MODUŁ 02 · BLOK I: CO TO JEST DRGANIE
Amplituda i okres: jak daleko i jak długo
PPrezentacja dla nauczyciela
Dwa podstawowe pojęcia, które pozwalają opisać każde drganie w fizyce: amplituda (jak daleko ciało wychyla się ze środka) oraz okres (ile sekund trwa jedno pełne powtórzenie). Towarzyszy im częstotliwość, która mówi, ile drgań mieści się w jednej sekundzie.
Amplituda: jak szeroko sięga drganie
Gdy huśtawka wisi swobodnie i nikt jej nie dotyka, spoczywa nieruchomo pionowo w dół. To miejsce nazywamy położeniem równowagi (środkiem drgań). Gdy popchniesz huśtawkę, zaczyna się od niego oddalać w lewo i w prawo.
Amplituda ($A$) to największe wychylenie ciała z położenia równowagi — czyli odległość od środka do skrajnego punktu toru. Mierzymy ją w jednostkach długości: centymetrach (cm) lub metrach (m).
- Mocne pchnięcie = duża amplituda. Huśtawka unosi się wysoko, daleko od położenia pionowego.
- Lekkie pchnięcie = mała amplituda. Huśtawka wykonuje jedynie drobne wahania blisko pionu.
Amplituda zależy od tego, ile energii przekażemy układowi i w jakim stanie był na początku — nie tylko od tego, jak silne było pojedyncze pchnięcie. Liczy się też, jak długo pchaliśmy i czy huśtawka już się kołysała. Dlatego dwa układy pchnięte „taką samą siłą” mogą mieć różne amplitudy.
Okres i częstotliwość: jak szybko powtarza się ruch
Szybkość powtórzeń w fizyce opisują dwie powiązane ze sobą wielkości:
- Okres ($T$) — czas, w którym ciało wykonuje jedno pełne drganie (tam i z powrotem, powrót do stanu początkowego). Jednostką okresu jest sekunda (s).
- Częstotliwość ($f$) — liczba pełnych drgań wykonanych w czasie jednej sekundy. Jednostką częstotliwości jest herc (Hz, $1\text{ Hz} = 1/\text{s}$).
Związek między okresem a częstotliwością jest odwrotny:
$$f = \frac{1}{T} \qquad \text{oraz} \qquad T = \frac{1}{f}$$ Jeśli huśtawka wykonuje jedno pełne wahnięcie w czasie $T = 2\text{ s}$, to jej częstotliwość wynosi $f = \frac{1}{2\text{ s}} = 0,5\text{ Hz}$ (pół drgania na sekundę).
Czy okres zależy od amplitudy? Dla huśtawki i wahadła (przy niezbyt wielkich wychyleniach) okres nie zależy od amplitudy. Silniejsze pchnięcie sprawia, że huśtawka leci wyżej i rozwija większą prędkość, ale drogę pokonuje w niemal dokładnie takim samym czasie! Pamiętaj, że to przybliżenie dla małych wychyleń — przy bardzo szerokim rozhuśtaniu okres nieco się wydłuża. Dotyczy to wahadła i przyjętego modelu, a nie każdego układu drgającego.
Jak zmierzyć okres drgań w domu
Pojedyncze drganie trwa często ułamek sekundy, a czas reakcji człowieka przy włączaniu stopera wynosi około 0,2–0,3 sekundy. Zmierzenie jednego drgania byłoby obarczone ogromnym błędem. Dlatego w fizyce mierzy się wiele drgań naraz:
- Włącz stoper w telefonie dokładnie w chwili, gdy huśtawka osiąga skrajne położenie (punkt zwrotu).
- Odlicz na głos 10 pełnych drgań (każdy powrót do tego samego skrajnego punktu to jedno drganie).
- Zatrzymaj stoper przy dziesiątym powrocie i zapisz zmierzony czas $t$.
- Oblicz okres, dzieląc cały czas przez liczbę drgań: $T = \frac{t}{n}$.
Rysunek: ta sama huśtawka, dwa różne pchnięcia
Porównanie huśtawki przy silnym i słabym wychyleniu. Amplituda $A$ jest inna, ale czas jednego pełnego powtórzenia (okres $T$) pozostaje taki sam.
Ćwiczenie: odczytaj amplitudę i okres z wykresu
Podstawa programowa wymaga, byś potrafił odczytać amplitudę i okres z wykresu wychylenia od czasu. Najlepiej spróbować samodzielnie, zanim rozwinie się odpowiedź. Jedna kratka w poziomie to $1\text{ s}$, jedna kratka w pionie to $1\text{ cm}$.
Ćwiczenie z wykresem — sprawdź się
Polecenie: Odczytaj z powyższego wykresu amplitudę drgań $A$ oraz okres drgań $T$. Pamiętaj: amplituda to odległość od linii środka do szczytu (nie od dołka do szczytu!), a okres to czas między dwoma sąsiednimi szczytami.
Krok 1 — amplituda
Krok 2 — okres
Pełna odpowiedź
Ten sam okres, ale wykres zaczyna się inaczej
Okres można odczytać nie tylko „od szczytu do szczytu”. Ważne, żeby porównać dwa punkty odpowiadające temu samemu stanowi ruchu — dwa szczyty, dwa dołki albo dwa przejścia przez zero w tę samą stronę. Sprawdź to na dwóch kolejnych wykresach tej samej huśtawki ($A = 3\text{ cm}$).
Wykres B — odczyt
Wykres C — odczyt
Zadanie odwrotne — dobierz wykres do danych
Zwykle odczytujesz okres z wykresu. Teraz jest odwrotnie: masz dane i wybierasz wykres. To sprawdza, czy rozumiesz związek między okresem, częstotliwością i kształtem wykresu, a nie tylko odczytujesz liczby.
Polecenie: Pewna huśtawka ma okres $T = 2\text{ s}$ (czyli $f = 0{,}5\text{ Hz}$). Który z powyższych wykresów ją przedstawia? Uzasadnij, podając odstęp między szczytami.
Rozwiązanie
Animacja: zmień amplitudę, okres i zmierz stoperem
Przesuń suwaki: amplitudę (jak daleko wychyla się huśtawka) i okres (ile trwa cykl). Następnie kliknij Mierz 10 drgań, aby przeprowadzić wzorcowy pomiar laboratoryjny stoperem.
Przykład na liczbach
Przykład 1 — okres i częstotliwość huśtawki
Zadanie: Na placu zabaw zmierzyłeś czas 10 pełnych drgań huśtawki. Stoper wskazał dokładnie 25 sekund. Oblicz okres ($T$) oraz częstotliwość ($f$) tych drgań.
- Czas całkowity $t = 25\text{ s}$, liczba drgań $n = 10$.
- Okres to czas jednego drgania: $T = \frac{t}{n} = \frac{25\text{ s}}{10} = 2,5\text{ s}$.
- Częstotliwość to odwrotność okresu: $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2,5\text{ s}} = 0,4\text{ Hz}$.
Przykład 2 — amplituda drgań linijki
Zadanie: Drgający koniec linijki porusza się w pionie. W najwyższym położeniu znajduje się 4 cm powyżej poziomu spoczynku, a w najniższym — 4 cm poniżej poziomu spoczynku. Ile wynosi amplituda drgań oraz całkowita rozpiętość ruchu?
- Położenie równowagi to poziom spoczynku linijki.
- Maksymalne wychylenie od poziomu spoczynku wynosi 4 cm — to jest właśnie amplituda ($A = 4\text{ cm}$).
- Całkowita rozpiętość ruchu (od skrajnego dołka do skrajnego szczytu) wynosi $2A = 4\text{ cm} + 4\text{ cm} = 8\text{ cm}$.
Zadania do samodzielnego rozwiązania
Wskazówka 1 — co zmienia mocniejsze pchnięcie?
Wskazówka 2 — od czego zależy okres?
Wskazówka 1 — czym jest amplituda?
Wskazówka 2 — relacja ze skrajnymi punktami
Wskazówka 1 — definicja okresu
Wskazówka 2 — obliczenie
Zadanie transferowe — niepodpisany wykres
Nie liczy się do paska postępu. To zadanie z nową skalą (inna niż w przykładach) i bez żadnych podpisów na wykresie — wszystko odczytujesz sam.
Polecenie:
- Wskaż (w pamięci) linię położenia równowagi na wykresie.
- Odczytaj amplitudę $A$.
- Wyznacz okres $T$ dwoma różnymi sposobami i sprawdź, czy wynik się zgadza.
- Oblicz częstotliwość $f$.
Rozwiązanie
Rozwiązanie — amplituda
Rozwiązanie — okres dwoma sposobami
Rozwiązanie — częstotliwość
Quiz wiedzy — Moduł 02
Podsumowanie modułu
- Amplituda to odległość od położenia równowagi do skraju — połowa całej rozpiętości ruchu.
- Okres to czas jednego pełnego drgania: $T = t/n$.
- Częstotliwość to liczba drgań na sekundę: $f = 1/T$.
Mylenie amplitudy z rozpiętością. Jeśli podano odległość między skrajnymi punktami, to jest $2A$ — amplituda to jej połowa. I odwrotnie: okres to nie częstotliwość ($T \neq f$).
Dlaczego mierzymy czas 10 drgań, a nie jednego?