Fazna razlika: definicija, primeri in pomen pri nihanjih in valovih

Faza je del cikla ali spremembe, ki poteka v krogu. Luna ima na primer faze.
Tudi letni časi, pomlad, poletje, jesen in zima, so faze. Tudi planet Venera ima faze, tako kot luna: Galileo je dokazal, da faze Venere pomenijo, da mora krožiti okoli Sonca in ne okoli Zemlje.

Kaj je fazna razlika?

Fazna razlika (ali premik faze) med dvema nihanjema ali valovoma je kotna razlika, ki pove, koliko je eno nihanje zamaknjeno glede na drugo v ciklu. Meri se v radianih ali stopinjah. Če imata dve nihali enako frekvenco, a druga začne zamaknjeno, pravimo, da imata fazno razliko Δφ = φ2 − φ1.

Matematična predstavitev

Nihanje ali val lahko pogosto opišemo s sinusno ali kosinusno funkcijo. Na primer:

y1(t) = A sin(ωt + φ1) in y2(t) = A sin(ωt + φ2),

kjer je A amplituda, ω kotna frekvenca (ω = 2πf), t čas, φ1 in φ2 začetni fazi. Fazna razlika je Δφ = φ2 − φ1. Časovna zamik Δt med njima je povezan z Δφ preko Δt = Δφ / ω (ali Δt = Δφ·T / 2π, kjer je T obdobje).

Primeri

  • Nihalo v uri: Nihalo se premika iz neke začetne točke levo (−x) proti sredini in nato desno (+x). Dve enako dolgi nihali, ki sta začeli nihati ob različnih trenutkih ali v nasprotnih smereh, bosta imeli različni fazi. Če eno začne levo, drugo desno, je fazna razlika približno π radianov (180°). Kadar se kaj takega zgodi, nihali "nista v fazi".
  • Val na vrvi ali vodi: Dva vala z enako frekvenco, ki se srečata, se lahko ojačata (konstruktorno interferirata), če sta v fazi (Δφ = 0 mod 2π), ali izničita (destruktivno interferirata), če sta iz faze za π radianov (180°).
  • Zvok: Glasbeni zvočniki, ki oddajajo enako frekvenco, a z drugačno fazo, lahko ustvarijo spremembo v jakosti ali celo utišanje na nekih mestih v prostoru. To je tudi osnovni pojav pri aktivnem dušenju hrupa.
  • Svetloba in interferometrija: V interferometru (npr. Michelson) fazna razlika med dvema svetlobnima žarkoma določa, ali bo na zaslonu svetla ali temna interferenčna črta. To se uporablja za natančna merjenja razdalj in refraktivnih indeksom.

Pomen pri nihanjih in valovih

Fazna razlika ključni vpliv pri superpoziciji valov. Če se dva valova seštejeta, je rezultat odvisen od Δφ:

  • Konstruirajoča interferenca: Δφ = 0 → amplitude se seštevajo, rezultat ima večjo amplitudo (največji mogoči izhod 2A za enaki amplitude).
  • Destruktivna interferenca: Δφ = π → valova se izničita (v idealnem primeru), kar povzroči izničenje amplitude.

Poleg tega faza vpliva na pojav, kot so beats (tresenje), kjer rahla razlika v frekvenci in fazi povzroči nihanje amplitude z nižjo frekvenco (udarci). V električnih krogih faza med napetostjo in tokom določa moč, reaktivno moč in obnašanje filtrov ter oscilatorjev.

Kako merimo in predstavljamo fazo

Fazo merimo z osciloskopom ali z drugimi merilnimi napravami, ki primerjajo čas prihoda značilnih točk signala (npr. prečkanje skozi ničlo). Pri radijskih in optičnih sistemih se uporablja tudi fazna detekcija in korelacija signalov. Faza se običajno prikazuje kot kot (°) ali kotna vrednost v radianih.

Praktične uporabe

  • Radio in antene: usklajevanje faz med antenami poveča usmerjenost in dobiček antennega sistema.
  • Elektronika: fazni zamiki v filtrih, fazni regulatorji v oscilatorjih in v digitalnih komunikacijah (npr. PSK — phase shift keying).
  • Akustika: aktivno dušenje hrupa in oblikovanje zvočnega polja z več zvočniki.
  • Merilne metode: interferometrija za zelo natančna merjenja dolžin in sprememb indeksa loma.

Na kratko

Fazna razlika opisuje, koliko je eno nihanje ali val zamaknjen v ciklu glede na drugo. Pomeni, ali se seštevanje valov ojača ali oslabi, vpliva na vedenje nihal, valov, zvoka in svetlobe ter ima široke praktične uporabe v znanosti in tehniki.

Grafično prikazovanje premika nihala glede na časZoom
Grafično prikazovanje premika nihala glede na čas

Dve nihali imata lahko enako periodo, vendar ne nihata skupaj. Za nihali pravimo, da sta izven faze.Zoom
Dve nihali imata lahko enako periodo, vendar ne nihata skupaj. Za nihali pravimo, da sta izven faze.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je faza?


O: Faza je del cikla ali spremembe, ki poteka v krogu.

V: Ali lahko navedete primer nečesa, kar ima faze?


O: Luna, letni časi in Venera imajo faze.

V: Kako je Galileo uporabil faze Venere, da bi dokazal nekaj o njeni orbiti?


O: Galileo je dokazal, da faze Venere pomenijo, da mora krožiti okoli Sonca in ne okoli Zemlje.

V: Kaj lahko uporabimo za predstavitev stvari s fazami?


O: Za predstavitev stvari s fazami lahko uporabimo grafe.

V: Kako se stvari s fazami spreminjajo skozi čas?


O: Stvari, ki imajo faze, se od časa do časa spreminjajo na nek pravilen način.

V: Ali se lahko dva nihala gibljeta skupaj, če sta različno dolga?


O: Ne, če ne začneta nihati ob istem času in na istem mestu, se ne bosta gibala skupaj. Eno lahko niha levo, drugo pa desno. Kadar se to zgodi, nista v "fazi".

AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3