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7简谐运动
7.簡諧運動
相對內容大綱:高考課程大網第一章第 4 節
參考:高級程度物理第一冊第八章
7.0 引入
7.1 簡階運動的定義和特徵
7.2 簡階運動方程
7.3 簡階運動方程的物理意義(一):A 與w0
7.4 簡階運動方程的物理意義(二):θ 0
7.5 旋轉矢量模型
7.6 以簡諧運動方法解決應用問題
7.7 鐘擺運動
7.8 彈簧系統
7.9 簡諧運動的勢能
7.10 簡諧運動的能量守恒
7.0 引入
問:簡諧運動是什麼?
答:簡諧運動是一種特別的運動方式,它的運動方式滿足一些特定的要求。在日
常生活中,簡諧運動經常出現,大如鐘擺運動、彈簧系統,小如份子內的原
子振動,都為簡諧運動之一種。因此,我們有興趣簡諧運動的描述。
7.1 簡階運動(simple harmonic motion)的定義和特徴
實驗:鐘擺運動(簡階運動例子)
簡階運動的定義:當一物體運動的加速度正比於負位移,即a ∝ −x ,則為簡
階運動。
簡階運動是一以物理量的數學關係定義之運動。
簡階運動的特徵:
(i) a ∝ −x
(ii) 簡階運動為一週期性(periodic)運動。
(iii) 簡階運動為等時(isochoronous)運動,即振幅(amplitude)與週期互不相
干/無關。
7.2 簡階運動方程
從定義出發,我們將之寫成
2
a −w x
0
2
w 為一常數,w 能確保正比常數為正數。
0 0
根據加速度的定義,a d 2 x / dt 2 ,得出簡程運動的二次微分方程
d 2 x 2
−w x
2 0
dt
根據估計,簡階運動的解(位移的時間函數)為x A cos(w t + θ )
0 0
dx
驗證:v −Aw sin(w t + θ )
0 0 0
dt
d 2 x 2 2
a −Aw cos(w t + θ ) −w x
2 0 0 0 0
dt
因此,x A cos(w t + θ ) 是簡諧運動方程的解。
0 0
數學方法求解:
d 2 Z 2
我們假設一複數二次微分方程, 2 −w0 Z ,因為Z x + iy ,所以
dt
d 2 (x + iy) 2 d 2 x 2 d 2 y 2
2 + w0 (x + iy) 0 ⇒ { 2 + w0 x}+ i{ 2 + w0 y } 0
dt dt dt
我們得知Re(Z ) 為簡階運動的解。
我們假設Z Ae i (kt +θ0 )
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