Die physikalische Bedeutung der Phase. Anfangsphase

Schwankungen sogenannte Bewegungen oder Prozesse, die durch eine gewisse zeitliche Wiederholung gekennzeichnet sind. Schwankungen sind in der umgebenden Welt weit verbreitet und können sehr unterschiedlicher Natur sein. Dies können mechanische (Pendel), elektromagnetische (Schwingkreis) und andere Arten von Schwingungen sein. frei, oder besitzen Schwingungen nennt man Schwingungen, die in einem sich selbst überlassenen System auftreten, nachdem es durch einen äußeren Einfluss aus dem Gleichgewicht gebracht wurde. Ein Beispiel ist die Schwingung einer an einem Faden aufgehängten Kugel. Harmonische Schwingungen man nennt solche Schwingungen, bei denen sich der Schwingungswert mit der Zeit nach dem Gesetz ändert Sinus oder Kosinus . Harmonische Schwingungsgleichung sieht aus wie:, wo ein - Schwingungsamplitude (der Wert der größten Abweichung des Systems von der Gleichgewichtslage); - kreisförmige (zyklische) Frequenz. Periodisch wechselndes Cosinus-Argument - aufgerufen Oszillationsphase . Die Schwingungsphase bestimmt die Verschiebung der schwingenden Größe aus der Gleichgewichtslage zu einem gegebenen Zeitpunkt t. Die Konstante φ ist der Wert der Phase zum Zeitpunkt t = 0 und wird aufgerufen die Anfangsphase der Schwingung .. Diese Zeitspanne T wird als harmonische Schwingungsdauer bezeichnet. Die Periode der harmonischen Schwingungen ist : T = 2π/. Mathematisches Pendel- ein Oszillator, der ein mechanisches System ist, das aus einem materiellen Punkt besteht, der sich auf einem schwerelosen, nicht dehnbaren Faden oder auf einem schwerelosen Stab in einem gleichmäßigen Feld von Gravitationskräften befindet. Die Periode kleiner Eigenschwingungen eines mathematischen Längenpendels L bewegungslos schwebend in einem gleichförmigen Gravitationsfeld mit freier Fallbeschleunigung g gleich

und hängt nicht von der Amplitude der Schwingungen und der Masse des Pendels ab. physikalisches Pendel- Ein Oszillator, das ist ein fester Körper, der im Feld beliebiger Kräfte relativ zu einem Punkt schwingt, der nicht der Massenmittelpunkt dieses Körpers ist, oder eine feststehende Achse, die senkrecht zur Richtung der Kräfte steht und nicht durch den Mittelpunkt verläuft Masse dieses Körpers.

24. Elektromagnetische Schwingungen. Schwingkreis. Thomson-Formel.

Elektromagnetische Schwingungen- Dies sind Schwankungen elektrischer und magnetischer Felder, die mit einer periodischen Ladungs-, Strom- und Spannungsänderung einhergehen. Das einfachste System, in dem freie elektromagnetische Schwingungen entstehen und existieren können, ist ein Schwingkreis. Schwingkreis- Dies ist eine Schaltung, die aus einer Induktivität und einem Kondensator besteht (Abb. 29, a). Wenn der Kondensator geladen und mit der Spule verbunden ist, fließt Strom durch die Spule (Abb. 29, b). Wenn der Kondensator entladen wird, wird der Strom in der Schaltung aufgrund der Selbstinduktion in der Spule nicht unterbrochen. Der Induktionsstrom hat gemäß der Lenz-Regel die gleiche Richtung und lädt den Kondensator auf (Abb. 29, c). Der Vorgang wird analog zu Pendelschwingungen wiederholt (Abb. 29, d). Aufgrund der Umwandlung der Energie des elektrischen Felds des Kondensators () in die Energie des Magnetfelds der Spule mit Strom () und umgekehrt treten daher im Schwingkreis elektromagnetische Schwingungen auf. Die Periode elektromagnetischer Schwingungen in einem idealen Schwingkreis hängt von der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators ab und wird durch die Thomson-Formel gefunden. Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Periode.

Ein weiteres Merkmal harmonischer Schwingungen ist die Phase der Schwingungen.

Wie wir bereits wissen, können wir bei einer gegebenen Schwingungsamplitude jederzeit die Koordinate des Körpers bestimmen. Sie wird durch das Argument der trigonometrischen Funktion φ = ω0*t eindeutig festgelegt. Der Wert von φ, der unter dem Vorzeichen der trigonometrischen Funktion steht, Oszillationsphase genannt.

Für die Phase sind die Einheiten Radiant. Die Phase bestimmt eindeutig nicht nur die Koordinate des Teds zu jedem Zeitpunkt, sondern auch die Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Daher wird angenommen, dass die Schwingungsphase den Zustand des Schwingungssystems zu jeder Zeit bestimmt.

Vorausgesetzt natürlich, die Amplitude der Schwingungen ist gegeben. Zwei Schwingungen mit gleicher Frequenz und Schwingungsdauer können sich in der Phase unterscheiden.

  • φ = ω0*t = 2*pi*t/T.

Wenn wir die Zeit t in der Anzahl der Perioden ausdrücken, die seit dem Beginn der Schwingungen vergangen sind, dann entspricht jeder Wert der Zeit t dem Wert der Phase, ausgedrückt in Bogenmaß. Nehmen wir zum Beispiel die Zeit t = T/4, dann entspricht dieser Wert dem Wert der Phase pi/2.

Somit können wir die Abhängigkeit der Koordinate nicht von der Zeit, sondern von der Phase darstellen, und wir erhalten genau die gleiche Abhängigkeit. Die folgende Abbildung zeigt einen solchen Graphen.

Anfangsphase der Schwingung

Bei der Beschreibung der Koordinate der Schwingungsbewegung haben wir die Sinus- und Kosinusfunktionen verwendet. Für den Kosinus haben wir die folgende Formel geschrieben:

  • x = Xm*cos(ω0*t).

Aber wir können die gleiche Bewegungsbahn mit Hilfe eines Sinus beschreiben. In diesem Fall müssen wir das Argument um pi / 2 verschieben, dh die Differenz zwischen Sinus und Kosinus beträgt pi / 2 oder ein Viertel der Periode.

  • x=Xm*sin(ω0*t+pi/2).

Der Wert von pi/2 wird als Anfangsphase der Schwingung bezeichnet. Die Anfangsphase der Schwingung ist die Position des Körpers im Anfangszeitpunkt t = 0. Um das Pendel zum Schwingen zu bringen, müssen wir es aus der Gleichgewichtslage entfernen. Wir können dies auf zwei Arten tun:

  • Nimm ihn beiseite und lass ihn gehen.
  • Schlag ihn.

Im ersten Fall ändern wir sofort die Koordinate des Körpers, dh im ersten Moment ist die Koordinate gleich dem Wert der Amplitude. Um eine solche Schwingung zu beschreiben, ist es bequemer, die Kosinusfunktion und die Form zu verwenden

  • x = Xm*cos(ω0*t),

oder die Formel

  • x = Xm*sin(ω0*t+φ),

wobei φ die Anfangsphase der Schwingung ist.

Wenn wir den Körper treffen, ist seine Koordinate im ersten Moment gleich Null, und in diesem Fall ist es bequemer, das Formular zu verwenden:

  • x = Xm*sin(ω0*t).

Zwei Schwingungen, die sich nur in der Anfangsphase unterscheiden, heißen phasenverschoben.

Zum Beispiel für Schwingungen, die durch die folgenden Formeln beschrieben werden:

  • x = Xm*sin(ω0*t),
  • x = Xm*sin(ω0*t+pi/2),

die Phasenverschiebung ist pi/2.

Die Phasenverschiebung wird manchmal auch als Phasendifferenz bezeichnet.

Funktionen cos (wt + j), die einen harmonischen Schwingungsvorgang beschreiben (w√ Kreisfrequenz, t √ Zeit, j√ Anfangs-F. c., also F. c. zum Anfangszeitpunkt t = 0). Der F. c. wird bis zu einem willkürlichen Term bestimmt, der ein Vielfaches von 2 p ist. Normalerweise sind nur die Unterschiede zwischen F. und verschiedenen harmonischen Prozessen signifikant. Bei Schwingungen gleicher Frequenz ist die Differenz zwischen F. c. immer gleich der Differenz zwischen dem anfänglichen F. c. j1 √ j2 und hängt nicht vom Ursprung der Zeit ab. Für Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen w1 und w2 sind die Phasenbeziehungen durch die reduzierte Differenz der F. c. j1 - (w1 / w2) × j2 gekennzeichnet, die ebenfalls unabhängig vom zeitlichen Ursprung ist. Die auditive Wahrnehmung der Richtung der Schallankunft ist mit dem Unterschied zwischen den F.-to.-Wellen verbunden, die zu dem einen und dem anderen Ohr kommen.

Wikipedia

Oszillationsphase

Oszillationsphase total - das Argument einer periodischen Funktion, die einen Schwingungs- oder Wellenprozess beschreibt.

Oszillationsphase initial - der Wert der Schwingungsphase zum Anfangszeitpunkt, d.h. bei t= 0 , sowie zum Anfangszeitpunkt am Ursprung des Koordinatensystems, d.h. bei t= 0 am Punkt ( x, j, z) = 0 .

Oszillationsphase Gezählt vom Nulldurchgangspunkt des Werts bis zu einem positiven Wert.

In der Regel spricht man bei harmonischen Schwingungen oder monochromatischen Wellen von Phase. Bei der Beschreibung einer Größe, die harmonische Schwingungen erfährt, wird beispielsweise einer der Ausdrücke verwendet:

EIN weil ( ω t + φ ), EIN Sünde( ω t + φ ), EINe.

In ähnlicher Weise werden beispielsweise bei der Beschreibung einer Welle, die sich im eindimensionalen Raum ausbreitet, Ausdrücke der Form verwendet:

EIN weil ( kx − ω t + φ ), EIN Sünde( kx − ω t + φ ), EINe,

für eine Welle im Raum beliebiger Dimension:

$A \cos(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi _0)$, $A \sin(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi _0)$, $A e^(i(\mathbf k\cdot \mathbf r - \omega t + \varphi_0))$.

Die Phase der Schwingungen in diesen Ausdrücken ist Streit Funktionen, d.h. ein in Klammern geschriebener Ausdruck; Oszillationsphase anfänglich - Größe φ , was einer der Terme der Gesamtphase ist. Apropos Vollphase, Wort Komplett oft weggelassen.

Da die Funktionen sin und cos zusammenfallen, wenn das Argument um verschoben wird π /2,  um Verwechslungen zu vermeiden, ist es daher besser, nur eine dieser beiden Funktionen zur Bestimmung der Phase zu verwenden und nicht beide gleichzeitig. Gemäß der üblichen Konvention ist die Phase Cosinus-Argument, nicht Sinus-Argument.

Das heißt, für den oszillierenden Prozess

φ  = ω t + φ ,

für eine Welle im eindimensionalen Raum

φ  = kx − ω t + φ ,

für eine Welle im dreidimensionalen Raum oder Raum einer anderen Dimension:

$\varphi = \mathbf k\mathbf r - \omega t + \varphi _0$,

wo ω - Winkelfrequenz (ein Wert, der angibt, um wie viel Bogenmaß oder Grad sich die Phase in 1 s ändert; je höher der Wert, desto schneller wächst die Phase im Laufe der Zeit); t- Zeit ; φ - die Anfangsphase (d. h. die Phase bei t = 0); k- Wellennummer ; x- Koordinate des Beobachtungspunktes des Wellenprozesses im eindimensionalen Raum; k- Wellenvektor ; r- Radius-Vektor eines Punktes im Raum (eine Reihe von Koordinaten, zum Beispiel kartesisch).

In den obigen Ausdrücken hat die Phase die Dimension von Winkeleinheiten (Bogenmaß, Grad). Die Phase des Schwingungsvorgangs wird in Analogie zum mechanischen Rotationsvorgang auch in Zyklen ausgedrückt, also Bruchteilen der Periode des sich wiederholenden Vorgangs:

1 Zyklus = 2 π Bogenmaß = 360 Grad.

In analytischen Ausdrücken in der Technik ist es relativ selten.

Manchmal (in der semiklassischen Näherung, wo quasi-monochromatische Wellen verwendet werden, d.h. fast monochromatisch, aber nicht streng monochromatisch) und auch im Pfadintegral-Formalismus, wo die Wellen weit entfernt von monochromatisch sein können, obwohl sie immer noch ähnlich monochromatisch sind), die Phase betrachtet, die eine nichtlineare Funktion der Zeit ist t und Raumkoordinaten r, im Prinzip - eine beliebige Funktion:

$\varphi = \varphi(\mathbf r, t).$

>> Schwingungsphase

§ 23 SCHWINGUNGSPHASE

Lassen Sie uns eine weitere Größe einführen, die harmonische Schwingungen charakterisiert – die Phase der Schwingungen.

Bei gegebener Schwingungsamplitude ist die Koordinate eines schwingenden Körpers zu jedem Zeitpunkt eindeutig durch das Kosinus- oder Sinusargument bestimmt:

Der Wert unter dem Vorzeichen der Kosinus- oder Sinusfunktion wird als Phase der durch diese Funktion beschriebenen Schwingungen bezeichnet. Die Phase wird in Winkeleinheiten Radiant ausgedrückt.

Die Phase bestimmt nicht nur den Wert der Koordinate, sondern auch den Wert anderer physikalischer Größen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, die sich ebenfalls nach dem harmonischen Gesetz ändern. Daher können wir sagen, dass die Phase den Zustand des schwingungsfähigen Systems bei einer gegebenen Amplitude zu jedem Zeitpunkt bestimmt. Dies ist die Bedeutung des Phasenbegriffs.

Schwingungen mit gleichen Amplituden und Frequenzen können sich in der Phase unterscheiden.

Das Verhältnis gibt an, wie viele Perioden seit Beginn der Schwingungen vergangen sind. Jeder Wert der Zeit t, ausgedrückt in der Anzahl der Perioden T, entspricht dem Wert der Phase, ausgedrückt in Bogenmaß. Also nach Ablauf der Zeit t \u003d (Viertel der Periode), nach Ablauf der Hälfte der Periode = , nach Ablauf der gesamten Periode = 2 usw.

Es ist möglich, die Abhängigkeit der Koordinate eines Schwingungspunktes nicht von der Zeit, sondern von der Phase in einem Diagramm darzustellen. Abbildung 3.7 zeigt die gleiche Kosinuswelle wie in Abbildung 3.6, aber auf der horizontalen Achse sind anstelle der Zeit andere Phasenwerte aufgetragen.

Darstellung harmonischer Schwingungen mit Cosinus und Sinus. Sie wissen bereits, dass sich bei harmonischen Schwingungen die Koordinate des Körpers nach dem Kosinus- oder Sinusgesetz mit der Zeit ändert. Nachdem wir das Konzept einer Phase eingeführt haben, werden wir näher darauf eingehen.

Der Sinus unterscheidet sich vom Cosinus durch die Verschiebung des Arguments um , was, wie aus Gleichung (3.21) ersichtlich ist, einem Zeitintervall gleich einem Viertel der Periode entspricht:

Aber in diesem Fall ist die Anfangsphase, also der Wert der Phase zum Zeitpunkt t = 0, nicht gleich Null, sondern .

Üblicherweise regen wir die Schwingungen eines an einer Feder befestigten Körpers oder die Schwingungen eines Pendels an, indem wir den Pendelkörper aus seiner Gleichgewichtslage bringen und dann loslassen. Die Verschiebung von der Hypoposition des Gleichgewichts ist im Anfangsmoment maximal. Daher ist es zur Beschreibung von Schwingungen bequemer, die Formel (3.14) mit dem Kosinus zu verwenden als die Formel (3.23) mit dem Sinus.

Wenn wir aber einen ruhenden Körper mit einem kurzzeitigen Stoß zu Schwingungen anregen, dann wäre die Koordinate des Körpers im Anfangsmoment gleich Null, und es wäre bequemer, Änderungen der Koordinate mit der Zeit mit einem Sinus zu beschreiben , also nach der Formel

x = x m sin t (3.24)

da in diesem Fall die Anfangsphase gleich Null ist.

Wenn zum Anfangszeitpunkt (bei t = 0) die Schwingungsphase ist, dann kann die Schwingungsgleichung geschrieben werden als

x = xm sin(t + )

Phasenverschiebung. Die durch die Formeln (3.23) und (3.24) beschriebenen Schwingungen unterscheiden sich nur in Phasen voneinander. Die Phasendifferenz oder, wie oft gesagt wird, die Phasenverschiebung dieser Schwingungen ist . Abbildung 3.8 zeigt Diagramme der Koordinaten über der Zeit für Oszillationen, die um phasenverschoben sind. Diagramm 1 entspricht Schwingungen, die nach dem Sinusgesetz auftreten: x \u003d x m sin t und Diagramm 2 entspricht Schwingungen, die nach dem Kosinusgesetz auftreten:

Um die Phasendifferenz zweier Schwingungen zu bestimmen, ist es in beiden Fällen notwendig, den Schwingungswert durch dieselbe trigonometrische Funktion - Kosinus oder Sinus - auszudrücken.

1. Welche Schwingungen nennt man harmonisch!
2. Wie hängen Beschleunigung und Koordinaten bei harmonischen Schwingungen zusammen!

3. Wie hängen zyklische Schwingungsfrequenz und Schwingungsdauer zusammen!
4. Warum hängt die Schwingungsfrequenz eines an einer Feder befestigten Körpers von seiner Masse ab, während die Schwingungsfrequenz eines mathematischen Pendels nicht von der Masse abhängt!
5. Wie groß sind die Amplituden und Perioden dreier verschiedener harmonischer Schwingungen, deren Diagramme in den Abbildungen 3.8, 3.9 dargestellt sind!

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Darstellung der Phasendifferenz zweier gleichfrequenter Schwingungen

Oszillationsphase- eine physikalische Größe, die hauptsächlich zur Beschreibung harmonischer oder nahezu harmonischer Schwingungen verwendet wird, die sich mit der Zeit ändert (meistens gleichmäßig mit der Zeit wächst), bei einer bestimmten Amplitude (für gedämpfte Schwingungen - bei einer bestimmten Anfangsamplitude und einem bestimmten Dämpfungskoeffizienten) und den Zustand der bestimmt schwingungsfähiges System in ( jedem) zu einem bestimmten Zeitpunkt. Es wird auch verwendet, um Wellen zu beschreiben, die hauptsächlich monochromatisch oder fast monochromatisch sind.

Oszillationsphase(in der Telekommunikation für ein periodisches Signal f(t) mit der Periode T) ist der Bruchteil t/T der Periode T, um den t von einem beliebigen Ursprung verschoben wird. Als Koordinatenursprung wird üblicherweise der Zeitpunkt des vorherigen Übergangs der Funktion durch Null in Richtung von negativen zu positiven Werten angesehen.

In den meisten Fällen wird von Phase in Bezug auf harmonische (sinusförmige oder durch einen imaginären Exponenten beschriebene) Schwingungen (oder monochromatische Wellen, ebenfalls sinusförmige oder durch einen imaginären Exponenten beschriebene) gesprochen.

Für solche Schwankungen:

, , ,

oder die Wellen

Zum Beispiel Wellen, die sich im eindimensionalen Raum ausbreiten: , , , oder Wellen, die sich im dreidimensionalen Raum (oder einem Raum beliebiger Dimension) ausbreiten: , , ,

die Schwingungsphase wird als Argument dieser Funktion definiert(einer der Aufgeführten, aus dem Zusammenhang ergibt sich jeweils welcher), der einen harmonischen Schwingungsvorgang oder eine monochromatische Welle beschreibt.

Das heißt, für Phasenoszillation

,

für eine Welle im eindimensionalen Raum

,

für eine Welle im dreidimensionalen Raum oder Raum einer anderen Dimension:

,

wo ist die Winkelfrequenz (je höher der Wert, desto schneller wächst die Phase mit der Zeit), t- Zeit , - Phase um t=0 - Anfangsphase; k- Wellennummer, x- Koordinate, k- Wellenvektor, x- ein Satz von (kartesischen) Koordinaten, die einen Punkt im Raum charakterisieren (Radiusvektor).

Die Phase wird in Winkeleinheiten (Bogenmaß, Grad) oder in Zyklen (Bruchteile einer Periode) ausgedrückt:

1 Zyklus = 2 Bogenmaß = 360 Grad.

  • In der Physik, insbesondere beim Schreiben von Formeln, ist die Darstellung der Phase im Bogenmaß überwiegend (und standardmäßig), das Messen in Zyklen oder Perioden (mit Ausnahme von verbalen Formulierungen) ist im Allgemeinen ziemlich selten, aber das Messen in Grad ist ziemlich üblich (anscheinend , als explizit und nicht verwirrend, da es üblich ist, das Gradzeichen weder mündlich noch schriftlich wegzulassen), besonders häufig in technischen Anwendungen (z. B. Elektrotechnik).

Manchmal (in der semiklassischen Annäherung, wo Wellen verwendet werden, die nahezu monochromatisch, aber nicht streng monochromatisch sind, und auch im Pfadintegralformalismus, wo Wellen weit von monochromatisch sein können, obwohl sie immer noch ähnlich monochromatisch sind), wird die Phase als betrachtet in Abhängigkeit von Zeit- und Ortskoordinaten nicht als lineare Funktion, sondern als prinzipiell willkürliche Funktion von Koordinaten und Zeit:

Verwandte Begriffe

Wenn zwei Wellen (zwei Schwingungen) vollständig zusammenfallen, spricht man von Wellen in Phase. Für den Fall, dass die Momente des Maximums einer Schwingung mit den Momenten des Minimums einer anderen Schwingung zusammenfallen (oder die Maxima einer Welle mit den Minima der anderen zusammenfallen), sagt man, dass die Schwingungen (Wellen) gegenphasig sind. In diesem Fall kommt es, wenn die Wellen (in der Amplitude) gleich sind, infolge der Addition zu ihrer gegenseitigen Vernichtung (genau, vollständig - nur wenn die Wellen monochromatisch oder zumindest symmetrisch sind, vorausgesetzt, das Ausbreitungsmedium ist linear usw .).

Aktion

Eine der grundlegendsten physikalischen Größen, auf der die moderne Beschreibung fast aller ausreichend grundlegenden physikalischen Systeme aufbaut – Aktion – ist in ihrer Bedeutung eine Phase.

Anmerkungen


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Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was die "Phase der Schwingungen" ist:

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    Das Argument der Funktion cos (ωt + φ), die einen harmonischen Schwingungsvorgang beschreibt (ω ist die Kreisfrequenz, t ist die Zeit, φ ist die Anfangs-F. c., also F. c. zum Anfangszeitpunkt der Zeit t = 0). F. c. wird bis zu einem beliebigen Term bestimmt ...

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    - (vom griechischen phasis-Erscheinen) ..1) ein bestimmter Moment im Verlauf der Entwicklung eines Prozesses (sozial, geologisch, physikalisch usw.). In Physik und Technik ist die Phase von Schwingungen besonders wichtig, der Zustand eines Schwingungsvorgangs in einem bestimmten ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

    Phase (von griechisch phasis - Erscheinung), Periode, Stadium in der Entwicklung eines Phänomens; siehe auch Phase, Schwingungsphase… Große sowjetische Enzyklopädie

    s; und. [aus dem Griechischen. Phase Aussehen] 1. Ein separates Stadium, Zeitraum, Stadium der Entwicklung dessen, was l. Phänomene, Prozesse usw. Die Hauptphasen der Entwicklung der Gesellschaft. Phasen des Interaktionsprozesses zwischen Tier- und Pflanzenwelt. Geben Sie Ihre neue, entscheidende, ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch