Как найти частотный диапазон формула

Формула частоты в физике

Формула частоты

Определение

Частота — это физический параметр, которые используют для характеристики периодических процессов.
Частота равна количеству повторений или свершения событий в единицу времени.

Чаще всего в физике частоту обозначают буквой $nu ,$ иногда встречаются другие обозначения частоты, например $f$ или $F$.

Частота (наряду со временем) является самой точно измеряемой величиной.

Формула частоты колебаний

При помощи частоты характеризуют колебания. В этом случае частота является физической величиной обратной периоду колебаний $(T).$

[nu =frac{1}{T}left(1right).]

Частота, в этом случае — это число полных колебаний ($N$), совершающихся за единицу времени:

[nu =frac{N}{Delta t}left(2right),]

где $Delta t$ — время за которое происходят $N$ колебаний.

Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) служат в герцы или обратные секунды:

[left[nu right]=с^{-1}=Гц.]

Герц — это единица измерения частоты периодического процесса, при которой за время равное одной секунде происходит один цикл процесса. Единица измерения частоты периодического процесса получила свое наименование в честь немецкого ученого Г. Герца.

Частота биений, которые возникают при сложении двух колебаний, происходящих по одной прямой с разными, но близкими по величине частотами (${nu }_1 и {nu }_2$) равна:

[{nu =nu }_1- {nu }_2left(3right).]

Еще одно величиной характеризующей колебательный процесс является циклическая частота (${omega }_0$), связанная с частотой как:

[{omega }_0=2pi nu left(4right).]

Циклическая частота измеряется в радианах, деленных на секунду:

[left[{omega }_0right]=frac{рад}{с}.]

Частота колебаний тела, имеющего массу$ m,$ подвешенного на пружине с коэффициентом упругости $k$ равна:

[nu =frac{1}{2pi sqrt{{m}/{k}}}left(5right).]

Формула (4) верна для упругих, малых колебаний. Кроме того масса пружины должна быть малой по сравнению с массой тела, прикрепленного к этой пружине.

Для математического маятника частоту колебаний вычисляют как: длина нити:

[nu =frac{1}{2pi sqrt{{l}/{g}}}left(6right),]

где $g$ — ускорение свободного падения; $ l$ — длина нити (длина подвеса) маятника.

Физический маятник совершает колебания с частотой:

[nu =frac{1}{2pi sqrt{{J}/{mgd}}}left(7right),]

где $J$ — момент инерции тела, совершающего колебания относительно оси; $d$ — расстояние от центра масс маятника до оси колебаний.

Формулы (4) — (6) приближенные. Чем меньше амплитуда колебаний, тем точнее значение частоты колебаний, вычисляемых с их помощью.

Формулы для вычисления частоты дискретных событий, частота вращения

дискретных колебаний ($n$) — называют физическую величину, равную числу действий (событий) в единицу времени. Если время, которое занимает одно событие обозначить как $tau $, то частота дискретных событий равна:

[n=frac{1}{tau }left(8right).]

Единицей измерения частоты дискретных событий является обратная секунда:

[left[nright]=frac{1}{с}.]

Секунда в минус первой степени равна частоте дискретных событий, если за время, равное одной секунде происходит одно событие.

Частотой вращения ($n$) — называют величину, равную количеству полных оборотов, которое совершает тело в единицу времени. Если $tau $ — время, затрачиваемое на один полный оборот, то:

[n=frac{1}{tau }left(9right).]

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Колебательная система совершила за время равное одной минуте ($Delta t=1 мин$) 600 колебаний. Какова частота этих колебаний?

Решение. Для решения задачи воспользуемся определением частоты колебаний: Частота, в этом случае — это число полных колебаний, совершающихся за единицу времени.

[nu =frac{N}{Delta t}left(1.1right).]

Прежде чем переходить к вычислениям, переведем время в единицы системы СИ: $Delta t=1 мин=60 с$. Вычислим частоту:

[nu =frac{600}{60}=10 left(Гцright).]

Ответ. $nu =10Гц$

Пример 2

Задание. На рис.1 изображен график колебаний некоторого параметра $xi (t)$, Какова амплитуда и частота колебаний этой величины?

Формула частоты, пример 1

Решение. Из рис.1 видно, что амплитуда величины $xi left(tright)={xi }_{max}=5 (м)$. Из графика получаем, что одно полное колебание происходит за время, равное 2 с, следовательно, период колебаний равен:

[T=2 left(cright).]

Частота — величина обратная периоду колебаний, значит:

[nu =frac{1}{T}=0,5 left(Гцright).]

Ответ. 1) ${xi }_{max}=5 (м)$. 2) $nu =0,5$ Гц

Читать дальше: формулы математического маятника.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Частотный диапазон

Частотный диапазон

Диапазо́н часто́т — полоса частот, которой присвоено условное наименование. Диапазон частот — одно из важнейших понятий радиотехники, а также физико-технических дисциплин в целом. Это понятие имеет общий характер, то есть можно говорить или о диапазоне рабочих частот какого-либо конкретного устройства, или о диапазоне, выделенном какой-то радиослужбе, или, например, об обобщённой разбивке всей полосы радиочастот.

Содержание

  • 1 Диапазоны в радиотехнике
    • 1.1 Диапазоны РЛС
    • 1.2 Диапазоны в гражданской радиосвязи
  • 2 Диапазоны в акустике
  • 3 Литература и документация
    • 3.1 Литература
    • 3.2 Нормативные документы
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки
  • 6 См. также

Диапазоны в радиотехнике

  • Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Регламентом радиосвязи Российской Федерации и международными соглашениями.
  • ГОСТ 24375 даёт следующую обобщённую разбивку радиочастотного диапазона, основанную на международных стандартах:
    1. Очень низкие частоты — 3—30 кГц, соответствует сверхдлинным волнам
    2. Низкие частоты — 30—300 кГц, соответствует длинным волнам
    3. Средние частоты — 300—3000 кГц, соответствует средним волнам
    4. Высокие частоты — 3—30 МГц, соответствует коротким волнам
    5. Очень высокие частоты — 30—300 МГц, соответствует ультракоротким (или метровым волнам)
    6. Ультравысокие частоты — 300—3000 МГц, соответствует дециметровым волнам
    7. Сверхвысокие частоты — 3—30 ГГц, соответствует сантиметровым волнам
    8. Крайне высокие частоты — 30—300 ГГц, соответствует миллиметровым волнам
    9. Гипервысокие частоты — 300—3000 ГГц, соответствует субмиллиметровым волнам
  • Следует заметить, что вышеприведённая классификация не получила широкого распространения и в ряде случаев вступает в противоречие с национальными стандартами (ГОСТ) в области радиоэлектроники. На практике под низкочастотным диапазоном подразумевается звуковой диапазон, а под высокочастотным — весь радиодиапазон, выше 30 кГц, в том числе сверхвысокочастотный (свыше 300 МГц).

Традиционные обозначения частотных диапазонов на Западе сложились в ходе Второй мировой войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным стандартом ITU.

Диапазоны РЛС

Частотные диапазоны РЛС[1]

Диапазон Частоты Длина волны Примечания
HF 3 — 30 МГц 10 — 100 м Радары береговой охраны, «загоризонтные» РЛС; (англ. high frequency)
P < 300 МГц > 1 м ‘P’ от англ. previous, использовался в первых радарах
VHF 50 — 330 МГц 0,9 — 6 м Обнаружение на больших дальностях, исследования земли; (англ. very high frequency)
UHF 300 — 1000 MHz 0.3-1 m Обнаружение на больших дальностях (например, артиллерийского обстрела), исследования поверхности земли, лесов; (англ. ultra high frequency)
L 1 — 2 ГГц 15 — 30 см наблюдение и контроль за воздушным движением; (англ. Long)
S 2 — 4 ГГц 7,5 — 15 см управление воздушным движением, метеорология, морские радары; (англ. Short)
C 4 — 8 ГГц 3,75 — 7,5 см метеорология,спутниковое вещание,промежуточный диапазон между X и S; (англ. Compromise)
X 8 — 12 ГГц 2,5 — 3,75 см управление оружием, наведение ракет, морские радары, погода, картографирование среднего разрешения; в США диапазон 10,525ГГц ± 25МГц используется в РЛС аэропортов.
Ku 12 — 18 ГГц 1,67 — 2,5 см картографирование высокого разрешения, спутниковая альтиметрия; (англ. under K)
K 18 — 27 ГГц 1,11 — 1,67 см нем. kurz, то есть ‘короткий’; использование ограничено из-за сильного поглощения водяным паром, поэтому используются диапазоны Ku и Ka. Диапазон K используется для обнаружения облаков, в полицейских дорожных радарах (24,150 ± 0,100 ГГц).
Ka 27 — 40 ГГц 0,75 — 1,11 см Картографирование, управление воздушным движением на коротких дистанциях, специальные радары, управляющие дорожными фотокамерами (34,300 ± 0,100 ГГц); (англ. above K)
mm 40 — 300 ГГц 1 — 7,5 мм миллиметровые волны, делятся на два следующих диапазона
V 40 — 75 ГГц 4,0 — 7,5 мм медицинские аппараты КВЧ, применяемые для физиотерапии, а также аппараты для диагностики (например, по методу Фолля)  
W 75 — 110 ГГц 2,7 — 4,0 мм сенсоры в экспериментальных автоматических транспортных средствах, высокоточные исследования погодных явлений

Диапазоны в гражданской радиосвязи

В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот:

  • 27 МГц (Си-Би, «Citizens’ Band», гражданский диапазон), с разрешённой выходной мощностью передатчика до 10 Вт;
  • 433 МГц (LPD, «Low Power Device»), выделено 69 каналов для раций с выходной мощностью передатчика не более 0,01 Вт;
  • 446 МГц (PMR, «Personal Mobile Radio»), выделено 8 каналов для раций с выходной мощностью передатчика не более 0,5 Вт.

Диапазоны в акустике

  • Инфразвуковой — ниже 20 Гц
  • Звуковой — от 20 Гц до 20 кГц
  • Ультразвуковой — от 20 кГц до 1 ГГц
  • Гиперзвуковой — свыше 1ГГц

Литература и документация

Литература

  • Справочник по Радиоэлектронным системам: В 2-х томах/Под ред. Б. Х. Кривицкого — М.:Энергия, 1979

Нормативные документы

  • ГОСТ 24375-80 Радиосвязь. Термины и определения
  • Регламент радиосвязи Российской Федерации

Примечания

  1. По материалам статьи en:Radar

Ссылки

  • Радиочастоты
  • Соответствия частот канальных и частотных радиостанций LPD диапазона

См. также

  • Частоты
  • Частота периодического процесса
  • Радиоизлучение

Wikimedia Foundation.
2010.

Полезное

Смотреть что такое «Частотный диапазон» в других словарях:

  • частотный диапазон Ka — Диапазон выше (a = above) диапазона K. Нестандартное обозначение диапазона частот спутниковой связи 20 30 ГГц. [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN Ka band …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон Ku — Диапазон ниже under диапазона K. Нестандартное обозначение диапазона спутниковой связи: для восходящего потока (к спутнику) 14,0 14,5 ГГц и для нисходящего потока (от спутника) 11,7 12,2 ГГц. [http://www.iks… …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон L — Диапазон сверхвысоких частот (300 1550 МГц). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN L band …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон C — Нестандартное обозначение микроволнового диапазона спутниковая связи: для восходящего потока (к спутнику) 5,925 6,425 ГГц и для нисходящего потока (от спутника): 3,700 4,200 ГГц. Сигналы C диапазона незначительно ослабляются в условиях облачности …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон — 3.22 частотный диапазон: Для общих целей частотный диапазон состоит из октавных полос со среднегеометрическими частотами от 125 до 8000 Гц. Источник: ГОСТ ИСО 230 5 2002: Испытания станков. Часть 5. Определение шумовых характеристик …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • частотный диапазон — dažnių diapazonas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency band; frequency range vok. Frequenzband, n; Frequenzbereich, m rus. диапазон частот, m; частотный диапазон, m pranc. bande des fréquences, f; gamme des fréquences, f …   Automatikos terminų žodynas

  • частотный диапазон (сейсмического канала записи) — Диапазон частот, в пределах которого неравномерность амплитудно частотной характеристики сейсмического канала записи не превышает 3 дБ относительно максимального уровня [ГОСТ 16821 91] Тематики сейсморазведка …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон измерений акселерометра — Диапазон частот измеряемых ускорений, в котором нормированы допускаемые погрешности акселерометра. [ГОСТ 18955 73] Тематики акселерометры EN frequency effective range of an accelerometer DE Meßfrequenzbereich eines Beschleunigungsaufnehmers FR… …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон сейсмоприемника — Диапазон частот, в пределах которого неравномерность амплитудно частотной характеристики сейсмоприемника относительно ее средней линейной части не превышает величины, установленной в нормативно технической документации. [ГОСТ 16821 91] Тематики… …   Справочник технического переводчика

  • частотный диапазон электронного датчика [преобразователя физической величины] — Диапазон частот, в котором обеспечивается заданная неравномерность амплитудно частотной характеристики электронного датчика [преобразователя физической величины]. [ГОСТ Р 51086 97] Тематики датчики и преобразователи физических величин …   Справочник технического переводчика

  • Частотный диапазон комплекта фильтров fm2 — fm1 — Диапазон частот между средними геометрическими частотами крайних фильтров комплекта Источник: ГОСТ 17168 82: Фильтры электронные октавные и третьоктавные. Общие технические …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Содержание:

  • 1 Калькулятор расчета метров длины волны по известной частоте.
  • 2 Примечание к расчетам табличных формул.
  • 3 Наиболее востребованные и популярные частоты.
  • 4 Что такое волна и ее характеристики?
  • 5 Формулы
  • 6 Волны де Бройля
  • 7 Примененение

Расстояние между соседними волновыми фронтами называется длиной волны λ .

Длина волны есть расстояние между частицами, колеблющимися с одинаковой фазой. Длина волны не зависит от координат и времени.

с фазовая скорость, или скорость распространения волны, метр/секунда
f частота, с которой колеблется каждая частица в волне, Герц
T=1/f период, продолжительность полного колебания частицы, Секунда
λ длина волны, расстояние между частицами, колеблющимися с одинаковой фазой, Метр

Формула 1 справедлива для всех волн, в том числе и электромагнитных.

Калькулятор расчета метров длины волны по известной частоте.

Количество нолей : введите число и скопируйте / вставьте нули, например .
220 (Гц) и 000 = 220 КГц . 42 (Гц) и 000000 = 42 МГц .
2.4 (Гц) и 0 00000000 = 2.4 ГГц / или 2400 МГц . // первый знак разряда после запятой заменяет первый ноль (без точки!) . (можно ввести 24 и удалить последний ноль, кому как удобно) .
000 = КГц
000000 = МГц
000000000 = ГГц
то есть, 1 ГГц = 1000 МГц = 1000000 КГц = 1000000000 Гц .

Примечание к расчетам табличных формул.

Значение скорости света / волны
примерное = 300000 км/сек
точное = 299792458 м/с.

Калькулятор перевода частоты в длину волны.
Калькулятор может применяться для расчета антенн, телевизионных, радиолюбительских и радиотехнических расчетов.
Для удобства просмотра на экранах мобильных телефонов и планшетов таблица сделана вертикально.
В таблицу добавлены нестандартные значения λ для облегчения расчетов.

Наиболее востребованные и популярные частоты.

Наиболее востребованные и популярные частоты, используемые в радио / технической практике и расчетах длины волны :
— в диапазоне КГц : 1 кгц, 2 кгц, 3 кгц, 4 кгц, 5 кгц, 7 кгц, 8 кгц, 9 кгц, 10 кгц, 11 кгц, 16 кгц, 20 кгц, 22 кгц, 24 кгц, 30 кгц, 32 кгц, 40 кгц, 48 кгц, 50 кгц, 64 кгц, 100 кгц, 125 кгц .
— в диапазоне МГц : 1 мгц, 2 мгц, 3 мгц, 4 мгц, 5 мгц, 6 мгц, 7 мгц, 8 мгц, 10 мгц, 16 мгц, 20 мгц, 27 мгц, 50 мгц, 60 мгц, 100 мгц, 144 мгц, 145 мгц, 400 мгц, 433 мгц, 800 мгц, 900 мгц, 1333 мгц, 1600 мгц, 1800 мгц, 2400 мгц .
— в диапазоне ГГц : 1 ггц, 1.1 ггц, 1.3 ггц, 1.4 ггц, 1.6 ггц, 1.8 ггц, 2 ггц, 2.1 ггц, 2.2 ггц, 2.3 ггц, 2.4 ггц, 2.5 ггц, 2.8 ггц, 3 ггц, 3.4 ггц, 4 ггц, 4.5 ггц, 5 ггц, 6 ггц, 7 ггц, 8 ггц, 10 ггц, 15 ггц .

Калькулятор был разработан (без небольших исправлений) 11.10.2017 .

Что такое волна и ее характеристики?

Природа, в понятии суть Вселенной — не любит прямых углов . Нет, конечно — природа не избегает, однозначно, прямых углов и острых граней в строительстве мира . Но, ее живая, в постоянном движении, структура — истирает грани до округлости . Волны, базирующиеся на волновой структуре природы — полностью повторяют все ее многообразие . Волна — одно из самых известных и не изученных до конца (не классифицированных) явлений мироздания . Двигаясь, из точки рождения / возмущения — волна совершает равноудаленные колебательные движения, синхронизированные скоростью ее распространения . Волновые зависимости скорости, частоты и длины отражены описанием математической формулы .

Исходя из многообразия, длина волны λ также имеет множественные определения :
— как, кратчайшее расстояние между двумя точками колебания в одинаковой фазе .
— как, изменение фазы колебаний волны на 2π (где, 2π — не что иное, как — круг) .
— как, путь фронта волны, равный периоду колебательного процесса .

Длина волн является первой сравнительной характеристикой, от которых зависит длина вибраторов / габаритов антенны ; и конструкция напрямую предопределяет, какая будет частота волны приема / передачи . Однако — необязательно длина вибратора антенны должна быть равной длине волн : прекрасно работают антенны, где частота волны выбрана от &lambda / 2, &lambda / 4 и даже с дробными значениями длины .

Кроме прямых углов — природа не терпит пустоты . Эта особенность объясняет, почему колебания волны не расширяются до бесконечности : сама природа, породившая волну — стремится противодействовать ее колебаниям, стремясь к равновесию и балансу сил, тем активнее, чем выше частота, амплитуда и скорость колебаний волны . Перефразируя размышления Н. Теслы, можно сказать : кто познает природу волны — тот познает природу материи и мироздания .

Длина волны — важный физический параметр, необходимый для решения многих задач акустики и радиоэлектроники. Ее можно высчитать несколькими способами, в зависимости от того, какие параметры заданы. Удобнее всего это делать, зная частоту или период и скорость распространения.

Формулы

Основная формула, которая отвечает на вопрос о том, как найти длину волны через частоту, представлена ниже:

Здесь l — длина волны в метрах, v — скорость ее распространения в м/c, u — линейная частота в герцах.

Поскольку частота связана с периодом обратным соотношением, предыдущее выражение можно записать иначе:

Т — период колебаний в секундах.

Можно выразить этот параметр через циклическую частоту и фазовую скорость:

В этом выражении w — циклическая частота, выраженная в радианах за секунду.

Частота волны через длину, как можно заметить из предыдущего выражения, находится следующим образом:

Рассмотрим электромагнитную волну, которая распространяется в веществе с показателем преломления n. Тогда частота волны через длину выражается следующим отношением:

Если она распространяется в вакууме, то n = 1, и выражение приобретает следущий вид:

В последней формуле частота волны через длину выражается с помощью константы с — скорости света в вакууме, с = 300000 км/c.

Волны де Бройля

Для этих волн формулы будут иметь несколько иной вид. Они определяют плотность вероятности и используются в квантовой механике для нахождения параметров рассматриваемой частицы. Длина и частота определяются так:

h — постоянная Планка, p — импульс частицы, Е — энергия частицы.

Примененение

Приведенные формулы можно использовать для нахождения параметров как электромагнитных, так и волн другой природы, в вакууме, воздухе или другой среде. Чтобы определить, как выражается частота волны через длину или наоборот, нужно знать скорость ее распространения и свойства среды. Электромагнитная будет быстрее всего двигаться в вакууме или воздухе, из-за низкой электрической и магнитной проницаемости, поскольку ее скорость обратно пропорциональна корню из произведения этих параметров.

Со звуковой волной будет уже другая ситуация. Скорость звука в твердых телах и жидкостях больше, чем в воздухе. Наивысшая скорость будет в железе и литии (около 6000 м/c), стекле — 4800 (м/c), золоте, серебре, платине. Скорость звука в твердых и жидких средах определяется с помощью довольно сложных зависимостей, с учетом плотности среды и модуля Юнга.

Частота колебаний, формула

Частота колебаний — это число циклов периодического процесса совершенных за одну секунду. Обозначается буквой f.

Единица измерения частоты:

[ 1 enspace [цикл enspace в enspace секунду] = 1 enspace [Герц] ]

Свое название данная единица измерения получила в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который производил опыты с электрическими колебаниями.

Частота колебаний, формула

Частота колебаний, формула

Чтобы определить частоту колебаний необходимо взять известный временной интервал и подсчитать количество циклов которые совершит система за это время.

Если

∆t определенный временной интервал, секунд
N количество циклов, шт.
T период колебаний, секунд

то

[ f = frac{N}{∆t} = frac{1}{T} ]

Пример определения частоты колебаний

Повторим опыт описанный в периоде колебаний. Тогда у нас получились следующие цифры: N = 10 циклов, ∆t = 14.35 секунд,
соответственно приблизительная частота колебаний нити 0.697 Герц.

Вычислить, найти частоту колебаний по формуле 1

Как найти частоту колебаний через период

Частота колебаний, формула

стр. 534

Чтобы описать колебательные процессы и отличить одни колебания от других, используют 6 характеристик. Они называются так (рис. 1):

  • амплитуда,
  • период,
  • частота,
  • циклическая частота,
  • фаза,
  • начальная фаза.

Характеристики колебаний

Рис. 1. Основные характеристики колебаний – это амплитуда, период и начальная фаза

Такие величины, как амплитуду и период, можно определить по графику колебаний.

Начальную фазу, так же, определяют по графику, с помощью интервала времени (large Delta t), на который относительно нуля сдвигается начало ближайшего периода.

Частоту и циклическую частоту вычисляют из найденного по графику периода, по формулам. Они находятся ниже в тексте этой статьи.

А фазу определяют с помощью формулы, в которую входит интересующий нас момент времени t колебаний. Читайте далее.

Что такое амплитуда

Амплитуда – это наибольшее отклонение величины от равновесия, то есть, максимальное значение колеблющейся величины.

Измеряют в тех же единицах, в которых измерена колеблющаяся величина. К примеру, когда рассматривают механические колебания, в которых изменяется координата, амплитуду измеряют в метрах.

В случае электрических колебаний, в которых изменяется заряд, ее измеряют в Кулонах. Если колеблется ток – то в Амперах, а если – напряжение, то в Вольтах.

Часто обозначают ее, приписывая к букве, обозначающей амплитуду индекс «0» снизу.

К примеру, пусть колеблется величина ( large x ). Тогда символом ( large x_{0} ) обозначают амплитуду колебаний этой величины.

Иногда для обозначения амплитуды используют большую латинскую букву A, так как это первая буква английского слова «amplitude».

С помощью графика амплитуду можно определить так (рис. 2):

Амплитуду на графике находят так

Рис. 2. Амплитуда – это максимальное отклонение от горизонтальной оси либо вверх, либо вниз. Горизонтальная ось проходит через уровень нуля на оси, на которой отмечены амплитуды

Что такое период

Когда колебания повторяются точно, изменяющаяся величина принимает одни и те же значения через одинаковые кусочки времени. Такой кусочек времени называют периодом.

Обозначают его обычно большой латинской буквой «T» и измеряют в секундах.

( large T left( c right) ) – период колебаний.

Одна секунда – достаточно большой интервал времени. Поэтому, хотя период и измеряют в секундах, но для большинства колебаний он будет измеряться долями секунды.

Чтобы по графику колебаний определить период (рис. 3), нужно найти два одинаковых значения колеблющейся величины. После, провести от этих значений к оси времени пунктиры. Расстояние между пунктирами – это период колебаний.

Период – это расстояние между двумя одинаковыми значениями колеблющейся величины

Рис. 3. Период колебаний – это горизонтальное расстояние между двумя похожими точками на графике

Период – это время одного полного колебания.

На графике период найти удобнее одним из таких способов (рис. 4):

По графику колебаний период удобно определять так

Рис. 4. Удобно определять период, как расстояние между двумя соседними вершинами, либо между двумя впадинами

Что такое частота

Обозначают ее с помощью греческой буквы «ню» ( large nu ).

Частота отвечает на вопрос: «Сколько полных колебаний выполняется за одну секунду?» Или же: «Сколько периодов умещается в интервал времени, равный одной секунде?».

Поэтому, размерность частоты — это единицы колебаний в секунду:

( large nu left( frac{1}{c} right) ).

Иногда в учебниках встречается такая запись ( large displaystyle nu left( c^{-1} right) ), потому, что по свойствам степени ( large  displaystyle frac{1}{c} = c^{-1} ).

Начиная с 1933 года частоту указывают в Герцах в честь Генриха Рудольфа Герца. Он совершил значимые открытия в физике, изучал колебания и доказал, что существуют электромагнитные волны.

Одно колебание в секунду соответствует частоте в 1 Герц.

[ large displaystyle boxed{ frac{ 1 text{колебание}}{1 text{секунда}} = 1 text{Гц} }]

Чтобы с помощью графика определить частоту, нужно на оси времени определить период. А затем посчитать частоту по такой формуле:

[ large boxed{ nu = frac{1}{T} }]

Существует еще один способ определить частоту с помощью графика колеблющейся величины. Нужно отмерить на графике интервал времени, равный одной секунде, и сосчитать количество периодов колебаний, уместившихся в этот интервал (рис. 5).

Частота – это количество периодов, уместившихся в одну секунду

Рис. 5. На графике частота – это количество периодов, уместившихся в одну секунду

Что такое циклическая частота

Колебательное движение и движение по окружности имеют много общего – это повторяющиеся движения. Одному полному обороту соответствует угол (large 2pi) радиан. Поэтому, кроме интервала времени 1 секунда, физики используют интервал времени, равный (large 2pi) секунд.

Число полных колебаний для такого интервала времени, называется циклической частотой и обозначается греческой буквой «омега»:

( large displaystyle omega left( frac{text{рад}}{c} right) )

Примечание: Величину ( large omega ) так же называют круговой частотой, а еще — угловой скоростью (ссылка).

Циклическая частота отвечает на вопрос: «Сколько полных колебаний выполняется за (large 2pi) секунд?» Или же: «Сколько периодов умещается в интервал времени, равный (large 2pi) секунд?».

Обычная ( large nu ) и циклическая ( large omega ) частота колебаний связаны формулой:

[ large boxed{ omega = 2pi cdot nu }]

Слева в формуле количество колебаний измеряется в радианах на секунду, а справа – в Герцах.

Чтобы с помощью графика колебаний определить величину ( large omega ), нужно сначала найти период T.

Затем, воспользоваться формулой ( large displaystyle nu = frac{1}{T} ) и вычислить частоту ( large nu ).

И только после этого, с помощью формулы ( large omega = 2pi cdot nu ) посчитать циклическую ( large omega ) частоту.

Для грубой устной оценки можно считать, что циклическая частота превышает обычную частоту примерно в 6 раз численно.

Определить величину ( large omega ) по графику колебаний можно еще одним способом. На оси времени отметить интервал, равный (large 2pi), а затем, сосчитать количество периодов колебаний в этом интервале (рис. 6).

Циклическая частота – это количество периодов, уместившихся в 2 пи секунд

Рис. 6. На графике циклическая (круговая) частота – это количество периодов, уместившихся в 2 пи секунд

Что такое начальная фаза и как определить ее по графику колебаний

Отклоним качели на некоторый угол от равновесия и будем удерживать их в таком положении. Когда мы отпустим их, качели начнут раскачиваться. А старт колебаний произойдет из угла, на который мы их отклонили.

Такой, начальный угол отклонения, называют начальной фазой колебаний. Обозначим этот угол (рис. 7) какой-нибудь греческой буквой, например, (large varphi_{0} ).

(large varphi_{0} left(text{рад} right) ) — начальная фаза, измеряется в радианах (или градусах).

Начальная фаза колебаний – это угол, на который мы отклонили качели, перед тем, как их отпустить. Из этого угла начнется колебательный процесс.

Начальная фаза – это угол отклонения качелей перед началом их колебаний

Рис. 7. Угол отклонения качелей перед началом колебаний

Рассмотрим теперь, как величина (large varphi_{0} ) влияет на график колебаний (рис. 8). Для удобства будем считать, что мы рассматриваем колебания, которые происходят по закону синуса.

Кривая, обозначенная черным на рисунке, начинает период колебаний из точки t = 0. Эта кривая является «чистым», не сдвинутым синусом. Для нее величину начальной фазы (large varphi_{0} ) принимаем равной нулю.

Начальная фаза влияет на сдвиг графика по горизонтальной оси

Рис. 8. Вертикальное положение стартовой точки в момент времени t = 0 и сдвиг графика по горизонтали определяется начальной фазой

Вторая кривая на рисунке обозначена красным цветом. Начало ее периода сдвинуто вправо относительно точки t = 0. Поэтому, для красной кривой, начавшей новый период колебаний спустя время (large Delta t), начальный угол (large varphi_{0} ) будет отличаться от нулевого значения.

Определим угол (large varphi_{0} ) с помощью графика колебаний.

Обратим внимание (рис. 8) на то, что время, лежащее на горизонтальной оси, измеряется в секундах, а величина (large varphi_{0} ) — в радианах. Значит, нужно связать формулой кусочек времени (large Delta t) и соответствующий ему начальный угол (large varphi_{0} ).

Как вычислить начальный угол по интервалу смещения

Алгоритм нахождения начального угла состоит из нескольких несложных шагов.

  • Сначала определим интервал времени, обозначенный синими стрелками на рисунке. На осях большинства графиков располагают цифры, по которым это можно сделать. Как видно из рис. 8, этот интервал (large Delta t) равен 1 сек.
  • Затем определим период. Для этого отметим одно полное колебание на красной кривой. Колебание началось в точке t = 1, а закончилось в точке t =5. Взяв разность между этими двумя точками времени, получим значение периода.

[large T = 5 – 1 = 4 left( text{сек} right)]

Из графика следует, что период T = 4 сек.

  • Рассчитаем теперь, какую долю периода составляет интервал времени (large Delta t). Для этого составим такую дробь (large displaystyle frac{Delta t }{T} ):

[large frac{Delta t }{T} = frac{1}{4} ]

Полученное значение дроби означает, что красная кривая сдвинута относительно точки t = 0 и черной кривой на четверть периода.

  • Нам известно, что одно полное колебание — один полный оборот (цикл), синус (или косинус) совершает, проходя каждый раз угол (large 2pi ). Найдем теперь, как связана найденная доля периода с углом (large 2pi ) полного цикла.

Для этого используем формулу:

[large boxed{ frac{Delta t }{T} cdot 2pi = varphi_{0} }]

(large displaystyle frac{1}{4} cdot 2pi = frac{pi }{2} =varphi_{0} )

Значит, интервалу (large Delta t) соответствует угол (large displaystyle frac{pi }{2} ) – это начальная фаза для красной кривой на рисунке.

  • В заключение обратим внимание на следующее. Начало ближайшего к точке t = 0 периода красной кривой сдвинуто вправо. То есть, кривая запаздывает относительно «чистого» синуса.

Чтобы обозначить запаздывание, будем использовать знак «минус» для начального угла:

[large varphi_{0} = — frac{pi }{2} ]

Примечание: Если на кривой колебаний начало ближайшего периода лежит левее точки t = 0, то в таком случае, угол (large displaystyle frac{pi }{2} ) имеет знак «плюс».

Для не сдвинутого влево, либо вправо, синуса или косинуса, начальная фаза нулевая (large varphi_{0} = 0 ).

Для синуса или косинуса, сдвинутого влево по графику и опережающего обычную функцию, начальная фаза берется со знаком «+».

А если функция сдвинута вправо и запаздывает относительно обычной функции, величину (large varphi_{0} ) записываем со знаком «-».

Примечания:

  1. Физики начинают отсчет времени из точки 0. Поэтому, время в задачах будет величиной не отрицательной.
  2. На графике колебаний начальная фаза ( varphi_{0}) влияет на вертикальный сдвиг точки, из которой стартует колебательный процесс. Значит, можно для простоты сказать, что колебания имеют начальную точку.

Благодаря таким допущениям график колебаний при решении большинства задач можно изображать, начиная из окрестности нуля и преимущественно в правой полуплоскости.

Что такое фаза колебаний

Рассмотрим еще раз обыкновенные детские качели (рис. 9) и угол их отклонения от положения равновесия. С течением времени этот угол изменяется, то есть, он зависит от времени.

Фаза изменяется в процессе колебаний

Рис. 9. Угол отклонения от равновесия – фаза, изменяется в процессе колебаний

В процессе колебаний изменяется угол отклонения от равновесия. Этот изменяющийся угол называют фазой колебаний и обозначают (varphi).

Различия между фазой и начальной фазой

Существуют два угла отклонения от равновесия – начальный, он задается перед началом колебаний и, угол, изменяющийся во время колебаний.

Первый угол называют начальной ( varphi_{0}) фазой (рис. 10а), она считается неизменной величиной. А второй угол – просто ( varphi) фазой (рис. 10б) – это величина переменная.

Фаза и начальная фаза имеют различия

Рис. 10. Перед началом колебаний задаем начальную фазу — начальный угол отклонения от равновесия. А угол, который изменяется во время колебаний, называют фазой

Как на графике колебаний отметить фазу

На графике колебаний фаза (large varphi) выглядит, как точка на кривой. С течением времени эта точка сдвигается (бежит) по графику слева направо (рис. 11). То есть, в разные моменты времени она будет находиться на различных участках кривой.

На рисунке отмечены две крупные красные точки, они соответствуют фазам колебаний в моменты времени t1 и t2.

Фазу обозначают бегущей по кривой точкой

Рис. 11. На графике колебаний фаза – это точка, скользящая по кривой. В различные моменты времени она находится в разных положениях на графике

А начальная фаза на графике колебаний выглядит, как место, в котором находится точка, лежащая на кривой колебаний, в момент времени t=0. На рисунке дополнительно присутствует одна мелкая красная точка, она соответствует начальной фазе колебаний.

Как определить фазу с помощью формулы

Пусть нам известны величины (large omega) — циклическая частота и (large varphi_{0}) — начальная фаза. Во время колебаний эти величины не изменяются, то есть, являются константами.

Время колебаний t будет величиной переменной.

Фазу (large varphi), соответствующую любому интересующему нас моменту t времени, можно определить из такого уравнения:

[large boxed{ varphi = omega cdot t + varphi_{0} }]

Левая и правая части этого уравнения имеют размерность угла (т. е. измеряются в радианах, или градусах). А подставляя вместо символа t в это уравнение интересующие нас значения времени, можно получать соответствующие им значения фазы.

Что такое разность фаз

Обычно понятие разности фаз применяют, когда сравнивают два колебательных процесса между собой.

Рассмотрим два колебательных процесса (рис. 12). Каждый имеет свою начальную фазу.

Обозначим их:

( large varphi_{01}) – для первого процесса и,

( large varphi_{02}) – для второго процесса.

Разность фаз двух колебаний

Рис. 12. Для двух колебаний можно ввести понятие разности фаз

Определим разность фаз между первым и вторым колебательными процессами:

[large boxed{ Delta varphi = varphi_{01} —  varphi_{02} }]

Величина (large Delta varphi ) показывает, на сколько отличаются фазы двух колебаний, она называется разностью фаз.

Как связаны характеристики колебаний — формулы

Движение по окружности и колебательное движение имеют определенную схожесть, так как эти виды движения могут быть периодическими.

Поэтому, основные формулы, применимые для движения по окружности, подойдут так же, для описания колебательного движения.

  • Связь между периодом, количеством колебаний и общим временем колебательного процесса:

[large boxed{ T cdot N = t }]

( large T left( c right) ) – время одного полного колебания (период колебаний);

( large N left( text{шт} right) ) – количество полных колебаний;

( large t left( c right) ) – общее время для нескольких колебаний;

  • Период и частота колебаний связаны так:

[large boxed{ T = frac{1}{nu} }]

(large nu left( text{Гц} right) ) – частота колебаний.

  • Количество и частота колебаний связаны формулой:

[large boxed{ N = nu cdot t}]

  • Связь между частотой и циклической частотой колебаний:

[large boxed{ nu cdot 2pi = omega }]

(large displaystyle omega left( frac{text{рад}}{c} right) ) – циклическая (круговая) частота колебаний.

  • Фаза и циклическая частота колебаний связаны так:

[large boxed{ varphi = omega cdot t + varphi_{0} }]

(large varphi_{0} left( text{рад} right) ) — начальная фаза;

(large varphi left( text{рад} right) ) – фаза (угол) в выбранный момент времени t;

  • Между фазой и количеством колебаний связь описана так:

[large boxed{ varphi = N cdot 2pi }]

  • Интервал времени (large Delta t ) (сдвигом) и начальная фаза колебаний связаны:

[large boxed{ frac{Delta t }{T} cdot 2pi = varphi_{0} }]

(large Delta t left( c right) ) — интервал времени, на который относительно точки t=0 сдвинуто начало ближайшего периода.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти место с металлоломом
  • Как учителю составить проект урока
  • Как исправить кислую почву на участке
  • Как найти заметки в гугле
  • Как найти множество значений функции 10 класс