Перейти до основного вмісту
Каталог

Гармонічні коливання: амплітуда, період, частота, фаза

~20 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань

Коливання і хвилі. Оптика
Фізичні величини, графіки й вимірювання
Фізика НМТ

Визначай амплітуду, період, частоту, циклічну частоту й фазу гармонічних коливань за рівнянням x = A·cos(ωt + φ₀) і за графіком x(t). Обчислюй шлях і переміщення тіла, що коливається, та знаходь максимальні швидкість і прискорення.

Коливальний рух і його характеристики

Коливальний рух — це рух, який точно або приблизно повторюється через однакові проміжки часу. Ти щодня спостерігаєш коливання: гойдалка в парку, струна гітари, маятник годинника, навіть серцебиття — усе це приклади коливальних процесів.

Вільні коливання

Вільні (або власні) коливання відбуваються після одноразового виведення системи з положення рівноваги під дією внутрішніх сил. Іншими словами, ти штовхнув гойдалку один раз — і далі вона рухається сама. Для існування вільних коливань потрібні дві умови:

  • наявність сили, що повертає систему до положення рівноваги (наприклад, сила пружності пружини або складова сили тяжіння для маятника);

  • мала дія тертя (інакше коливання швидко згаснуть).

Приклади вільних коливань: вантаж на пружині, нитяний маятник (підвішена на нитці кулька), тіло, що плаває на воді й коливається після поштовху.

Основні характеристики коливань

Щоб описати коливальний рух кількісно, використовують такі величини:

Величина

Позначення

Означення

Одиниця СІ

Зміщення

x

Відхилення тіла від положення рівноваги в даний момент часу

м

Амплітуда

A

Найбільше за модулем зміщення

м

Період

T

Час одного повного коливання

с

Частота

ν (ню)

Кількість коливань за 1 с; ν = 1/T

Гц (герц)

Період і частоту можна обчислити через кількість коливань N за час t:

Наприклад, якщо тіло виконало 30 коливань за 15 с, то T = 15 с / 30 = 0,5 с, а ν = 30 / 15 с = 2 Гц. Що більший період, то менша частота, і навпаки.

Гармонічні коливання

Гармонічні коливання — це коливання, під час яких зміщення змінюється з часом за законом косинуса або синуса. Вони мають одну сталу частоту й сталу амплітуду (якщо немає затухання). Саме гармонічні коливання є найпростішою й найважливішою моделлю в фізиці — будь-яке складне коливання можна подати як суму гармонічних.

Негармонічні коливання — це коливання, форма яких відрізняється від синусоїди або косинусоїди (наприклад, пилкоподібний сигнал). У межах НМТ ти працюєш переважно з гармонічними коливаннями.

Рівняння гармонічних коливань і фаза

Основним рівнянням, що описує гармонічні коливання, є:

де кожна величина має чіткий фізичний зміст:

Позначення

Назва

Пояснення

x

Зміщення

Відхилення від положення рівноваги в момент t

A

Амплітуда

Найбільше зміщення (завжди додатна величина)

ω

Циклічна частота

Показує, як швидко змінюється фаза; ω = 2πν = 2π/T

ωt + φ₀

Фаза коливань

Аргумент косинуса; визначає стан системи в момент t

φ₀

Початкова фаза

Фаза в момент t = 0; задає початкове положення

Циклічна частота

Циклічна (або кутова) частота ω пов'язана зі звичайною частотою ν і періодом T співвідношеннями:

Одиниця циклічної частоти — радіан за секунду (рад/с). За один повний період фаза змінюється на 2π, тому що косинус — періодична функція з періодом 2π.

Розбір рівняння на прикладі

Розглянемо рівняння: x = 0,05·cos(4πt) (м). Виписуємо параметри:

  • A = 0,05 м = 5 см;

  • ω = 4π рад/с;

  • T = 2π / ω = 2π / (4π) = 0,5 с;

  • ν = 1 / T = 2 Гц;

  • φ₀ = 0 (початкова фаза дорівнює нулю).

Зверни увагу: множник перед t у косинуса — це завжди ω, а не ν. Якщо бачиш x = A·cos(2πνt), то ω = 2πν.

Синус чи косинус?

Іноді рівняння гармонічних коливань записують через синус: x = A·sin(ωt). Таку форму завжди можна звести до косинуса, скориставшись формулою зведення:

Отже, x = A·sin(ωt) — це те саме, що x = A·cos(ωt − π/2). Початкова фаза φ₀ = −π/2. Читають обидві форми однаково: A — множник перед функцією, ω — множник біля t.

Різниця фаз

Коли два тіла виконують гармонічні коливання з однаковою частотою, важливою є різниця їхніх фаз:

  • якщо різниця фаз дорівнює 0, коливання відбуваються у фазі — тіла одночасно досягають крайніх точок і положення рівноваги;

  • якщо різниця фаз дорівнює π (або −π), коливання в протифазі — коли одне тіло в крайньому правому положенні, друге — у крайньому лівому.

Фаза — це не просто кут, а фізична величина, яка визначає стан коливальної системи: положення, напрям руху, швидкість і прискорення в будь-який момент часу.

Шлях, швидкість і прискорення коливної точки

Під час гармонічних коливань тіло рухається вздовж прямої лінії, проходячи той самий шлях багато разів. Важливо вміти обчислювати шлях і переміщення, а також знати, як змінюються швидкість і прискорення.

Шлях за частини періоду

За один повний період тіло проходить шлях, що дорівнює чотирьом амплітудам:

Чому саме 4A? Уяви тіло, що коливається. За один період воно проходить шлях від крайньої лівої точки до крайньої правої (2A) і назад до початкової крайньої точки (ще 2A). Разом — 4A.

Час

Шлях

Пояснення

T (період)

4A

Повний цикл: туди й назад

T/2 (півперіоду)

2A

Від одного крайнього положення до протилежного

T/4 (чверть періоду)

A

Від положення рівноваги до крайньої точки або навпаки

Важливо: переміщення за період дорівнює нулю, оскільки тіло повертається в початкове положення. Шлях і переміщення — різні поняття. Наприклад, якщо A = 5 см, то за 2,5 періоду шлях дорівнює 2,5·4A = 10A = 50 см. Переміщення ж залежить від початкового положення: якщо рух почався з крайньої точки, через 2,5 періоду тіло буде в протилежній крайній точці, і переміщення дорівнюватиме 2A = 10 см; якщо з положення рівноваги — переміщення дорівнюватиме нулю.

Швидкість коливної точки

Швидкість — це похідна зміщення за часом. Для гармонічних коливань:

Максимальне значення швидкості (за модулем) досягається в положенні рівноваги, де x = 0:

У крайніх точках (x = ±A) швидкість дорівнює нулю — тіло на мить зупиняється, щоб змінити напрям руху.

Прискорення коливної точки

Прискорення — це похідна швидкості за часом. Для гармонічних коливань:

Прискорення завжди напрямлене до положення рівноваги (знак «мінус»). Найбільше за модулем прискорення — у крайніх точках, де зміщення максимальне:

У положенні рівноваги (x = 0) прискорення дорівнює нулю.

Запам'ятай: максимальна швидкість — у положенні рівноваги, максимальне прискорення — у крайніх точках. Це протилежні положення!

Числовий приклад

Нехай A = 0,1 м, T = 0,2π с. Тоді:

  • ω = 2π / T = 2π / (0,2π) = 10 рад/с;

  • vmax = Aω = 0,1·10 = 1 м/с;

  • amax = Aω² = 0,1·10² = 0,1·100 = 10 м/с².

Графік гармонічних коливань

Графік залежності зміщення x від часу t для гармонічних коливань має форму косинусоїди або синусоїди. Це один із найважливіших інструментів для аналізу коливань на НМТ.

Як виглядає графік x(t)

На графіку гармонічних коливань:

  • найвище значення дорівнює +A (максимальне зміщення в один бік);

  • найнижче значення дорівнює −A (максимальне зміщення в протилежний бік);

  • відстань між двома сусідніми максимумами на осі часу дорівнює періоду T;

  • відстань між сусіднім максимумом і мінімумом дорівнює T/2 (півперіоду).

Рендеринг діаграми…

Читання графіка

Щоб визначити параметри коливань за графіком, дій так:

  1. Амплітуда A: виміряй відстань від горизонтальної осі (положення рівноваги) до найвищої точки графіка.

  2. Період T: виміряй час між двома найближчими однаковими станами (наприклад, між двома сусідніми максимумами).

  3. Частота ν: обчисли як 1/T.

  4. Початкова фаза φ₀: подивись на значення x(0) і напрям руху в початковий момент.

Визначення початкової фази за графіком

Якщо в момент t = 0 зміщення дорівнює +A, то коливання описуються косинусом з φ₀ = 0: x = A·cos(ωt). Якщо ж у t = 0 зміщення дорівнює 0, а тіло рухається вгору (у бік додатних x), то це відповідає синусу, тобто косинусу з φ₀ = −π/2: x = A·cos(ωt − π/2).

Пам'ятай: графік x(t) — це не траєкторія руху! Тіло коливається вздовж прямої лінії, а графік лише показує, як змінюється його координата з часом.

Шлях і переміщення за графіком

Щоб знайти шлях за певний час за графіком, підрахуй кількість чвертей періоду, які вкладаються в цей час. Кожна чверть періоду відповідає шляху A. Переміщення — це просто різниця координат x у кінцевий і початковий моменти часу.

Наприклад, якщо графік показує коливання з A = 6 см і T = 0,8 с, то за 2 с (тобто 2 / 0,8 = 2,5 періоду) шлях становитиме 2,5·4·6 = 60 см.

Розбираємо завдання

Розгляньмо чотири типові завдання, які можуть трапитися на НМТ. Кожне розв'яжемо покроково.

Приклад 1. Період за рівнянням

Тіло коливається за законом x = 0,2·cos(5πt) (м). Який період коливань?

Розв'язання:

  1. Записуємо рівняння в стандартній формі: x = A·cos(ωt + φ₀).

  2. Визначаємо циклічну частоту: ω = 5π рад/с.

  3. Обчислюємо період: T = 2π / ω = 2π / (5π) = 2/5 = 0,4 с.

Відповідь: 0,4 с.

Чому інші варіанти неправильні:

  • 0,2 с — плутанина з амплітудою (0,2 м), але амплітуда не дорівнює періоду.

  • 5 с — сплутали ω (5π) з T, забувши поділити 2π на ω.

  • 2,5 с — помилка: обчислили 2π / 5π = 0,4, але записали 2,5 (можливо, переплутали ділення з множенням).

Приклад 2. Шлях за кілька періодів

Амплітуда коливань дорівнює 4 см. Знайди шлях (у сантиметрах), який тіло пройде за 2,5 періоду, якщо рух починається з крайньої точки.

Розв'язання:

  1. За один період шлях дорівнює 4A = 4·4 = 16 см.

  2. За 2,5 періоду шлях = 2,5·4A = 10A = 10·4 = 40 см.

  3. Оскільки рух починається з крайньої точки, за 2,5 періоду тіло опиниться в протилежній крайній точці, але шлях — це пройдена відстань, а не переміщення.

Відповідь: 40 см.

Приклад 3. Частота за графіком

За графіком гармонічних коливань x(t) максимальне зміщення дорівнює 6 см, а відстань між сусідніми максимумами — 0,8 с. Визнач частоту коливань.

Розв'язання:

  1. Відстань між сусідніми максимумами — це період T = 0,8 с.

Відповідь: 1,25 Гц.

Чому інші варіанти неправильні:

  • 0,8 Гц — сплутали період і частоту (взяли T за ν).

  • 6 Гц — помилково взяли амплітуду (6 см) за частоту.

  • 0,4 Гц — помилка: поділили 0,8 на 2, вважаючи, що відстань між максимумами — це півперіоду.

Приклад 4. Швидкість і прискорення

У якому положенні тіла, що гармонічно коливається, швидкість максимальна, а прискорення дорівнює нулю?

Розв'язання:

Швидкість максимальна там, де sin(ωt + φ₀) = ±1, тобто в положенні рівноваги (x = 0). У цей момент прискорення a = −ω²x = 0. Отже, обидві умови виконуються в положенні рівноваги.

Відповідь: у положенні рівноваги.

Чому інші варіанти неправильні:

  • У крайній точці — швидкість нульова, прискорення максимальне.

  • Посередині між рівновагою й крайньою точкою — ні швидкість, ні прискорення не досягають максимуму.

  • У жодному — неправильно, бо в положенні рівноваги саме так.

Типові помилки й пастки

На НМТ з фізики завдання на гармонічні коливання здаються простими, але саме тут учні найчастіше втрачають бали через неуважність. Ось найпоширеніші пастки.

  • Шлях за період — 2A, а не 4A. Багато хто думає, що за один період тіло проходить відстань від крайньої точки до протилежної крайньої (2A) і зупиняється. Насправді воно ще повертається назад — разом 4A. Запам'ятай: за T — 4A.

  • Плутанина між шляхом і переміщенням. Шлях — це довжина траєкторії, яку тіло реально пройшло. Переміщення — це вектор, що з'єднує початкове й кінцеве положення. За повний період переміщення дорівнює нулю, а шлях — 4A. Не плутай!

  • Плутанина між ω і ν. У рівнянні x = A·cos(ωt + φ₀) біля t стоїть саме циклічна частота ω, а не звичайна частота ν. Вони пов'язані: ω = 2πν. Якщо в рівнянні бачиш число без π, це може бути 2πν, а не ω.

  • Прискорення максимальне в положенні рівноваги. Це помилка, яка виникає через асоціацію «максимальна швидкість → максимальне прискорення». Насправді в положенні рівноваги прискорення нульове, а максимальне воно в крайніх точках.

  • Період — це відстань між мінімумом і максимумом. На графіку відстань від найнижчої точки до найвищої — це півперіоду (T/2). Період — це відстань між двома сусідніми максимумами або двома сусідніми мінімумами.

Як це перевіряють на НМТ

Тема «Гармонічні коливання» входить до розділу 4.1 програми НМТ з фізики. Ось що варто знати про формат перевірки.

Формат завдань

  • У демоваріанті 2026 року завдання № 10 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал) перевіряло вміння обчислювати шлях і переміщення за графіком гармонічних коливань x(t).

  • Можливі також завдання на визначення параметрів (A, T, ν, ω, φ₀) за рівнянням або графіком.

  • Коротка відповідь (число) може вимагати обчислити шлях, частоту або амплітуду.

Довідкові матеріали

Довідка НМТ містить рівняння гармонічних коливань x = A·cos(ωt + φ₀) і формули максимальних швидкості vmax = Aω та прискорення amax = Aω². Однак вигляд графіка треба вміти читати без підказки — довідка не містить зразка графіка.

Що вимагає програма

Програма НМТ (тема 4.1) вимагає:

  • обчислювати параметри гармонічних коливань за рівнянням;

  • аналізувати графіки незатухаючих і затухаючих коливань;

  • розрізняти вільні, гармонічні й негармонічні коливання.

Стратегія виконання

Коли бачиш завдання на гармонічні коливання, дій за таким алгоритмом:

  1. Спершу випиши з умови або графіка A, ω і T.

  2. Якщо запитують шлях — переведи час у кількість періодів або чвертей періоду.

  3. Якщо запитують переміщення — знайди початкове й кінцеве положення тіла.

  4. Для швидкості й прискорення згадай, де вони максимальні (рівновага vs крайні точки).

Питання й відповіді

Чому за період шлях дорівнює саме 4A?

Уяви тіло, що коливається вздовж прямої. У крайньому лівому положенні його зміщення дорівнює −A. Щоб дістатися крайнього правого положення (+A), тіло проходить шлях 2A. Потім воно повертається назад до −A — ще 2A. Разом за повний цикл (період) — 4A. Якщо тіло починає рух не з крайньої точки, шлях за неповну кількість періодів може відрізнятися, але за ціле число періодів завжди 4A за кожен період.

Чим циклічна частота відрізняється від частоти?

Звичайна частота ν показує, скільки повних коливань відбувається за 1 секунду. Її одиниця — герц (Гц). Циклічна частота ω показує, на скільки радіанів змінюється фаза за 1 секунду. Її одиниця — радіан за секунду (рад/с). Зв'язок: ω = 2πν. Наприклад, якщо ν = 2 Гц, то ω = 2π·2 = 4π рад/с. У рівнянні x = A·cos(ωt + φ₀) використовують саме ω.

Що показує початкова фаза?

Початкова фаза φ₀ визначає, у якому стані перебуває коливальна система в момент початку відліку часу (t = 0). Наприклад, якщо φ₀ = 0, то x(0) = A·cos(0) = A — тіло в крайньому правому положенні. Якщо φ₀ = −π/2, то x(0) = A·cos(−π/2) = 0 — тіло в положенні рівноваги й рухається вправо. Якщо φ₀ = π, то x(0) = A·cos(π) = −A — тіло в крайньому лівому положенні.

Чому в крайній точці швидкість нуль, а прискорення найбільше?

У крайній точці тіло на мить зупиняється, щоб змінити напрям руху, тому швидкість дорівнює нулю. Однак саме в цей момент сила, що повертає тіло до положення рівноваги (наприклад, сила пружності пружини), є максимальною, оскільки зміщення найбільше. За другим законом Ньютона, чим більша сила, тим більше прискорення. Тому amax = Aω² саме в крайніх точках. У положенні рівноваги сила дорівнює нулю, тому прискорення нульове, але швидкість максимальна.

Коротко: головне

  • Гармонічні коливання — це коливання, за яких зміщення змінюється за законом косинуса або синуса: x = A·cos(ωt + φ₀).

  • A — амплітуда (найбільше зміщення), T — період (час одного коливання), ν = 1/T — частота (Гц), ω = 2π/T = 2πν — циклічна частота (рад/с).

  • За один період шлях дорівнює 4A, переміщення дорівнює 0. За півперіоду шлях 2A, за чверть періоду — A.

  • Максимальна швидкість — у положенні рівноваги: vmax = Aω.

  • Максимальне прискорення — у крайніх точках: amax = Aω².

  • За графіком x(t): амплітуда — висота від осі до максимуму, період — відстань між сусідніми максимумами, частота — обернена величина до періоду.

  • Початкова фаза φ₀ визначає положення тіла в момент t = 0.