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第二篇 机械振动 机械波 概述 振动和波——物理量在时间和空间上反复变化的运动形式 振动和波动理论的发展 §6.5 简谐振动的合成 两个振动:同方向、同频率 §6.6 阻尼振动 受迫振动 共振 阻尼振动——由于阻力,振动能量耗散,从而振幅逐渐减小的振动 例4、已知一简谐振动的 位移曲线如图所示,写 出振动方程。 §6.4 简谐振子的能量 动能: 势能: 总能: 动能: 势能: 总能: 动能最大时,势能为0;势能最大时,动能为0 振动总能量不随时间变化 振动动能和势能各自随时间作周期为 的变化 简谐振动的机械能守恒 简谐振动微分方程 数学处理 旋转矢量法 余弦定理求振幅 几何关系求初相 讨论 两个振动:同方向、不同频率 合振动非常复杂,其振幅和频率都随时间变化 拍 声音时大时小 ---“拍现象” 例:同时敲击两个频率相近的音叉,会听到嗡… 嗡…嗡…嗡…、……的声音。 拍现象在技术上有许多重要的应用。 双簧管就是利用两个簧片振动频率的微小差别产生颤动的拍音。 校准乐器(如钢琴)时,钢琴产生的频率与标准音叉产生的频率如果有微小的差别,叠加后就会产生拍音。调整到拍音消失就校准了钢琴某一个键的琴音。 测出两个振动合成产生的拍频,如果已知一个振动的频率,就可以求出另一个振动的频率。这可以用于汽车、人造卫星等测速。 两个振动:相互垂直,同频率 数学处理 消去 得合振动点的轨迹方程 这是一个椭圆,其形状和位置由初相位差 决定 (1)同相位 Y X A1 A2 (2)反相位 Y X A1 A2 (3)相位差 (4)相位差 Y X Y X 旋转矢量法 X Y X Y ? ? ? ? 设有两同频率但相位差?/2 的两个垂直振动 两个振动:相互垂直,频率不同 阻尼正比于运动速度 阻尼系数 根据牛顿第二定律 * 振动和波 机械振动(波):物体位置的往返变化 电磁振动(波):电磁参量的往返变化 经典力学 电磁波理论 波动理论 声学 无线电技术 地震、海洋学科 非线性波(孤波) 生物振子 经济物理 振动和波动理论是声学、建筑力学、光学、地震学、无线电技术、原子物理学等领域的基础 胡克 本章教学要求: 掌握描述简谐振动和简谐波的各物理量(特别是相 位)及各量间的关系。 理解旋转矢量法。 掌握简谐振动的基本特征,能建立一维简谐振动的 微分方程,能根据给定的初始条件写出一维简谐振 动的运动方程,并理解其物理意义。 了解阻尼振动、受迫振动和共振。 理解同方向、同频率的两个简谐振动的合成规律。 了解相互垂直的简谐振动的合成。 本章重点: 描述简谐振动各物理量(特别是相位) 旋转矢量法。 简谐振动的运动方程 同方向、同频率的两个简谐振动的合成 本章难点: 振动相位,旋转矢量,简谐振动的合成 内容 §6.1 简谐振动 §6.2 简谐振动的描述——振幅、周期、初相 §6.3 简谐振动的旋转矢量表示法 §6.4 简谐振子的能量 §6.5 简谐振动的合成 §6.6 阻尼振动 受迫振动 共振 §6.1 简谐振动 振动——一个物理量在平衡位置附近作往复变化 机械振动——物体位置在某中心附近往复变化 简谐振动——最简单的运动形式 (b)扭摆 (c)弹簧振子 (a)单摆 1、周期性。物理量某个时间后可完全重复 2、有一个平衡位置 1、回复力:指向平衡位置的力 2、惯性 特点 条件 简谐振动的典型例子 弹簧振子 弹簧振子模型:无质量弹簧(轻弹簧),劲度系数为K (倔强系数)。质量为m的小球(质点)。无摩擦。 解的形式 或 等时性原理 单摆 简谐振动的动力学方程 方程的解可以是指数函数、正弦函数或者余弦函数,统一用余弦函数表示: 满足方程 运动的物理量 则该物理量的运动称为简谐振动 对于弹簧振子: 对于单摆: 称为圆频率,由系统本身性质决定,与外界无关。 研究简谐振动的意义 (1)简谐振动是一种最简单的振动,容易研究。 (2)复杂的振动是由简谐振动合成的,研究简谐振动是研究其他振动的基础。 例如:任何一个周期振动函数都可作如下形式展开 这种方式的展开称为傅里叶级数展开 §6.2 描述简谐振动的三个物理量 振幅:物体离开平衡位置的最大位移的绝对值 周期:物体作一次完全振动所经历的时间 频率:单位时间内物体所作完全振动的次数 周期、频率、角频率的关系 简谐振动物体的运动状态完全由 决定 称为相位 为 时的相位,称为初相 一个相位值对应唯一一个运动状态 相位相差 整数倍的物体,运动状态相同 相位与初相 振幅 和频率 给定 两个简谐振动相位差的讨论 当 时, 为初相差,与时间无关(相差恒定) 若 两振动同相 若 两振动反相 超前与滞后只具有相对意义 但是
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