Notice: Function _load_textdomain_just_in_time was called incorrectly. Translation loading for the acf domain was triggered too early. This is usually an indicator for some code in the plugin or theme running too early. Translations should be loaded at the init action or later. Please see Debugging in WordPress for more information. (This message was added in version 6.7.0.) in /var/www/html/wp-includes/functions.php on line 6131 Механические колебания: всё, что нужно знать для ЕГЭ – 100балльный репетитор

Механические колебания: всё, что нужно знать для ЕГЭ

11 класс

Поделиться статьей:

Physics

Механические колебания окружают нас повсюду: от качания маятника в часах до вибрации мостов. Поэтому понимание того, как они устроены, поможет понять устройство окружающего мира. Чтобы уверенно решать задачи, необходимо разобраться с основными характеристиками колебаний.

Виды колебаний, формулы и графики

Механические колебания — это физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под действием внешней периодической силы.

Свободные колебания — колебания, происходящие под действием внутренней силы в системе, выведенной из положения равновесия.

Затухающие колебания — это колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени под действием сил сопротивления.

Период колебаний ($T$) — наименьший промежуток времени, за который тело совершает одно полное колебание, то есть возвращается в своё первоначальное положение с исходным значением скорости. Период измеряется в секундах [с].

$T = \frac{t}{N}$

Частота колебаний ($\nu$) — количество колебаний за единицу времени (секунду), частота измеряется в герцах [Гц] и определяется формулой:

$\nu = \frac{N}{t}$

Таким образом, период и частота колебаний связаны между собой формулой:

$T = \frac{1}{\nu}$

Циклическая частота ($\omega$) — скорость изменения аргумента тригонометрической функции:

$\omega = \frac{2\pi}{T}$

Амплитуда колебаний ($A$ или $x_0$) — максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия. Размерность амплитуды зависит от размерности определяемой физической величины.

Гармонические колебания — колебания, в которых изменение физической величины происходит по синусоидальному или косинусоидальному закону.

Пример уравнения, описывающего гармонические колебания:

$x = x_0 \sin(\omega t)$

Где:

$x_0$ — амплитуда колебаний;

$\omega$ — циклическая частота;

$t$ — время.

Часто при решении задач на механические колебания используются производные:

$(\cos(t))' = -\sin(t)$

$(\sin(t))' = \cos(t)$

$(\sin(t^2))' = \cos(t^2) \cdot 2t = 2t\cos(t^2)$

$(5\sin(7t+3))' = 5\cos(7t+3) \cdot 7 = 35\cos(7t+3)$

Производная от координаты $x$ по времени равна проекции скорости на ось $Ox$:

$x' = v_x = \omega x_0\cos(\omega t)$

С другой стороны, уравнение скорости в гармонических колебаниях выглядит следующим образом:

$v = v_m\cos(\omega t)$

Где $v_m$ — максимальное значение скорости.

Сопоставив две формулы, получим:

$v_m = \omega x_0$

Часто в формулах, например в кодификаторе ЕГЭ по физике, в качестве обозначения амплитуды используют букву $A$, тогда формула примет следующий вид:

$v_m = \omega A$

Рассмотрим проекцию скорости на горизонтальную ось $Ox$, производная от $v_x$ по времени равна ускорению:

$v_x' = a_x = \left(\omega x_0 \cos(\omega t)\right)' = \omega x_0 \cdot \left(-\sin(\omega t)\right) \cdot \omega = -\omega^2 x_0\sin(\omega t)$

Обратим внимание на полученное уравнение ускорения, в нём содержится $x_0\sin(\omega t)$, равное координате $x$, подставим его:

$a_x = -\omega^2 x$

Выполним преобразования и получим уравнение гармонических колебаний:

$a_x + \omega^2 x = 0$

Максимальный модуль ускорения можно найти по формулам:

$a_m = \omega^2 A$

Все вышеперечисленные формулы не нужно выводить при решении задач сложной части на ЕГЭ.

Забирай курсы подготовки к ОГЭ и ЕГЭ с жирной скидкой

Практикум: решение задач

Задание 1

Небольшое тело, подвешенное на нити, совершает гармонические колебания. На рисунке представлена зависимость координаты $x$ тела от времени $t$. Чему равен период колебаний тела? Ответ дайте в секундах

Механические колебания Задание 1
 

Период колебания равен времени, через которое тело возвращается в начальное состояние. По графику видим, что период колебаний равен 12 с.

Механические колебания Задание 1 Решение

Ответ: 12 с.

Задание 2

Шарик подвешен к пружине. Пружину отклоняют от положения равновесия, после чего система начинает совершать гармонические колебания. Скорость шарика изменяется согласно уравнению $v = 5\sin(2\pi t)$ (все величины выражены в СИ). Определите максимальную скорость движения шарика. Ответ дайте в метрах в секунду.

Формула скорости в колебаниях в изначальном виде выглядит таким образом:

$v = v_{max}\sin(\omega t)$

Из условия:

$v = 5\sin(2\pi t)$

Сравнив одно уравнение с другим, понимаем, что $v_{max} = 5$ м/с.

Ответ: 5 м/с.

Задание 3

Груз математического маятника совершает гармонические колебания, описываемые уравнением $x = A\sin(Bt)$. Найдите амплитуду колебаний груза, если известно, что $A = 0{,}5$ м, $B = 0{,}5 \text{ с}^{-1}$. Ответ выразите в метрах.

Амплитуда — величина, которая в уравнении колебаний стоит перед $\sin(\omega t)$. Амплитуда колебаний дана в условии, она равна 0,5 м.

Ответ: 0,5 м.

Задание 4

Между точками 1 и 2 математический маятник совершает гармонические колебания. Графики А и Б представляют зависимости от времени $t$ физических величин, характеризующих колебания. В начальный момент времени маятник находился в положении 2. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции второго столбца подберите соответствующую позицию первого и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Механические колебания Задание 4
 

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

  1. Кинетическая энергия маятника.
  2. Проекция скорости маятника на ось $Ox$.
  3. Потенциальная энергия маятника относительно поверхности Земли.
  4. Проекция ускорения маятника на ось $Ox$.

ГРАФИКИ:

Механические колебания Задание 4 Графики
 
АБ

В начальный момент времени $t = 0$: $x = A$

Из этого делаем вывод, что график «А» — не график координаты, это график скорости.

$x = x_0\cos(\omega t) \implies v_x = x’ = -x_0 \omega \sin(\omega t)$

Второй график — график энергии, которая в начальный момент времени равна нулю. $E_k = \dfrac{mv^2}{2} = 0$, так как скорость в положении 2 равна нулю.

Следовательно, график Б — график кинетической энергии.

Ответ: 21.

Заключение

Теперь ты знаешь основные виды колебаний, их характеристики (период, частоту, амплитуду) и то, как связаны координата, скорость и ускорение в гармонических колебаниях. Ты умеешь читать графики, определять по уравнению скорости максимальную скорость и амплитуду, а также сопоставлять графики с разными физическими величинами. Этого достаточно, чтобы решать задачи по механическим колебаниям на ЕГЭ.

Авторы:

Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ

Забирай курсы подготовки к ОГЭ и ЕГЭ с жирной скидкой

В 100б ты пробьёшь свой
максимум на экзаменах

наши лучшие курсы

Выбери подходящий курс и предмет, чтобы прокачаться и сдать ОГЭ на «5», а ЕГЭ на 80+ баллов

Выбрать курс

бесплатные материалы

Курсы, вебы, чек-листы — всё за 0 ₽

Забрать за 0 ₽

Интенсив по поступлению

Запишись на интенсив по поступлению, чтобы
взять из ЕГЭ максимум и попасть в вуз мечты

Записаться
В 100балльном репетиторе ты пробьёшь свой максимум на экзаменах

Преимущества подготовки
в 100балльном

10+
лет средний опыт наших преподавателей

18
выпускников сдали ЕГЭ
на 200 из 200 в 2024 году

300k+
учеников поступили в вуз мечты с нашей помощью 

14%
стобалльников России — наши выпускники

2 347
выпускника сдали ЕГЭ на 100 баллов

Преимущества подготовки в 100балльном

Запишись
на бесплатный
вводный урок

Познакомим с преподавателями и платформой

Расскажем про учёбу

Поможем поставить цель

  • 11 класс
  • 10 класс
  • 9 класс
  • 8 класс
  • 7 класс
Запись на вводный урок

Список всех тем