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?
Физика 11 класс Гармонические колебания и результирующее движение уравнения колебаний гармонические колебания амплитуды начальные фазы результирующее движение уравнение траектории график движения положение частицы направление 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.