Experimentalphysik E1

Transkript

1 Experimentalphysik E1 Erzwungene & gekoppelte Schwingungen Alle Informationen zur Vorlesung unter : Jan. 016

2 Gedämpfte Schwingungen m d x dt + b dx dt + D x = 0 Lösung : gedämpfter Oszillator x t ( ) = A 0 e γ t sin ω t ( ) Einhüllende Zeit γ = b m τ A = 1 γ Abklingkoeffizient Abklingzeit der Amplitude

3 Gedämpfte Schwingungen Weitere Eigenschaften des gedämpften Oszillators 1.) Die Kreisfrequenz ist etwas kleiner als die Kreisfrequenz im ungedämpften Fall & ω " = ω 0 1 γ ) ( + ' ω 0 *.) Die Energie nimmt exponentiell ab mit der Abklingzeit. τ E =1 γ E ( ) t τ E t E e = 0 3.) Die Dämpfung wird durch den Gütefaktor (Q-Faktor) gekennzeichnet, welcher umgekehrt zum relativen Energieverlust pro Periode ist. Q = π E ΔE

4 Der freie gedämpfte Oszillator z.b.: Federpendel + Dämpfer (Wahl des Ursprungs??? ) Stokessche Reibung: F r m x + b x + D x = 0 b D x + x + x = 0 m m = 6 π η r v b 0 = x + γ x + ω x 0 mit D ω0 = ; γ m = b m

5 λ t Ansatz für die DGL: x( t) = c e λ + γλ + ω 0 = 0 λ 1/ = γ ± γ ω0 x & # ( ) = γ t γ ω0 t γ ω0 t t e c e + c e! " $ % 1 Amplitude fällt exponentiell Im x( t) Re

6 Schwache Dämpfung: γ < ω 0 λ ist komplex mit ω = ω 0 γ λ 1/ = γ ± - ω = γ ± i ω x( t) = e γ t ( c e i ωt + c* e i ωt ) x γ t ( t) = e A cos( ωt + ϕ) wie gehabt: A = ( c c *) i c ; tan ϕ = = c + c * Imc Rec Frequenz wird durch Reibung reduziert

7 Amplitude fällt exponentiell x ( t + T ) x( t) = e γ T ; nach A e 1 τ = γ abgefallen ist die Amplitude auf x( t) T = ω π 0 γ A e A e γ t t τ = 1 γ

8 Erzwungene Schwingungen Bewegungsgleichung m d x dt + b dx dt + D x = F 0 cos(ωt) x ʹ + γx ʹ + ω 0 x = K cosωt ω 0 = D m γ = b m K = F 0 m Lösung an Komplexer Ebene Erweitert um imaginäre Schwingung z = x + iy z ʹ + zγ + ω 0 z = K e iωt Ansatz für stationäre Lsg. iωt z = z 0 e z 0 = z 0 e iϕ tanϕ = Imz Re z = γω ω 0 ω

9 Allgemeine Lösung der Inhomogene DGL= Allgemeine Lösung der Homogenen DGL + spezielle Lösung der Inhomogenen DGL x( t) = A 1 e γt cos( ω 1 t + ϕ 1 ) + A cos( ωt + ϕ) mit ω 1 = ω 0 γ für schwache Dämpfung Stationäre Lösung x( t) = A cos( ωt + ϕ)

10 m F = F 0 cos( ω t) Erzwungene Schwingungen m x + γm x + m ω 0 x = F t ( ) F t ( ) : Von außen angelegte Kraft F( t) = F 0 e iω t x( t) = x 0 e iω t m ω x 0 e iω t + i ω γm x 0 e iω t + m ω 0 x 0 e iω t = F 0 e iω t m ω x 0 + i ω γm x 0 + m ω 0 x 0 = F 0 F x 0 = 0 m ω 0 ω + i ω γ = F 0 m ω ( ω 0 ω ) 0 ω i ω γ + (γω) ( ) Im ϕ x 0 = x 0 e iϕ Re

11 x 0 = F 0 m ω ( ω 0 ω ) 0 ω i ω γ + (γω) ( ) x 0 = x 0 x 0 * = ( F 0 m) ω 0 ω ω 0 ω ( ) + (γω) ( ) + (γω) = ( F 0 m) ( ω 0 ω ) + (γω) x 0 = F 0 m ( ω 0 ω ) + (γω) Amplitude tan ϕ ( ) = Im ( x 0) ( ) Re x 0 γ ω = ( ω 0 ω ) Phasenverschiebung

12 x 0 = F 0 m ( ω 0 ω ) + (γω) F 0 m ω 0 0 π ω 0 tan( ϕ) = γω ( ω 0 ω ) π ω 0 - In der Resonanz liegt die Phase des Erregers um π/ vor dem Oszillator z. B. Anregung mit cos (ω 0 t) -> Resonanz cos(ω 0 t-π/)=sin(ω 0 t) - Für ω->0 gleichphasig, für ω-> gegenphasig Versuche Pohl sches Rad und Glas Film Tacoma Bridge

13 Näherung für schwache Dämpfung γ<<ω x 0 = F 0 m ( ω 0 ω ) + (γω) = F 0 m ( ω 0 ω) ( ω 0 +ω) + (γω) In der Nähe der Resonanz ω 0 ω ω 0 ω 0 x 0 mω 0 F 0 x ( ω 0 ω) 0 +γ F 0 4m ω ( 0 ( ω 0 ω) +γ ) Maximum: A := x 0 ( ) ω 0 F 0 4m ω 0 γ ω 0 = ω 1 ±γ Halbwertsbreite: Δω H = γ A =! x 0 ( ) = γ ( ω 1 ) ω 0 ω 1 A Güte des Oszillators: Q = ω 0 Δω H A Δω H

14 Energie im Harmonischen Oszillator Ungedämpfter harm. Oszillator: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. kinetische Energie: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Potentielle Energie: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Mittelwerte über eine Periode D a s Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise

15 Energieübertragung bei erzwungener Schwingung im gedämpften harm. Oszillator: Im eingeschwungenen Zustand ändert sich die Amplitude der Schwingung mit der Zeit nicht mehr. Alle Energie, die dem System von außen zugeführt wird, muß vollständig in Reibungswärme umgewandelt werden. dissipierte Leistung: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn = β x = γm x Pro Zyklus aufgenommene Arbeit: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Mittlere Leistung: Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Maximal für weil A dann maximal Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über

16 Absorption und Transmission von infrarotem Licht bei Einstrahlung einer el.-magn. Welle werden die positiven Na + und negativen Cl - ausgelenkt und schwingen im Takt des elektr. Feldes kubische Struktur eines Kochsalz-Kristalls Q=10 10

17 -dimensionale Überlagerungen Lissajous Figuren Schwingungen gleicher Frequenz: Kreisschwingung, Fadenpendel ( ωt) ( ω + ϕ) x = a cos x y x y cosϕ + = Ellipsengleichung y = b cos t a * b * a * b * Spezialfall: a* = a sin b* = b sin ϕ = 0 Gerade ϕ ϕ ϕ = 90 Kreis (a = b) Kreisschwingung eines Fadenpendels superponierbar aus zwei unabhängigen (orthogonalen) Schwingungen (zirkular- und linear polarisiertes Licht) Schwingungen verschiedener Frequenzen: ω1 falls R geschlossene Kurven; ansonsten flächenfüllend ω ω1 ω

18 -dimensionale Überlagerungen Lissajous Figuren

19 Überlagerungen von Schwingungen a) gleiche Frequenz: ϕ / ω 1 x x ( t) = a ( ω t + ) 1 cos 0 ϕ1 ( t) = b ( ω t + ) cos 0 ϕ ϕ / ω b a t Additionstheorem: cos( x + y) = cos x cos y sin x sin y x ( t) = x1( t) + x( t) = A cos( ωt) + B sin( ωt) = C cos( ωt + ϕ) mit A = a cosϕ1 + b cosϕ B = a sin ϕ1 b sin ϕ C = A + B ; tan ϕ = B A

20 Überlagerung harmonischer Schwingungen b) ungleiche Frequenz: Schwebung a sin( ω 1 t) + ( t) a sin ω = a cos ( ω ω ) t ( ω + ω ) 1 1 t sin Zeit (t) 6

21 Anharmonische Schwingungen und Fourierzerlegung x Fouriertheorem: Jede periodische Funktion lässt sich als eine Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen ausdrücken x x f (t) = a 0 + a 1 sin(ω 0 t) + a sin(ω 0 t) + a 3 sin(3ω 0 t) b 1 cos(ω 0 t) + b cos(ω 0 t) + b 3 cos(3ω 0 t) +... t a n = 4 A 0 n π für n ungerade sonst 0 a t b Spektrum ω 0 ω 0 3ω 0 4ω 0 5ω 0 6ω 0 7ω 0 t b n = 8 A 0 1 π für n ungerade sonst 0 n ω 0 ω 0 3ω 0 4ω 0 5ω 0 6ω 0 7ω 0

22 Darstellung der Fouriersynthese einer Rechteckfunktion f (t) = a 0 + a 1 sin(ω 0 t) + a sin(ω 0 t) + a 3 sin(3ω 0 t) b 1 cos(ω 0 t) + b cos(ω 0 t) + b 3 cos(3ω 0 t) +... a n = 4 A 0 n π für n ungerade sonst 0

23 Gekoppelte Oszillatoren A) Gekoppelte Federn, eine Masse D 1 D D ges = D 1 + D ω = D 1 + D m m D 1 1 D ges = 1 D D ω = D 1 D ( ) m D 1 + D D m

24 B) Gekoppelte Federn, mehrere Massen D 1 m 1 D 1 m D 0 Vereinfachung: (1) + () m x 1 + (1) () m x 1 Normalkoordinaten x + = 1 ( x 1 + x ) x 1 0 x D 1 = D = D; m 1 = m = m ( x ) + D x 1 + x ( ) = 0 ( x ) + D x 1 x := ω 1 x + + D m x + = 0 x + D + D 1 m ( ) + D 1 ( x 1 x ) = 0 x = 1 ( x 1 x ) := ω x = 0 x + x ( ) = 0 ( ) = 0 (1) m 1 x 1 + D 1 x 1 + D 1 x 1 x () m x + D x + D 1 x x 1 ( t) = A 1 cos ω 1 t + ϕ 1 Kopplung der DGL ( ) ( t) = A cos ω t + ϕ ( ) Eigenschwingungen, Normalmoden x 1 = x + + x x = x + x Versuche Gekoppelte Pendel und Metronome Schwebungen

25 B) Gekoppelte Federn, mehrere Massen

26 B) Gekoppelte Pendel unter externer Anregung

27 C) Gekoppelte Federn, mehrere Massen

28 Wechselwirkung von IR-Strahlung mit Molekülen Streckschwingung Schaukelschwingung Scherschwingung

29 Wechselwirkung von IR-Strahlung mit Molekülen 1. Symmetrische Streckschwingung. Asymmetrische Streckschwingung 3. Transversale Kippschwingung (-fach entartet) O=C=O

30 IR-Spektrum von Methan

31 IR-Spektrum einer Aminosäure