Гармонічні коливання: амплітуда, період, частота, фаза
~20 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань
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 — 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.
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.
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 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).
Читання графіка
Щоб визначити параметри коливань за графіком, дій так:
Амплітуда A: виміряй відстань від горизонтальної осі (положення рівноваги) до найвищої точки графіка.
Період T: виміряй час між двома найближчими однаковими станами (наприклад, між двома сусідніми максимумами).
Частота ν: обчисли як 1/T.
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.
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:
Записуємо рівняння в стандартній формі: x = A·cos(ωt + φ₀).
Визначаємо циклічну частоту: ω = 5π рад/с.
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:
За один період шлях дорівнює 4A = 4·4 = 16 см.
За 2,5 періоду шлях = 2,5·4A = 10A = 10·4 = 40 см.
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:
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.
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.
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:
Спершу випиши з умови або графіка A, ω і T.
Якщо запитують шлях — переведи час у кількість періодів або чвертей періоду.
Якщо запитують переміщення — знайди початкове й кінцеве положення тіла.
Для швидкості й прискорення згадай, де вони максимальні (рівновага vs крайні точки).
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.
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.