Частота и период: определение, формулы и единицы (со схемами и примерами)

От волн, плещущихся на берег до электромагнитных волн, несущих сигналы Wi-Fi, которые вы используете для доступа к этой статье, - волны окружают нас повсюду, ичастотаа такжепериодволны - это две наиболее важные характеристики, которые вы можете использовать для их описания.

Более того, частота и период являются важными понятиями для описания любого типа периодического движения, включая простое гармоническое движение. осцилляторы, такие как качели и маятники, поэтому изучение того, что они означают и как их вычислять, абсолютно необходимо для освоения физика.

Хорошая новость заключается в том, что обе концепции довольно легко освоить, и с уравнениями довольно просто работать. Определение частоты в значительной степени соответствует тому, что вы ожидаете, основываясь на своем интуитивном понимании концепции и разговорное определение слова, и хотя период немного отличается, они тесно связаны, и вы поймете это быстро.

Говоря обыденным языком, частота чего-либо - это то, как часто это происходит; например, воскресение - одно в неделю, а частота приема пищи - три раза в день. По сути, это то же самое, что определение частоты в физике, с небольшой разницей: частота чего-либо - это количество циклов или колебаний объекта или волны в единицу времени. Он по-прежнему сообщает вам, как часто что-то происходит, но дело в полном колебании движущегося объекта или волны, а период времени всегда равен секундам.

В символах частотажчего-то это числопколебаний в единицу времениттак:

Частоты указываются в виде числа в герцах (Гц), единицах, названных в честь немецкого физика Генриха Герца, и могут быть выражены в основных (СИ) единицах как s⁻¹ или «в секунду». Количество колебаний - это просто число (без единиц измерения!), Но если вы укажете частоту 1 Гц, вы действительно говоря «одно колебание в секунду», а если вы указываете частоту 10 Гц, вы говорите «10 колебаний в секунду». Стандарт Также применяются префиксы SI: килогерц (кГц) равен 1000 герц, мегагерц (МГц) равен 1 миллиону герц, а гигагерц (ГГц) равен 1 миллиарду герц. герц.

Следует помнить одну важную вещь: вам нужно выбрать точку отсчета на каждой волне, которую вы назовете началом одного колебания. Это колебание закончится в совпадающей точке на волне. Выбор пика каждой волны в качестве контрольной точки обычно является самым простым подходом, но пока это одна и та же точка на каждом колебании, частота будет одинаковой.

Расстояние между этими двумя совпадающими опорными точками называетсядлина волныволны, что является еще одной ключевой характеристикой всех волн. Таким образом, частота может быть определена как количество длин волн, проходящих через определенную точку каждую секунду.

Рассмотрение некоторых примеров как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний может помочь вам понять ключевую концепцию. Представьте себе волны, катящиеся к берегу, и новую волну, катящуюся по берегу каждые пять секунд; как вы отрабатываете частоту? Основываясь на приведенной выше базовой формуле, когда одно колебание (т.е. одна полная длина волны от гребня до гребня) занимает пять секунд, вы получаете:

Как видите, частота может быть меньше одной в секунду!

Для ребенка на качелях, двигаясь вперед и назад от точки, в которой его толкнули, полное колебание - это время, необходимое для того, чтобы качнуться вперед и вернуться в точку позади качелей. Если это происходит через две секунды после первоначального толчка, какова частота раскачивания? Используя ту же формулу, вы получите:

Остальные частоты намного быстрее. Например, рассмотрим струну А гитары, которую щипают, причем каждое колебание происходит из положения в когда струна была отпущена, над положением покоя, вниз к другой стороне положения покоя и обратно вверх. Представьте, что он совершает 100 таких колебаний за 0,91 секунды: какова частота струны?

Опять же, та же формула дает:

Это около 110 Гц, что является правильной высотой звуковой волны ноты A. Частоты тоже становятся намного выше; например, диапазон радиочастот составляет от десятков герц до сотен гигагерц!

ПериодТВозможно, вы не знакомы с термином волны, если раньше не изучали физику, но его определение по-прежнему довольно простое. Впериод волныэто время, необходимое дляодно колебаниедля прохождения контрольной точки на одной полной длине волны. Это единицы секунд в системе СИ, потому что это просто значение в единице времени. Вы заметите, что это величина, обратная единице частоты, герц (т. Е. 1 / Гц), и это важный ключ к пониманию взаимосвязи между частотой и периодом волны.

Частота и период волны равныобратносвязаны друг с другом, и вам нужно знать только одно из них, чтобы понять другое. Итак, если вы успешно измерили или нашли частоту волны, вы можете рассчитать период и наоборот.

Двумя математическими отношениями являются:

Гдежчастота иТэто период. Другими словами, частота является обратной величиной периода, а период - обратной величиной частоты. Низкая частота означает более длительный период, а более высокая частота означает более короткий период.

Затем, чтобы рассчитать частоту или период, вы просто делаете «1 больше» того количества, которое вы уже знаете, и тогда результатом будет другое количество.

Существует огромное количество различных источников волн, которые вы можете использовать, например, частоту и период. вычислений, и чем больше вы будете работать, тем лучше вы почувствуете частотный диапазон различных источники. Видимый свет на самом деле является электромагнитным излучением и распространяется в виде волны в диапазоне более высоких частот, чем рассматриваемые до сих пор волны. Например, частота фиолетового света составляет околож​ = 7.5 × 10¹⁴ Гц; какой период волны?

Используя соотношение частота-период из предыдущего раздела, вы можете легко вычислить это:

Это чуть большефемтосекунда, что составляет одну миллионную миллиардной доли секунды - невероятно короткий промежуток времени!

Ваш сигнал Wi-Fi - это еще одна форма электромагнитной волны, и в одном из основных используемых диапазонов есть волны с периодомТ​ = 4.17 × 10⁻¹⁰ с (то есть около 0,4 наносекунды). Какая частота у этого диапазона? Прежде чем читать дальше, попробуйте выяснить это на основе отношений, приведенных в предыдущем разделе.

Частота:

Это диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц.

Наконец, телеканалы в США транслируются на разных частотах, но некоторые в частотном диапазоне полосы III имеют околож= 200 МГц = 200 × 10⁶ Гц. Каков период этого сигнала или, другими словами, сколько времени проходит между вашей антенной, улавливающей один пик волны и следующий?

Используя те же отношения:

На словах это 5 наносекунд.