Materiał edukacyjny · Fizyka

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.

Ważna pułapka: Odległość między dwoma skrajnymi punktami (od maksymalnego wychylenia w lewo do maksymalnego w prawo) wynosi $2A$ (podwójna amplituda). Amplituda to odległość od środka do skraju, czyli dokładnie połowa całej rozpiętości ruchu!
1. Ciężarek wychyla się między dwoma skrajnymi punktami oddalonymi o 12 cm. Ile wynosi amplituda?
2. Od czego zależy amplituda huśtawki?
3. Huśtawkę pchano tak samo mocno, ale za drugim razem dłużej. Co się zmieni?

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:

Wzór na okres i częstotliwość:
$$f = \frac{1}{T} \qquad \text{oraz} \qquad T = \frac{1}{f}$$ 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.

4. Wahadło wykonuje 20 pełnych drgań w ciągu 10 s. Ile wynoszą okres i częstotliwość?
5. Co dokładnie oznacza częstotliwość 1 Hz?
6. Czy okres huśtawki zależy od amplitudy przy niezbyt dużych wychyleniach?

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:

Instrukcja rzetelnego pomiaru:
  1. Włącz stoper w telefonie dokładnie w chwili, gdy huśtawka osiąga skrajne położenie (punkt zwrotu).
  2. Odlicz na głos 10 pełnych drgań (każdy powrót do tego samego skrajnego punktu to jedno drganie).
  3. Zatrzymaj stoper przy dziesiątym powrocie i zapisz zmierzony czas $t$.
  4. Oblicz okres, dzieląc cały czas przez liczbę drgań: $T = \frac{t}{n}$.
Uwaga przy liczeniu: samo skrajne położenie na starcie to jeszcze nie jest jedno wykonane drganie — to tylko punkt początkowy pomiaru. Pierwsze pełne drganie kończy się dopiero wtedy, gdy huśtawka wróci do tego samego skrajnego położenia. Dlatego odliczasz zakończone powroty, a nie mijane pozycje. Przykład z liczbami: 10 pełnych wahnięć zajęło 24 sekundy. Okres jednego drgania wynosi: $T = 24\text{ s} \div 10 = 2,4\text{ s}$. Częstotliwość wynosi: $f = 1 \div 2,4\text{ s} \approx 0,42\text{ Hz}$.
start: 0 +A 0 −A koniec: 0 0 ¼ T ½ T ¾ T T Jedno pełne drganie = powrót do tego samego położenia i tego samego kierunku ruchu.
Tak liczy się jedno pełne drganie: od zera, przez skraj w jedną stronę, znowu przez zero, skraj w drugą stronę i powrót do zera — po tym czasie ciało rusza w tę samą stronę co na początku.
7. Dlaczego przy pomiarze stoperem liczy się czas 10 drgań, a nie jednego?
8. 10 pełnych drgań zajęło 24 s. Ile wynosi okres?
9. W których momentach najlepiej włączyć i wyłączyć stoper?

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.

Mocne pchnięcie — duża amplituda równowaga amplituda A₁ Okres: T = 2,0 s Słabe pchnięcie — mała amplituda równowaga amplituda A₂ Okres: T = 2,0 s (taki sam!)
Ta sama huśtawka. Amplituda zależy od siły pchnięcia, ale okres drgań $T$ pozostaje taki sam.
10. Na rysunku huśtawka osiąga różne wychylenia, ale ma ten sam okres. Co z tego wynika?
11. Co oznaczają strzałki narysowane przy siedzeniu huśtawki?
12. Co się stanie, jeśli huśtawkę pchniemy mocniej, nie zmieniając długości łańcuchów?

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 $1\text{ cm}$.

t [s] x [cm] 3 2 1 0 −1 −2 −3 0 2 4 6 8 A = ? T = ?
Wykres wychylenia huśtawki od czasu. Odczytaj amplitudę (od środka do szczytu) oraz okres (od szczytu do szczytu).

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
Szczyt fali sięga 3 kratek powyżej linii środka, a jedna kratka w pionie to $1\text{ cm}$. Amplituda wynosi więc $A = 3\text{ cm}$. (Gdybyś zmierzył od dołka do szczytu, dostałbyś $6\text{ cm}$ — to podwojona amplituda $2A$, klasyczna pułapka!)
Krok 2 — okres
Sąsiednie szczyty wypadają w chwilach $t = 1\text{ s}$ i $t = 5\text{ s}$ (szczyt jest w jednej czwartej okresu po starcie z równowagi). Różnica to $T = 5\text{ s} - 1\text{ s} = 4\text{ s}$. Jedna kratka w poziomie to $1\text{ s}$, więc okres to 4 kratki.
Pełna odpowiedź
Amplituda $A = 3\text{ cm}$, okres $T = 4\text{ s}$ (częstotliwość $f = 1/T = 0{,}25\text{ Hz}$).

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 ($A = 3\text{ cm}$).

t [s] x [cm] 3 2 1 0 −1 −2 −3 0 2 4 6 8 A = ? T = ?
wykres zaczyna się od maksymalnego wychylenia (+A)
t [s] x [cm] 3 2 1 0 −1 −2 −3 0 2 4 6 8 A = ? T = ?
wykres zaczyna się od położenia równowagi i wychyla w stronę ujemną
Wykres B — odczyt
Wykres zaczyna się w chwili $t = 0$ od maksymalnego wychylenia ($x = +A$). Kolejne szczyty wypadają w $t = 0\text{ s}$, $t = 4\text{ s}$ i $t = 8\text{ s}$, więc $T = 4\text{ s}$. Amplituda $A = 3\text{ cm}$. Gdybyś mierzył „od zera do zera”, musisz wziąć dwa zera w tę samą stronę: $t = 2\text{ s}$ i $t = 6\text{ s}$ — też wychodzi $T = 4\text{ s}$.
Wykres C — odczyt
Wykres zaczyna się od położenia równowagi, ale huśtawka rusza w stronę ujemną. Najniższe punkty ($x = -A$) wypadają w $t = 1\text{ s}$ i $t = 5\text{ s}$, więc $T = 4\text{ s}$ — identycznie jak w poprzednich wykresach. Amplituda nadal $A = 3\text{ cm}$. To pokazuje, że okres nie zależy od tego, w którym miejscu cyklu zaczynamy obserwację.

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.

Wykres A t 1 s Wykres B t 1 s Wykres C t 1 s Każda kratka w poziomie to 1 s. Okres to odstęp między dwoma szczytami (albo dwoma dołkami).
Trzy wykresy tej samej huśtawki z różnymi okresami. Porównaj odstępy między szczytami.

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
Wykres B. Na wykresie A szczyty wypadają co $1\text{ s}$ (to okres $1\text{ s}$), na wykresie C dopiero co $4\text{ s}$. Na wykresie B odstęp między szczytami to $2\text{ s}$ — dokładnie tyle, ile wynosi podany okres. Kontrola przez częstotliwość: $f = 0{,}5\text{ Hz}$ oznacza pół drgania na sekundę, czyli jedno pełne drganie w $2\text{ s}$ — to wykres B.
13. Na wykresie jedna kratka w pionie to 1 cm, a szczyt leży 3 kratki nad osią. Ile wynosi amplituda?
14. Szczyty wykresu wypadają w chwilach 1 s i 5 s. Ile wynosi okres?
15. Wykres zaczyna się od maksymalnego wychylenia $+A$. Jak najpewniej wyznaczyć okres?

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.

50 px 2,0 s
Dlaczego liczymy 10 drgań, a nie jedno? Gdy mierzysz 1 drganie trwające 2,0 s, błąd refleksu człowieka (np. 0,2 s) stanowi aż 10% wyniku. Gdy zmierzysz 10 drgań (20,0 s), ten sam błąd 0,2 s rozkłada się na 10 cykli, stanowiąc zaledwie 1% wyniku pomiaru!
16. W symulacji zwiększasz tylko amplitudę, nie ruszając suwaka okresu. Co pokaże pomiar 10 drgań?
17. Po co w symulacji umieszczono przycisk „Mierz 3 drgania” obok „Mierz 10 drgań”?
18. Suwak okresu ustawiono na 3,0 s. Ile pełnych drgań wykona huśtawka w ciągu 6 s?

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.

Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Czas całkowity $t = 25\text{ s}$, liczba drgań $n = 10$.
  2. Okres to czas jednego drgania: $T = \frac{t}{n} = \frac{25\text{ s}}{10} = 2,5\text{ s}$.
  3. Częstotliwość to odwrotność okresu: $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2,5\text{ s}} = 0,4\text{ Hz}$.
Odpowiedź: Okres drgań wynosi 2,5 s, a częstotliwość to 0,4 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?

Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Położenie równowagi to poziom spoczynku linijki.
  2. Maksymalne wychylenie od poziomu spoczynku wynosi 4 cm — to jest właśnie amplituda ($A = 4\text{ cm}$).
  3. Całkowita rozpiętość ruchu (od skrajnego dołka do skrajnego szczytu) wynosi $2A = 4\text{ cm} + 4\text{ cm} = 8\text{ cm}$.
Odpowiedź: Amplituda wynosi 4 cm, a cała rozpiętość toru to 8 cm.
19. Dziesięć pełnych drgań huśtawki trwało 25 s. Ile wynosi okres?
20. Przy okresie 2,5 s częstotliwość drgań wynosi...
21. Koniec linijki wychyla się 4 cm nad i 4 cm pod poziom spoczynku. Podaj amplitudę i rozpiętość ruchu.

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Huśtawkę pchnięto najpierw lekko, a po chwili bardzo mocno. Co stało się z jej amplitudą i okresem drgań?
Wskazówka 1 — co zmienia mocniejsze pchnięcie?
Mocniejsze pchnięcie dostarcza więcej energii — huśtawka wychyla się znacznie wyżej od położenia równowagi.
Wskazówka 2 — od czego zależy okres?
Okres huśtawki zależy od długości jej łańcuchów, a nie od kąta wychylenia (dla typowych wychyleń). Wyższa huśtawka leci szybciej, ale pokonuje dłuższą drogę.
Zadanie 2. Ciężarek drga na sprężynie między dwoma skrajnymi punktami, które są od siebie oddalone o 16 cm. Ile wynosi amplituda tych drgań?
Wskazówka 1 — czym jest amplituda?
Amplituda to odległość od położenia równowagi (środka) do jednego ze skrajnych punktów, a nie odległość między dwoma skrajnymi punktami.
Wskazówka 2 — relacja ze skrajnymi punktami
Odległość między skrajnymi punktami to $2A$. Aby otrzymać amplitudę $A$, należy tę odległość podzielić przez 2.
Zadanie 3. W czasie 6 sekund wahadło wykonało 15 pełnych drgań. Ile wynosi okres tych drgań?
Wskazówka 1 — definicja okresu
Okres $T$ to czas jednego pełnego drgania. Dzielimy cały zmierzony czas przez liczbę wykonanych drgań.
Wskazówka 2 — obliczenie
$T = t \div n = 6\text{ s} \div 15$.

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.

t [s] x [cm] 3 2 1 0 −1 −2 −3 0 2 4 6 8
Niepodpisany wykres wychylenia od czasu. Jedna kratka w poziomie to 1 s, jedna kratka w pionie to 1 cm. Wszystkie potrzebne wielkości odczytaj sam.

Polecenie:

  1. Wskaż (w pamięci) linię położenia równowagi na wykresie.
  2. Odczytaj amplitudę $A$.
  3. Wyznacz okres $T$ dwoma różnymi sposobami i sprawdź, czy wynik się zgadza.
  4. Oblicz częstotliwość $f$.
Rozwiązanie
1. Linią położenia równowagi jest oś pozioma na wysokości $x = 0$ (środkowa linia siatki) — widać po tym, że krzywa przechodzi przez nią i wychyla się symetrycznie w górę i w dół.
Rozwiązanie — amplituda
2. Szczyt sięga 2 kratki nad osią, a jedna kratka w pionie to $1 ext{ cm}$. Zatem $A = 2 ext{ cm}$. (Od dołka do szczytu byłoby $4 ext{ cm}$ — to $2A$, nie amplituda.)
Rozwiązanie — okres dwoma sposobami
3. Sposób pierwszy — od szczytu do szczytu: szczyty wypadają w $t = 0{,}75 ext{ s}$ i $t = 3{,}75 ext{ s}$, więc $T = 3{,}75 - 0{,}75 = 3 ext{ s}$. Sposób drugi — od dołka do dołka: dołki w $t = 2{,}25 ext{ s}$ i $t = 5{,}25 ext{ s}$, więc $T = 5{,}25 - 2{,}25 = 3 ext{ s}$. Oba sposoby dają $T = 3 ext{ s}$. (Kontrola trzecim sposobem: przejścia przez zero w tę samą stronę w $t = 0 ext{ s}$ i $t = 3 ext{ s}$ — też $3 ext{ s}$.)
Rozwiązanie — częstotliwość
4. $f = 1/T = 1/3 ext{ s} \approx 0{,}33 ext{ Hz}$. Odpowiedź: $A = 2 ext{ cm}$, $T = 3 ext{ s}$, $f \approx 0{,}33 ext{ Hz}$.

Quiz wiedzy — Moduł 02

1. Amplituda drgań to:
2. Dlaczego przy wyznaczaniu okresu stoperem mierzy się czas np. 10 drgań, a nie 1?
3. Skrzydła brzęczącej pszczoły wykonują około 250 drobnych machnięć w ciągu 1 sekundy. Jak opisać te drgania?

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj
  1. Amplituda to odległość od położenia równowagi do skraju — połowa całej rozpiętości ruchu.
  2. Okres to czas jednego pełnego drgania: $T = t/n$.
  3. Częstotliwość to liczba drgań na sekundę: $f = 1/T$.
Uważaj na błąd

Mylenie amplitudy z rozpiętością. Jeśli podano odległość między skrajnymi punktami, to jest $2A$ — amplituda to jej połowa. I odwrotnie: okres to nie częstotliwość ($T \neq f$).

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego mierzymy czas 10 drgań, a nie jednego?

Odpowiedź
Bo jedno drganie trwa krótko, a błąd reakcji przy włączaniu stopera (ok. 0,2 s) byłby wtedy bardzo duży. Przy 10 drganiach ten sam błąd rozkłada się na dziesięć cykli i wynik jest znacznie dokładniejszy.