Физика · тема 4 из 19 · ОГЭ № 1–6, 20–22 · ЕГЭ № 4–6

Механические колебания и волны

Маятники, гармонические колебания, превращения энергии, волны и звук — в ОГЭ через графики и расчёт λ, в ЕГЭ через формулы периода и «как изменится».

25 мин чтенияОГЭЕГЭ22 задания

Коротко

главное за 30 секунд
  1. $T = \dfrac{t}{N}$, $\nu = \dfrac{1}{T}$, $\omega = 2\pi\nu$
  2. Математический маятник $T = 2\pi\sqrt{l/g}$ — не зависит от массы
  3. Пружинный маятник $T = 2\pi\sqrt{m/k}$ — не зависит от $g$
  4. В положении равновесия скорость максимальна, ускорение равно нулю
  5. Длина волны $\lambda = vT = \dfrac{v}{\nu}$
  6. Высота звука — частота, громкость — амплитуда; в вакууме звук не распространяется

Характеристики колебаний

Колебания — движения, которые повторяются через равные промежутки времени. Характеристики:

  • амплитуда $A$ — наибольшее отклонение от положения равновесия;
  • период $T$ — время одного полного колебания: $T = t/N$;
  • частота $\nu = 1/T$ — число колебаний в секунду, единица — герц (Гц);
  • циклическая частота $\omega = 2\pi\nu = 2\pi/T$, рад/с.

Гармонические колебания описываются законом $x = A\cos(\omega t + \varphi_0)$. Из уравнения сразу читаются амплитуда и $\omega$: например, для $x = 0{,}05\cos(10\pi t)$ имеем $A = 5$ см, $\omega = 10\pi$ рад/с, $\nu = 5$ Гц, $T = 0{,}2$ с.

За один период тело проходит путь $4A$, а не $A$ и не $2A$: от равновесия до края, обратно, до другого края и снова в равновесие. За половину периода — $2A$.
Проверь себя. Маятник совершил 30 колебаний за 60 с. Чему равен период колебаний (в секундах)?

Ответ: 2

txATν = 1 / T
Рис. 1. Гармонические колебания x = A·sin(2πt / T): амплитуда A и период T

Маятники

$$T_{мат} = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}} \qquad\qquad T_{пруж} = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$$

Что важно для заданий «как изменится»:

ИзменениеМатематическийПружинный
Масса груза ×4не изменитсяпериод ×2
Длина нити ×4период ×2—
Перенести на Лунупериод увеличитсяне изменится
Амплитуда ×2 (малые колебания)не изменитсяне изменится

Энергия. При колебаниях без трения энергия переходит из потенциальной в кинетическую и обратно. В крайней точке скорость равна нулю, а потенциальная энергия максимальна. В положении равновесия — наоборот: скорость максимальна, ускорение и возвращающая сила равны нулю.

$$E = \dfrac{kA^2}{2} = \dfrac{mv_{max}^2}{2} \quad\Rightarrow\quad v_{max} = A\sqrt{\dfrac{k}{m}} = A\omega$$

Пример. Груз массой 0,25 кг на пружине жёсткостью 100 Н/м колеблется с амплитудой 4 см. $v_{max} = 0{,}04\cdot\sqrt{100/0{,}25} = 0{,}04\cdot 20 = 0{,}8$ м/с.

Резонанс — резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой системы.

αlT = 2π√(l / g)не зависит от массыи амплитуды (малой)
Рис. 2. Математический маятник: период зависит только от длины нити и g

Волны и звук

Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде. Волна переносит энергию, но не вещество: частицы среды лишь колеблются около своих положений.

  • Поперечные волны — частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения. Возможны только в твёрдых телах (и на поверхности жидкости).
  • Продольные волны — колебания вдоль направления распространения (сжатия и разрежения). Возможны в газах, жидкостях и твёрдых телах. Звук в воздухе — продольная волна.
$$\lambda = vT = \dfrac{v}{\nu}$$ Длина волны — расстояние, на которое волна распространяется за один период.

Звук — упругие волны с частотой от 16–20 Гц до 20 кГц. Ниже — инфразвук, выше — ультразвук. Высота тона определяется частотой, громкость — амплитудой. Скорость звука в воздухе около 340 м/с, в воде около 1500 м/с. В вакууме звук не распространяется.

При переходе волны из одной среды в другую частота не меняется (её задаёт источник), меняются скорость и длина волны. Звук из воздуха в воду: скорость растёт, значит длина волны тоже растёт.
Эхо: звук проходит расстояние до преграды дважды, поэтому $s = \dfrac{vt}{2}$.
Практика

Закрепите тему: 22 задания для ОГЭ и ЕГЭ

От простых к сложным: базовый уровень — 7, повышенный — 11, высокий — 4. Мгновенная проверка, подсказки, подробные решения и тренажёр ошибок.

Решать задания по теме Флеш-карточки