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[工学]Chp_11振动波动和波动光学
相位差 P.*/66 振动学基础 为何讨论的重点是简谐运动? 振动能量的变化周期? 简谐振动的动力学特征? 复杂运动可分解为若干简谐运动 振动的运动学规律? 振动 物质基本运动形式 周期性运动 声波、计时器、无线电信号、生物信号等 波动光学: 研究光的波动性 横跨经典物理各子科:机械振动、机械波;电磁振荡、电磁波;量子力学又称波动力学;光是电磁波…… 波动 振动的传播 第11章 振动学基础 振动是普遍存在的一种运动形式: 1. 物体的来回往复运动(弹簧振子、单摆等) 2. 电流、电压的周期性变化 机械振动(mechanical vibration):物体在一定位置(中心)附近作来回往复的运动 振动(vibration):任何一个物理量(物体的位置、电流强度、电场强度、磁场强度等)在某一定值附近的反复变化。 机械振动的原因: 物体所受的回复力和物体所具有的惯性 简谐运动(simple harmonic motion) 是最基本、最简单的振动,运动规律由余(正)弦函数描述。 §11-1 简谐运动的描述 弹簧振子 单摆 基本特征 任何复杂的振动都可以认为是由若干个简单而又基本的简谐运动所合成的。 简谐运动表达式 A:振幅(amplitude) 离开平衡位置的最大位移 ?:角频率(angular frequency) 2?秒内往复振动的次数 :初相 系统的运动状态,与初始条件有关 :频率(frequency) 单位时间内往复振动的次数 :周期(period) 往复振动一次的时间 周期、频率与角频率关系: x t O A T 简谐运动的速度 简谐运动的加速度 振动相位(phase)的讨论 t = 0时,相位为? ,称振动的“初相位” 振动的相位 决定了简谐运动的运动状态(位置和速度) 物体在正向最大处 物体在平衡位置处 物体在负向最大处 物体在平衡位置处 由初始条件确定振幅和初相位的方法: 位移方程: 速度方程: (1)设 t =0时,振动位移:x = x0 振动速度:v = v0 振幅: ? 不是唯一的,与坐标正向有关,需要具体分析。 初相位: (2) 若已知t = 0, k为常量, 并已知质点的运动方向,即可得 有二个值,利用v的方向可定出 。 总之,只要知道初始条件,即可利用方程(一般为位移方程和速度方程)来求得积分常数A、 。 (3) 如果已知的不是 t = 0 时的 x、v,同样可以利用位移方程,速度方程、加速度方程求A, 。如已知 t 时刻的 等。特别要注意利用 : 例11-1: 一轻弹簧,一端固定,另一端连接一定质量的物体。整个系统位于水平面内,系统的角频率为6.0s-1。今将物体沿平面向右拉长到x0=0.04m处释放,试求:(1)简谐运动表达式;(2)物体从初始位置运动到第一次经过A/2处时的速度。 解:(1) (2) 简谐运动的旋转矢量(rotating vector )图示法 旋转矢量 的模即为简谐运动的振幅。 旋转矢量 的角速度?即为振动的角频率。 旋转矢量 与x轴的夹角 (?t+?)为简谐运动的相位。 t =0时, 与x轴的夹角?即为简谐振动的初相位。 x P 周期: 旋转矢量 旋转一周,P点完成一次全振动。 结论:投影点的运动为简谐运动。 相位差: 当二个振动的频率相同时,相位差为 x A 例11-2: 一质点沿x轴作简谐运动,振幅为12cm,周期为2s。当t = 0时, 位移为6cm,且向x轴正方向运动。求: (1) 振动表达式;(2) t = 0.5s时,质点的位置、速度和加速度;(3)如果在某时刻质点位于x = -6cm,且向x轴负方向运动,求从该位置回到平衡位置所需要的时间。 解:(1) t = 0 时, x0 = 0.06m , v0 0 x 6cm 振动表达式: (2) t = 0.5s时,质点的位置、速度和加速度 x t1 t2 (3)如果在某时刻质点位于x = -6cm,且向x轴负方向运动,求从该位置回到平衡位置所需要的时间。 例11-3: 两质点作同方向、同频率的简谐运动,振幅相等。当质点1在 x1=A/2 处,且向左运动时,另一个质点2在 x2= -A/2 处,且向右运动。求这两个质点的相位差。 解: A -A O A/2 -A/2 质点1: 质点2: x/cm 4 0 -4 P 0.5 t/s 例:如图所示为某质点作简谐振动的曲线,求该质点的振动方程 o P x M M 解:由振动曲线可知,t=0 时 对应的旋转矢量如图所示。由图可见,振动的初相为: 又由曲线可知,t=0
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