Сложение гармонически колебаний. Фигуры Лиссажу
Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения
Колеблющееся тело может участвовать в нескольких колебательных процессах, тогда необходимо найти результирующее колебание, иными словами, колебания необходимо сложить. Сложим гармонические колебания одного направления и одинаковой частоты
воспользовавшись методом вращающегося вектора амплитуды. Построим векторные диаграммы этих колебаний (рис. 203). Tax как векторы A1 и А2 вращаются с одинаковой угловой скоростью w0, то разность фаз (j2—j1) между ними остается постоянной. Очевидно, что уравнение результирующего колебания будет
(*)
В выражении (*) амплитуда А и начальная фаза j соответственно задаются соотношениями
(**)Таким образом, тело, участвуя в двух гармонических колебаниях одного направления и одинаковой частоты, совершает также гармоническое колебание в том же направлении и с той же частотой, что и складываемые колебания. Амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз (j2—j1) складываемых колебаний.
Проанализируем выражение (**) в зависимости от разности фаз (j2—j1):
1) j2—j1 = ±2mp (т=0, 1, 2, ...), тогда A=A1+A2, т. е. амплитуда результирующего колебания А равна сумме амплитуд складываемых колебаний;
2) j2—j1 = ±(2m+1)p (т=0, 1, 2, ...), тогда A=|A1–A2|, т. е. амплитуда результирующего колебания равна разности амплитуд складываемых колебаний.
Для практики особый интерес представляет случай, когда два складываемых гармонических колебания одинакового направления мало отличаются по частоте. В результате сложения этих колебаний получаются колебания с периодически изменяющейся амплитудой. Периодические изменения амплитуды колебания, возникающие при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами, называются биениями.
|
|
|
Пусть амплитуды складываемых колебаний равны А, а частоты равны w и w+Dw, причем Dw<<w. Начало отсчета выберем так, чтобы начальные фазы обоих колебаний были равны нулю:
Складывая эти выражения и учитывая, что во втором сомножителе Dw/2<<w, найдем
(***)
Результирующее колебание (***) можно рассматривать как гармоническое с частотой w, амплитуда Аб, которого изменяется по следующему периодическому закону:
(****)
Частота изменения Аб в два раза больше частоты изменения косинуса (так как берется по модулю), т. е. частота биений равна разности частот складываемых колебаний:
Период биений
Характер зависимости (***) показан на рис. 204, где сплошные жирные линии дают график результирующего колебания (***), а огибающие их — график медленно меняющейся по уравнению (****) амплитуды.
Определение частоты тона (звука определенной высоты биений между эталонным и измеряемым колебаниями — наиболее широко применяемый на практике метод сравнения измеряемой величины с эталонной. Метод биений используется для настройки музыкальных инструментов, анализа слуха и т. д.
|
|
|
Любые сложные периодические колебания s=f(t) можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными амплитудами, начальными фазами, а также частотами, кратными циклической частоте w0:
(144.5)
Представление периодической функции в виде (144.5) связывают с понятием гармонического анализа сложного периодического колебания, или разложения Фурье.* Слагаемые ряда Фурье, определяющие гармонические колебания с частотами w0, 2w0, 3w0, ..., называются первой (или основной), второй, третьей и т. д. гармониками сложного периодического колебания.
* Ж. Фурье (1768—1830) — французский ученый.
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
Рассмотрим результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты w, происходящих во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у. Для простоты начало отсчета выберем так, чтобы начальная фаза первого колебания была равна нулю, и запишем
(1)
где a — разность фаз обоих колебаний, А и В — амплитуды складываемых колебаний. Уравнение траектории результирующего колебания находится исключением из выражений (145.1) параметра t. Записывая складываемые колебания в виде
|
|
|
и заменяя во втором уравнении coswt на х/А и sinwtна 
, получим после несложных преобразований уравнение эллипса, оси которого ориентированы относительно координатных осей произвольно:
(2)
Так как траектория результирующего колебания имеет форму эллипса, то такие колебания называются эллиптически поляризованными.
Ориентация эллипса и размеры его осей зависят от амплитуд складываемых колебаний и разности фаз a. Рассмотрим некоторые частные случаи, представляющие физический интерес:
1) a = mp(m=0, ±1, ±2, ...). В данном случае эллипс вырождается в отрезок прямой
(145.3)
где знак плюс соответствует нулю и четным значениям т (рис. 205, а), а знак минус — нечетным значениям т (рис. 205, б). Результирующее колебание является гармоническим колебанием с частотой w и амплитудой 
, совершающимся вдоль прямой ( 3), составляющей с осью х угол j=arctg 
. В данном случае имеем дело с линейно поляризованными колебаниями;
2) a = (2m+1) 
(m=0, ± 1, ±2,...). В данном случае уравнение примет вид
(4)
Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат, а его полуоси равны соответствующим амплитудам (рис. 206). Кроме того, если А=В, то эллипс (4) вырождается в окружность. Такие колебания называются циркулярно поляризованными колебаниями или колебаниями, поляризованными по кругу.
|
|
|
Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колебаний различны, то замкнутая траектория результирующего колебания довольно сложна. Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два взаимно перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу.* Вид этих кривых зависит от соотношения амплитуд, частот и разности фаз складываемых колебаний. * Ж. Лиссажу (1822—1880) — французский физик.
Отношение частот складываемых колебаний равно отношению числа пересечений фигур Лиссажу с прямыми, параллельными осям координат. По виду фигур можно определить неизвестную частоту по известной или определить отношение частот складываемых колебаний. Поэтому анализ фигур Лиссажу — широко используемый метод исследования соотношений частот и разности фаз складываемых колебаний, а также формы колебаний.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 2339; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!