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实验十一混沌实验讲义
实验十一 非线性混沌实验研究
非线性科学和复杂系统的研究是二十一世纪科学研究的一个重要方向。目前主要的研究方法是在给定的参量和初值后,依照一定的决定性关系用计算机按迭代法对其演变进行数值计算。其相应的研究结论和成果在电子学、数学、物理学、气象学、生态学、经济学等领域得到了广泛应用。
长期以来,人们在认识和描述运动时,大多只局限于线性动力学描述方法,即确定的运动有一个完美确定的解析解。但是自然界中最常见的运动形式,既不是完全确定的,也不是完全随机的,而是介于两者之间。在相当多情况下,非线性现象却起着很大的作用。1963年,美国气象学家Lorenz在分析天气预报模型时,首先发现空气动力学中混沌现象,该现象只能用非线性动力学来解释。于是,1975年“混沌”作为一个新的科学名词首先出现在科学文献中。
世界是有序的还是无序的?从牛顿到爱因斯坦,他们都认为世界在本质上是有序的,有序等于有规律,无序就是无规律,系统的有序有律和无序无律是截然对立的。这个单纯由有序构成的世界图象,有序排斥无序的观点,几个世纪来一直为人们所赞同。但是混沌和分形的发现,向这个单一图象提出了挑战,经典理论所描述的纯粹的有序实际上只是一个数学的抽象,现实世界中被认为有序的事物都包含着无序的因素。混沌学研究表明,自然界虽然存在一类确定性动力系统,它们只有周期运动,但它们只是测度为零的罕见情形,绝大多数非线性动力学系统,既有周期运动,又有混沌运动,虽然并非所有的非线性系统都有混沌运动,但事实表明混沌是非线性系统的普遍行为。混沌既包含无序又包含有序,混沌既不是具有周期性和其他明显对称性的有序态,也不是绝对的无序,而可以认为是必须用奇怪吸引子来刻划的复杂有序,是一种蕴涵在无序中的有序。以简单的Logistic映射为例,系统在混沌区的无序中存在着精细的结构,如倒分岔、周期窗口、周期轨道排序、自相似结构、普适性等,这些都是有序性的标志。所以,在混沌运动中有序和无序是可以互补的。
混沌学的创立,在确定论和概率论这两大科学体系之间架起桥梁,它将改变人们的自然观。可以看作是本世纪以来,继相对论和量子力学之后在物理学上的第三次革命,揭示一个形态和结构崭新的物质运动世界。
【实验目的】
1.通过研究一简单的非线性电路,了解电路中混沌现象的基本性质和混沌产生的方法。
2.了解混沌效应的内在规律及其演化机制。
3.测量非线性单元电路的伏-安特性。
【实验仪器】
实验仪器主要有NCE—1型非线性电路混沌实验仪、示波器、万用表、电阻箱、连接导线若干等。
【实验原理】
什么叫做混沌?混沌是有内在规律的随机性,和系统的行为对初值极度敏感的一类问题。如一根针直立在桌上,则不论多么小的扰动,都会使它向某一方向倒下,而且倾倒的方向对初始扰动是非常敏感的。在这里我们通过非线性电路用级联倍周期分岔的方式来接近混沌。
1.倍周期分岔到混沌的产生
为了说明从分岔到产生混沌,我们举一个简单的例子。例如,在频率为ω的周期外力作用下的阻尼振子在周期外力的作用下做标准的受迫振动,其微分方程如下,
(1)
其解是阻尼振动的暂态解和强迫振动的稳定解的叠加。稳定解为:
(2)
经过一段时间后,它的周期一定(等于振荡源的周期ω)、振幅恒定为,振动如图1。
图1 受迫振动
现在改变频率ω,记录下在每个频率下振动稳定后的最大振幅值。记录频率振幅曲线如下图2:
图2 无非线性因素的频率振幅曲线
对图2某一条阻尼曲线进行讨论,很明显对应于每一个频率谐振子的振幅是一定的,质点作周期振动,也就是周期没有发生分岔。
我们加入一个非线性因素在振子前放一个质量很大的挡块,以阻止振子做谐振,并设质点与挡块发生弹性碰撞,使质点以原速弹回,这时振子受到的冲击力与它的位移显然是非线性关系。我们再慢慢改变频率,记录下在每个频率下振动稳定后的最大振幅值。记录频率振幅曲线如图3:
图3 有非线性因素的频率振幅曲线
从图上可以看到在ω=1.5rad/s、……、ω=4.3 /s附近存在有无数分散的点组成的区间。因此,在这些频率下,振子每次反弹的高度都不同,没有重复性。这个区域就是混沌区。那么周期是怎样分岔而逐步走向无序的呢?我们把ω=1.5/s附近的频率振幅曲线图放大来分析。
图4 ω=1.5/s附近的频率振幅曲线图
由图4中可看出,当ω=1.25 /s时振幅只有一个值,表示质点每次反弹的高度都相同,说明质点是在作周期运动。但注意到从ω=1.325/s开始,单一的曲线开始分岔,表示曲线反弹的高度有两个值,可以认为振动的周期为原先的两倍。这就是周期的第一次分岔。图5所示当ω=1
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