Физический смысл фазы. Начальная фаза

Функции cos (wt + j), описывающей гармонический колебательный процесс (w√ круговая частота, t √ время, j√ начальная Ф. к., т. е. Ф. к. в начальный момент времени t = 0). Ф. к. определяется с точностью до произвольного слагаемого, кратного 2p. Обычно существенны только разности Ф. к. различных гармонических процессов. Для колебаний одинаковой частоты разность Ф. к. всегда равна разности начальных Ф. к. j1 √ j2 и не зависит от начала отсчёта времени. Для колебаний разных частот w1 и w2 фазовые соотношения характеризуются приведённой разностью Ф. к. j1 - (w1 / w2)×j2, также не зависящей от начала отсчёта времени. Слуховое восприятие направления прихода звука связано с различием Ф. к. волн, приходящих к одному и к другому уху.

Википедия

Фаза колебаний

Фа́за колеба́ний полная - аргумент периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс.

Фаза колебаний начальная - значение фазы колебаний в начальный момент времени, т.е. при t = 0 , а также в начальный момент времени в начале системы координат, т.е. при t = 0 в точке (x , y , z ) = 0 .

Фаза колебания , отсчитываемый от точки перехода значения через нуль к положительному значению.

Как правило, о фазе говорят применительно к гармоническим колебаниям или монохроматическим волнам. При описании величины, испытывающей гармонические колебания, используется, например, одно из выражений:

A cos(ω t  + φ ), A sin(ω t  + φ ), A e .

Аналогично, при описании волны, распространяющейся в одномерном пространстве, например, используются выражения вида:

A cos(k x  − ω t  + φ ), A sin(k x  − ω t  + φ ), A e ,

для волны в пространстве любой размерности:

$A \cos(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi _0)$, $A \sin(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi _0)$, $A e^{i(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi _0)}$.

Фаза колебаний в этих выражениях - аргумент функции, т.е. выражение, записанное в скобках; фаза колебаний начальная - величина φ , являющаяся одним из слагаемых полной фазы. Говоря о полной фазе, слово полная часто опускают.

Поскольку функции sin и cos совпадают друг с другом при сдвиге аргумента на π /2,  то во избежание путаницы лучше пользоваться для определения фазы только одной из этих двух функций, а не той и другой одновременно. По обычному соглашению фазой считают аргумент косинуса, а не синуса .

То есть, для колебательного процесса

φ  = ω t  + φ ,

для волны в одномерном пространстве

φ  = k x  − ω t  + φ ,

для волны в трехмерном пространстве или пространстве любой другой размерности:

$\varphi = \mathbf k\mathbf r - \omega t + \varphi _0$,

где ω - угловая частота (величина, показывающая, на сколько радиан или градусов изменится фаза за 1 с; чем величина выше, тем быстрее растет фаза с течением времени); t - время ; φ - начальная фаза (то есть фаза при t = 0); k - волновое число ; x - координата точки наблюдения волнового процесса в одномерном пространстве; k - волновой вектор ; r - радиус-вектор точки в пространстве (набор координат, например, декартовых).

В приведенных выше выражениях фаза имеет размерность угловых единиц (радианы, градусы). Фазу колебательного процесса по аналогии с механическим вращательным также выражают в циклах, то есть долях периода повторяющегося процесса:

1 цикл = 2π радиан = 360 градусов.

В аналитических выражениях в технике сравнительно редко.

Иногда (в квазиклассическом приближении, где используются квазимонохроматические волны, т.е. близкие к монохроматическим, но не строго монохроматические) а также в формализме интеграла по траекториям, где волны могут быть и далекими от монохроматических, хотя всё же подобны монохроматическим) рассматривается фаза, являющаяся нелинейной функцией времени t и пространственных координат r , в принципе - произвольная функция:

$\varphi = \varphi(\mathbf r, t).$

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебания широко распространены в окружающем мире и могут иметь самую различную природу. Это могут быть механические (маятник), электромагнитные (колебательный контур) и другие виды колебаний. Свободными , или собственными колебаниями, называются колебания, которые происходят в системе предоставленной самой себе, после того как она была выведена внешним воздействием из состояния равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Гармоническими колебаниями называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса или косинуса . Уравнение гармонических колебаний имеет вид: , где A - амплитуда колебаний (величина наибольшего отклонения системы от положения равновесия) ; - круговая (циклическая) частота. Периодически изменяющийся аргумент косинуса - называется фазой колебаний . Фаза колебаний определяет смещение колеблющейся величины от положения равновесия в данный момент времени t. Постоянная φ представляет собой значение фазы в момент времени t = 0 и называется начальной фазой колебания .. Этот промежуток времени T называется периодом гармонических колебаний. Период гармонических колебаний равен : T = 2π/.Математи́ческий ма́ятник - осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения . Период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен

и не зависит от амплитуды колебаний и массы маятника.Физический маятник - Осциллятор, представляющий собой твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной оси, перпендикулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс этого тела.

24. Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Формула Томсона.

Электромагнитные колебания - это колебания электрического и магнитного полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, силы тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур - это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 29, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 29, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет иметь то же направление и перезарядит конденсатор (рис. 29, в). Процесс будет повторяться (рис. 29, г) по аналогии с колебаниями маятниками. Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора () в энергию магнитного поля катушки с током (), и наоборот. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью .

Но т.к. витки сдвинуты в пространстве, то наводимая в них ЭДС будет достигать амплитудных и нулевых значений не одновременно.

В начальный момент времени ЭДС витка будет:

В этих выражениях углы и называются фазными , или фазой . Углы и называются начальной фазой . Фазный угол определяет значение ЭДС в любой момент времени, а начальная фаза определяет значение ЭДС в начальный момент времени.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одинаковой частоты и амплитуды называется углом сдвига фаз

Разделив угол сдвига фаз на угловую частоту, получим время, прошедшее с начала периода:

Графическое изображение синусоидальных величин

U = (U 2 a + (U L - U c) 2)

Таким образом, из-за наличия угла сдвига фаз напряжение U всегда меньше алгебраической суммы U a + U L + U C . Разность U L - U C = U p называется реактивной составляющей напряжения .

Рассмотрим, как изменяются ток и напряжение в последовательной цепи переменного тока.

Полное сопротивление и угол сдвига фаз. Если подставить в формулу (71) значения U a = IR; U L = lL и U C =I/(C), то будем иметь: U = ((IR) 2 + 2), откуда получаем формулу закона Ома для последовательной цепи переменного тока:

I = U / ((R 2 + 2)) = U / Z (72)

где Z = (R 2 + 2) = (R 2 + (X L - X c) 2)

Величину Z называют полным сопротивлением цепи , оно измеряется в омах. Разность L — l/(C) называют реактивным сопротивлением цепи и обозначают буквой X. Следовательно, полное сопротивление цепи

Z = (R 2 + X 2)

Соотношение между активным, реактивным и полным сопротивлениями цепи переменного тока можно также получить по теореме Пифагора из треугольника сопротивлений (рис. 193). Треугольник сопротивлений А’В’С’ можно получить из треугольника напряжений ABC (см. рис. 192,б), если разделить все его стороны на ток I.

Угол сдвига фаз определяется соотношением между отдельными сопротивлениями, включенными в данную цепь. Из треугольника А’В’С (см. рис. 193) имеем:

sin ? = X / Z; cos? = R / Z; tg? = X / R

Например, если активное сопротивление R значительно больше реактивного сопротивления X, угол сравнительно небольшой. Если в цепи имеется большое индуктивное или большое емкостное сопротивление, то угол сдвига фаз возрастает и приближается к 90°. При этом, если индуктивное сопротивление больше емкостного, напряжение и опережает ток i на угол; если же емкостное сопротивление больше индуктивного, то напряжение и отстает от тока i на угол.

Идеальная катушка индуктивности, реальная катушка и конденсатор в цепи переменного тока.

Реальная катушка в отличии от идеальной имеет не только индуктивность, но и активное сопротивление, поэтому при протекании переменного тока в ней сопровождается не только изменением энергии в магнитном поле, но и преобразованием электрической энергии в другой вид. В частности, в проводе катушки электрическая энергия преобразуется в тепло в соответствии с законом Ленца — Джоуля .

Ранее было выяснено, что в цепи переменного тока процесс преобразования электрической энергии в другой вид характеризуется активной мощностью цепи Р , а изменение энергии в магнитном поле — реактивной мощностью Q .

В реальной катушке имеют место оба процесса, т. е. ее активная и реактивная мощности отличны от нуля. Поэтому одна реальная катушка в схеме замещения должна быть представлена активным и реактивным элементами.

Фа́за колеба́ний полная - аргумент периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс.

Фаза колебаний начальная - значение фазы колебаний (полной) в начальный момент времени, т.е. при t = 0 (для колебательного процесса), а также в начальный момент времени в начале системы координат, т.е. при t = 0 в точке (x , y , z ) = 0 (для волнового процесса).

Фаза колебания (в электротехнике) - аргумент синусоидальной функции (напряжения, тока), отсчитываемый от точки перехода значения через нуль к положительному значению.

Фаза колебания - гармоническое колебание ( φ ) .

Величину φ, стоящую под знаком функции косинуса или синуса, называют фазой колебаний , описываемой этой функцией.

φ = ω៰ t

Как правило, о фазе говорят применительно к гармоническим колебаниям или монохроматическим волнам. При описании величины, испытывающей гармонические колебания, используется, например, одно из выражений:

A cos ⁡ (ω t + φ 0) {\displaystyle A\cos(\omega t+\varphi _{0})} , A sin ⁡ (ω t + φ 0) {\displaystyle A\sin(\omega t+\varphi _{0})} , A e i (ω t + φ 0) {\displaystyle Ae^{i(\omega t+\varphi _{0})}} .

Аналогично, при описании волны, распространяющейся в одномерном пространстве, например, используются выражения вида:

A cos ⁡ (k x − ω t + φ 0) {\displaystyle A\cos(kx-\omega t+\varphi _{0})} , A sin ⁡ (k x − ω t + φ 0) {\displaystyle A\sin(kx-\omega t+\varphi _{0})} , A e i (k x − ω t + φ 0) {\displaystyle Ae^{i(kx-\omega t+\varphi _{0})}} ,

для волны в пространстве любой размерности (например, в трехмерном пространстве):

A cos ⁡ (k ⋅ r − ω t + φ 0) {\displaystyle A\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})} , A sin ⁡ (k ⋅ r − ω t + φ 0) {\displaystyle A\sin(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})} , A e i (k ⋅ r − ω t + φ 0) {\displaystyle Ae^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0})}} .

Фаза колебаний (полная) в этих выражениях - аргумент функции, т.е. выражение, записанное в скобках; фаза колебаний начальная - величина φ 0 , являющаяся одним из слагаемых полной фазы. Говоря о полной фазе, слово полная часто опускают.

Колебания с одинаковыми амплитудами и частотами могут различаться фазами. Так как ω៰ = 2π/Т , то φ = ω៰t = 2π t/Т.

Отношение t/Т указывает, сколько периодов прошло от момента начала колебаний. Любому значению времени t , выраженному в числе периодов Т , соответствует значение фазы φ , выраженное в радианах. Так, по прошествии времени t = Т/4 (четверти периода) φ=π/2 , по прошествии половины периода φ = π/2 , по прошествии целого периода φ=2 π и т.д.

Поскольку функции sin(…) и cos(…) совпадают друг с другом при сдвиге аргумента (то есть фазы) на π / 2 , {\displaystyle \pi /2,} то во избежание путаницы лучше пользоваться для определения фазы только одной из этих двух функций, а не той и другой одновременно. По обычному соглашению фазой считают аргумент косинуса , а не синуса .

То есть, для колебательного процесса (см. выше) фаза (полная)

φ = ω t + φ 0 {\displaystyle \varphi =\omega t+\varphi _{0}} ,

для волны в одномерном пространстве

φ = k x − ω t + φ 0 {\displaystyle \varphi =kx-\omega t+\varphi _{0}} ,

для волны в трехмерном пространстве или пространстве любой другой размерности:

φ = k r − ω t + φ 0 {\displaystyle \varphi =\mathbf {k} \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{0}} ,

где ω {\displaystyle \omega } - угловая частота (величина, показывающая, на сколько радиан или градусов изменится фаза за 1 с; чем величина выше, тем быстрее растет фаза с течением времени); t - время ; φ 0 {\displaystyle \varphi _{0}} - начальная фаза (то есть фаза при t = 0); k - волновое число ; x - координата точки наблюдения волнового процесса в одномерном пространстве; k - волновой вектор ; r - радиус-вектор точки в пространстве (набор координат, например, декартовых).

В приведенных выше выражениях фаза имеет размерность угловых единиц (радианы , градусы). Фазу колебательного процесса по аналогии с механическим вращательным также выражают в циклах , то есть долях периода повторяющегося процесса:

1 цикл = 2 π {\displaystyle \pi } радиан = 360 градусов.

В аналитических выражениях (в формулах) преимущественно (и по умолчанию) используется представление фазы в радианах, представление в градусах также встречается достаточно часто (по-видимому, как предельно явное и не приводящее к путанице, поскольку знак градуса не принято никогда опускать ни в устной речи, ни в записях). Указание фазы в циклах или периодах (за исключением словесных формулировок) в технике сравнительно редко.

Иногда (в квазиклассическом приближении , где используются квазимонохроматические волны, т.е. близкие к монохроматическим, но не строго монохроматические) а также в формализме интеграла по траекториям , где волны могут быть и далекими от монохроматических, хотя всё же подобны монохроматическим) рассматривается фаза, являющаяся нелинейной функцией времени t и пространственных координат r , в принципе - произвольная функция .

Понятие о фазе и тем более о сдвиге фаз трудно усваивается учащимися. Фаза - это физическая величина, характеризующая колебание в определенный момент времени. Состояние колебания в соответствии с формулой можно охарактеризовать, например, отклонением точки от положения равновесия. Так как при заданных значениях значение однозначно определяется величиной угла фазой в уравнениях колебательного движения обычно называют значение угла

Время может быть измерено в долях периода. Следовательно, фаза пропорциональна доле периода, прошедшего от начала колебания. Поэтому фазой колебаний называют также величину, измеряемую долей периода, прошедшей от начала колебаний.

Задачи на сложение гармонических колебательных движений решают преимущественно графически с постепенным усложнением условий. Сначала складывают колебания, отличающиеся только по амплитуде, затем - по амплитуде и начальной фазе, и, наконец, колебания, имеющие различные амплитуды, фазы и периоды колебаний.

Все эти задачи единообразны и не сложны по методике решения, но требуют тщательного и кропотливого выполнения чертежей. Для облегчения трудоемкой работы по составлению таблиц и вычерчиванию синусоид целесообразно заготовить их шаблоны в виде прорезей в картоне или жести. На одном трафарете может быть сделано три-четыре синусоиды. Это приспособление позволяет сосредоточить внимание учащихся именно на сложении колебаний и взаимном расположении синусоид, а не на их вычерчивании. Однако, прибегая к такому вспомогательному приему, учитель должен быть уверен в том, что учащиеся уже умеют вычерчивать графики синусоид и косинусоид. Особое внимание нужно обратить на сложение колебаний с одинаковым периодом и фазами, что подведет учащихся к понятию о резонансе.

Используя знания учащихся по математике, следует также решить ряд задач на сложение гармонических колебаний аналитическим методом. При этом представляют интерес следующие случаи:

1) Сложение двух колебаний с одинаковыми периодами и фазами:

Амплитуды колебаний могут быть как одинаковыми, так и различными.

2) Сложение двух колебаний с одинаковыми периодами, но разными амплитудами и фазами. В общем виде сложение таких колебаний дает результирующее смещение:

а значение определяется из формулы

В средней школе со всеми учащимися нет необходимости решать эту задачу в таком общем виде. Вполне достаточно рассмотреть частный случай, когда и разность фаз или

Это сделает задачу (см. № 771) вполне доступной и не помешает получить из нее важные выводы о колебаниях, которые получаются при сложении двух гармонических колебаний, имеющих одинаковые периоды, но различные фазы.

766. В одинаковых или различных фазах находятся крылья летающей птицы? руки человека при ходьбе? две щепки, попавшие на гребень и впадину волны от теплохода.

Решение. Условившись о начале отсчета, а также о положительном и отрицательном (например, влево и вниз) направлении движения, заключаем, что крылья летящей птицы движутся одинаково и в одну сторону, они находятся в одной фазе; руки человека, а также щепки отклонились от положения равновесия на одинаковое расстояние, но движутся в противоположные стороны - они находятся в различных, как говорят, «противоположных», фазах.

767(э). Подвесьте два одинаковых маятника и приведите их в колебания, отклонив в разные стороны на одинаковое расстояние. Какова разность фаз данных колебаний? Уменьшается ли она со временем?

Решение. Движения маятников описываются уравнениями:

или в общем случае где целое число. Разность фаз для данных движений

со временем не изменяется.

768(э). Проделайте опыт, аналогичный предыдущему, взяв маятники разной длины. Может ли наступить момент, когда маятники

будут двигаться в одном направлении? Подсчитайте, когда это наступит для взятых вами маятников.

Решение. Движения отличаются фазой и периодом колебаний

Маятники будут двигаться в одном направлении, когда их фазы станут одинаковыми: откуда

769. На рисунке 239 даны графики четырех колебательных движений. Определите начальную фазу каждого колебательного движения и сдвиг фаз для колебаний I и II, I и III, I и IV; II и III, II и IV; III и IV .

Решение 1. Представим себе, что на графиках показано колебание четырех маятников в момент Когда маятник I начал колебание, маятник II уже отклонился в крайнее положение, маятник III вернулся в положение равновесия, а маятник IV отклонился до конца в противоположную сторону. Из этих рассуждений следует, что разность фаз

Решение 2. Все колебания гармонические, и потому их можно описать уравнением

Рассмотрим все колебания в какой-либо определенный момент времени, например При этом примем во внимание, что знак х определяется знаком тригонометрической функции. Значение же А берется по абсолютной величине, т. е. положительным.

I. ; так как в последующие моменты времени следовательно, поэтому

III. ; так как в последующие моменты времени следовательно,

Произведя соответствующие вычисления, получим тот же результат, что и при первом решении:

Несмотря на некоторую громоздкость второго решения, им надо воспользоваться для формирования у учащихся навыков в применении уравнения гармонического колебательного движения.

770. Сложите два колебательных движения с одинаковыми периодами и фазами, если амплитуда одного колебания см, а второго см. Какую амплитуду будет иметь результирующее колебательное движение?

Решение 1. Вычерчивают синусоиды колебаний I и II (рис. 240).

При построении синусоид по таблицам достаточно взять 9 характерных значений фазы: 0°, 45°, 90° и т. д. Амплитуду результирующего колебания находят для тех же фаз, как сумму амплитуд первого и второго колебаний (график III).

Решение 2.

Следовательно, амплитуда результирующего колебания см, и колебание совершается по закону Пользуясь тригонометрическими таблицами, по данной формуле строят синусоиду результирующего колебания.

771. Сложите два колебания с одинаковыми периодами и амплитудами, если они: не отличаются по фазе; имеют разность фаз отличаются по фазе на

Решение 1.

Первый случай вполне аналогичен тому, который рассмотрен в предыдущей задаче и не требует особых пояснений.

Для второго случая сложение колебаний показано на рисунке 241, а.

Сложение колебаний, отличающихся по фазе на показано на рисунке 241, б.

Решение 2. Для каждого случая выведем уравнение результирующего колебания.

Результирующее колебание имеет ту же частоту и вдвое большую амплитуду.

Для второго и третьего случая можно записать следующее уравнение:

где разность фаз между двумя колебаниями.

При уравнение принимает вид

Как видно из этой формулы, при сложении двух гармонических колебаний одного периода, отличающихся по фазе, получается гармоническое колебание того же периода, но с иной, чем у слагаемых колебаний, амплитудой и начальной фазой.

При Следовательно, результат сложения существенно вависит также от разности фаз. При разности фаз и равенстве амплитуд одно колебание полностью «гасит» другое.

Анализируя решения, следует также обратить внимание на то, что результирующее колебание будет иметь наибольшую амплитуду в том случае, когда разность фаз у складываемых колебаний равна нулю (резонанс).

772. Как зависит качка корабля от периода колебания волн?

Ответ. Качка будет наибольшей при совпадении периода колебаний волн с периодом собственных колебаний корабля.

773. Почему на дороге, по которой самосвалы возят из карьера камень, песок и т. д., с течением времени образуются периодически повторяющиеся углубления (вмятины)?

Ответ. Достаточно образоваться самой незначительной неровности, как кузов, имеющий определенный период колебаний, придет в движение, в результате чего при движении самосвала

будут создаваться, периодические повышенные и пониженные нагрузки на грунт, приводящие к образованию углублений (вмятин) на дороге.

774. Используя решение задачи 760, определите, при какой скорости движения наступят наибольшие вертикальные колебания вагона, если длина рельса равна

Решение. Период колебаний вагона сек.

Если с этой частотой колебаний будут совпадать удары колео на стыках, то наступит резонанс.

775. Правильно ли утверждение, что вынужденные колебания только тогда достигают значительных размеров, когда собственная частота колеблющегося тела равна частоте вынуждающей силы. Приведите примеры, поясняющие ваше утверждение.

Ответ. Резонанс может наступить и тогда, когда периодически, но не по гармоническому закону изменяющаяся сила имеет период, в целое число раз меньший собственного периода тела.

Примером могут быть периодические толчки, действующие на качели не при каждом их качании. В связи с этим следует уточнить ответ предыдущей задачи. Резонанс может наступить не только при скорости поезда но и при скорости в раз большей, где целое число.