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(白)(北理工教材)Y第5章-2振动与波动
1. 水平弹簧振子,弹簧倔强系数 k = 24N/m,重物质量 m = 6kg,重物静止在平衡位置。设以一水平恒力 F = 10N 向左作用于物体 (不计摩擦), 使之由平衡位置向左 运动了 0.05m,此时撤去力 F。当重物运动到左方最远 位置时开始计时,求物体的运动方程。 解:设物体的运动方程为 x = Acos(?t + ? ) 恒外力所做的功等于弹簧获 得的机械能,当物体运动到 最左端时,这些能量全部转化为弹簧的弹性势能 m k F x –A –s O 角频率 物体运动到 –A 位置时计时,初相为 ? = ? 所以物体的运动方程为 x = 0.204cos(2 t + ? ) (m) 2. 两个谐振子作同频率同振幅的简谐振动。第一个振 子的振动表达式为 x1= Acos(?t + ?),当第一个振子从 振动的正方向回到平衡位置时,第二个振子恰在正方 向位移的端点。 (1) 求第二个振子的振动表达式和二者的相差; (2) 若 t =0 时,x1= –A/2,并向 x 负方向运动,画出二 者的 x-t 曲线及相量图。 解:(1) 由已知条件画出相量图,可见 第二个振子比第一个振子相位落后 ?/2, 故 ?? = ?2 –?1 = –?/2, 第二个振子的振动函数为 x2= Acos(?t + ? + ??) = Acos(?t + ? –?/2) A1 A2 x O ? A1 A2 x O ? (2) 由 t = 0 时,x1= -A/2 且 v 0,可知 ? = 2?/3,所以 x1= Acos(?t + 2?/3), x2= Acos(?t + ?/6) x A -A O t x1 x2 x O 5-3 简谐运动的合成 一 两个同方向同频率简谐运动的合成 5.3.1 同方向简谐运动的合成 ( 同相 ) ( 反相 ) 二 多个同方向同频率简谐运动的合成 两式相除 P O x B Q 3. 一质点同时参与两个同方向同频率的谐振动,其振动规律为 x1= 0.4cos(3t + ?/3)x2= 0.3cos(3t - ?/6) (SI)。 求:(1) 合振动的振动函数; (2) 另有一同方向同频率的谐振动 x3 = 0.5cos(3t + ?3) (SI) 当 ?3 等于多少时,x1, x2, x3 的合振幅最大?最小? 解:(1) 解析法 振动函数 另法:相量图法 (2) 当 φ3 = φ = 0.12? 时, x α φ π/6 π/3 O 当 φ3 = φ - ? = -0.88? 时, 当 准谐振动 (振幅相同 初相为零) 合成振幅 频率都较大但两者相差很小的两个同方向简谐振动, 合成时所产生的这种合振幅时而加强,时而减弱的现象 拍: 三 两个同方向不同频率简谐运动的合成 拍的周期 合成振幅 连续两次加强(或减弱)之间的时间间隔 单位时间加强或减弱的次数 0.05s 0.1s 0.15s 0.2s t t t 0 2A 质点沿顺时针方向运动 质点沿逆时针方向运动 5.3.2 两个相互垂直的简谐运动的合成 一 两个相互垂直的同频率的简谐运动的合成 讨论 直线运动 正椭圆 变成圆 当 则 (2) (1) 2A1 2A2 2A 1:1 1:2 1:3 2:3 3:4 二 两个相互垂直的不同频率的简谐运动的合成 5-4 阻尼振动 受迫振动 共振 5.4.1 阻尼振动 粘性阻力 或 有 特征方程 将试探 解 代入上式 令 无阻尼振动 例:水平弹簧谐振子 特征方程 特征根 试探 解 阻尼度 --- 表征阻尼大小的常量 1) 当 时, 方程的解为 式中 阻尼振荡(阻尼小) 阻尼系数 t x 阻尼振荡 2)过阻尼运动(阻尼较大) 当 解为 无周期,非振动。 3)临界阻尼运动 当 在 振幅衰减到原来的 或 时间, t x 临界阻尼 过阻尼 阻尼振荡 定态解 暂态解 周期性驱动力 式中 5.4.2 受迫振动 得定态解振幅: 相位: 令定态解 代入原方程 与初始条件无关 定态解 暂态解 5.4.3 共振 当 由 时, A 达最大, 称位移共振 振幅: 相位: 定态解 1 位移共振 稳定后为形式上的简谐振动 在受迫振动中位移振幅出现极大值的现象称为位移共振, 简称共振 ?r称为共振的角频率 2 共振峰的宽度或共振宽度 在欠阻尼情况下,共振宽度为 3 振动系统的品质因数 共振: o 波 动 波动 振动在空间的传播过程 (一定运动形态的传播过程) 波动 { 机械波 电磁波 概率波 (微观粒子波动性) P O y x x u 扰动的传播(行走) 行波 一次扰动(脉冲)的传播
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