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单摆运动规律的研究

单摆运动规律的研究 摘要 单摆问题是高中物理及大学普通物理实验教学中的一个基础问题。受各种因素的影响,其运动规律较为复杂。本文建立了理想模式下单摆的数学模型,现实情况下单摆的数学模型.等对单摆的运动进行了探究。 首先,本文从理想情况出发,由牛顿第二定律进行推理,建立了无阻尼小角度单摆运动模型,对单摆的运动进行了初步探究。 然后,本文又建立了无阻尼大角度单摆运动模型,进一步完善了理想模式下单摆的数学模型。 最后,本文从实际出发,考虑单摆运动中受到的阻力因素,以理想模式下单摆的数学模型为基础,建立了现实情况下单摆的运动模型,深度的对单摆运动进行了探索。 关键词 简谐运动 角度 阻尼运动 单摆运动 目录 问题的描述 模型假设 模型建立及求解 1 理想模式下单摆的数学模型 1.1 小角度单摆运动模型 1.1.1 模型建立 1.1.2 模型求解 1.1.3 结果分析 1.2 大角度单摆运动模型 1.2.1 模型建立 1.2.2 模型求解 1.2.3 结果分析 2 现实模式下单摆的数学模型 2.1 小、大阻尼单摆运动模型 2.1.1 模型建立 2.1.2 模型求解 2.1.3 结果分析 四 模型分析 一 问题的描述 根据平常接触到的摆钟、秋千等实物中,我们可以抽象出单摆的模型。细线一端固定在悬点,另一端系一个小球,如果细线的质量与小球相比可以忽略,球的直接与线的长度相比也可以忽略,这样的装置就叫做单摆.我们从理想情况出发进行分析,并逐渐完善从而推导出单摆实际运动规律。 二 模型假设 1悬挂小球的细线伸缩和质量均忽略不记,线长比小球的直径大得多; 2.装置严格水平;? 无驱动力。 三 模型建立及求解 1 理想模式下单摆的数学模型 ? ? 图1??简单单摆模型 在?t?时刻,摆锤所受切向力ft(t)是重力mg在其运动圆弧切线方向上的分力,即 f(t) =mg sin(t) 完全理想条件下,根据牛顿第二运动定律,切向加速度为:? a(t)??=?g?sin?(t)? 因此得到单摆的运动微分方程组:? ? 1.1 小角度单摆运动模型 ? 1.1.1模型建立 当摆角θ很小时,sinθ≈θ,故方程1可简化为:? 利用matlab软件在[0, 5o]分别作出方程(1)和方程(2)的解得图像 ?小角度单摆摆动规律? (—方程(1)的解?,**方程(2)的解) 1.1.3 结果分析 由图像可以看出两方程的解的图像几乎吻合,可以说明当?较小时(θ5),两方程的解几乎相等,单摆运动可看为简谐运动。 1.2 大角度单摆运动模型 1.2.1 模型建立 当摆角很大时,方程sin ≈θ?不 再成立,方程(1)和方程(2)的解不再相近, 1.2.2 模型求解 此时利用MATLAB计算软件, 得到2000个不同摆角的的精确解.然后以摆角为横轴,利用绘图函数polt ( x , y ) 绘制出任意摆角下单摆周期的精确解的曲线 %单摆周期与摆角的关系 a= 0; b= pi/ 2; n= 1000; s1= 1: n; h= ( b-a) / n; h1= pi/ ( 2* n) c= 0: h1: pi/ 2 x= a; s= 0; for i1= 1: ( n+ 1) f0= 2/ sqrt ( 1-( sin( c( i1) / 2) ) ^2* ( sin( x ) ) ^2) / pi; for i2= 1: n x= x+ h; f1= 2/ sqrt ( 1-( sin( c( i1) / 2) ) ^2* ( sin( x ) ) ^2) / pi; s= s+ ( f0+ f1) * h/ 2; f0= f1; end disp( 1/ s) s1( i1) = s; s= 0; end plot( c, s1) xlabel( ‘theta0/rad’) ylabel( ‘T/T0’) 大摆角单摆的运动规律 程序如下: %建立方程( 1) Function xdot= per( t,x) xdot= [ -9. 8* sin( x ( 2) ) x( 1) ] % 建立方程( 2) Function xdot= per1( t,x) xdot= [ -9. 8* x(

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