7.1.A.1 Simple harmonic motion is a special case of periodic motion.
7.1.A.2 SHM results when the magnitude of the restoring force exerted on an object is proportional to that object's displacement from its equilibrium position.
Derived equation:$ma_x = -k\Delta x$
7.1.A.2.i A restoring force is a force that is exerted in a direction opposite to the object's displacement from an equilibrium position.
7.1.A.2.ii An equilibrium position is a location at which the net force exerted on an object or system is zero.
العربية
الهدف التعليمي 7.1.A: وصف الحركة التوافقية البسيطة.
7.1.A.1 الحركة التوافقية البسيطة حالة خاصة من الحركة الدورية.
7.1.A.2 تنشأ الحركة التوافقية البسيطة عندما يكون مقدار قوة الاستعادة المؤثرة على جسم متناسبًا مع إزاحته عن موضع اتزان.
معادلة مستنتجة:$ma_x = -k\Delta x$
7.1.A.2.i قوة الاستعادة هي قوة تؤثر في اتجاه معاكس لإزاحة الجسم عن موضع اتزان.
7.1.A.2.ii موضع الاتزان هو موقع يكون فيه محصلة القوى المؤثرة على جسم أو نظام تساوي صفرًا.
Source: College Board AP Course and Exam Description · المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP
English
Simple harmonic motion
Simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) is a special case of periodic motion 周期运动. It appears whenever two things are true: there is an equilibrium 平衡位置 position where the net force is zero, and displacing the object produces a restoring force 回复力 – a force pointing back toward equilibrium – whose magnitude is proportional to the displacement:
$$F=-k\,\Delta x.$$
Newton's second law then gives the defining differential equation 微分方程:
Its solution is sinusoidal, $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$. You do not need to prove this solution – you need to recognise the equation: any system whose motion obeys "$\ddot{x}=-\omega^2x$" is a simple harmonic oscillator, whatever it is made of. (A mass hanging on a vertical spring works the same way: gravity only shifts the equilibrium point; the oscillation about it is unchanged.)
العربية
الحركة التوافقية البسيطة
الحركة التوافقية البسيطة (SHM) هي حالة خاصة من الحركة الدورية. تظهر.annotations شيئين صحيحين: وجود موضع توازن تكون فيه محصلة القوى صفرًا، وإزاحة الجسم تنتج قوة إرجاعية – قوة تتجه نحو التوازن – مقدارها يتناسب طرديًا مع الإزاحة:
$$F=-k\,\Delta x.$$
تعطي قانون نيوتن الثاني بعد ذلك المعادلة التفاضلية المميزة:
حلها جيبي، $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$. لا تحتاج لإثبات هذا الحل – بل تحتاج إلى التعرف على المعادلة: أي نظام يتبع حركته "$\ddot{x}=-\omega^2x$" هو مذبوب توافقي بسيط، بغض النظر عن مادته. (كتلة معلقة على ناب عمودي تعمل بنفس الطريقة: الجاذبية تحرك نقطة التوازن فقط؛ الاهتزاز حولها يبقى كما هو.)
في الحركة التوافقية البسيطة، التسارع يُشير دائمًا نحو نقطة الاتزان، عكس الإزاحة
7.2
Frequency and Period of SHM · التردد والدور الزمني للحركة التوافقية البسيطة
Syllabus · المنهج
English
Learning Objective 7.2.A: Describe the frequency and period of an object exhibiting SHM.
7.2.A.1 The period of SHM is related to the angular frequency, $\omega$, of the object's motion by the following equation:
Two classic conceptual traps: the period of SHM never depends on the amplitude 振幅, and each system ignores one obvious variable – the pendulum's period does not involve its mass, and the spring's period does not involve $g$ (a spring–block oscillator keeps perfect time in orbit; a pendulum clock does not).
فخمان مفهوميان كلاسيكيان: الزمن الدوري للحركة التوافقية البسيطة لا يعتمد أبدًا على السعة، وكل نظام يتجاهل متغيرًا واضحًا – زمن دور البندول لا يتضمن كتلته، وزمن دور الناب لا يتضمن $g$ (مذبوب ناب-كتلة يحافظ على دقة الوقت في المدار؛ ساعة بندولية لا تفعل ذلك).
Explore · استكشف
Time a pendulum's swing · قياس زمن تأرجح البندول
A pendulum's period depends on its length and gravity, not its mass or (small) amplitude: $T=2\pi\sqrt{L/g}$. Lengthen it and each swing takes longer. · دور البندول يعتمد على طوله والجاذبية، وليس كتلته أو سعة اهتزازه الصغيرة: $T=2\pi\sqrt{L/g}$. زِد طوله وستستغرق كل تأرجح وقتًا أطول.
7.3
Representing and Analyzing SHM · تمثيل وتحليل الحركة التوافقية البسيطة
Syllabus · المنهج
English
Learning Objective 7.3.A: Describe the displacement, velocity, and acceleration of an object exhibiting SHM.
7.3.A.1 For an object exhibiting SHM, the displacement of that object measured from its equilibrium position can be represented by the equations $x = A\cos(2\pi ft)$ or $x = A\sin(2\pi ft)$.
7.3.A.1.i Minima, maxima, and zeros of displacement, velocity, and acceleration are features of harmonic motion.
7.3.A.1.ii Recognizing the positions or times at which the displacement, velocity, and acceleration for SHM have extrema or zeros can help in qualitatively describing the behavior of the motion.
7.3.A.2 The position as a function of time for an object exhibiting SHM is a solution of the second-order differential equation derived from the application of Newton's second law.
7.3.A.3 Characteristics of SHM, such as velocity and acceleration, can be determined by or derived from the equation $x = A\cos(\omega t + \phi).$
7.3.A.3.i The acceleration of an object exhibiting SHM is related to the object's angular frequency and position.
Derived equation:$a = -\omega^2 x$
7.3.A.3.ii It can be shown that the maximum velocity and acceleration of an object exhibiting SHM are related to the angular frequency of the object's motion.
Derived equations:$v_{\max} = A\omega$
$a_{\max} = A\omega^2$
7.3.A.4 In the presence of a sinusoidal external force, a system may exhibit resonance.
7.3.A.4.i Resonance occurs when an external force is exerted at the natural frequency of an oscillating system.
7.3.A.4.ii Resonance increases the amplitude of oscillating motion.
7.3.A.4.iii The natural frequency of a system is the frequency at which the system will oscillate when it is displaced from its equilibrium position.
7.3.A.5 Changing the amplitude of a system exhibiting SHM will not change its period.
7.3.A.6 Properties of SHM can be determined and analyzed using graphical representations.
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to know the solution to the second-order differential equation that describes SHM, as well as be able to identify SHM. AP Physics C: Mechanics does not expect students to mathematically prove that the solution is correct.
العربية
الهدف التعليمي 7.3.A: وصف إزاحة وسرعة وتسارع جسم يظهر حركة توافقية بسيطة.
7.3.A.1 بالنسبة لجسم يظهر حركة توافقية بسيطة، يمكن تمثيل إزاحته مقاسة من موضع اتزان بالمعادلات $x = A\cos(2\pi ft)$ أو $x = A\sin(2\pi ft)$.
7.3.A.1.i القيم الدنيا والعظمى والأصفار للإزاحة والسرعة والتسارع هي خصائص للحركة التوافقية.
7.3.A.1.ii التعرف على المواقع أو الأوقات التي يكون فيها الإزاحة والسرعة والتسارع للحركة التوافقية البسيطة عند قيمها القصوى أو أصفارها يساعد في وصف سلوك الحركة بشكل نوعي.
7.3.A.2 الموقع كدالة للزمن لجسم يظهر حركة توافقية بسيطة هو حل للمعادلة التفاضلية من الرتبة الثانية المشتقة من تطبيق قانون نيوتن الثاني.
7.3.A.3 يمكن تحديد خصائص الحركة التوافقية البسيطة، مثل السرعة والتسارع، أو اشتقاقها من المعادلة $x = A\cos(\omega t + \phi).$
7.3.A.3.i ترتبط تسارع جسم يظهر حركة توافقية بسيطة بالتردد الزاوي وموقعه.
معادلة مشتقة:$a = -\omega^2 x$
7.3.A.3.ii يمكن إثبات أن أقصى سرعة وأقصى تسارع لجسم يظهر حركة توافقية بسيطة مرتبطان بالتردد الزاوي لحركة الجسم.
معادلات مستنتجة:$v_{\max} = A\omega$
$a_{\max} = A\omega^2$
7.3.A.4 في وجود قوة خارجية جيبية، قد يظهر النظام ظاهرة الرنين.
7.3.A.4.i يحدث الرنين عندما تُؤثر قوة خارجية عند التردد الطبيعي لنظام متذبذب.
7.3.A.4.ii يزيد الرنين من سعة الحركة المتذبذبة.
7.3.A.4.iii التردد الطبيعي للنظام هو التردد الذي سيتذبذب به النظام عند إزاحته من موضع توازنه.
7.3.A.5 تغيير سعة نظام يظهر حركة توافقية بسيطة لن يغير دوره.
7.3.A.6 يمكن تحديد خصائص الحركة التوافقية البسيطة وتحليلها باستخدام تمثيلات بيانية.
عبارة حدودية: تتوقع AP Physics C: Mechanics من الطلاب فقط معرفة حل المعادلة التفاضلية من الرتبة الثانية التي تصف الحركة التوافقية البسيطة، بالإضافة إلى القدرة على التعرف عليها. لا تتوقع AP Physics C: Mechanics من الطلاب الإثبات الرياضي لصحة الحل.
Source: College Board AP Course and Exam Description · المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP
So at the ends of the swing ($x=\pm A$) the speed is zero and the acceleration is largest; passing through equilibrium ($x=0$) the acceleration is zero and the speed is largest, $v_{\max}=A\omega$. The amplitude $A$ and the phase constant 相位常数$\phi$ come from the initial conditions: where the object starts and how fast it is moving. Eliminating $t$ (or using energy, below) gives speed as a function of position:
$$v=\pm\,\omega\sqrt{A^2-x^2}.$$
Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ mass on a $k=200\ \text{N/m}$ spring: $\omega=\sqrt{k/m}=20\ \text{rad/s}$, $T=2\pi/\omega=0.31\ \text{s}$. With $A=0.10\ \text{m}$: $v_{\max}=A\omega=2.0\ \text{m/s}$ at equilibrium, and at $x=0.050\ \text{m}$ the speed is $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$.
إذن عند أطراف الاهتزاز ($x=\pm A$) تكون السرعة صفراً والتسارع أكبر ما يمكن؛ وعند المرور بت-position التوازن ($x=0$) يكون التسارع صفراً والسرعة أكبر ما يمكن، $v_{\max}=A\omega$. تأتي السعة $A$ والثابت الطوري $\phi$ من الشروط الابتدائية: أين يبدأ الجسم وكيف بسرعة يتحرك. بإزالة $t$ (أو باستخدام الطاقة، أدناه) نحصل على السرعة بدلالة الموقع:
$$v=\pm\,\omega\sqrt{A^2-x^2}.$$
تتغير الإزاحة جيبيًا مع الزمن في الحركة التوافقية البسيطة
مثال محلول. كتلة $0.50\ \text{kg}$ على ناب $k=200\ \text{N/m}$: $\omega=\sqrt{k/m}=20\ \text{rad/s}$، $T=2\pi/\omega=0.31\ \text{s}$. مع $A=0.10\ \text{m}$: $v_{\max}=A\omega=2.0\ \text{m/s}$ عند التوازن، وعند $x=0.050\ \text{m}$ تكون السرعة $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$.
7.4
Energy of Simple Harmonic Oscillators · طاقة المتذبذبات التوافقية البسيطة
Syllabus · المنهج
English
Learning Objective 7.4.A: Describe the mechanical energy of a system exhibiting SHM.
7.4.A.1 The total energy of a system exhibiting SHM is the sum of the system's kinetic and potential energies.
Relevant equation:$E_{\text{total}} = U + K$
7.4.A.2 Conservation of energy indicates that the total energy of a system exhibiting SHM is constant.
7.4.A.3 The kinetic energy of a system exhibiting SHM is at a maximum when the system's potential energy is at a minimum.
7.4.A.4 The potential energy of a system exhibiting SHM is at a maximum when the system's kinetic energy is at a minimum.
7.4.A.4.i The minimum kinetic energy of a system exhibiting SHM is zero.
7.4.A.4.ii Changing the amplitude of a system exhibiting SHM will change the maximum potential energy of the system and, therefore, the total energy of the system.
Relevant equation for a spring–object system:$E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$
العربية
الهدف التعليمي 7.4.A: وصف الطاقة الميكانيكية لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة.
7.4.A.1 الطاقة الكلية لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة هي مجموع طاقته الحركية وطاقة وضعه.
المعادلة ذات الصلة:$E_{\text{total}} = U + K$
7.4.A.2 يشير حفظ الطاقة إلى أن الطاقة الكلية لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة ثابتة.
7.4.A.3 تكون الطاقة الحركية لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة في أقصى قيمة لها عندما تكون طاقة وضعه في أدنى قيمة لها.
7.4.A.4 تكون طاقة الوضع لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة في أقصى قيمة لها عندما تكون الطاقة الحركية للنظام في أدنى قيمة لها.
7.4.A.4.i تكون الطاقة الحركية الدنيا لنظام يظهر حركة توافقية بسيطة مساوية للصفر.
7.4.A.4.ii تغيير سعة نظام يظهر حركة توافقية بسيطة سيغير طاقة الوضع القصوى للنظام، وبالتالي الطاقة الكلية للنظام.
المعادلة ذات الصلة لنظام زنبرك-جسم:$E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$
Source: College Board AP Course and Exam Description · المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP
English
The total energy of the oscillator is the sum $E=U+K$, and with no friction it is constant – energy just trades back and forth between the spring's potential energy and the mass's kinetic energy:
$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2.$$
All potential at the ends (where $K=0$), all kinetic at equilibrium (where $U$ is minimum). Because $E\propto A^2$, doubling the amplitude quadruples the energy.
Worked example. Where is the energy split evenly? Set $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$, so $x=A/\sqrt2\approx0.71A$ – much closer to the end than to the middle. For the system above ($A=0.10\ \text{m}$): $x=0.071\ \text{m}$.
Left alone, a system oscillates at its own natural frequency 固有频率 (set by $k$ and $m$: $f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}$). Drive it with a periodic force at that same frequency and the amplitude grows dramatically – resonance 共振. Each well-timed push adds energy faster than damping removes it, so the driven amplitude peaks sharply when the driving frequency matches $f_0$ (a swing pumped in time, a bridge shaken by wind).
العربية
الطاقة الكلية للمذبوب هي المجموع $E=U+K$، وبغياب الاحتكاك فهي ثابتة – الطاقة تتبادل فقط بين طاقة وضع الناب وطاقة حركة الكتلة:
$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2.$$
كل الطاقة عند الأطراف (حيث $K=0$)، وكل الطاقة الحركية عند التوازن (حيث $U$ هو الأدنى). بما أن $E\propto A^2$، فإن مضاعفة السعة يضاعف الطاقة أربعة أضعاف.
تتبادل الطاقة الحركية والكامنة خلال دورة واحدة بينما تظل الطاقة الكلية ثابتة
مثال محلول. أين تنقسم الطاقة بالتساوي؟ ضع $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$، إذن $x=A/\sqrt2\approx0.71A$ – أقرب بكثير للنهاية منه للوسط. بالنسبة للنظام أعلاه ($A=0.10\ \text{m}$): $x=0.071\ \text{m}$.
مُتركًا لذاته، يهتز النظام بـتردده الطبيعي (المحدود بـ $k$ و $m$: $f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}$). قم بتحريكه بقوة دورية بنفس التردد وتنمو السعة بشكل هائل – الرنين. كل دفعة متزامنة تضيف طاقة أسرع مما يزيله التخميد، لذلك تبلغ سعة المحركة ذروتها بحدة عندما يتطابق تردد المحرك مع $f_0$ (أرجوحة تُدفع بإيقاع، جسر يُهز بواسطة الرياح).
Explore · استكشف
Trade kinetic and potential energy in SHM · تبادل الطاقة الحركية والكامنة في الحركة التوافقية البسيطة
In simple harmonic motion, energy sloshes between kinetic (fastest at the centre) and potential (greatest at the extremes) while the total stays constant. · في الحركة التوافقية البسيطة، تتناوب الطاقة بين الطاقة الحركية (الأعلى في المركز) والطاقة الكامنة (الأعلى عند الأطراف) بينما يبقى المجموع ثابتًا.
7.5
Simple and Physical Pendulums · البندولات البسيطة والجسدية
Syllabus · المنهج
English
Learning Objective 7.5.A: Describe the properties of a physical pendulum.
7.5.A.1 A physical pendulum is a rigid body that undergoes oscillation about a fixed axis.
7.5.A.2 For small amplitudes of motion, the period of a physical pendulum is derived from the application of Newton's second law in rotational form.
7.5.A.3 A simple pendulum is a special case of physical pendulums in which the hanging object can be modeled as a point mass at a distance, $l$, from the pivot point.
7.5.A.4 A torsion pendulum is a case of SHM where the restoring torque is proportional to the angular displacement of a rotating system. For example, a horizontal disk that is suspended from a wire attached to its center of mass may undergo rotational oscillations about the wire in the horizontal plane.
Derived equation:$I\alpha = -k\Delta\theta$
العربية
الهدف التعليمي 7.5.A: صف خصائص البندول الفيزيائي.
7.5.A.1 البندول الفيزيائي هو جسم صلب يخضع لتذبذب حول محور ثابت.
7.5.A.2 بالنسبة لسعات حركة صغيرة، يتم اشتقاق دورة البندول الفيزيائي من تطبيق قانون نيوتن الثاني بالصيغة الدوورية.
المعادلة ذات الصلة:$T_{\text{phys}} = 2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}$
7.5.A.2.i عند الإزاحة من التوازن، توفر القوة الجاذبة المؤثرة على مركز كتلة البندول الفيزي عزم استعادة.
معادلة مشتقة:$\tau = -mgd\sin\theta$
7.5.A.2.ii بالنسبة لسعات حركة صغيرة، يمكن تطبيق تقريب الزوايا الصغيرة على عزم الاستعادة.
معادلة مشتقة:$\sin\theta \approx \theta$
$\tau = -mgd\theta = I\alpha$
7.5.A.2.iii يؤدي تقريب الزوايا الصغيرة وقانون نيوتن الثاني بالصيغة الدوورية إلى معادلة تفاضلية من الرتبة الثانية تصف الحركة التوافقية البسيطة:
7.5.A.3 البندول البسيط هو حالة خاصة من البندولات الفيزيائية حيث يمكن نمذجة الجسم المعلق على أنه كتلة نقطية على مسافة، $l$، من نقطة التعليق.
المعادلة ذات الصلة:$T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$
7.5.A.4 البندول اللولبي هو حالة من الحركة التوافقية البسيطة حيث يكون عزم الاستعادة متناسبًا مع الإزاحة الزاوية لنظام دوار. على سبيل المثال، قد تخضع قرص أفقي معلق بسلك متصل بمركز كتلته لتذبذبات دورية حول السلك في المستوى الأفقي.
معادلة مستنتجة:$I\alpha = -k\Delta\theta$
Source: College Board AP Course and Exam Description · المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP
English
Energy conservation: KE ⇄ PE
A physical pendulum 物理摆 is any rigid body swinging about a fixed pivot. Displace it by an angle $\theta$ and gravity, acting at the center of mass a distance $d$ from the pivot, supplies a restoring torque
$$\tau=-mgd\sin\theta.$$
For small angles, apply the small-angle approximation 小角度近似$\sin\theta\approx\theta$ and Newton's second law in rotational form ($\tau=I\alpha$):
This is the same "$\ddot\theta=-\omega^2\theta$" pattern as before – recognising it is the derivation. A simple pendulum 单摆 is the special case of a point mass on a light string: $I=m\ell^2$ and $d=\ell$ give $T=2\pi\sqrt{\ell/g}$.
Worked example. A uniform rod (mass $M$, length $L$) swings from one end: $I=\tfrac13ML^2$, $d=\tfrac{L}{2}$, so
– shorter than a simple pendulum of length $L$, because the rod's mass sits nearer the pivot.
A torsion pendulum 扭摆 – a disk hanging from a wire that twists – is SHM one more time: the wire's restoring torque is proportional to the twist angle, $I\alpha=-\kappa\,\Delta\theta$, giving $T=2\pi\sqrt{I/\kappa}$.
Exam skill. Every pendulum FRQ wants the same three steps: write the restoring torque about the pivot, apply the small-angle approximation, and match the result to $\ddot\theta=-\omega^2\theta$ to read off $\omega$. State the small-angle step explicitly – it is a scored point, and it is why large-amplitude swings are not simple harmonic.
العربية
حفظ الطاقة: KE ⇄ PE
البندول الفيزيائي هو أي جسم صلب يتأرجح حول محور ثابت. إذا إزاحته بزاوية $\theta$، فإن الجاذبية المؤثرة على مركز الثقل على بُعد $d$ عن المحور توفر عزم استعادة
هذا هو نمط "$\ddot\theta=-\omega^2\theta$" نفسه السابق – التعرف عليه هو الاستنتاج. البندول البسيط هو حالة خاصة لكتلة نقطية على خيط خفيف: $I=m\ell^2$ و $d=\ell$ يعطيان $T=2\pi\sqrt{\ell/g}$.
الجاذبية المؤثرة في مركز الثقل توفر عزم الإرجاع للبندول الجسدي
مثال محلول. عارضة منتظمة (كتلة $M$، طول $L$) تهتز من أحد طرفيها: $I=\tfrac13ML^2$، $d=\tfrac{L}{2}$، لذا
– أقصر من بندول بسيط بطول $L$، لأن كتلة العارضة تقع أقرب إلى محور الدوران.
البندول المالتوي – قرص معلق بسلك يلتوي – هو مرة أخرى حركة توافقية بسيطة: عزم الإرجاع للسلك يتناسب مع زاوية الالتواء، $I\alpha=-\kappa\,\Delta\theta$، مما يعطي $T=2\pi\sqrt{I/\kappa}$.
مهارة الامتحان. كل مسألة FRQ عن البندول تريد نفس الخطوات الثلاث: اكتب عزم الإرجاع حول محور الدوران، طبق تقريب الزوايا الصغيرة، واطابق النتيجة مع $\ddot\theta=-\omega^2\theta$ لاستخراج $\omega$. نصّ على خطوة الزوايا الصغيرة صراحةً – فهي نقطة مُدرجة، وهي السبب في أن اهتزازات السعة الكبيرة ليست توافقية بسيطة.
بندول فوكو: بندول طويل وثقيل يكشف اهتزازه البطيء عن دوران الأرض أسفله
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · اختر واحدًا وسيتبعك الموقع — الملاحظات، الأوراق، الفيديوهات والتدريب جميعها تفتح عليه.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · اكتب للبحث عن ملاحظات، دروس، أكواد، مفردات وأسئلة امتحانات سابقة عبر جميع المواد.