W budowie
Prezentacja modułu

Moduł 01 — Badanie drgań: amplituda, okres i częstotliwość — kurs Ruch drgający

Moduł 01 kursu Ruch drgający: położenie równowagi, wychylenie x(t), amplituda A, okres T, częstotliwość f = 1/T oraz zmniejszanie niepewności pomiarowej. Interaktywna symulacja, rozwiązane przykłady, zadania ze wskazówkami i quiz.

  • 45 min
  • 13 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 7 minPodstawowe wielkości opisujące ruch drgający teza, kod i pytanie kontrolne
  2. 8 minWzory podstawowe i budowa jednego pełnego cyklu $0 \to \frac{1}{4}T$: ruch od położenia równowagi ($x = 0$) do skrajnego wychylenia…
  3. 8 minInteraktywna symulacja: oscylator i wykres $x(t)$ na żywo teza, kod i pytanie kontrolne
  4. 8 minZmniejszanie niepewności pomiarowej w doświadczeniu Dlatego w praktyce mierzymy łączny czas $t$ dużej liczby pełnych cykli (np.
  5. 8 minPrzykładowe problemy z rozwiązaniem krok po kroku Treść: Wahadło pewnego zegara przechodzi przez położenie równowagi regularnie co $\Delta…
  6. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Zestawienie · atom 1 · ~4 min

Podstawowe wielkości opisujące ruch drgający

Wyobraź sobie ciężarek zawieszony na sprężynie albo wahadło zegara. Dopóki układ spoczywa, działające na ciało siły (np. siła ciężkości i siła sprężystości) równoważą się — ciało znajduje się w położeniu równowagi ($x =…

Wielkość fizyczna Symbol i jednostka SI Definicja i sens fizyczny
Położenie równowagi $x = 0$ Punkt, w którym wypadkowa sił wywołujących drgania jest równa zeru. Od tego punktu mierzymy wychylenie ciała.
Wychylenie $x\text{ [m]}$ Chwilowa współrzędna położenia ciała względem położenia równowagi (może być dodatnia, ujemna lub zerowa).
Amplituda drgań $A\text{ [m]}$ Maksymalna wartość bezwzględna wychylenia z położenia równowagi ($A = |x|_{\max} \gt 0$). Ciało porusza się w przedziale $[-A, +A]$.
Okres drgań $T\text{ [s]}$ Czas trwania jednego pełnego cyklu drgań (po upływie czasu $T$ ciało wraca do tego samego położenia i porusza się w tę samą stronę).
Częstotliwość $f\text{ [Hz} = \text{s}^{-1}\text{]}$ Liczba pełnych drgań wykonywanych w ciągu jednej sekundy: $f = \frac{1}{T} = \frac{N}{t}$. Jednostką jest herc ($1\text{ Hz} = 1\text{ s}^{-1}$).
Sprawdzenie · atom 1 · ~3 min

Pytanie do klasy

Ciało drgające wychyla się z położenia równowagi najwyżej o $3\text{ cm}$ w każdą stronę. Jaka jest amplituda drgań i odległość między skrajnymi położeniami ciała?

Atom 2 z 5 · ~8 min

Wzory podstawowe i budowa jednego pełnego cyklu

Jeśli w czasie $t$ ciało wykonuje $N$ pełnych drgań, to okres $T$ i częstotliwość $f$ są ze sobą odwrotnie proporcjonalne:

  • $0 \to \frac{1}{4}T$: ruch od położenia równowagi ($x = 0$) do skrajnego wychylenia dodatniego ($x = +A$) — przebyta droga równa $A$.
  • $\frac{1}{4}T \to \frac{1}{2}T$: powrót ze skrajnego wychylenia ($x = +A$) do położenia równowagi ($x = 0$) — ciało mija $x = 0$, ale leci w przeciwną stronę niż na…
  • $\frac{1}{2}T \to \frac{3}{4}T$: ruch od położenia równowagi ($x = 0$) do skrajnego wychylenia ujemnego ($x = -A$) — kolejna droga $A$.
  • $\frac{3}{4}T \to T$: powrót z $x = -A$ do położenia równowagi ($x = 0$) — dopiero teraz zamyka się pełny okres $T$ , a całkowita droga w jednym okresie wynosi $s_1 =…
Kluczowe wzory (okres, częstotliwość i droga w jednym okresie): $$T = \frac{t}{N}, \qquad f = \frac{N}{t}, \qquad f = \frac{1}{T}, \qquad T = \frac{1}{f}, \qquad s_1 = 4A$$
Sprawdzenie · atom 2 · ~3 min

Pytanie do klasy

Wahadło mija położenie równowagi co $1{,}5\text{ s}$. Ile wynosi okres jego drgań?

Symulacja · atom 3 · ~5 min

Interaktywna symulacja: oscylator i wykres $x(t)$ na żywo

Sprawdzenie · atom 3 · ~3 min

Pytanie do klasy

W symulacji zwiększasz tylko amplitudę $A$, pozostawiając okres $T$ bez zmian. Co dzieje się z wykresem $x(t)$?

Atom 4 z 5 · ~8 min

Zmniejszanie niepewności pomiarowej w doświadczeniu

Gdy na lekcji lub maturze mierzysz okres drgań stoperem ręcznym, moment włączenia i wyłączenia stopera jest obarczony niepewnością czasu reakcji eksperymentatora $\Delta t$ (zwykle ok. $0{,}2\text{ s}$).

  • Dlatego w praktyce mierzymy łączny czas $t$ dużej liczby pełnych cykli (np.
  • $N = 20$ lub $N = 50$ drgań) i dzielimy go przez $N$.
Wzory na okres i niepewność z serii $N$ drgań: $$T = \frac{t}{N}, \qquad \Delta T = \frac{\Delta t}{N}, \qquad \frac{\Delta T}{T} = \frac{\Delta t}{t}$$ Wskazówka doświadczalna: Stoper włączamy i wyłączamy w chwili, gdy ciężarek przechodzi przez położenie równowagi, a nie w punkcie maksymalnego wychylenia — w położeniu równowagi ciało porusza się najszybciej, więc najłatwiej precyzyjnie uchwycić moment minięcia znacznika.
Sprawdzenie · atom 4 · ~3 min

Pytanie do klasy

Po co mierzy się czas wielu pełnych drgań, a nie tylko jednego?

Atom 5 z 5 · ~8 min

Przykładowe problemy z rozwiązaniem krok po kroku

Treść: Na wykresie zależności wychylenia od czasu $x(t)$ dla ciężarka na sprężynie maksymalne wychylenie w górę wynosi $+2\text{ cm}$, maksymalne wychylenie w dół $-2\text{ cm}$, a czas trwania trzech pełnych cykli drgań wynosi $t =…

  • Treść: Wahadło pewnego zegara przechodzi przez położenie równowagi regularnie co $\Delta t = 2\text{ s}$.
  • Odległość pomiędzy skrajnymi położeniami ciężarka wahadła wynosi $d = 0{,}50\text{ m}$.
  • Treść: Uczennica zmierzyła stoperem czas $N = 25$ pełnych drgań ciężarka na sprężynie i otrzymała wynik $t = 20{,}0\text{ s}$.
  • Niepewność pomiaru czasu związana z refleksem przy włączaniu i wyłączaniu stopera wynosi $\Delta t = 0{,}25\text{ s}$.
Rozwiązanie krok po kroku:
1. Amplituda $A$: odczytujemy największe wychylenie od osi czasu ($x = 0$): $A = 2\text{ cm} = 0{,}02\text{ m}$.
2. Okres $T$: trzy pełne cykle ($N = 3$) trwają $t = 7{,}5\text{ s}$, zatem jeden cykl trwa: $$T = \frac{t}{N} = \frac{7{,}5\text{ s}}{3} = 2{,}5\text{ s}$$ 3. Częstotliwość $f$: obliczamy odwrotność okresu: $$f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2{,}5\text{ s}} = 0{,}4\text{ Hz}$$ Odpowiedź: $A = 0{,}02\text{ m}$, $T = 2{,}5\text{ s}$, $f = 0{,}4\text{ Hz}$.
Sprawdzenie · atom 5 · ~3 min

Pytanie do klasy

Na wykresie $x(t)$ trzy pełne cykle drgań zajmują $7{,}5\text{ s}$. Okres i częstotliwość wynoszą:

Zamknięcie · ~4 min

Co zabrać z lekcji

  • Podstawowe wielkości opisujące ruch drgający
  • $0 \to \frac{1}{4}T$: ruch od położenia równowagi ($x = 0$) do skrajnego wychylenia dodatniego ($x = +A$) — przebyta droga równa $A$.
  • Interaktywna symulacja: oscylator i wykres $x(t)$ na żywo
  • Dlatego w praktyce mierzymy łączny czas $t$ dużej liczby pełnych cykli (np.
Bilet wyjściowy: Uczennica zmierzyła $N = 25$ drgań w czasie $t = 20{,}0\text{ s}$, a niepewność pomiaru czasu wynosiła $0{,}25\text{ s}$. Który zapis okresu jest poprawny?
Odpowiedź: c) $T = (0{,}80 \pm 0{,}01)\text{ s}$
Hyżyk· Moduł 01 — Badanie drgań: amplituda, okres i częstotliwość — moduł 1 / 1