Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Oscillations · ⁨การสั่นสะเทือน⁩

AP Physics C: Mechanics · Topic 7 · ⁨หัวข้อ 7⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
8:14

การสั่นสะเทือน

ในพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ ลูกบอลทองเหลืองห้อยอยู่ด้วยสายยาวมาก มันแกว่งทั้งวันเหนือพื้นที่มีเครื่องหมาย ไม่ถูกสัมผัส การแกว่งแต่ละครั้งใช้เวลาเท่ากับการแกว่งครั้งสุดท้าย...

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

7.1

Defining Simple Harmonic Motion · ⁨นิยามการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 7.1.A: Describe simple harmonic motion.

  • 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.
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 7.1.A: อธิบายการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย

  • 7.1.A.1 การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่ายเป็นกรณีพิเศษของการเคลื่อนที่แบบซ้ำ周期
  • 7.1.A.2 SHM เกิดขึ้นเมื่อขนาดของแรงคืนกลับที่ทำต่อวัตถุแปรผันตรงกับระยะการกระจัดของวัตถุนั้นจากตำแหน่งสมดุล
    • สมการที่ได้มา: $ma_x = -k\Delta x$
    • 7.1.A.2.i แรงคืนกลับคือแรงที่กระทำในทิศทางตรงข้ามกับระยะการกระจัดของวัตถุจากตำแหน่งสมดุล
    • 7.1.A.2.ii ตำแหน่งสมดุลคือตำแหน่งที่ผลรวมแรงที่ทำต่อวัตถุหรือระบบมีค่าเป็นศูนย์

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ 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:

$$\frac{d^2x}{dt^2}=-\frac{k}{m}\,x=-\omega^2 x,\qquad \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}.$$

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.)

ไทย
การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย (SHM) เป็นกรณีพิเศษของการ เคลื่อนที่แบบรอบตัว เกิดขึ้นเมื่อมีสองสิ่งนี้จริง: มีตำแหน่ง สมดุล ที่แรงลัพธ์เป็นศูนย์ และการกระจัดวัตถุออกไปจะเกิด แรงคืนสู่สภาพเดิม – ซึ่งเป็นแรงชี้กลับเข้าสู่จุดสมดุล – ที่มีขนาด แปรผันตรงกับ การกระจัด:

$$F=-k\,\Delta x.$$

กฎข้อที่สองของนิวตันจึงให้ สมการเชิงอนุพันธ์ ที่กำหนดลักษณะไว้ดังนี้:

$$\frac{d^2x}{dt^2}=-\frac{k}{m}\,x=-\omega^2 x,\qquad \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}.$$

คำตอบของมันคือรูปทรงไซน์-คอสাইน, $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$ คุณไม่จำเป็นต้องพิสูจน์คำตอบนี้ – แต่คุณต้อง จดจำ สมการได้ว่า: ระบบใดwhose motion obeys "$\ddot{x}=-\omega^2x$" คือเครื่องสั่นแบบฮาร์มอนิกง่าย ไม่ว่าระบบนั้นจะประกอบด้วยอะไรก็ตาม (มวลที่แขวนอยู่บนสปริงแนวตั้งทำงานเหมือนกัน: แรงโน้มถ่วงเพียงย้ายจุดสมดุลไปเท่านั้น การสั่นรอบจุดใหม่นี้จะคงเดิม)

ในการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก ความเร่งจะชี้กลับเข้าหาจุดสมดุลเสมอ ตรงข้ามกับการกระจัด
ในการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก ความเร่งจะชี้กลับเข้าหาจุดสมดุล เสมอ ตรงข้ามกับการกระจัด
7.2

Frequency and Period of SHM · ⁨ความถี่และคาบของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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:
    • Equation: $T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{1}{f}$
    • 7.2.A.1.i The period of an object–ideal-spring oscillator is given by the equation
      • Equation: $T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}.$
    • 7.2.A.1.ii The period of a simple pendulum displaced by a small angle is given by the equation
      • Equation: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}}.$
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 7.2.A: อธิบายความถี่และคาบของวัตถุที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย

  • 7.2.A.1 คาบของการสั่นสะเทือนแบบsimple harmonic motion (SHM) มีความสัมพันธ์กับความถี่เชิงมุม $\omega$ ของการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยสมการต่อไปนี้:
    • สมการ: $T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{1}{f}$
    • 7.2.A.1.i คาบของออสซิลเลเตอร์วัตถุ-สปริงอุดมคติกำหนดโดยสมการ
      • สมการ: $T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}.$
    • 7.2.A.1.ii คาบของลูกตุ้มน้อยที่เบี่ยงเบนจากตำแหน่งสมดุลด้วยมุมเล็กกำหนดโดยสมการ
      • สมการ: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}}.$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

The angular frequency 角频率 $\omega$ sets the period 周期 and frequency 频率:

$$T=\frac{2\pi}{\omega}=\frac{1}{f}.$$

For the two standard systems:

$$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{\ell}{g}}.$$

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).

ไทย

ความถี่เชิงมุม $\omega$ กำหนด คาบ และ ความถี่ :

$$T=\frac{2\pi}{\omega}=\frac{1}{f}.$$

สำหรับระบบมาตรฐานทั้งสอง:

$$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{\ell}{g}}.$$

กับดักแนวคิดคลาสสิกสองอย่าง: คาบของ SHM ไม่เคยขึ้นอยู่กับ แอมพลิจูด, และแต่ละระบบละเลยตัวแปรที่ดูชัดเจนไปหนึ่งอย่าง – คาบของลูกตุ้มนั้นไม่เกี่ยวข้องกับมวลของมัน, และคาบของสปริงไม่เกี่ยวข้องกับ $g$ (เครื่องสั่นสปริง-มวลจะรักษาเวลาได้อย่างแม่นยำในอวกาศ; แต่นาฬิกาลูกตุ้มไม่ได้)

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Time a pendulum's swing · ⁨วัดเวลาแกว่งของลูกตุ้มน้ำหนัก⁩

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. · ⁨คาบ ของลูกตุ้มน้ำหนักขึ้นอยู่กับความยาวและแรงโน้มถ่วง ไม่ใช่มวลหรือขนาดการแกว่ง (เล็ก): $T=2\pi\sqrt{L/g}$. ยืดความยาวออกแล้วแต่ละรอบจะใช้เวลา lâuขึ้น⁩

7.3

Representing and Analyzing SHM · ⁨การแสดงและการวิเคราะห์การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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.
    • Derived equation: $\dfrac{d^2 x}{dt^2} = -\omega^2 x$
  • 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.

ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 7.3.A: อธิบายการกระจัด ความเร็ว และความเร่งของวัตถุที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย

  • 7.3.A.1 สำหรับวัตถุที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย การกระจัดของวัตถุนั้นวัดจากตำแหน่งสมดุลสามารถแทนได้ด้วยสมการ $x = A\cos(2\pi ft)$ หรือ $x = A\sin(2\pi ft)$
    • 7.3.A.1.i ค่าต่ำสุด ค่าสูงสุด และค่าศูนย์ของการกระจัด ความเร็ว และความเร่งเป็นลักษณะของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก
    • 7.3.A.1.ii การระบุตำแหน่งหรือเวลาที่การกระจัด ความเร็ว และความเร่งสำหรับการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่ายมีค่าสูงสุดหรือต่ำสุดหรือศูนย์ ช่วยในการอธิบายพฤติกรรมของการเคลื่อนที่เชิงคุณภาพ
  • 7.3.A.2 ตำแหน่งในฐานะฟังก์ชันของเวลาสำหรับวัตถุที่แสดง SHM เป็นคำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์อันดับสองที่ได้มาจากการประยุกต์ใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน
    • สมการที่ได้มา: $\dfrac{d^2 x}{dt^2} = -\omega^2 x$
  • 7.3.A.3 ลักษณะของ SHM เช่น ความเร็วและความเร่ง สามารถระบุได้หรือหาได้จากสมการ $x = A\cos(\omega t + \phi).$
    • 7.3.A.3.i ความเร่งของวัตถุที่แสดง SHM มีความสัมพันธ์กับความถี่เชิงมุมและตำแหน่งของวัตถุนั้น
      • สมการที่ได้จาก: $a = -\omega^2 x$
    • 7.3.A.3.ii สามารถพิสูจน์ได้ว่าความเร็วสูงสุดและความเร่งสูงสุดของวัตถุที่แสดง SHM มีความสัมพันธ์กับความถี่เชิงมุมของการเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น
      • สมการที่หาได้: $v_{\max} = A\omega$
      • $a_{\max} = A\omega^2$
  • 7.3.A.4 ในกรณีที่มีแรงภายนอกแบบไซน์อย์ด มีระบบหนึ่งอาจเกิดปรากฏการณ์เรโซแนนซ์
    • 7.3.A.4.i เรโซแนนซ์เกิดขึ้นเมื่อมีแรงภายนอกกระทำที่ความถี่ธรรมชาติของระบบสั่นสะเทือน
    • 7.3.A.4.ii เรโซแนนซ์ทำให้แอมพลิจูดของการเคลื่อนที่สั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น
    • 7.3.A.4.iii ความถี่ธรรมชาติของระบบคือความถี่ที่ระบบจะสั่นสะเทือนเมื่อถูกเบี่ยงเบนออกจากตำแหน่งสมดุล
  • 7.3.A.5 การเปลี่ยนแอมพลิจูดของระบบที่แสดง SHM จะไม่ทำให้คาบเปลี่ยนไป
  • 7.3.A.6 คุณสมบัติของ SHM สามารถระบุและวิเคราะห์ได้โดยใช้กราฟแสดง

ข้อความขอบเขต: AP Physics C: Mechanics คาดหวังให้นักเรียน只知道คำตอบของสมการเชิงอนุพันธ์อันดับสองที่อธิบาย SHM และรู้จักจำแนก SHM เท่านั้น AP Physics C: Mechanics ไม่คาดหวังให้นักเรียนพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่าคำตอบนั้นถูกต้อง

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Differentiate $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$ twice:

$$v=-A\omega\sin(\omega t+\phi),\qquad a=-A\omega^2\cos(\omega t+\phi)=-\omega^2x.$$

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 $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$.

ไทย

หาอนุพันธ์ $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$ สองครั้ง:

$$v=-A\omega\sin(\omega t+\phi),\qquad a=-A\omega^2\cos(\omega t+\phi)=-\omega^2x.$$

ดังนั้นที่ปลายการแกว่ง ($x=\pm A$) ความเร็วจะเป็นศูนย์และความเร่งมีค่ามากที่สุด; ผ่านจุดสมดุล ($x=0$) ความเร่งจะเป็นศูนย์และความเร็วจะมีค่ามากที่สุด, $v_{\max}=A\omega$. แอมพลิจูด $A$ และ ค่าคงที่เฟส $\phi$ มาจากเงื่อนไขเริ่มต้น: ตำแหน่งที่วัตถุเริ่มและความเร็วขณะนั้น การกำจัด $t$ (หรือใช้พลังงาน, ด้านล่าง) จะให้ความเร็วในฐานะฟังก์ชันของตำแหน่ง:

$$v=\pm\,\omega\sqrt{A^2-x^2}.$$
Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motion
ระยะกระจัดแปรผันตามเวลาแบบไซน์ในกรณีการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น

ตัวอย่างวิธีทำ. มวล $0.50\ \text{kg}$ บนสปริง $k=200\ \text{N/m}$: $\omega=\sqrt{k/m}=20\ \text{rad/s}$, $T=2\pi/\omega=0.31\ \text{s}$. ด้วย $A=0.10\ \text{m}$: $v_{\max}=A\omega=2.0\ \text{m/s}$ ที่จุดสมดุล, และที่ $x=0.050\ \text{m}$ ความเร็วคือ $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$.

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
periodic motion/ˌpɪərɪˈɒdɪk ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่ซ้ำ周期 periodic motion
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ จุดดุลยภาพ
restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ แรงฟื้นฟู
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ สมการเชิงอนุพันธ์
angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ ความถี่เชิงมุม
7.4

Energy of Simple Harmonic Oscillators · ⁨พลังงานของเครื่องสั่นแบบฮาร์มอนิก⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 7.4.A: อธิบายพลังงานกลของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย

  • 7.4.A.1 พลังงานรวมของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่ายคือผลบวกของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของระบบ
    • สมการที่เกี่ยวข้อง: $E_{\text{total}} = U + K$
  • 7.4.A.2 กฎการอนุรักษ์พลังงานบ่งชี้ว่าพลังงานรวมของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่ายมีค่าคงที่
  • 7.4.A.3 พลังงานจลน์ของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่ายจะมีค่าสูงสุดเมื่อพลังงานศักย์ของระบบมีค่าน้อยที่สุด
  • 7.4.A.4 พลังงานศักย์ของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (SHM) จะมีค่าสูงสุดเมื่อพลังงานจลน์ของระบบมีค่าน้อยที่สุด
    • 7.4.A.4.i พลังงานจลน์ต่ำสุดของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายมีค่าเป็นศูนย์
    • 7.4.A.4.ii การเปลี่ยนขนาดแอมพลิจูดของระบบที่แสดงการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายจะส่งผลต่อพลังงานศักย์สูงสุดของระบบ และดังนั้นก็ส่งผลต่อพลังงานรวมของระบบด้วย
      • สมการที่เกี่ยวข้องกับระบบสป링-วัตถุ: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ 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).

ไทย

พลังงานรวมของเครื่องสั่นคือผลบวก $E=U+K$, และเมื่อไม่มีแรงเสียดทาน มันจะคงที่ – พลังงานแค่แลกเปลี่ยนกลับไปมาระหว่างพลังงานศักย์ของสปริงและพลังงานจลน์ของมวล:

$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2.$$

ทุกพลังงานเป็นศักย์ที่ปลาย (ที่ $K=0$), ทุกพลังงานเป็นจลน์ที่จุดสมดุล (ที่ $U$ เป็นค่าต่ำสุด) เนื่องจาก $E\propto A^2$ การเพิ่มแอมพลิจูดเป็นสองเท่าจะทำให้พลังงานเพิ่มขึ้นสี่เท่า

การแลกเปลี่ยนระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ตลอดรอบwhileพลังงานรวมคงที่
พลังงานจลนและพลังงานศักย์สลับกันตลอดรอบ mientrasพลังงานรวมคงที่

ตัวอย่างวิธีทำ. พลังงานถูกแบ่งเท่ากันที่ไหน? ตั้ง $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$, ดังนั้น $x=A/\sqrt2\approx0.71A$ – ใกล้เคียงกับปลายมากกว่ากึ่งกลาง สำหรับระบบข้างต้น ($A=0.10\ \text{m}$): $x=0.071\ \text{m}$.

เมื่อปล่อยให้อยู่ตามลำพัง ระบบจะสั่นด้วยความถี่ ธรรมชาติ ของมันเอง (กำหนดโดย $k$ และ $m$: $f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}$). ขับเคลื่อนมันด้วยแรงแบบรอบตัวที่ความถี่เดียวกันและแอมพลิจูดจะเติบโตอย่างมาก – การสั่นพ้อง. การผลักที่มีจังหวะดีในแต่ละครั้งจะเพิ่มพลังงานเร็วกว่าการลดทอนทำให้สูญเสีย, ดังนั้นแอมพลิจูดที่ถูกขับเคลื่อนจะพุ่งสูง.when when the driving frequency matches $f_0$ ( Schaukel yang didorong dengan tempo, jembatan yang diguncang oleh angin).

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Trade kinetic and potential energy in SHM · ⁨แลกเปลี่ยนพลังงานจลน์และศักย์ในการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย⁩

In simple harmonic motion, energy sloshes between kinetic (fastest at the centre) and potential (greatest at the extremes) while the total stays constant. · ⁨ใน การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย พลังงานสลับระหว่างพลังงานจลน์ (เร็วที่สุดที่จุดกึ่งกลาง) และศักย์ (มากที่สุดที่จุดสุดขั้ว) ในขณะที่พลังงานรวมคงที่⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
7.5

Simple and Physical Pendulums · ⁨ลูกตุ้มน้ำหนักเบาและลูกตุ้มน้ำหนักแข็ง⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
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.
    • Relevant equation: $T_{\text{phys}} = 2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}$
    • 7.5.A.2.i When displaced from equilibrium, the gravitational force exerted on a physical pendulum's center of mass provides a restoring torque.
      • Derived equation: $\tau = -mgd\sin\theta$
    • 7.5.A.2.ii For small amplitudes of motion, the small-angle approximation can be applied to the restoring torque.
      • Derived equation: $\sin\theta \approx \theta$
      • $\tau = -mgd\theta = I\alpha$
    • 7.5.A.2.iii The small-angle approximation and Newton's second law in rotational form yield a second-order differential equation that describes SHM:
      • Equation: $\dfrac{d^2\theta}{dt^2} = -\omega^2\theta$
  • 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.
    • Relevant equation: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$
  • 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: $I\alpha = -k\Delta\theta$
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 7.5.A: อธิบายคุณสมบัติของลูกตุ้มนิพจน์

  • 7.5.A.1 ลูกตุ้มนิพจน์คือวัตถุแข็งตัวที่ undergoing การสั่นสะเทือนรอบๆ แกนคงที่
  • 7.5.A.2 สำหรับแอมพลิจูดการเคลื่อนที่ขนาดเล็ก คาบของลูกตุ้มนิพจน์หาได้จากกฎข้อที่สองของนิวตันในรูปเชิงหมุน
    • สมการที่เกี่ยวข้อง: $T_{\text{phys}} = 2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}$
    • 7.5.A.2.i เมื่อถูกเบี่ยงเบนจากตำแหน่งสมดุล แรงโน้มถ่วงที่ทำต่อจุดศูนย์กลางมวลของลูกตุ้มนิพจน์จะให้แรงบิดคืนตัว
      • สมการที่ได้จาก: $\tau = -mgd\sin\theta$
    • 7.5.A.2.ii สำหรับแอมพลิจูดการเคลื่อนที่ขนาดเล็ก สามารถใช้การประมาณมุมเล็กได้กับแรงบิดคืนตัว
      • สมการที่ได้จาก: $\sin\theta \approx \theta$
      • $\tau = -mgd\theta = I\alpha$
    • 7.5.A.2.iii การประมาณมุมเล็กและกฎข้อที่สองของนิวตันในรูปเชิงหมุนให้สมการเชิงอนุพันธ์อันดับสองที่อธิบาย SHM:
      • สมการ: $\dfrac{d^2\theta}{dt^2} = -\omega^2\theta$
  • 7.5.A.3 ลูกตุ้มนาฬิกาเป็นกรณีพิเศษของลูกตุ้มนิพจน์ที่วัตถุที่แขวนสามารถจำลองเป็นมวลจุดที่ระยะ $l$ จากจุดหมุน
    • สมการที่เกี่ยวข้อง: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$
  • 7.5.A.4 ลูกตุ้มนิรประคองคือกรณีของ SHM ที่แรงบิดคืนตัวแปรผันตรงกับมุมเบี่ยงเบนของระบบหมุน ตัวอย่างเช่น จานแนวนอนที่แขวนด้วยลวดที่เชื่อมต่อกับจุดศูนย์กลางมวลของมันอาจ undergo การสั่นสะเทือนแบบหมุนรอบๆ ลวดในระนาบแนวนอน
    • สมการที่ได้มา: $I\alpha = -k\Delta\theta$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ 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 ($\tau=I\alpha$):

$$\frac{d^2\theta}{dt^2}=-\frac{mgd}{I}\,\theta=-\omega^2\theta\quad\Rightarrow\quad T_{\text{phys}}=2\pi\sqrt{\frac{I}{mgd}}.$$

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

$$T=2\pi\sqrt{\frac{\tfrac13ML^2}{Mg\,\tfrac{L}{2}}}=2\pi\sqrt{\frac{2L}{3g}}$$

– 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.

ไทย
การอนุรักษ์พลังงาน: KE ⇄ PE

ลูกตุ้มน้ำหนักแข็ง คือวัตถุแข็งใดๆ ที่แกว่งรอบจุดหมุนคงที่ กระจัด它以出角度 $\theta$ และแรงโน้มถ่วง,作用于质心距支点距离 $d$, 提供恢复力矩

$$\tau=-mgd\sin\theta.$$

สำหรับมุมเล็ก, ใช้ การประมาณมุมเล็ก $\sin\theta\approx\theta$ และกฎข้อที่สองของนิวตันในรูปแบบหมุน ($\tau=I\alpha$):

$$\frac{d^2\theta}{dt^2}=-\frac{mgd}{I}\,\theta=-\omega^2\theta\quad\Rightarrow\quad T_{\text{phys}}=2\pi\sqrt{\frac{I}{mgd}}.$$

นี่คือรูปแบบ "$\ddot\theta=-\omega^2\theta$" เดิม – การจดจำมัน คือ การพิสูจน์ itself. ลูกตุ้มน้ำหนักเบา เป็นกรณีพิเศษของมวลจุดบนเชือกน้ำหนักเบา: $I=m\ell^2$ และ $d=\ell$ ให้ $T=2\pi\sqrt{\ell/g}$.

แรงโน้มถ่วงที่กระทำที่จุดศูนย์กลางมวลให้แรงคืนสู่สภาพเดิมของลูกตุ้มน้ำหนักแข็ง
แรงโน้มถ่วงที่กระทำที่จุดศูนย์กลางมวลให้แรงคืนสู่สภาพเดิมของลูกตุ้มน้ำหนักแข็ง

ตัวอย่างวิธีทำ. แท่งสม่ำเสมอ (มวล $M$, ยาว $L$) แกว่งจากปลายด้านหนึ่ง: $I=\tfrac13ML^2$, $d=\tfrac{L}{2}$, ดังนั้น

$$T=2\pi\sqrt{\frac{\tfrac13ML^2}{Mg\,\tfrac{L}{2}}}=2\pi\sqrt{\frac{2L}{3g}}$$

– สั้นกว่าลูกตุ้มน้ำหนักเบายาว $L$, เพราะมวลของแท่งอยู่ใกล้จุดหมุนมากกว่า

ลูกตุ้มน้ำหนักแข็งแบบบิด – จานที่ห้อยจากสายที่บิดตัว – เป็นการสั่นแบบฮาร์มอนิกอีกครั้ง: แรงคืนสู่สภาพเดิมของสายแปรผันตรงกับมุมบิด, $I\alpha=-\kappa\,\Delta\theta$, ให้ $T=2\pi\sqrt{I/\kappa}$.

ทักษะการสอบ. FRQ ลูกตุ้มทุกข้อต้องการสามขั้นตอนเดียวกัน: เขียนแรงคืนสู่สภาพเดิมรอบจุดหมุน, ใช้การประมาณมุมเล็ก, และจับคู่ผลลัพธ์กับ $\ddot\theta=-\omega^2\theta$ เพื่ออ่านค่า $\omega$. ระบุขั้นตอนนี้ให้ชัดเจน – มันเป็นคะแนนที่ประเมิน, และนั่นคือเหตุผลที่การแกว่งที่มีแอมพลิจูดใหญ่ ไม่ใช่ การสั่นแบบฮาร์มอนิกง่าย

ลูกตุ้มนิโคเล่ขนาดใหญ่ที่แกว่งเหนือพื้นที่มีเครื่องหมาย
ลูกตุ้มนิโคเล่: ลูกตุ้มนานหนัก whose slow swing reveals the Earth turning beneath it
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
physical pendulum/ˈfɪzɪkl ˈpendjʊləm/ ลูกตุ້มนิรภัยจริง
7.5

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • Identify SHM from a linear restoring force $F=-kx$, which gives $\tfrac{d^2x}{dt^2}=-\omega^2 x$ with $\omega=\sqrt{k/m}$.
  • Write the solution $x=A\cos(\omega t+\phi)$ and get $v,a$ by differentiating; period $T=\tfrac{2\pi}{\omega}$ is amplitude-independent.
  • Energy trades between $\tfrac12 kx^2$ and $\tfrac12 mv^2$, with total $\tfrac12 kA^2$.
  • For a pendulum, use the small-angle approximation $\sin\theta\approx\theta$ to reach SHM.
  • Match phase to the start: released from rest at maximum displacement uses cosine.
ไทย
  • ระบุ SHM จาก แรงคืนสู่สภาพเดิมเชิงเส้น $F=-kx$, which gives $\tfrac{d^2x}{dt^2}=-\omega^2 x$ with $\omega=\sqrt{k/m}$.
  • เขียนคำตอบ $x=A\cos(\omega t+\phi)$ และได้ $v,a$ by differentiating; period $T=\tfrac{2\pi}{\omega}$ is amplitude-independent.
  • Energy trades between $\tfrac12 kx^2$ and $\tfrac12 mv^2$, with total $\tfrac12 kA^2$.
  • For a pendulum, use the small-angle approximation $\sin\theta\approx\theta$ to reach SHM.
  • Match phase to the start: released from rest at maximum displacement uses cosine.
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ แอมพลิจูด
phase constant/feɪz ˈkɒnstənt/ เฟสคงที่
natural frequency/ˈnætʃərəl ˈfriːkwənsi/ ความถี่ธรรมชาติ
resonance/ˈrezənəns/ เรโซแนนซ์
small-angle approximation/smɔːl ˈæŋɡl əˌprɒksɪˈmeɪʃn/ การประมาณมุมเล็ก
simple pendulum/ˈsɪmpl ˈpendjʊləm/ ลูกตุ้มนิรภัย
torsion pendulum/ˈtɔːʃn ˈpendjʊləm/ ลูกตุ้ยมุมบิด

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in AP Physics C: Mechanics · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน AP Physics C: Mechanics⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP