机械振动简谐振动的特征

机械振动简谐振动的特征第1页，课件共30页，创作于2023年2月

人们习惯于按照物质的运动形态，把经典物理学分成力（包括声）、热、电、光等子学科。然而，某些形式的运动是横跨所有这些学科的，其中最典型的要算振动和波了。在力学中有机械振动和机械波，在电学中有电磁振荡和电磁波，声是一种机械波，光则是一种电磁波。在近代物理中更是处处离不开振动和波，仅从微观理论的基石——量子力学又称波动力学这一点就可看出，振动和波的概念在近代物理中的重要性了。前言第2页，课件共30页，创作于2023年2月尽管在物理学的各个分支学科里振动和波的具体内容不同，在形式上它们却具有极大的相似性。所以机械振动、机械波两章的意义绝不局限于力学，它将为学习整个物理学打基础。第3页，课件共30页，创作于2023年2月地动仪东汉张衡第4页，课件共30页，创作于2023年2月机械振动第十六章第5页，课件共30页，创作于2023年2月本章的基本内容第一，简谐振动（特征量，表示法，能量；例证）；第二，振动的合成与分解；

第三，阻尼振动、受迫振动、共振，非线性振动。机械振动(MechanicalVibrations)机械振动：物体的位置在某点附近作来回往复运动广义振动：某物理量随时间作反复变化例：交流电(电流强度)，电磁振荡(场强)第6页，课件共30页，创作于2023年2月平衡位置：弹簧处于自然状态的稳定位置一、典型模型：弹簧振子模型假设：轻弹簧：质量忽略不计，形变满足Hooke定律；物体可看作质点。§16.1

简谐振动(HarmonicVibration)

第7页，课件共30页，创作于2023年2月则受力分析，Hooke定律：运用牛顿定律，改写方程令简谐振动微分方程第8页，课件共30页，创作于2023年2月二、简谐振动的运动学特征──谐振动的运动学方程特解为∶凭借运动学特征，也可以判断系统是否作简谐振动。第9页，课件共30页，创作于2023年2月谐振动的位移、速度及加速度vavaxxtoT返回结束第10页，课件共30页，创作于2023年2月系统固有角频率相位

初相位振幅其中，振幅、角频率、初相是简谐振动的特征量三描述简谐振动的特征量谐振动的运动学方程：第11页，课件共30页，创作于2023年2月指谐振子离开平衡位置的最大位移的绝对值振幅是由系统的初始条件决定的及由也可由系统能量求振幅（即依赖于外界对系统预置的能量）振幅（amplitude）

振幅的大小反映了振动能量的大小即振动强度的大小，这就是振幅的物理意义！第12页，课件共30页，创作于2023年2月速度幅─加速度幅─力幅─第13页，课件共30页，创作于2023年2月单位时间内振动的次数角频率

物体完成一次全振动所需时间频率（frequency）

周期（period）T单位：Hz2

秒内的振动次数

第14页，课件共30页，创作于2023年2月弹簧振子复摆单摆第15页，课件共30页，创作于2023年2月是决定谐振子t时刻运动状态（x，v）的物理量t=0时刻的相位，决定开始时刻振子的运动状态相位（phase）初相位（initialphase）初始条件t=0时第16页，课件共30页，创作于2023年2月

四

简谐振动的能量返回

谐振系统的动能、势能交替变化，相互转换，而总能量不变。第17页，课件共30页，创作于2023年2月EA212k=EEkEpoxtAx=costω谐振系统的动能、势能交替变化，相互转换，而总能量不变。to返回结束第18页，课件共30页，创作于2023年2月1、单摆则摆球对C点的力矩（注意正向定义）本质上是转动，因此作力矩分析若θ很小（摆球作小角度摆动）运用定轴转动定律五、微振动的简谐近似注意到第19页，课件共30页，创作于2023年2月结论：单摆的小角度的摆动是简谐振动。其角频率、振动周期分别为：令得振动微分方程方程改写（单摆的固有频率、固有周期）第20页，课件共30页，创作于2023年2月2、复摆结论：复摆的小角度摆动是简谐振动。当时力矩分析运用定轴转动定律令复摆是在重力场中，绕不过质心的水平固定轴摆动的刚体。第21页，课件共30页，创作于2023年2月如图所示，振动系统由一劲度系数为k的轻弹簧、一半径为R、转动惯量为J的定滑轮和一质量为m的物体所组成。使物体偏离平衡位置后放手，任其振动，试证物体作简谐振动，并求其周期T。解：普通物理学教案例题1：设m在平衡位置时，弹簧伸长量为

l，则取位移轴ox，第22页，课件共30页，创作于2023年2月隔离法，受力分析当m有位移x时联立得物体作简谐振动——系统的固有角频率第23页，课件共30页，创作于2023年2月另解：用能量方法研究系统的运动该系统（和地球）的机械能守恒两边求导式中则有振动势能第24页，课件共30页，创作于2023年2月结果相同!从能量守恒导出简谐运动方程的思路，对研究非机械运动十分重要，因为此时已不宜用受力分析的方法了！注意振动势能的论证：以平衡为双势能的零点第25页，课件共30页，创作于2023年2月bρρa´水面上浮有一方形木块，在静止时水面以上高度为a，水面以下高度为b。水密度为ρ′，木块密度为ρ，不计水的阻力。普通物理学教案例题1：第26页，课件共30页，创作于2023年2月水面上浮有一方形木块，在静止时水面以上高度为a，水面以下高度为b。水密度为ρ′，木块密度为ρ，不计水的阻力。普通物理学教案例题2：用外力将木块压入水中，使木块上表面与水面平齐。

第27页，课件共30页，创作于2023年2月bρρa´证明木块将作简谐振动，并求振动角频率。水面上浮有一方形木块，在静止时水面以上高度为a，水面以下高度为b。水密度为ρ′，木块密度为ρ，不计水的阻力。普通物理学教案例题1：第28页，课件共30页，创作于2023年2月任意位置木块受到的合外力为：合外力和位移成正比