- •9.5 Енергія гармонічних коливань……………………………………...…..131
- •9.6 Додавання гармонічних коливань одного напрямку
- •9.7 Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних
- •11 Хвилі…………………………………………………………..….154
- •Фазові співвідношення між струмом та напругою у коливальному контурі
- •Векторні діаграми
- •Індуктивний та ємнісний опори
- •9.5 Енергія гармонічних коливань
- •Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань (Фігури Ліссажу)
- •Додавання гармонічних коливань одного напрямку рівних частот
- •Приклади розв’язку задач
- •Задачі для самостійного розв’язку
- •10 Згасаючі та вимушені коливання
- •10.1 Згасаючі коливання. Диференціальне рівняння згасаючих коливань та його розв’язок
- •Характеристики згасаючих коливань та їх фізичний зміст
- •10.3 Вимушені коливання. Диференціальне рівняння вимушених
- •10.4 Резонанс напруг у коливальному контурі. Резонансні криві
- •10.5 Резонанс струмів у коливальному контурі
- •Приклади розв’язку задач
- •Задачі для самостійного розв’язку
- •11 Хвилі
- •11.1 Механізм утворення хвиль у пружному середовищі. Класифікація хвиль. Рівняння хвиль
- •11.2 Дисперсія хвиль. Фазова швидкість хвиль
- •11.3 Швидкість передачі енергії хвилями. Групова швидкість
- •11.4 Звукові хвилі. Характеристики звуку. Швидкість звуку в газах
- •11.5 Ефект Доплера
- •11.6 Електромагнітні хвилі та їхні властивості
- •11.7 Енергія електромагнітних хвиль. Вектор Умова-Пойнтінга
- •11.8 Приклади розв’язку задач
- •11.9 Задачі для самостійного розв’язку
- •12 Заломлення світла. Інтерференція і дифракція світла
- •12.1 Заломлення світла. Повне внутрішнє відбивання
- •12.2 Інтерференція світла. Дослід Юнга
- •Інтерференція світла в плоско-паралельній пластинці. Кільця Ньютона
- •12.4 Дифракція світла. Дифракція на щілині
- •Дифракційна гратка та її роздільна здатність
- •12.6 Дифракція рентгенівських променів. Формула Вульфа-Бреггів
- •12.7 Приклади розв’язку задач
- •12.8 Задачі для самостійного розв’язку
- •13 Поляризоване світло. Теплове випромінювання
- •Природне і поляризоване світло закони Малюса і Брюстера. Ефект Керра
- •Теплове випромінювання. Абсолютно чорне і сірі тіла. Закон Кірхгофа
- •Розподіл енергії в спектрі абсолютно чорного тіла. Формули Віна, Релея-Джинса, Планка
- •13.4 Закони випромінювання абсолютно чорного тіла: закон Стефана-Больцмана, закон Віна
- •Приклади розв’язку задач
- •13.6 Задачі для самостійного розв’язку
10.3 Вимушені коливання. Диференціальне рівняння вимушених
коливань та його розв’язок
Вимушеними називаються коливання, що виникають у системі під дією періодичного зовнішнього фактору. Це може бути періодична сила, змінна напруга і т.ін.

Нехай
на пружинний маятник діє періодична
сила, яка змінюється по гармонічному
закону з циклічною частотою Ω
.
Запишемо другий закон Ньютона
.
Після спрощень, одержимо
.
Позначивши
,
одержимо диференціальне рівняння
вимушених коливань пружинного маятника
.
В
коливальний контур увімкнено джерело
змінної напруги
з циклічною частотою Ω. Записуємо другий
закон Кірхгофа
.
.
Позначивши
,
одержимо диференціальне рівняння вимушених електричних коливань
![]()
Видно, що обидва рівняння ідентичні. Будемо розв’язувати рівняння електричних коливань.
(10.8)
Його
розв’язок складається із двох доданків
.
Тут
– загальне рішення (10.3) рівняння (10.2)
згасаючих коливань;
– часткове рішення неоднорідного
рівняння (10.5). Переведемо праву частину
рівняння (10.5) в показову форму
,
додавши до неї вираз (
).
Одержуємо нове рівняння
.
(10.8*)
Частковий
розв’язок цього рівняння має вид
.
Константу інтегрування А знайдемо,
підставивши цей вираз в (10.8*).
.
Після
скорочення на
одержимо
.
Тут комплексне число у знаменнику
переведене із алгебраїчної форми в
показову.
Модуль
цього числа
(10.9),
його
аргумент
.
(10.10)
Таким
чином
.
Знайдемо
шляхом виділення із
дійсної частини, оскільки права частина
вихідного рівняння (10.8) дійсне число.
Отже
.
Загальний розв’язок рівняння (10.8) вимушених коливань має вид
(10.11)
Він
складається із двох гармонічних функцій:
перша із частотою ω власних згасаючих
коливань і амплітудою, яка зменшується
з часом по експоненті; друга із частотою
Ω зовнішнього фактору з амплітудою та
початковою фазою, які не залежать від
часу, але залежать від частоти Ω
(див.(10.9), (10.10)). Через час приблизно
амплітуда першого доданку в (10.11) практично
зникає. Наступає сталий режим вимушених
коливань
.
(10.12)
10.4 Резонанс напруг у коливальному контурі. Резонансні криві
Резонансом називається явище різкого збільшення амплітуди вимушених коливань при зміні частоти зовнішнього фактору. Частота Ωр, при якій амплітуда стає максимальною, називається резонансною частотою. Знайдемо її для резонансу напруги, наприклад, на конденсаторі коливального контуру. В сталому режимі напруга змінюється за законом
.
(10.13)
Прийнявши до уваги (6), запишемо амплітуду напруги як функцію частоти Ω і дослідимо її на екстремум
.
(10.14)
Після
спрощень одержимо резонансну частоту
для напруги
.(10.15)
В
идно,
що резонансна частота напруги не
співпадає із власною частотою ω як
згасаючих, так і частотою ωо
незгасаючих коливань, а менша від них.
Резонансною кривою називається залежність (10.14) амплітуди від частоти Ω. Для різних значень коефіцієнта згасання резонансні криві зображені на рис.10.4.
Знайдемо амплітуду напруги в момент резонансу, підставивши (10.15) в (10.14)
При
невеликому згасанні
.
Одержимо
,
що добротність Q
показує у скільки разів напруга при
резонансі більша, ніж амплітуда εo
зовнішньої е.р.с.
Виразимо
амплітуду вимушених коливань через
параметри контуру L, C, R. Для цього в
(10.11)
підставимо
.
(10.16)
Тут: Індуктивний
опір котушки в колі змінного струму
,
(10.17)
Ємнісний опір конденсатора в колі змінного струму
,
(10.18)
повний опір послідовно з’єднаних R, L і С
.
(10.19)
Вираз (10.16) відображає закон Ома для змінного струму.
