Fiza all id 173772 Nieznany

background image

1 Ruch drgający.

Wahadło sprężyste to układ który zawiera: ciało o masie m +

sprężyna o współczynniku sprężystości k.
Rys.



Siła tarcia i oporu wynosi 0.

Rozpatrzmy charakter ruchu pod wpływem siły Hooke’a.

Wiadomo że siła Hooke’a jest wprost proporcjonalna do wartości
wychylenia X.
F = -kx

(1) znak minus oznacza że siła jest skierowana w

kierunku przeciwnym do kierunku wychylenia x. Wychylmy teraz

ciężar lub ciał o odcinek +x
Rys




Punkt O jest położeniem równowagi w którym wychylenie i siła
Ho

oke’a równa się 0. Na ciężar będzie działać siła Hooke’a

skierowana ku położeniu równowagi. Pod wpływem takiej siły

ciężar zacznie się poruszać w kierunku równowagi gdy ciężar

znajdzie się w położeniu równowagi siła F = 0 ciężar będzie

jednak posiadał zapas prędkości V w skutek tego przejdzie

położenie równowagi i będzie się poruszać w lewo i zacznie

działać siła Hooke’a i będzie hamować ciężar tak długo aż nastąpi
zatrzymanie
Rys




Po zatrzymaniu ciężar zacznie się poruszać z powrotem w
kierunku równo

wagi w ten sposób ustali się ruch drgający ciężaru

względem punktu równowagi O.

Według I Zasady Newtona siła jest równa F=ma (2).

Podstawiając siłę hooke’a (1) do prawa Newtona mamy

ma = -kx (3).

Wiadomo że przyśpieszenie to druga pochodna wychylenia

względem czasu.

)

5

(

,

0

,

),

4

(

,

2

2

2

2

=

+

=

x

m

k

dt

x

d

dt

x

d

a

Wprowadźmy oznaczenia ω²=k/m

)

6

(

,

0

2

2

=

+ x

dt

x

d

ω

Z punktu widzenia matematyki równanie (6) to różniczka.

Rozwiążmy a więc musimy znaleźć związek między wychyleniem

x a czasem t x(t). Przypuśćmy, że wychylenie zależy od czasu
zgodnie z prawem sinusa

x(t)=Asin(ωt+δ) (7).

Znajdując drugą pochodną równania (7) względem czasu

przekonujemy się że zmienia ona równanie ruchu (6) w tożsamość

dx/dt= Aωcos(ωt+δ) d²x/dt²=-Aω²sin(ωt+δ) (8)

Podstawiając (7) i (8) do (6) mamy:

-

Aω²sin(ωt+δ) + ω²Asin(ωt + δ) = 0 ; 0=0

To jest dowód tego że rozwiązanie (7) jest rozwiązaniem
równania ruchu (6).

Wyjaśnimy jaki fizyczny sens posiadają wielkości A, ωt + δ

Ze wzoru (7) wynika, że A-max wartość wychylenia (amplituda)

α

= ωt + δ -nosi nazwę fazy. Faza to jest kąt który określa

położenia punktu drgającego dla dowolnej chwili czasu.

δ-faza początkowa jest to kąt który określa położenie punktu w

chwili początkowej t = 0

ω - częstość kątowa [ω] = rad/s

oprócz częstości kątowej można wprowadzić zwykłą

częstotliwość √, ω = 2Π√ (9).

- częstotliwość to jest liczba drgań w jednostce czasu jest ona

związana z okresem √=1/T (10). Okres to czas jednego pełnego
drgania.

Wykorzystując wzór ω²=k/m zrobimy obliczenia wartości okresu

wahadła sprężystego.
(10) do (9) mamy:

ω²=4Π²/T² (11).

Na porównanie

k/m=4Π²/T² => T=2Π

k

m

(12)

Okres zależy od masy i współczynnika sprężystości


2 DRGANA ELEKTRYCZNE W OBWODZIE LC

Rozpatrzmy obwód składający się z cewki o indukcyjności L i kondensator o

pojem C połącz szeregowego
1)






Załóżmy że opór omowy cewki jest tak mały że można go pominąć. Jeżeli do C

włączymy na krótki moment baterię która naładuje się do napięcia U

k

to na

okładzinach C zgromadzi się ładunek Q = U

k

C (1)

Po wyłączeniu baterii C zaczyna się rozładowywać i przez obwód płynie prąd I

2)



Prąd elektr płynący przez cewkę wytwarza wewnątrz cewki strumień
magnetyczny.

Zmiana natężenia prądu (natężenie prądu rośnie) powoduje również zmiany

strumienia magnet w wyniku tego we własnych uzwojeniach cewki pojawiasie
SEM samoindukcji

( )

2

dt

dI

L

E

s

=

przeciwstawiająca się wzrostowi prądu I zgodnie z prawem Lorentza. Znak „-„

oznacza że siła SEM zawsze skierowana jest przeciw wzrostowi prądu. W

momencie kiedy natężenie prądu osiągnie wart max kondensator będzie

całkowicie rozładowany
3)




Po rozładowaniu C prąd w obwodzie nie przestaje płynąć ponieważ jest
podtrzymywany przez SEM E

s

. Prąd ten ponownie ładuje C przy czym

powstające między okładkami pole elektrycz ma zwrot przeciwny. Po

naładowaniu C ponownie rozładowuje się i ten proces powtarza się lecz w
przeciwnym kierunku.
4)




Wnioskujemy, że zjawisko okresowe zachodzące w obw LC nazywamy
drganiami elektr, a obwód

gen drgań elektr.

Zrobimy oblicz częstości drgań własnych tego obw Wykorzystujemy w tym
celu 2 prawo Kirchhoffa:

W dowolnym obw zamkniętym suma algebraiczna SEM zawartych w tym

obwodzie równa się sumie iloczynów natężeń prądów i oporów

poszczególnych gałęzi obwodu

( )

3

=

k

k

k

k

k

R

I

E

Zauważmy że w obwodzie I~ do SEM dochodzą nap na okładkach C i

uogólnione 2 prawo Kirhchoffa ma postać

( )

=

+

k

k

k

k

k

k

k

R

I

U

E

4

Napiszmy 2 prawo Kirhchoffa dla obw LC


( )

5

0

=

k

U

dt

dI

L

Po zróżniczkowaniu czasu mamy

( )

6

0

1

2

2

=

+

dt

dQ

C

dt

I

d

L

C

Q

U

R

=

Zgodnie z określeniem

( )

7

I

dt

dQ =

Podst (7) do (6) mamy

( )

( )

9

0

1

8

0

1

2

2

2

2

=

+

=

+

I

LC

dt

I

d

I

C

dt

I

d

L

z punktu widzenia matem równanie 9 jest równ różniczkowym i zrobimy porów

z równ ruchu wah sprężystego

( )

(

)

δ

ω

ω

+

=

=

+

0

0

2

0

2

2

cos

10

0

t

I

I

x

dt

x

d

prąd zmienia się zgodnie z prawem sin lub cos

( )

( )

12

2

11

1

0

2

0

T

LC

π

ω

ω

=

=

podst (12) do(11) mamy że okres drgań w obw LC wynosi

LC

T

π

2

=

wzór Thomsona


3 DRGANIA TŁUMIONE (GASNĄCE)

Rozpatrzmy drgania wah sprężystego które znajduje się w

ośrodku lepkim (siła oporu lub siła tarcia równa się 0). Wiadomo

że siła oporu zależy od prędkości ciała i skierowana jest zawsze

przeciwnie do kier V i jest wprost proporcjonalna do kier V

( )

1

V

F

op

γ

=

gdzie

γ

współcz oporu

Całk siła działająca na ciało (wah sprężyste) równa się sumie siły

oporu i siły sprężystej Q Hooka

( )

2

V

kx

F

γ

=

wg 2 zas Newtona siła wypad równa

( )

3

ma

F

=

W naszym przypadku

( )

4

V

kx

ma

γ

=

wiadomo że

x

dt

x

d

a

=

=

2

2

x

dt

dx

V

=

=

pods do (4) mamy

( )

( )

6

0

lub

5

=

+

+

=

x

m

x

m

k

x

x

kx

x

m

γ

γ

wprowadźmy oznaczenia

β

γ

ω

2

;

2

=

=

m

m

k

o

mamy

( )

7

0

2

2

0

=

+

+

x

x

x

β

ω

Z punktu widzenia matem równ (70 jest równ różniczkowym.

Zauważmy że jeżeli siła oporu = 0 to częstość drgań
wynosi

ϖ=ϖ

0

(drgania własne)

Zrobimy rozw równ (7) , dlatego wprowadzimy nową zmienną

( )

t

t

xe

z

ze

x

β

β

=

=

lub

8

Zróżniczkujemy wzór (8)

(

)

...

7

,

2

exp

=

=

=

e

t

e

t

β

β

różniczkujemy

( )

( )

10

9

2

t

t

t

t

t

t

e

e

z

e

z

e

z

x

z

t

ze

x

β

β

β

β

β

β

β

β

β

β

+

=

=

podst (8) (9) (10) do rów (7) mamy

( )

(

)

( )

12

0

11

0

2

2

0

2

0

2

=

+

=

+

z

z

z

z

z

β

ω

ω

β

wprowadźmy oznaczenia

( )

( )

14

0

13

2

2

2

0

2

=

+

=

z

z

ω

β

ω

ω

Równ (14) jest identyczne z równ ruchu wah bez oporu . stąd

wynika że rozw tego równ ma postać

(

)( )

15

cos

0

δ

ω

+

=

t

A

z

gdzie A

0

ampl początk dla t=0

ϖ -

częst drgań tłumionych

Ze wzoru (13) wynika że częstość drgań tłumionych jest zawsze

mniejsza niż częstość drgań własnych
Wiadomo że

t

ze

x

β

=

Podst (15) do wzoru (8)mamy, że

wychylenie x zależy od czasu w sposób następujący

(

)( )

16

cos

0

δ

ω

β

=

t

e

A

x

t

i jest to rozwiązaniem równ różniczkowego (14)

Wyjaśnijmy jaki fiz sens ma czynnik

t

e

A

β

0

ampl drgań tłumionych

( )( )

17

0

t

A

e

A

t

=

β

Zzyli ampl maleje ze wzrostem czasu t.

Zrobimy wykres zależności (16)



Wprowadźmy pojęcie dekrementu drgań tłumionych:
Log stosunek dwóch kolejnych wart amplitud z których druga

następuje po pierwszej w odstępie czasu = T nazywa się

dekrementem log tłumienia

Zgodnie z określeniem dekrement ma postać

background image

( )

(

)( )

18

T

t

A

t

A

Ln

+

=

λ

podst wart amplit (17) mamy

(

)

( )

19

0

0

T

Lne

e

A

e

A

Ln

t

T

t

t

β

λ

λ

β

β

β

=

=

=

+

e

Log

Ln

4 Drgania elektryczne w obwodzie RLC

W taki sam sposób jak w LC zachodzą drgania elektryczne w

RLC, ale w skutek straty energii (w postaci ciepła na oporze R)

drgania te są drganiami tłumionymi.
II prawo Kirchhoffa dla dowolnej chwili czasu

)

3

(

,

0

)

2

(

,

.

1

=

+

+

=

=

JR

L

Uk

JR

Uk

L

C

Q

dt

dJ

C

Q

dt

dJ

Po zróżniczkowaniu względem czasu mamy

.

4

0

2

2

0

0

0

2

0

2

0

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

+

=>

=

=

=

+

+

=

+

+

=

=

+

+

dt

dJ

dt

J

d

L

R

LC

dt

dJ

L

R

LC

dt

J

d

dt

dJ

C

dt

J

d

dt

dQ

dt

dJ

dt

dQ

C

dt

J

d

J

J

R

J

L

J

R

L

β

ω

β

ω

Zrobimy porównanie z równaniem ruchu wahadła w lepkim
ustroju

: drgania tłumione

.

5

0

2

2

0

2

2

=

+

+

dt

dx

dt

x

d

x

β

ω

Z porównania wynika, że równanie ma postać:

)

6

(

,

),

cos(

)

(

0

δ

ω

β

+

=

t

e

J

t

J

t

W obwodzie RLC wartość prądu maleje ze wzrostem czasu.

Mamy drgania gasnące. Jo - maksymalna wartość natężenia prądu

przy czym częstotliwość drgań tłumionych wynosi :

.

7

2

2

4

1

2

2

0

1

2

2

0

2

2

0

2

L

R

LC

L

R

LC

=

=>

=

=

=

=>

=

ω

β

ω

β

ω

ω

β

ω

ω

Logarytmiczny dekrement tłumienia dla obwodu RLC

ω

β

β

λ

Π

=

=

=

2

2

T

t

L

R

.

8

2

4

2

1

2

2

L

R

LC

l

R

Π

=

λ

5. Drgania wymuszone
Rozpatrzmy drgania wykonywane przez punkt materialny w

warunkach gdy oprócz sił sprężystości i sił oporu działa na niego

dodatkowa siła okresowo zmienna.

Załóżmy, że ta dodatkowa siła wymuszająca zmienia się w

zależności od czasu według prawa sinusa.
Fw

= P cos

ϖt (1)

Wielkość p jest największą wartością tej siły
F

s

= -kx (2)

Siła sprężystości

F

op

= -

γV (3)

siła oporu

Punkt drga wzdłuż osi X

Wedłóg II zasady dynamiki Newtona siła wypadkowa
F =ma (4) w naszym przypadku
F = -kx –

γV + Fw (5)

Podstawiając (5) do (4) -kx –γV + Fw = ma

x

a

=

x

v

=

t

P

kx

m

x

x

ω

γ

cos

+

=

)

6

(

,

,

0

cos

=

=

+

t

m

P

m

x

k

x

x

ω

γ

(6) Rownanie ruchu pktu materialnego

α

β

ω

γ

=

=

=

m

P

m

m

k

2

2

0

)

7

(

0

cos

2

2

=

+

+

t

x

x

x

o

ω

α

β

ω

Z punktu widzenia matematyki równanie (7) jest równaniem

różniczkowym. Zauważmy, że jeżeli nie występuje siła
wy

muszająca α = 0 oraz siła oporu β = 0 to częstość drgan punktu

materialnego wynosi

ϖ

ο

ϖ

ο

jest częstością drgań własnych układu.

Rozwiązanie tego równania ma postać

X = A cos (

ϖt + δ ) (8)

ale amplituda drgań wymuszonych

zależy od częstości siły zewnętrznej (1) mianowicie amplituda

)

9

(

2

2

2

2

4

(

ω

β

ω

ω

α

+

=

o

A

Faza początkowa δ

tg

δ =

)

10

(

2

2

2

o

ω

ω

βω

11a. Zjawisko rezonansu

Z równania (9) wynika, że amplituda drgań wymuszonych zależy

od stosunku częstości ϖ (siły wymuszającej) i częstości ϖ

ο

drg

własnych. Jeżeli częstość ϖ siły wymuszającej zmienia się a

częstość ϖ

o

drgań własnych pozostaje stała, to będzie się zmieniać

amplituda drgań wymuszonych. Według wzoru (9) znajdziemy A

max amplitudy drgań wymuszonych.

Aby się o tym przekonać należy znaleźć minimum mianownika w
(9)

w tym celu pochodną mianownika przyrównujemy do zera

Z = (

ϖ

o

2

-

ϖ

2

)

2

+ 4

β

2

ϖ

2

0

8

2

)

(

2

2

2

2

0

=

+

=

ω

β

ω

ω

ω

ω

d

dz

0

)

2

(

4

=

+

+

β

ω

ω

ω

o

1.wartość ϖ = 0 nie posiada sensu fizycznego

ϖ

2

=

ϖ

o

2

– 2

β

2

=>

)

11

(

2

2

2

0

β

ω

ω

=

mianown

ik (9) osiąga minimum gdy

2

2

0

2

β

ω

ω

=

maksimum amplitudy ze wzoru

(9) drgań wymuszonych występuje wówczas gdy częstość siły
wymuszającej jest

2

2

0

2

β

ω

ω

=

rez

Zrobimy wykres zależności (9)








Określenie
Z
jawisko ostrego po

większenia amplitudy drgań nazywa się

zjawiskiem rezonansu.

Widzimy, że im większy jest współczynnik tłumienia β to tym

ostrzej zarysowuje się Maximum amplitudy. W wypadku gdy opór

ośrodka =0 (β=0) maksimum amplitudy będzie występować gdy

ϖ = ϖ

0

(12)

tzn.

wówczas gdy częstość ϖ siły wymuszającej

stanie się równe częstości drgań własnych ϖ

0

nastąpi zjawisko

rezonansu

W tym przypadku zgodnie z równaniem (9) amplituda drgań

stanie się nieskończenie wielka.

Zjawiska rezonansu odgrywają dużą rolę w procesach fizycznych

oraz w radiotechnice, przy czym występowanie rezonansu w

pewnych przypadkach jest szkodliwe np. silnik(częstość obrotów)

i jego podstawa gdy wejdą w rezonans może dojść do uszkodzenia

6 Drgania Elektryczne wymuszone w obwodzie RLC.
Rozpatrzmy drgania elektryczne w obwodzie RLC gdy oprócz

elementów RLC obwód zawiera dodatkowo siłę

elektromotoryczną okresowo zmienną. Załóżmy, że SEM zmienia

się w zależności od czasu według prawa sinusa
Ez = Emax sin

ϖt

(1)

Wykorzystajmy uogólnione prawo Kirchoffa dla obwodu

)

3

(

)

2

(

C

Q

dt

dJ

Uk

JR

Ez

Uk

L

=

=

+

Podstawiając (1)(2)(3) otrzymujemy

)

4

(

,

,

0

sin

=

+

JR

t

E

L

m

C

Q

dt

dJ

ω

Zróżniczkujemy dodatkowo równanie względem czasu

0

cos

2

2

=

+

+

t

E

R

L

m

dt

dJ

dt

dQ

C

J

dt

J

d

ω

ω

)

5

(

,

0

cos

1

2

2

=

+

+

t

L

E

dt

dJ

L

R

dt

dQ

LC

dt

J

d

m

ω

ω

)

6

(

2

1

2

J

dt

dQ

L

E

L

R

LC

o

m

=

=

=

=

α

β

ω

ω

podstawiając (6) do (5) otrzymujemy

)

7

(

,

0

cos

2

2

0

=

+

+

t

J

J

J

ω

α

β

ω

równanie (7) jest rónaniem drgań wymuszonych elektrycznych w

obwodzie RLC. Zauważmy , że jeżeli nie występuje SEM α=0
oraz opór omowy

β

=0 to częstość drgań elektrycznych

wynosi

)

8

(

1

2

LC

o

=

ω

drgania własne.

Z równania drgań wymuszonych punktu materialnego

0

cos

2

2

=

+

+

t

x

x

x

o

ω

α

β

ω

oraz

)

7

(

0

cos

2

2

0

=

+

+

t

J

J

J

ω

α

β

ω

z tego porównania wynika, że rozwiązanie równania

różniczkowego (7) można zrobić w taki sam sposób jak

rozwiązanie równania punktu materialnego. Rozwiązanie ma

postać

J=J

o

cos (

ϖt = δ) (9)

Natężenie prądu jest równe

)

10

(

2

2

2

2

2

4

)

(

ω

β

ω

ω

α

+

=

o

o

J

Zgodnie z (9) z paragrafu 1 faza początkowa

)

11

(

2

2

2

o

ω

ω

βω

δ

=

Zrobimy obliczenia wartości amplitudy natężenia prądu Jo

Wykorzystując

LC

o

L

E

L

R

m

1

2

2

=

=

=

ω

α

β

ω

Podstawiając dane oznaczenia do (10) otrzymujemy

)

12

(

2

2

1

2

2

4

2

2

2

1

)

(

4

)

(

R

L

E

o

C

m

L

R

LC

L

Em

J

+

+

=

=

=

ω

ω

ω

ω

ω

(12) Prawo ohma dla prądu zmiennego.

Znajdźmy max wartość natężenia prądu Jo Mianownik osiąga

wartość minimalną w warunkach gdy :

)

13

(

1

C

L

ω

ω

=

Stąd wynika, że zjawisko rezonansu

(ostrego powiększenia amplitudy Jo natężenia prądu nastąpi gdy

częstość SEM

)

14

(

2

1

2

o

LC

ω

ω

ω

=

=

częstość SEM = częstość drgań własnych










Max wartość amplitudy Jo wynosi

)

15

(

,

,

max

R

E

o

m

J

=

Przy rezonansie maksymalne natężenia prądu są kilkaset razy

większe niż Jo Te zjawisko można wykorzystać dla odbioru

potrzebnej częstotliwości.

7. SUPERPOZYCJA DRGAŃ O JEDNAKOWYM OKRESIE

(WZDŁUŻ JEDNEJ PROSTEJ)

Przypuśćmy, że punkt materialny wykonuje jednoczesne drgania

wzdłuż tej samej prostej(osi OX). Występuje wówczas nakładanie

się, czyli superpozycja drgań. Załóżmy, że oba drgania mają ten

sam okres T, lecz różne amplitudy i fazy tzn.

)

cos(

1

1

1

δ

ω

+

=

t

A

X

(1),

)

cos(

2

2

2

δ

ω

+

=

t

A

X

(2).

Wychylenie X ruchu wypadkowego jest sumą wychyleń ruchów

składowych, a mianowicie X=X

1

+X

2

(3). (1) i (2) do (3) mamy

)

cos(

)

cos(

2

2

1

1

δ

ω

δ

ω

+

+

+

=

t

A

t

A

X

(4)

wykorzystując wzór cos (A + B) = cosAcosB - sinAsinB mamy

2

2

2

2

1

1

1

1

sin

sin

cos

cos

sin

sin

cos

cos

δ

ω

δ

ω

δ

ω

δ

ω

t

A

t

A

t

A

t

A

X

+

+

=

wprowzdźmy oznaczenia

(*)

sin

sin

sin

sin

sin

cos

cos

cos

cos

cos

2

2

1

1

2

2

1

1

+

=

+

=

δ

ω

δ

ω

δ

δ

ω

δ

ω

δ

t

A

t

A

A

t

A

t

A

A

)

cos(

sin

sin

cos

cos

δ

ω

δ

ω

δ

ω

+

=

=

=

t

A

t

A

t

A

X

(5).

Wnioskujemy:

Mamy, że (5) ruchu wypadkowego jest równaniem

ruchu harmonicznego o amplitudzie A i fazie początkowej δ.

Zrobimy obliczenia wartości amplitudy A oraz fazy początkowej δ
drgania wypadkowego, (5) dlatego wykorzystamy oznaczenie (*).

2

2

1

1

2

2

1

1

cos

cos

sin

sin

δ

δ

δ

δ

δ

A

A

A

A

tg

+

+

=

(6) Podniesiemy do kwadratu i

złożymy stronami

ϖ

A

β

1

β

2

β

3

β

1

<

β

2

<

β

3

R

1

R

2

Jo

β

1


β

2


β

3





background image

)

7

(

,

),

cos(

2

sin

sin

sin

2

sin

cos

cos

cos

2

cos

1

2

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

2

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

)

cos(

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

1

δ

δ −

+

+

=

A

A

A

A

A

Dla stałej różnicy faz δ

2

-

δ

1

drgania są synchroniczne i spójne.

Rozpatrzmy szczególny przypadek, kiedy różnica wielokrotności

równa się 2Π, a mianowicie różnica faz δ

2

-

δ

1

= 2

Π

gdzie

n=0,1,2,…

Ze wzoru (7) wynika, że A=A

1

+A

2

(8)

)

cos(

1

1

1

δ

ω

+

=

t

A

X

(9)

)

cos(

)

2

cos(

1

2

2

2

δ

ω

δ

ω

+

=

=

Π

+

+

=

t

A

n

t

A

X

(10).

Zrobimy wykres zależności (9) i (10) i drgania wypadkowego:

8 SUPERPOZYCJA DRGAŃ O RÓŻNYCH OKRESACH

(WZDŁUŻ JEDNEJ PROSTEJ)

Rozpatrzmy nakładanie się drgań o różnych okresach T1,T2.

Załóżmy dla uproszczenia, że fazy początkowe drgań równają się
0.

)

1

(

),

cos(

1

1

1

t

A

X

ω

=

)

2

(

),

cos(

2

2

2

t

A

X

ω

=

Wychylenie X ruchu wypadkowego jest sumą wychyleń ruchów

składowych, a mianowicie X=X

1

+X

2

(3).

(1)

i (2) do (3)

(2)

)

cos(

)

cos(

2

2

1

1

t

A

t

A

X

ω

ω

+

=

(4)

Przypuśćmy T1<T2 tzn. ω1>ω2. Dodając i odejmując od prawej

strony (4) wyraz

t

A

1

2

cos

ω

|

2

cos

2

cos

2

cos

cos

|

cos

)

(

)

cos

(cos

)

cos(

)

cos(

)

cos(

)

cos(

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

2

1

1

B

A

B

A

B

A

t

A

A

t

t

A

t

A

t

A

t

A

t

A

X

+

=

+

=

+

+

+

=

=

+

+

+

=

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

t

A

A

t

t

A

X

1

2

1

2

1

2

1

2

cos

)

(

2

cos

2

cos

2

ω

ω

ω

ω

ω

+

+

+

=

(5)

Wnioskujemy, Ruch wypadkowy nie jest harmoniczny. Np. T1 i
T2 mało się różnią

2

2

1

2

2

1

T

T

T

T

+

<<

(6)

Wówczas otrzymujemy drgania modulowane.

II. Rozpatrzmy dodawanie dwu drgań o jednakowych amplitudach

A1=A2=A0

t

t

A

X

2

cos

2

cos

2

2

1

2

1

0

ω

ω

ω

ω

+

=

(7)

gdzie A wypadkowe

|

2

cos

|

2

2

1

0

t

A

A

ω

ω

=

(8)

Wiadomo, że A jest dodatnie, dlatego wykorzystano bezwzględną

wartość cos, a częstość zmiany drgania wypadkowego równa jest

różnicy drgań składowych. Wtedy wychylenie wypadkowe równa

się

2

cos

2

1

ω

ω

+

= A

X

(9).

Wg założenia, że ω2 różni się mało od ω1 to ω1+ω2>>ω1−ω2.

Drgania wypadkowe (9) można traktować w pierwszym
przybliżeniu jako ruch harmoniczny

2

2

1

ω

ω −

.

Wykres

Widać, że amplituda okresowa zmienia się powoli zgodnie z
równaniem osi. Zjawisko to nazywamy dudnieniem.
Dudnieniem

są drgania o modulowanej amplitudzie, przy czym

głębokość modulacji wynosi 100%.

9.Fale.

Przypuśćmy, że punkt drgający znajduje się w ośrodku, którego

cząsteczki są ze sobą związane, wówczas energia drgania punktu

może być przekazywana otaczającym go punktom i wykonywać
ich drgania.

Def.1. Proces rozchodzenia się drgań w ośrodku nazywa się

falą.

Np: jeżeli jednemu z końców sznurka, którego drugi koniec

jest zamocowany na dany ruch drgający to drganie będzie się

przenosić po sznurku, czyli wzdłuż niego pobiegnie fala.
Def.

2. Jeżeli drgania cząsteczki i wychylenie się drgań

zachodzi wzdłuż kierunku prędkości to falę nazywamy

podłużną.

Def.3. Jeżeli drgania cząsteczki są prostopadłe do kierunku

prędkości falę nazywamy poprzeczną.

Schemat rozchodzenia się fali poprzecznej.

1.

Wykres przedstawia położenie cząsteczki w chwili początku t

= 0, gdy wszystkie cząsteczki znajdują się w położeniu

równowagi do skaczącej cząsteczki t przyłożono się zew.
2.

wykres daje położenia cząsteczek po upływie czasu równego

½ okresu punktu A w tym momencie przechodzi przez położenie

równowagi wychylenie równe 0, punkt B osiąga max. Wychylenie
3.

Wykres przedstawia położenie cząsteczek po upływie czasu

równego okresowi przy czym cząsteczka A przechodzi znów w

położenie równowagi ale w innym punkcie, cząsteczka B osiąga

max. wychylenie ku dołowi. W ten sposób można obserwować

dalsze rozchodzenie się fal.

Wykres rozchodzenia się fali podłużnej.

1) . . . . . .
2) …. . . . .
3) . . ….. . .
4) . . . …….

Wykaż, ze w przypadku fal podłużnych obserwujemy zbliżanie i

oddalanie wzajemne cząsteczek, wskutek czego w środku

powstaje zagęszczenia i rozchodzenia.

Odradzają własności sprężyste ośrodka zależy czy fale

rozchodzące się są falami podłużnymi czy poprzecznymi.

W cieczy i w gazie rozchodzą się tylko fale podłużne.

W ciałach stałych powstać zarówno fale poprzeczne jak i fale

podłużne.

Prędkość rozchodzenia się fal zależy: od rodzaju substancji np.:

prędkość rozcodzenia się fal podłużnych równa się

)

1

(

,

g

E

V

L

=

long

gdzie E -

moduł Younga, g – gęstość

Prędkość rozchodzenia się fal poprzecznych równa się

)

2

(

,

g

N

V

T

=

T – trans

N –

moduł sztywności

Długość fali jest najmniejszą odległością między drgającymi

punktami znajdującymi się w jednakowych fazach.

Np.: dla fali poprzecznej, która rozchodzi się wzdłuż osi y i

wysokości x.

Przez rozch

odzenie się fali należy rozumieć prędkość

rozchodzenia się fazy (prędkość fazowa). Wobec tego faza

początkowa w ciągu czasu równego T przebiega odległość równą

długości fali λ.

Otrzymujemy v = λ/T (3)
Lub

v = λ v v- częstotliwość

Przypuśćmy, że punkt drgający znajduje się w ośrodku ciągłym i

drgania rozchodzą się z koła punktu na wszystkie strony. Miejsce

geometryczne punktu do których dochodzą drgania nazywamy

czołem fali.

Jeżeli ośrodek jest izotropowy (właściwości nie zależą od

kierunku) to drgania wychodzące z ośrodka drgań rozchodzą się

jednakowo we wszystkie strony. W tym przypadku czoło fali jest
powierzchnia kuli

Kształt czoła fali określa typy fali

Np. falą płaską nazywamy falą, której czoło jest płaszczyzną


Fala kulista płaska

Równanie fali płaskiej

Rozpatrzmy falę biegnącą wzdłuż jednej prostej np. wzdłuż osi X.

Oznaczmy X wychylenie punktu z położenia równowagi

X = f * ( l,y)
Proces falowy

jest znaczny, jeżeli wartości x każdego punktu

prostej, wzdłuż której rozchodzi się fala są w każdym momencie

czasu znaczne. Innymi słowy należy znać wychylenie x punktu

jako funkcje czasu i współrzędne y.
0 –

jest środkiem drgań lub źródłem i drganie zachodzi w tym

punkcie według wzoru.

X = A cos ωt (1)

Weźmy dowolny punkt B leżący na linii prostej w odległości y od

początku układu. Drgania rozchodzą się z punktu 0, dojdą do

punktu B po upływie czasu T
T = y/v (2)

Wobec tego punkt B zacznie drgać o T później niż punkt 0. To

znaczy, że pkt. B w chwili dojścia do niego fali zacznie drgać z

częstością ω i amplitudą A.

Wychylenie X punktu B z płożenia można wyrazić wzorem: x =

A cos ω (t – T) (5)

Podstawiając (2) do (5) mamy:
x

= A cos ω ( t – y/v ) (6). Równanie fali płaskiej

rozchodzące się w kierunku x.

W tym przypadku dowolna płaszczyzna prostopadła do osi Y jest

czołem fali.

Równanie fali płaskiej można przedstawić w następujący sposób:

x = A cos 2Π (vt – vy/v) (7)
v =

λ v (8), v/v = 1/λ (9).

(9) do (10)
x = A cos 2

Π (vt – y/ λ) (10)

x = A cos (ωt – ky) (11); k = 2Π/ λ k-liczba falowa (12)

10.FALE STOJĄCE

Są wynikiem nałożenia się dwóch spotykających się fal płaskich o

jednakowych amplitudach. Przypuśćmy że dwie fale płaskie o

jednakowych amplitudach rozchodzą się: jedna w kier. dodatniej

osi Y, a druga w kier. ujemnej osi Y. Obie fale można przedstawić

następującymi równaniami:

Równanie fali płaskiej wzdłuż dodatniej osi Y ma

postać:

( )

1

2

cos

0

1

=

λ

ν

π

Y

t

A

x

Rów

nanie fali biegnącej wzdłuż ujemnej osi Y:

( )

2

2

cos

0

2

+

=

λ

ν

π

Y

t

A

x

suma tych fal równa się
x

1

+x

2

=x (3)- wychylenie wypadkowe

podst (1) (2) do (3)

( )

4

2

cos

2

cos

 +

+



=

λ

ν

π

λ

ν

π

Y

t

Y

t

A

x

o

(

)

(

)

( )

5

cos

cos

2

cos

cos

β

α

β

α

β

α

=

+

+

λ

π

β

πν

α

Y

t

2

,

2

=

=

( )

6

2

cos

2

cos

2

0

t

Y

A

x

πν

λ

π

=

Czynniki cos2

πν

t wskazuje na to że w p ośrodka powstaje drganie

o częstości równej częstościom spotykających się fal.
Czynnik

λ

π Y

A

2

cos

2

0

nie zależy od czasu i reprezentuje

amplitudę drgania wypadkowego

( )

7

2

cos

2

0

λ

π

Y

A

A

=

Zauważmy że amplituda jako wielk w zasadzie dodatnia równa się

wart bezwzględnej tego czynnika

Drgania wg (6) nazywa się falą stojącą

Zgodnie ze wzorem (7) amplituda fali stojącej zależy od Y. widać

że w określ p Y amplituda fali stojącej równa się sumie amplitud

obydwu drgań
A

MAX

=2A

0

(8)- gdy cos=1

Punkty takie nazywamy strzałkami, w innych punktach Y amplit

wypadkowa równa się 0
A

MIN

=0 (9)- gdy cos=0

Takie punkty nazywają się węzłami fali stojącej

Obliczmy współ Y strzałek i węzłów
Dla strzałek

1

2

cos

=

λ

π Y

,...

2

,

1

,

0

,

2

=

±

=

n

n

Y

π

λ

π

( )

10

2

n

Y

n

λ

±

=

wsp strzałek

amplituda fali w węzłach równa się 0

0

2

cos

=

λ

π Y

(

)

...

2

,

1

,

0

,

2

1

2

2

=

+

±

=

n

n

Y

π

λ

π

(

) ( )

11

4

1

2

λ

+

±

=

n

Y

n

współ węzła

a
t = 0
1) x


B t = T/2
2)
A C x

D t = T
3) A C x

B

X λ

1 2


y


λ

x T t


X
B y


y

A

st

background image






Równanie różnicowe fali płaskiej
Dla

otrzymania rów. róż. wykorzystujemy rów. fali płaskiej w

postaci:

x = A cos (ωt – ky) (1).

Różniczkujemy równanie (1) dwa razy względem czasu t, i dwa

razy względem współrzędnej y.
dx/dt = - A

ω sin (ωt – ky)

d

2

x/dt

2

= - A

ω

2

sin (

ωt – ky) (2)

dx/dy = A k sin (

ωt – ky)

d

2

x/dy

2

= - Ak

2

cos (

ωt – ky) (3)

Podzielimy stronami (2), (3).
d

2

x/dt

2

: d

2

x/dy

2

= ω

2

/k

2

(4)

ω = 2Πv ; k = 2Π/ λ

ω

2

/k

2

= λ

2

v

2

= v

2

(5)

Podstawi

ając (5) do (4) mamy:

d

2

x/dy

2

= t/v

2

d

2

x/dt

2

(6)

Równanie różniczkowe fali płaskiej.

11. INTERFERENCJA FAL

Po pow wody rozchodzi się fala o dowolnym kształcie, na drodze

tej fali postawmy przegrodę z otworem małym w porów z dł falia









Fala po dojściu do przegrody P odbije się od niej, a otwór d

stanie się źródłem fal rozchodzących się po drugiej stroni
przegrody.

Zjawisko Huygensa

Każdy punkt ośrodka do którego dochodzi czoło fali można

traktować jako nowe źródło fali np.: w pewnym momencie

czasu t znane jest czoło fali








W pewnum momencie czasu znane jest czoło fali AB

Trzeba skonstruować nowe czoło fali odpow. momentowi t’

wykorzystujemy zasadę huygensa. Dlatego trzeba przyjąć że

każdy punkt leżący na czole fali AB jest niezależnym źródłem
tzw fal elementarnych.
Obwiednia A’B’ wszystkich elementarnych pow falo

wych będzie

nowym czołem fali.

Rozpatrzmy raz fale wychodzące z różnych źródeł , w obszarze

przenikania się fal ,drgania nakładają się na siebie i zachodzi

nakładanie się fal (interferencja). W wyniku czego w jednym

miejscy powstaną drgania silniejsze a w innym słabsze.

Zjawisko interferencji zachodzi wówczas gdy

drgające z jednakową częstością źródło drgań

mają jednakowo skierowane drgania i stałą

różnicę faz.

Takie źródła nazywa się koherentnymi, albo

spójnymi. Dla fal niespójnych gdy różnica faz

szybko

się zmienia zjawisko interferencji nie

występuje.

Jnterferencja fal akustycznych

SPOSOBY OTRZYMYWANIA SPÓJNYCH ŹRÓDEŁ
Jeden ze sposobów otrzymywania koherentnych lub spójnych

źródeł drgań jest następujący:

bierzemy punktowe źródło S z którego rozchodzi się fala
sferyczna














Na drodze fali umieścimy przegrodę z dwoma otworami S1 i S2.

otwory S1 i S2 stają się zgodnie z zasadą Huygensa niezależnymi

źródłami drgań przy czym mają one jednakowe amplitudy i fazy.
Po prawej str

onie przegrody będą rozchodziły się fale sferyczne.

Rozpatrzmy drgania wypadkowe w pewnym punkcie A

oddalonym od źródeł S1 i S2 odpow o odległ R1 i R2 . drgania

dochodzące do p A mają równe fazy które zależą od różnicy R1 –

R2. Jeżeli drgania źródeł S1 i S2 mają jednakowe drgania to

można je przedstawić za pomocą wzoru

t

A

x

t

A

x

ω

ω

cos

cos

0

2

0

1

=

=

wówczas drgania które dochodzą do p A ze źródeł S1 i S2 można

przedstawić w sposób następujący

( )

( )

2

2

2

cos

1

1

2

cos

0

2

0

1

 −

=

 −

=

λ

ν

π

λ

ν

π

R

t

A

x

R

t

A

x

x

1

wychylenie cząstki drgającej znajdującej się w p A w odległ

o R1
x

2

wychylenie cząstki drgającej znajdującej się w p A w odległ

o R2

Jeżeli cząstka bierze udział jednocześnie w obu drganiach

wychylenie wypadkowe x można wyrazić jako sumę algebraiczną

wychyleń x1 i x2
X = x1 + x2 (3)





12.ZJAWISKO DOPPLERA

Zjawisko Dopplera występuje wtedy, gdy obserwator porusza się względem

źródła dźwięku lub źródło dźwięku porusza się względem obserwatora. Polega

ono na tym, że obserwator odbiera falę o innej częstotliwości niż częstotliwość
dr

gań źródła np. obniżenie wysokości tonu sygnału samochodowego lub

pociągu, gdy nas on mijają.

1)

Rozpatrzmy pierwszy przypadek: Źródło dźwięku porusza się wzg. ośrodka

z prędkością U. Prędkość rozchodzenia się fal w ośrodku wynosi V.
Obserwator jest nieruchomy.

Wiadomo, że prędkość rozchodzenia się fali zależy tylko od właściwości

ośrodka np. prędkości fali podłużnej dla powietrza

g

E

V

L

=

(1) E -

wł.sprężyste, g-gęstość

tzn. że w ciągu jednego okresu T rozejdzie się drganie o dł. fali:

T

V *

=

λ

(2) niezależnie od tego czy źródło się porusza czy

zostaje nie ruchome. Jednak w ciągu czasu T źródło przejedzie drogę S.

T

U

S

*

=

(3) w kierunku ruchu fali wobec tego dł., fali

S

I

=

λ

λ

(4)

(2) i (3) do (4) mamy:

T

U

V

I

)

(

=

λ

(5)

W związku z tym liczba drgań odebranych przez obserwatora w jednostce

czasu zwiększy się w skutek skracania się dł. fali.

Częstość odebrana przez obserwatora:

I

I

V

λ

υ

=

(6)

(5) do (6) mamy:

T

U

V

V

I

)

(

=

υ

T

1

=

υ

υ

υ

U

V

V

I

=

(7)

υ

υ

>

I

Zauważmy gdyby źródło oddalało się od obserwatora U<0 to częstotliwość

drgań odebrana od obserwatora była by mniejsza:

υ

υ

U

V

V

I

+

=

υ

υ

<

I

2)

Rozpatrzmy drugi przypadek. Obserwator porusza się z prędkością U

względem źródła, źródło jest nie ruchome.

W tym przypadku koło obserwatora więcej jednostce czasu przebiegnie więcej

dł. fal niż w przypadku gdy obserwator nie porusza się wzg. ośrodka. Ten

przypadek jest równoważny temu w którym fale przebiegają koło obserwatora z

prędkością równą sumie prędkości fali i prędkości obserwatora V+U. Liczba dł.

fal przechodzących w jednostce czasu wzg. obserwatora równa się:

λ

υ

U

V

I

+

=

(1)

T

V *

=

λ

(2)

(2) do (1) mamy:

υ

υ

V

U

V

T

V

U

V

I

+

=

+

=

*

(3)

W tym przypadku mamy powiększenie częstości

υ

υ

>

I

Jeżeli obserwator oddala się od źródła U<0 mamy:

υ

υ

V

U

V

I

=

(4)

υ

υ

<

I

13.Zasada Huygensa-

Fresnela prawa odbicia i załamania fali.

Zgodnie z zasadą H wszystkie punkty czoła fali wysyłają

równocześnie kuliste fale elementarne.]
Def.

I.

Prosta prostopadła w każdym punkcie do czoła fali

nazywa się promieniem fali. Połączenie zasady
Huygen

sa z zasadą interferencji fal elementarnych

zostało dokonane przez Fresnela i nosi nazwę
zasady H-F.

II.

Każdy punkt ośrodka w którym rozchodzi się fala

jest źródłem fal elementarnych które w skutek

interferencji dają falę obserwowaną.

Za pomocą zasady H-F wyjaśnimy zagadnienia prostoliniowego

rozchodzenia się fal np. w jaki sposób fale docierają od punktu 0
do punktu B.











Przypuśćmy że po upływie pewnego czasu czoło fali ma kształt

kuli. Zgodnie z metodą F rysujemy kolejne strefy na powierzchni

czoła.

Pomiędzy odcinkami AB, CB, DB, EB istnieje związek a
mianowicie:
CB=AB+

λ/2

DB=CB+

λ/2

EB=DB+

λ

/2 tzn. że różnica dróg pomiędzy

kolejnymi strefami F wynosi

λ/2.

Rozpatrzmy teraz wyniki interferencji fal

elementarnych w punkcie B. Wiadomo że

amp

lituda drgań w wyniku interferencji

równa się 0 wówczas gdy różnica dróg równa

się nieparzystej liczbie długości półfali.

W naszym przypadku różnice dróg sąsiednich

punktów czoła fali (A,C,D..) wynoszą λ/2

wobec czego fale ze stref sąsiednich dają w

punkc

ie B wartość zerową i do punktu B

docierają tylko fale z połowy I-szej strefy

Fresnela (CAC-I strefa F).

Udowodnimy:

Aw=Ao-Ac+Ad-Ae+...(1)
znak (-

) oznacza że amplituda drgań sąsiednich punktów

kompensują się.
Aw=Ao/2+(Ao/2-Ac+Ad/2)+(Ao/2-Ae+Ae/2)+....
Aw=Ao/2

Innymi słowy działania całego czoła fali jest więc takie jak

działanie połowy I strefy F.
Rozpatrzmy przypadki:
a.)

fale optyczne (świetlne) długości fali λ∼(0,4÷0,8)µm stąd

wynika że rozmiary I-szej strefy F są małe i możemy

traktować że światło rozchodzi się wzdłuż linii prostej OB.

Inaczej mówiąc można uważać że światło z punktu O do

punktu B rozchodzi się po linii prostej.

b.)

fale głosowe długości fali λ∼1m wobec tego rozmiary I-

szej strefy F wynoszą kilka metrów kwadratowych gdy

rozmiary przeszkody są porównywalne z długością fali λ

fala omija częściowo przeszkodę i nie można mówić o

prostoliniowym rozchodzeniu się fali.

Prawo odbicia i załamania fali.

Fala padająca na granicą dwóch ośrodków częściowo odbije się a

częściowo przeniknie do drugiego ośrodka.

Prawa odbicia promieni fal:

1.

promień padający promień odbity i normalna do

powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie







2.

kąt padania równa się kątowi odbicia.

Prawa załamania promieni fal:

1.

promień padający promień załamany i normalna do
p

owierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie












2.

stosunek sin kąta padania do sin kąta załamania jest

wielkością stałą równą współczynnikowi załamania tzn

sin

α/sinβ=n (1.)

Wartość n nazywamy współczynnikiem załamania ośrodka 2

względem 1 n21.

Za pomocą zasady H-F zrobimy wyprowadzenie 2 prawa

załamania: niech w ośrodku 1 prędkość rozchodzenia się fal

wynosi V1 w ośrodku 2 V2.


λ/4

λ

4

3

w

w

Y

B

A

A’

B’

A

R1

R2

S1

S2

E
D
C
A B
O C
D
E
F

A V1

α

α

1


β 2

β V2



background image









W czasie

τ

gdy w 1 ośrodku od punktu A do punktu C przemieści

się faza fali padającej z punktu O rozejdzie się fala elementarna na

odległości OB.
AC=V1*

τ (2.)

OB=V2*

τ (3.)

Rozpatrzmy

∆OAC i ∆OCB

AC=OC*sin

α (4.)

OB=OC*sin

β (5.)

Podstawiając (4) (5) do (2) (3) mamy:
OC*sin

α=V1*τ

OC*sin

β=V2*τ (6.)

sin

α/sinβ=V1/V2 (7)

stosunek V1/V2 nazywany jest

współczynnikiem załamania

n=V1/V2 ośrodka 2 względem 1

Zasada Farmata:

Droga obrana przez promień fali przy przejściu od jednego punktu

do drugiego jest taka że czas potrzebny na przebycie tej drogi jest
najkrótszy.

Za pomocą tej zasady zrobimy wyprowadzenie 2 prawa odbicia

fal. Niech promień fali wychodzącej z punktu A odbije się od

płaszczyzny CD i trafia do punktu B.




C D




Zgodnie z zasadą Fermata w którym promień fali przebywa drogę

AOB ma być min. innymi słowy zmianie może ulegać tylko

odcinek x tzn. musimy znaleźć położenie punktu O aby czas był
min.
T = AO/V + OB/V

V

x

h

V

x

a

h

x

t

x

h

B

x

a

h

A

2

2

2

2

2

2

2

2

)

(

)

(

0

)

(

0

+

+

+

=

+

=

+

=

dlatego I pochodna t względem x = 0
dt(x)/dx = 0

0

]

2

2

)

(

)

(

2

[

1

)

(

2

2

2

2

=

+

+

+

=

x

h

x

x

a

h

x

a

V

dx

x

dt

stąd wynika. że
(a-x)2 (h2+x2) = x2 [h2 + (a-x)2]
po opuszczeniu nawiasów
x = a/2
α = β


A B

α

β

α β x h



0
a


Document Outline


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
fiza sciaga id 173913 Nieznany
all id 58191 Nieznany
all 2 id 58194 Nieznany
AMRF ALL id 61233 Nieznany
opracowanie moje all id 338287 Nieznany
All Lab MNT id 58214 Nieznany (2)
Fiza laborka fizlab 11 id 69286 Nieznany
Abolicja podatkowa id 50334 Nieznany (2)
4 LIDER MENEDZER id 37733 Nieznany (2)
katechezy MB id 233498 Nieznany
metro sciaga id 296943 Nieznany
perf id 354744 Nieznany
interbase id 92028 Nieznany
Mbaku id 289860 Nieznany
Probiotyki antybiotyki id 66316 Nieznany
miedziowanie cz 2 id 113259 Nieznany
LTC1729 id 273494 Nieznany
D11B7AOver0400 id 130434 Nieznany

więcej podobnych podstron