大学物理课件：第十一章

第十一章机械振动一、基本要求1．掌握简谐振动的基本特征，学会由牛顿定律建立一维简谐振动的微分方程，并判断其是否谐振动。2.掌握描述简谐运动的运动方程)cos(0tAx，理解振动位移，振幅，初位相，位相，圆频率，频率，周期的物理意义。能根据给出的初始条件求振幅和初位相。3.掌握旋转矢量法。4.理解同方向、同频率两个简谐振动的合成规律，以及合振动振幅极大和极小的条件。二、基本内容1.振动物体在某一平衡位置附近的往复运动叫做机械振动。如果物体振动的位置满足)()(Ttxtx，则该物体的运动称为周期性运动。否则称为非周期运动。但是一切复杂的非周期性的运动，都可以分解成许多不同频率的简谐振动（周期性运动）的叠加。振动不仅限于机械运动中的振动过程，分子热运动，电磁运动，晶体中原子的运动等虽属不同运动形式，各自遵循不同的运动规律，但是就其中的振动过程讲，都具有共同的物理特征。一个物理量，例如电量、电流、电压等围绕平衡值随时间作周期性（或准周期性）的变化，也是一种振动。2.简谐振动简谐振动是一种周期性的振动过程。它可以是机械振动中的位移、速度、加速度，也可以是电流、电量、电压等其它物理量。简谐振动是最简单，最基本的周期性运动，它是组成复杂运动的基本要素，所以简谐运动的研究是本章一个重点。（1）简谐振动表达式)cos(0tAx反映了作简谐振动的物体位移随时间的变化遵循余弦规律，这也是简谐振动的定义，即判断一个物体是否作简谐振动的运动学根据。但是简谐振动表达式更多地用来揭示描述一个简谐运动必须涉及到的物理量A、、0（或称描述简谐运动的三个参量），显然三个参量确定后，任一时刻作简谐振动的物体的位移、速度、加速度都可以由t对应地得到。)2cos()sin(00tAtAv)cos()cos(0202tAtAa（2）简谐运动的动力学特征为：物体受到的力的大小总是与物体对其平衡位置的位移成正比、而方向相反，即kxF，它是判定一个系统的运动过程是否作简谐运动的动力学根据，只要受力分析满足动力学特征的，毫无疑问地系统的运动是简谐运动。这里应该注意，F系指合力，它可以是弹性力或准弹性力。（3）和简谐运动的动力学特征相一致的是简谐运动的运动学特征：作简谐运动物体的加速度大小总是与其位移大小成正比、而方向相反，即xdtxd222，它也是物体是否作简谐运动的判据之一。只要加速度与位移大小成正比、而方向恒相反，则该物理量的变化过程就是一个简谐运动的过程。在非力学量，例如电量、电流和电压等电学量，就不易用简谐振动的动力学特征去判定，而LC电路中的电量q就满足qLCdtqd122，故电量q的变化过程就是一个简谐振荡的过程，显然用运动学的特征来判定简谐运动更具有广泛的意义。3.简谐振动的振幅、周期、频率和相位（1）振幅A是指最大位移的绝对值。A是由初始条件来决定的，即22020vxA。（2）周期T是指完成一次完整的振动所用时间。2T，式中是简谐振动的圆频率，它是由谐振动系统的构造来决定的，即mk,也称为固有圆频率。对应的T称为固有周期。vT1，式中v称为频率（即固有频率），它与圆频率的关系2v，是由系统本身决定的。（3）相位)(0t和初相位0是决定简谐振动的物体t时刻和0t时刻运动状态的物理量。即在A、确定后，任一时刻的x、v、a都是由)(0t来确定的。一个周期内，每一时刻的相位)(0t不同，则对应的运动状态也不相同。对不同的两个或更多的几个简谐振动，相位还用来区分它们之间“步调”的一致与否。初相位0决定于初始条件：即由0000sincosAAxv共同决定。或由)arctan(000xv计算，但由此式算得的0在2,0或,范围内有两个可能的取值，必须根据0t时刻的速度方向进行合理的取舍。如能配合使用旋转矢量图示法，则会使0的确定更加简捷、方便。4.旋转矢量法简谐运动的表达式)cos(0tAx中有三个特征量A、、0，旋转矢量法把描述简谐运动的三个物理量更直观、更形象地表示在图示中。作匀速转动的矢量，其长度等于谐振动的振幅A，其角速度等于谐振动的角频率，且0t时，它与X轴正向的夹角为谐振动的初位相0，tt时刻它与X轴正向的夹角为谐振动的位相（0t）。旋转矢量A的末端在X轴上的投影点的运动代表质点的谐振动。5.简谐振动的能量动能)(sin210222tAmEk势能)(cos21022tkAEp机械能221kAEEEpk6.同方向同频率简谐振动的合成1011costAx和2022costAx合成后仍为简谐振动021costAxxx其中)cos(21020212221AAAAA(合振幅)2021012021010coscossinsinAAAAtg（合振动的初相）三、习题选解11-1质量为g10的小球与轻弹簧组成的系统，按)38cos(5.0txm的规律振动（式中x以m计，t以s计），试求：（1）振动的角频率、周期、振幅、初相、速度和加速度的最大值；（2）st1、s2、s10各时刻的相位；（3）分别画出位移、速度、加速度与时间t的关系曲线。解：（1）)38cos(5.0txm与振动的标准形式cos(Ax0t)相比可知：圆频率81s振幅mA5.0初相位30周期2T=s25.0最大速度5.08maxAv1156.12smsm最大加速度5.0)8(22maxAa2211016.3smsm（2）相位为)38(t,将st1、s2、s10代入相位分别为318、3116、3180（3）由)38cos(5.0txm有)38sin(4tdtdxv1sm)38cos(322tdtdav2sm11-2有一个和轻弹簧相连的小球，沿x轴作振幅为A的简谐振动，其表达式用余弦函数表示。若0t时，球的运动状态为（1）Ax0；（2）过平衡位置向x轴正向运动；（3）2Ax处向x轴负方向运动；（4）2Ax处向x轴正方向运动；试用矢量图示法确定相应的初相的值，并写出振动表达式。解：四种情况对应的旋转矢量图如图所示：（1）初相位0，振动方程为)cos(tAx（2）初相位20，振动方程为)2cos(tAx（3）初相位为30，振动方程为)3cos(tAx题11-2图（4）初相位40，振动方程为)4cos(tAx11-3质点作简谐振动的曲线x-t如图所示，求质点的振动方程式解：t=0时，00cos2AAx所以21cos0，30，再由0sin0A0v，0sin0取30t=1s时，11cos2AAx（注意01）11cos2，31再由0sin1A1v，0sin1所以311023振动方程为mttAx332cos04.0cos011-4两质点沿同一直线作同频率、同振幅的简谐振动，当它们每次沿相反方向互相通过时，它们的位移均为其振幅的一半，求这两个质点振动的相位差。解：设两个质点振动方程为)cos(11tAx)cos(22tAx速度为)sin(111tAdtdxv)sin(222tAdtdxv依题意，两质点在tt相遇时2)()(21Atxtx)cos(1t)cos(2t211t2t32n此时两质点运动方向相反，这分两种情况。（1）质点1向x轴正向运动，质点2向x轴负向运动，这时321nt322nt位相差)(1t32)(2t（2）质点1向x轴负向运动，质点2向x轴正向运动，这时321nt322nt位相差)(1t32)(2t两种情况都说明其中一个质点的运动比另处一个质点的运动超前或落后32。两质点在2A处相向相遇时有同样的结论。11-5在一平板上放质量kgm0.1的物体，平板在竖直方向上下作简谐振动，周期为sT5.0，振幅02.0Am，试求：（1）在位移最大时，物体对平板的压力；（2）平板应以多大振幅作振动，才能使重物开始跳离木板。解：（1）选择物体平衡位置为坐标原点，向上的方向为x轴正向。由牛顿第二定律有mamgN题11-5图当系统运动到最高位置时，加速度为负的最大值。即2maxAaa此时NATgmAgmmamgN6.6)2()(22max当系统运动到最低位置时2maxAaa此时NNAgmmamgN13)2.38.9(0.1)(2max（2）物体跳离木板，应在最高位置时受木板的力0)(2maxAgmmamgNmgTgA062.0422211-6如图所示，一质量为M的盘子系于竖直悬挂的轻弹簧的下端，弹簧的倔强系数为k。现有一质量m的物体自离盘h高处自由落下掉在盘中，没有反弹，以物体掉在盘上的瞬时作为计时起点。求盘子的振动表达式。（取物体掉在盘子后的平衡位置作为坐标原点，位移取向下为正）。解：取物体掉在盘子里的平衡位置为坐标原点，y轴向下建立坐标系。这时弹簧伸长2为2)(kgMmgkMm2当0t时，弹簧伸长1为1kMgkMg1所以，0t时系统的位移为kmgkmgkgmMy])([)(120设此时系统的速度为0v，由动量守恒定律有题11-6图题11-6图0)(2vmMghmmMghm20v且速度向下与y轴方向相同，0v取正值。当物体落入盘中，且系统运动至坐标y处时，系统运动方程为22)()(dtydmMTgmM此时弹簧伸长为2y，因而)(2ykT则222)()()(dtydmMykgmM由于gmMk)(2有022ymMkdtyd方程解为)cos(0tAymMk由初始条件0k时，002,mghmgykMmv有222220022()()()mgmghMmAykkMmv=gmMkhkmg)(21)(2arctan)(2arctan)arctan(000mMgkhkmgmMkghMmmyv所以盘子的振动表达式为))(2arctancos()(21mMgkhtmMkgmMkhkmgy11-7如图所示，一弹簧振子由倔强系数k的弹簧和质量M的物块组成，将弹簧一端与顶板相连。开始时物块静止，一颗质量为m，速度0u的子弹由下而上射入物块，并留在物块中。求：（1）振子以后的振幅和周期；（2）物体从初始位置运动到最高点所需的时间。题11-7图解：（1）以子弹射入物块后的平衡位置为原点，y轴向下，建立坐标系，这时弹簧伸长gkmMy2子弹未射入物块时，弹簧伸长为kMgy1。此时物体在坐标系中的位置题11-7图kmgkMggkmMyyy)()(120物块和子弹共同运动的速度0v00)(mumMv00umMmv（负号表示方向向上）当子弹射入物块，并且运动到y处时，系统的运动方程为22()()dyMmgTMmdt此时弹簧伸长为yy2，故)(2yykT于是有222)()()(dtydmMyykgmM由于gmMky)(2有22)(dtydmMky022ymMkdtyd系统的振动方程为)cos(0tAymMk由初始条件0t时，kmgyy