТО Озерный
Данная работа была разработана в целях освоения и знакомства с математическими методами физических расчетов. Математические методики обсчетов радио и электромагнитных волн, обсчет механических колебаний и прочих физических явлений. Колебания сопровождают и биологические процессы, например, слух, зрение, восприятие ультрафиолета, (используемые многими биологическими видами), передачу возбуждения по нервной ткани, работу сердца и мозга. Записывая работу сердца или мозга, врачи получают электрокардиограммы и энцефалограммы. Как говорил создатель учения о биосфере академик Вернадский: “Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины – от волн, длина которых измеряется десятимиллионными долями миллиметра, до длинных, измеряемых километрами”.
Введение, актуальность, цели, задачи……………………………………3
3.Скорость и ускорение при гармонических колебаниях………………..7
4.Представление гармонических колебаний с помощью ………………..8
метода векторных диаграмм
5.Сложение синхронных скалярных колебаний………………………….9
7.Сложение колебаний с кратными частотами……………………………11
8.Сложение ортогональных колебаний с равными частотами…………. 12
9.Сложение ортогональных колебаний с кратными частотами………….12
В повседневной жизни мы сталкиваемся с различными колебательными процессами.
Механические колебания применяются для скорейшей укладки бетона специальными виброукладчиками, для просеивания материалов на виброситах и даже для почти безболезненного высверливания отверстий в зубах. Акустические колебания нужны для приема и воспроизведения звука, а электромагнитные – для радио, телевидения, связи с космическими ракетами. Электромагнитные колебания доносят до нас вести о сложных процессах, происходящих внутри звезд, о взрывах в отдаленных галактиках, о таких диковинных вещах, как пульсары (нейтронные звезды), черные дыры и т.д. С помощью электромагнитных колебаний учеными были получены снимки обратной стороны Луны и вечно закрытой облаками Венеры.
Но колебания не всегда полезны. Вибрация станка действует на резец и обрабатываемую деталь и может привести к браку; вибрация жидкости в топливных баках ракеты угрожает их целостности, а вибрация самолетных крыльев при неблагоприятных условиях может привести к катастрофе. Даже хорошо затянутая гайка под влиянием вибрации ослабевает и станок разбалтывается. А самое страшное – под действием вибрации меняется внутренняя структура металлов, что приводит к так называемой “усталости” и последующему неожиданному разрушению конструкции. Колебаниями объясняются случаи падения мостов во время ураганов, катастрофы в кузнечных цехах, где несколько механических молотов начинали работать в такт. Колебания, контролируемые человеком, весьма полезны. Однако они могут превратиться в опасного врага. Поэтому надо изучать колебания, знать их свойства. А здесь без математических расчетов не обойтись.
Важность изучения данного материала определяется необходимостью познания явления гармонических колебаний. Данная тема является и разделом математической физики. Так как я хочу стать инженером, то аознанием данной темы является частью моей довузовской подготовки. Данная тема формирует логику, развивает математическое мышление и тренирует алгоритмы тригонометрических исчислений.
Проанализировать информацию по данной теме.
Показать важность математических обоснований при изучении данной темы.
В технике и в окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими (или почти периодическими) процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения.
Механическими колебаниями называются периодические (или почти периодические) изменения физической величины, описывающей механическое движение (скорость, перемещение, кинетическая и потенциальная энергия и т. п.).
Особую роль в колебательных процессах имеет простейший вид колебаний – гармонические колебания. Гармонические колебания лежат в основе единого подхода при изучении колебаний различной природы, так как колебания, встречающиеся в природе и технике, часто близки к гармоническим, а периодические процессы иной формы можно представить как наложение гармонических колебаний.
Гармоническими колебаниями называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса или косинуса .
Уравнение гармонических колебаний имеет вид:
Рисунок 1. Простейший пример гармонических колебаний
Здесь – смещение тела от положения равновесия, А = – амплитуда колебаний, т. е. максимальное смещение от положения равновесия, –
циклическая или круговая частота колебаний, – время. Величина, стоящая под знаком косинуса называется фазой гармонического процесса. При , поэтому называют начальной фазой. Приведенные формулы отличаются определением начальной фазы и при полностью совпадают. Конкретный вид функции (синус или косинус) зависит от способа выведения системы из положения равновесия. Если выведение происходит толчком (сообщается кинетическая энергия), то при смещение , следовательно, удобнее пользоваться функцией , положив ; при отклонении от положения равновесия (сообщается потенциальная энергия) при смещение , следовательно, удобнее пользоваться функцией и . Амплитуда колебания зависит только от начального отклонения (начальной энергии, сообщенной колебательной системе).
Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний . Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний:
Частота колебаний связана с циклической частотой и периодом колебаний соотношениями:
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Реферат по физике на тему:
“Гармонические колебания и их характеристики”
студент группы К-11
доцент Маштакова В. А.
и .Фаза величины (4) отличается от фазы величины (1) на /2, а фаза величины (5) отличается от фазы величины (1) на . Следовательно, в моменты времени, когда s=0, приобретает наибольшие значения; когда же s достигает максимального отрицательного значения, то
Из выражения (5) следует дифференциальное уравнение гармонических колебаний
Если этот вектор привести во вращение с угловой скоростью 0, равной циклической частоте колебаний, то проекция конца вектора будет перемещаться по оси x и принимать значения от -А до +А , а колеблющаяся величина будет изменяться со временем по закону s =A cos (0 t +). Таким образом, гармоническое колебание можно представить проекцией на некоторую произвольно выбранную ось вектора амплитуды А, отложенного из произвольной точки оси под углом , равным начальной фазе, и вращающегося с угловой скоростью 0 вокруг этой точки.
В физике часто применяется другой метод, который отличается от метода вращающегося вектора амплитуды лишь по форме. В этом методе колеблющуюся величину представляют комплексным числом. Согласно формуле Эйлера, для комплексных чисел
- мнимая единица. Поэтому уравнение гармонического колебания (1) можно записать в комплексной форме:
вещественная часть выражения (8)
представляет собой гармоническое колебание. Обозначение Re вещественной части опускают и записывают в виде
В теории колебаний принимается, что колеблющаяся величина s равна вещественной части комплексного выражения, стоящего в этом равенстве справа.
1.Амплитуда гармонических колебаний материальной точки равна 5 см. Масса материальной точки 10 г и полная энергия колебаний дж. Написать уравнение гармонических колебаний этой точки (с числовыми коэффициентами), если начальная фаза колебаний равна .
Общее уравнение гармонических колебаний имеет вид
м, m= , и уравнение (1) примет вид - величина безразмерная, то А не обязательно подставлять в метрах ; наименование x будет соответствовать наименованию А.
Современный мир невозможен без гармонических колебаний — любая электромагнитная волна их распространяет. Не было бы телефонов, интернета и других электронных средств. О том, что такое гармонические колебания — в этой статье.
О чем эта статья:
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.
Вынужденные колебания — это колебания, которые происходят под действием внешней периодически меняющейся силы.
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:
- сама колебательная система
- источник энергии
- устройство обратной связи, обеспечивающей связь между источником и системой
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 можно описать величинами: период, частота, амплитуда, фаза колебаний.
Период — это время одного полного колебания. Измеряется в секундах и обозначается буквой T.
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 [—]
Амплитуда — это максимальное отклонение от положения равновесия. Измеряется в метрах и обозначается либо буквой A, либо x max .
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]
(2πνt) в 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.
В первом случае (а) красная кривая описывает колебание, у которого амплитуда больше колебания, описанного синей линией.
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
l — длина нити [м]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На планете Земля g = 9,8 м/с 2
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.
Формула периода колебания пружинного маятника
m — масса маятника [кг]
k — жесткость пружины [Н/м]
Закон сохранения энергии для гармонических колебаний
Физика — такая клевая наука, в которой ничего не исчезает бесследно и не появляется из ниоткуда. Эту особенность описывает закон сохранения энергии.
Читайте также: