Как составить уравнения колебаний для частицы, которая участвует в двух гармонических колебаниях с одинаковыми частотами и разными амплитудами и начальными фазами? Как найти уравнение траектории результирующего движения и построить его график, указав положение частицы в начальный момент времени и направление движения по траектории?
Физика11 классГармонические колебания и результирующее движениеуравнения колебанийгармонические колебанияамплитудыначальные фазырезультирующее движениеуравнение траекторииграфик движенияположение частицынаправление движения
Для решения этой задачи, давайте рассмотрим два гармонических колебания, которые описываются следующими уравнениями:
Где:
Теперь, чтобы получить результирующее движение частицы, мы просто сложим эти два уравнения:
Шаг 1: Сложение уравненийРезультирующее уравнение колебания будет выглядеть так:
x(t) = x1(t) + x2(t) = A1 * cos(ωt + φ1) + A2 * cos(ωt + φ2)
Шаг 2: Применение формулы сложения косинусовДля упрощения выражения можно воспользоваться формулами тригонометрии. Мы можем использовать формулу для суммы косинусов:
Однако в нашем случае у нас разные фазы, поэтому лучше использовать метод векторного сложения или формулу для комплексных чисел.
Шаг 3: Применение векторного методаКаждое колебание можно представить в виде вектора на комплексной плоскости:
Тогда результирующее движение можно записать как:
z(t) = z1 + z2.
Шаг 4: Найти модуль и аргумент результирующего вектораПосле сложения векторов мы можем найти модуль результирующего вектора и его аргумент, чтобы выразить результирующее движение в виде:
x(t) = R * cos(ωt + φ),
где R - результирующая амплитуда, а φ - результирующая фаза.
Шаг 5: Построение графикаТеперь, чтобы построить график движения:
В начальный момент времени (t = 0) положение частицы будет:
x(0) = R * cos(φ).
Чтобы определить направление движения, нужно найти производную x(t) по времени:
v(t) = -R * ω * sin(ωt + φ).
Если v(0) > 0, то движение направлено вправо, если v(0) < 0, то влево.
Таким образом, мы составили уравнения колебаний, нашли результирующее движение и построили график, указав положение и направление движения частицы.