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[理学]29振动A
§15-1 机械振动的一般概念 讨论: 由初始条件可确定A和?0 : 二.谐振动的旋转矢量表示法 三.相位差和相位的超前与落后 四.谐振动的能量 以弹簧振子为例: 讨论: 弹簧振子的动能和势能是随时间(或位移)而变化的; 总的机械能保持不变,即动能和势能相互转化; 谐振动系统的总能量与振幅的平方成正比。 设振动表达式为 由旋转矢量法得 t=0时 [例5]如图系统,已知物体质量为m,光滑斜面倾角为?,自由转动的定滑轮半径为R,转动惯量为J,弹簧弹性系数为k。开始时物体静止,弹簧为原长,重物下滑后开始振动。(1)证明重物作谐振动,并写出振动表达式;(2)求重物下滑的最大距离,并用机械能守恒定律验证。 设系统处于静平衡时弹簧伸长x0 取物体静平衡位置为坐标原点,沿斜面向下建立坐标系 解:(1) 物体振动时 可得 ----谐振动 其解为 其中 由旋转矢量法得 而 (2)物体下滑的最大距离为 由机械能守恒定律 * * 机械振动:物体在一定位置的附近作来回往复的运动(周期性或非周期性)。 成因:物体的惯性和所受的回复力 简谐振动:物体距平衡位置的位移(或角位移)随时间按余弦(或正弦)函数变化。 §15-2 简谐振动 一.简谐振动的特征 1.弹簧振子的振动特征 简谐振子: 弹簧振子、单摆 (1)动力学特征 胡克定律:物体所受弹性力与物体的位移成正比而反向 即 ----简谐振动的动力学特征 (2)运动学特征 令 速度 位移 ----简谐振动表达式 加速度 即有 ----简谐振动的运动学特征 说明: ----简谐振动的振幅,为物体离开平衡位置最大位移的绝对值 ----简谐振动的初相位 ----简谐振动的相位 ----圆频率(2?秒内的振动次数) 设t=0 时, 可得 [补例]一轻弹簧在60N的拉力下伸长30cm,现把质量为4kg的物体悬挂在该弹簧的下端并使之静止。再把物体向下拉10cm,然后由静止释放并开始计时。求(1)物体的振动方程;(2)物体在平衡位置上方5cm时,弹簧对物体的拉力;(3)物体从第一次越过平衡位置时刻起到它运动到上方5cm处所需的最短时间。 m k 固有频率和固有周期: ----周期和频率由振动系统本身的性质所决定,与A和?0无关 [补例]两个倔强系数分别为k1、k2的轻质弹簧,连接为如图形式。求两种情况的圆频率。 K1 K1 K2 K2 m m 2.单摆和复摆(角谐振动)的振动特征 (1)单摆 由转动定律有 很小时有 可得角谐振动表达式 其中 (2)复摆 为角振幅 由转动定律有 很小时有 角频率 周期 讨论: 单摆和复摆谐振动的频率由系统本身的性质决定。 (1)物体的位移(或角位移)随时间按余弦(或正弦)的规律变化; 如: (2)物体的加速度(或角加速度)总是与位移(或角位移)成正比而反向; 如: 3.简谐运动的规律(判定依据): (3)物体所受的合外力(或合外力矩)是与位移(或角位移)成正比而反向的线性回复力(或线性回复力矩)。 如: 说明: 满足其中任意一条判定依据的振动,即可判定为简谐振动。 [补例]将弹簧放在光滑的斜面上,一端固定,另一端连接一重物。今使其自由振动,问它是否作简谐振动?(设弹簧的倔强系数为k,物体的质量为m) k m [补例]如图,A、B、C是原长均为l0的相同的硬弹簧,质量不计。当系住物体而处于静平衡时,A、B伸长到同样长度l1,C压缩到长度l2。求此系统的振动周期。 A B C m [补例]试从能量关系推导单摆作微小振动的运动微分方程。 t=0时刻: t时刻: 参考圆 逆时针旋转 O 振幅矢量 [例1]用旋转矢量法讨论质点初始时刻位移为以下情况时谐振动的初相位:?A;?-A;?0,且向负方向运动;?-A/2,且向正方向运动。 解: ? ? ? 或 ? 设 相位差 同频率时 ----初相差与t无关 讨论: 即 ----同相 即 ----反相 即 ----第二个谐振动超前第一个谐振动 [例2]如图的谐振动x-t 曲线,试求其振动表达式。 解:由图知 设振动表达式为 t=0时: 即 又 即 旋转矢量法 [例3]质量为0.01kg物体作周期为4s、振幅为0.24m的简谐振动。t=0时,位移x=0.24m。求(1)谐振动表达式;(2)t=0.5s时,物体的位置和所受的力;(3)物体从初始位置运动至x=-0.12m处所需的最短时间。 解:(1)设振动表达式为 其中 由旋转矢量法得 (2)t=0.5s: 或 (3) [例4]一弹性系数为k的轻弹簧,下挂一质量为m的砝码。开始时用手托住砝码,使弹簧为原长,放手后砝码开始振动。证明砝码作谐振动,并写出振动表达式。 解:建立如图坐标系,原点为物体静平衡时位置,它距弹簧原长位置为y0 在y处时 设
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