Но т.к. витки сдвинуты в пространстве, то наводимая в них ЭДС будет достигать амплитудных и нулевых значений не одновременно.
В начальный момент времени ЭДС витка будет:
В этих выражениях углы и называются фазными , или фазой . Углы и называются начальной фазой . Фазный угол определяет значение ЭДС в любой момент времени, а начальная фаза определяет значение ЭДС в начальный момент времени.
Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одинаковой частоты и амплитуды называется углом сдвига фаз
Разделив угол сдвига фаз на угловую частоту, получим время, прошедшее с начала периода:
Графическое изображение синусоидальных величин
U = (U 2 a + (U L - U c) 2)
Таким образом, из-за наличия угла сдвига фаз напряжение U всегда меньше алгебраической суммы U a + U L + U C . Разность U L - U C = U p называется реактивной составляющей напряжения .
Рассмотрим, как изменяются ток и напряжение в последовательной цепи переменного тока.
Полное сопротивление и угол сдвига фаз. Если подставить в формулу (71) значения U a = IR; U L = lL и U C =I/(C), то будем иметь: U = ((IR) 2 + 2), откуда получаем формулу закона Ома для последовательной цепи переменного тока:
I = U / ((R 2 + 2)) = U / Z (72)
где Z = (R 2 + 2) = (R 2 + (X L - X c) 2)
Величину Z называют полным сопротивлением цепи , оно измеряется в омах. Разность L — l/(C) называют реактивным сопротивлением цепи и обозначают буквой X. Следовательно, полное сопротивление цепи
Z = (R 2 + X 2)
Соотношение между активным, реактивным и полным сопротивлениями цепи переменного тока можно также получить по теореме Пифагора из треугольника сопротивлений (рис. 193). Треугольник сопротивлений А’В’С’ можно получить из треугольника напряжений ABC (см. рис. 192,б), если разделить все его стороны на ток I.
Угол сдвига фаз определяется соотношением между отдельными сопротивлениями, включенными в данную цепь. Из треугольника А’В’С (см. рис. 193) имеем:
sin ? = X / Z; cos? = R / Z; tg? = X / R
Например, если активное сопротивление R значительно больше реактивного сопротивления X, угол сравнительно небольшой. Если в цепи имеется большое индуктивное или большое емкостное сопротивление, то угол сдвига фаз возрастает и приближается к 90°. При этом, если индуктивное сопротивление больше емкостного, напряжение и опережает ток i на угол; если же емкостное сопротивление больше индуктивного, то напряжение и отстает от тока i на угол.
Идеальная катушка индуктивности, реальная катушка и конденсатор в цепи переменного тока.
Реальная катушка в отличии от идеальной имеет не только индуктивность, но и активное сопротивление, поэтому при протекании переменного тока в ней сопровождается не только изменением энергии в магнитном поле, но и преобразованием электрической энергии в другой вид. В частности, в проводе катушки электрическая энергия преобразуется в тепло в соответствии с законом Ленца — Джоуля .
Ранее было выяснено, что в цепи переменного тока процесс преобразования электрической энергии в другой вид характеризуется активной мощностью цепи Р , а изменение энергии в магнитном поле — реактивной мощностью Q .
В реальной катушке имеют место оба процесса, т. е. ее активная и реактивная мощности отличны от нуля. Поэтому одна реальная катушка в схеме замещения должна быть представлена активным и реактивным элементами.
Фаза колебаний (φ)
характеризует гармонические колебания.
Выражается фаза в угловых единицах - радианах.
При заданной амплитуде колебаний координата колеблющегося тела в любой момент времени однозначно определяется аргументом косинуса или синуса: φ = ω 0 t .
Фаза колебаний определяет при заданной амплитуде состояние колебательной системы (значение координаты, скорости и ускоренияв) любой момент времени.
Колебания с одинаковыми амплитудами и частотами могут различаться фазами.
Отношение указывает, сколько периодов прошло от момента начала колебаний.
График зависимости координаты колеблющейся точки от фазы
Гармонические колебания можно представить как с помощью функции синуса, так и косинуса, т.к.
синус отличается от косинуса сдвигом аргумента на .
Поэтому вместо формулы
х = х m cos ω 0 t
можно для описания гармонических колебаний использовать формулу
Но при этом начальная фаза
, т. е. значение фазы в момент времени t = 0, равна не нулю, а .
В разных ситуациях удобно использовать синус или косинус.
Какой формулой пользоваться при расчетах?
1. Если в начале колебаний выводят маятник из положения равновесия, то удобнее пользоваться формулой с применением косинуса.
2. Если координата тела в начальный момент была бы равна нулю, то удобнее пользоваться формулой с применением синуса х = х m sin ω 0 t
, т.к. при этом начальная фаза равна нулю.
3. Если в начальный момент времени (при t - 0) фаза колебаний равна φ, то уравнение колебаний можно записать в виде х = х m sin (ω 0 t + φ)
.
Сдвиг фаз
Колебания, описываемые формулами через синус и косинус, отличаются друг от друга только фазами.
Разность фаз (или сдвиг фаз) этих колебаний составляет .
Графики зависимости координат от времени для двух гармонических колебаний, сдвинутых по фазе на :
где
график 1 - колебания, совершающиеся по синусоидальному закону,
график 2 - колебания, совершающиеся по закону косинуса
Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.
Иллюстрация разности фаз двух колебаний одинаковой частоты
Фа́за колеба́ний - физическая величина, используемая по преимуществу для описания гармонических или близких к гармоническим колебаний, меняющаяся со временем (чаще всего равномерно растущая со временем), при заданной амплитуде (для затухающих колебаний - при заданной начальной амплитуде и коэффициенте затухания) определяющая состояние колебательной системы в (любой) данный момент времени. Равно применяется для описания волн , главным образом - монохроматических или близких к монохроматичности.
Фаза колебания (в электросвязи для периодического сигнала f(t) с периодом T) - это дробная часть t/T периода T, на которую t сдвинуто относительно произвольного начала координат. Началом координат обычно считается момент предыдущего перехода функции через нуль в направлении от отрицательных значений к положительным.
В большинстве случаев о фазе говорят применительно к гармоническим (синусоидальным или описывающимся мнимой экспонентой) колебаниям (или монохроматическим волнам, также синусоидальным или описывающимся мнимой экспонентой).
Для таких колебаний:
, , ,или волн,
Например волн, распространяющихся в одномерном пространстве: , , , или волн, распространяющихся в трехмерном пространстве (или пространстве любой размерности): , , ,
фаза колебаний определяется как аргумент этой функции (одной из перечисленных, в каждом случае из контекста ясно, какой именно), описывающей гармонический колебательный процесс или монохроматическую волну.
То есть, для колебания фаза
,для волны в одномерном пространстве
,для волны в трехмерном пространстве или пространстве любой другой размерности:
,где - угловая частота (чем величина выше, тем быстрее растет фаза с течением времени), t - время , - фаза при t =0 - начальная фаза; k - волновое число , x - координата, k - волновой вектор , x - набор (декартовых) координат , характеризующих точку пространства (радиус-вектор).
Фаза выражается в угловых единицах (радианах , градусах) или в циклах (долях периода):
1 цикл = 2 радиан = 360 градусов.
- В физике, особенно при написании формул, преимущественно (и по умолчанию) используется радианное представление фазы, измерение ее в циклах или периодах (за исключением словесных формулировок) в целом довольно редко, однако измерение в градусах встречается достаточно часто (по-видимому, как предельно явное и не приводящее к путанице, поскольку знак градуса принято никогда не опускать ни в устной речи, ни на письме), особенно часто в инженерных приложениях (как, например, электротехника).
Иногда (в квазиклассическом приближении , где используются волны, близкие к монохроматическим, но не строго монохроматические, а также в формализме интеграла по траекториям, где волны могут быть и далекими от монохроматизма, хотя всё же подобны монохроматическим) фаза рассматривается как зависящая от времени и пространственных координат не как линейная функция, а как в принципе произвольная функция координат и времени:
Связанные термины
Если две волны (два колебания) полностью совпадают друг с другом, говорят, что волны находятся в фазе . В случае, если моменты максимума одного колебания совпадают с моментами минимума другого колебания (или максимумы одной волны совпадают с минимумами другой), говорят, что колебания (волны) находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковы (по амплитуде), в результате сложения происходит их взаимное уничтожение (точно, полностью - лишь при условии монохроматичности или хотя бы симметричности волн, в предположении линейности среды распространения итд).
Действие
Одна из наиболее фундаментальных физических величин, на которой построено современное описание практически любой достаточно фундаментальной физической системы - действие - по своему смыслу является фазой.
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Фаза колебаний" в других словарях:
Периодически изменяющийся аргумент ф ции, описывающей колебат. или волн. процесс. В гармонич. колебании u(х,t)=Acos(wt+j0), где wt+j0=j Ф. к., А амплитуда, w круговая частота, t время, j0 начальная (фиксированная) Ф. к. (в момент времени t=0,… … Физическая энциклопедия
фаза колебаний - (φ) Аргумент функции, описывающей величину, изменяющуюся по закону гармонического колебания. [ГОСТ 7601 78] Тематики оптика, оптические приборы и измерения Обобщающие термины колебания и волны EN phase of oscillation DE Schwingungsphase FR… … Справочник технического переводчика Фаза - Фаза. Колебания маятников в одинаковой фазе (а) и противофазе (б); f угол отклонения маятника от положения равновесия. ФАЗА (от греческого phasis появление), 1) определенный момент в ходе развития какого либо процесса (общественного,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (от греческого phasis появление), 1) определенный момент в ходе развития какого либо процесса (общественного, геологического, физического и т.д.). В физике и технике особенно важна фаза колебаний состояние колебательного процесса в определенный… … Современная энциклопедия
- (от греч. phasis появление) ..1) определенный момент в ходе развития какого либо процесса (общественного, геологического, физического и т. д.). В физике и технике особенно важна фаза колебаний состояние колебательного процесса в определенный… … Большой Энциклопедический словарь
Фаза (от греч. phasis √ появление), период, ступень в развитии какого либо явления; см. также Фаза, Фаза колебаний … Большая советская энциклопедия
Ы; ж. [от греч. phasis появление] 1. Отдельная стадия, период, этап развития какого л. явления, процесса и т.п. Основные фазы развития общества. Фазы процесса взаимодействия животного и растительного мира. Вступить в свою новую, решающую,… … Энциклопедический словарь
>> Фаза колебаний
§ 23 ФАЗА КОЛЕБАНИЙ
Введем еще одну величину, характеризующую гармонические колебания , - фазу колебаний.
При заданной амплитуде колебаний координата колеблющегося тела в любой момент времени однозначно определяется аргументом косинуса или синуса :
Величину , стоящую под знаком функции косинуса или синуса, называют фазой колебаний, описываемой этой функцией. Выражается фаза в угловых единицах радианах.
Фаза определяет не только значение координаты, но и значение других физических величин, например скорости и ускорения, изменяющихся также по гармоническому закону. Поэтому можно сказать, что фаза определяет при заданной амплитуде состояние колебательной системы в любой момент времени. В этом состоит значение понятия фазы.
Колебания с одинаковыми амплитудами и частотами могут различаться фазами.
Отношение указывает, сколько периодов прошло от момента начала колебаний. Любому значению времени t, выраженному в числе периодов Т, соответствует значение фазы , выраженное в радианах. Так, по прошествии времени t = (четверти периода) , по прошествии половины периода = , по прошествии целого периода = 2 и т. д.
Можно изобразить на графике зависимость координаты колеблющейся точки не от времени, а от фазы. На рисунке 3.7 показана та же косинусоида, что и на рисунке 3.6, но на горизонтальной оси отложены вместо времени различные значения фазы .
Представление гармонических колебаний с помощью косинуса и синуса. Вы уже знаете, что при гармонических колебаниях координата тела изменяется со временем по закону косинуса или синуса. После введения понятия фазы остановимся на этом подробнее.
Синус отличается от косинуса сдвигом аргумента на , что соответствует, как видно из уравнения (3.21), промежутку времени, равному четверти периода:
Но при этом начальная фаза, т. е. значение фазы в момент времени t = 0, равна не нулю, а .
Обычно колебания тела, прикрепленного к пружине, или колебания маятника мы возбуждаем, выводя тело маятника из положения равновесия и затем отпуская его. Смещение от гихпожения равновесия максимально в начальной момент. Поэтому для описания колебаний удобнее пользоваться формулой (3.14) с применением косинуса, чем формулой (3.23) с применением синуса.
Но если бы мы возбудили колебания покоящегося тела кратковременным толчком, то координата тела в начальный момент была бы равна нулю, и изменения координаты со временем было бы удобнее описывать с помощью синуса, т. е. формулой
x = x m sin t (3.24)
так как при этом начальная фаза равна нулю.
Если в начальный момент времени (при t = 0) фаза колебаний равна , то уравнение колебаний можно записать в виде
x = x m sin(t + )
Сдвиг фаз. Колебания, описываемые формулами (3.23) и (3.24), отличаются друг от друга только фазами. Разность фаз, или, как часто говорят, сдвиг фаз, этих колебаний составляет . На рисунке 3.8 показаны графики зависимости координат от времени колебаний, сдвинутых по фазе на . График 1 соответствует колебаниям, совершающимся по синусоидальному закону: x = x m sin t а график 2 - колебаниям, совершающимся по закону косинуса:
Для определения разности фаз двух колебаний надо в обоих случаях колеблющуюся величину выразить через одну и ту же тригонометрическую функцию - косинус или синус.
1. Какие колебания называют гармоническими!
2. Как связаны ускорение и координата при гармонических колебаниях!
3. Как связаны циклическая частота колебаний и период колебаний!
4. Почему частота колебаний тела, прикрепленного к пружине, зависит от его массы, а частота колебаний математического маятника от массы не зависит!
5. Каковы амплитуды и периоды трех различных гармонических колебаний, графики которых представлены на рисунках 3.8, 3.9!
Определение
Начальная фаза колебаний - это параметр, который совместно с амплитудой колебаний определяет начальное состояние колебательной системы. Величину начальной фазы задают в начальных условиях, то есть при $t=0$ c.
Рассмотрим гармонические колебания некоторого параметра $\xi $. Гармонические колебания описываются уравнением:
\[\xi =A{\cos ({\omega }_0t+\varphi)\ }\ \left(1\right),\]
где $A={\xi }_{max}$ - амплитуда колебаний; ${\omega }_0$ - циклическая (круговая) частота колебаний. Параметр $\xi $ лежит в пределах $-A\le \xi \le $+A.
Определение фазы колебаний
Весь аргумент периодической функции (в данном случае косинуса:$\ ({\omega }_0t+\varphi)$), описывающей колебательный процесс, называют фазой колебаний. Величина фазы колебаний в начальный момент времени, то есть при $t=0$, ($\varphi $)- носит название начальной фазы. Устоявшегося обозначения фазы нет, у нас начальная фаза обозначена $\varphi $. Иногда, чтобы подчеркнуть, что начальная фаза относится к моменту времени $t=0$ к букве, обозначающей начальную фазу, добавляют индекс 0, пишут, например, ${\varphi }_0.$
Единицей измерения начальной фазы является единица измерения угла - радиан (рад) или градус.
Начальная фаза колебаний и способ возбуждения колебаний
Допустим, что при $t=0$ смещение системы от положения равновесия равно ${\xi }_0$, а начальная скорость ${\dot{\xi }}_0$. Тогда уравнение (1) принимает вид:
\[\xi \left(0\right)=A{\cos \varphi =\ }{\xi }_0\left(2\right);;\] \[\ \frac{d\xi }{dt}=-A{\omega }_0{\sin \varphi =\ }{\dot{\xi }}_0\to -A{\sin \varphi =\frac{{\dot{\xi }}_0}{{\omega }_0}\ }\ \left(3\right).\]
Возведем в квадрат оба уравнения (2) и сложим их:
\[{\xi }^2_0+{\left(\frac{{\dot{\xi }}_0}{{\omega }_0}\right)}^2=A^2\left(4\right).\]
Из выражения (4) имеем:
Разделим уравнение (3) на (2), получим:
Выражения (5) и (6) показывают, что начальная фаза и амплитуда зависят от начальных условий колебаний. Это значит, что амплитуда и начальная фаза зависят от способа возбуждения колебаний. Например, если груз пруженного маятника отклоняют от положения равновесия и на расстояние $x_0$ и отпускают без толчка, тогда уравнением движения маятника является уравнение:
с начальными условиями:
При таком возбуждении колебания пружинного маятника можно описывать выражением:
Сложение колебаний и начальная фаза
Тело, совершающее колебания, способно принимать участие в нескольких колебательных процессах одновременно. В таком случае возникает необходимость выяснить, каким будет результирующее колебание.
Допустим, что два колебания с равными частотами происходят по одной прямой. Уравнением результирующих колебаний будет выражение:
\[\xi ={\xi }_1+{\xi }_2=A{\cos \left({\omega }_0t+\varphi \right),\ }\]
тогда амплитуда суммарного колебания равна:
где $A_1$; $A_2$ - амплитуды складывающихся колебаний; ${\varphi }_2;;{\varphi }_1$ - начальные фазы суммирующихся колебаний. При этом начальную фазу полученного колебания ($\varphi $) вычисляют, применяя формулу:
Уравнение траектории точки, которая принимает участие в двух взаимно перпендикулярных колебаниях с амплитудами $A_1$и $A_2$ и начальными фазами ${\varphi }_2и{\varphi }_1$:
\[\frac{x^2}{A^2_1}+\frac{y^2}{A^2_2}-\frac{2xy}{A_1A_2}{\cos \left({\varphi }_2-{\varphi }_1\right)\ }={sin}^2\left({\varphi }_2-{\varphi }_1\right)\left(12\right).\]
В случае равенства начальных фаз составляющих колебаний уравнение траектории имеет вид:
что говорит о движении точки по прямой линии.
Если разность начальных фаз складываемых колебаний составляет $\Delta \varphi ={\varphi }_2-{\varphi }_1=\frac{\pi }{2},$ уравнением траектории становится формула:
\[\frac{x^2}{A^2_1}+\frac{y^2}{A^2_2}=1\left(14\right),\]
что означает, траектория движения эллипс.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Колебания пружинного осциллятора возбуждены толчком из положения равновесия, при этом грузу сообщают мгновенную скорость, равную $v_0$. Запишите начальные условия для такого колебания и функцию $x(t)$, описывающую данные колебания.
Решение. Сообщение грузу пружинного маятника мгновенной скорости равной $v_0$ означает, что при описании его колебаний с помощью уравнения:
начальными условиями будут:
Подставим в выражение (1.1) $t=0$, имеем:
Так как $A\ne 0$, то ${\cos \left(\varphi \right)\ }=0\to \varphi =\pm \frac{\pi }{2}.$
Возьмем первую производную $\frac{dx}{dt}$ подставим момент времени $t=0$:
\[\dot{x}\left(0\right)=-A{\omega }_{0\ }{\sin \left(\varphi \right)\ }=v_0\to A=\frac{v_0}{{\omega }_{0\ }}\ \left(1.4\right).\]
Из (1.4) следует, что начальная фаза получается $\varphi =-\frac{\pi }{2}.$ Подставим, полученную начальную фазу и амплитуду в уравнение (1.1):
Ответ. $x(t)=\frac{v_0}{{\omega }_{0\ }}{\sin (\ }{\omega }_0t)$
Пример 2
Задание. Два колебания одного направления складываются. Уравнения этих колебаний имеют вид: $x_1={\cos \pi (t+\frac{1}{6})\ };;\ x_2=2{\cos \pi (t+\frac{1}{2})\ }$. Какова начальная фаза полученного колебания?
Решение. Запишем уравнение гармонических колебаний по оси X:
Преобразуем заданные в условии задачи уравнения к этому же виду:
\;;\ x_2=2{\cos \left[\pi t+\frac{\pi }{2}\right](2.2).\ }\]
Сравнивая уравнения (2.2) с (2.1) получим, что начальные фазы колебаний равны:
\[{\varphi }_1=\frac{\pi }{6};;\ {\varphi }_2=\frac{\pi }{2}.\]
Изобразим на рис.1 векторную диаграмму колебаний.
$tg\ \varphi $ суммарных колебаний можно найти из рис.1:
\ \[\varphi =arctg\ \left(2,87\right)\approx 70,9{}^\circ \]
Ответ. $\varphi =70,9{}^\circ $