引入
弹簧振子、单摆、音叉、LC 振荡电路,形式完全不同,为什么都叫“振动”?
为什么只要回复力与位移成正比,运动就一定按正弦规律变化?
为什么简谐振动的周期与振幅无关?
简谐振动是振动里最基础的一类。它的判断标准非常干净:回复力与位移成正比、方向相反。满足这一条,运动方程的形式就被完全锁定了。
正文
定义
物体所受回复力(或加速度)的大小与位移大小成正比、方向总指向平衡位置的振动,称为简谐振动。
判定
判断一个振动是不是简谐振动,只看回复力的形式:
是回复力系数,负号表示力的方向与位移方向相反。只要能把合力写成这个形式,就是简谐振动。
动力学方程
由牛顿第二定律:
其中 。
推导
这个方程的解就是 ,推导过程见简谐振动的运动方程。
三个特征量
| 量 | 符号 | 含义 | 由什么决定 |
|---|---|---|---|
| 振幅 | 偏离平衡位置的最大距离 | 初始条件(初位移、初速度) | |
| 圆频率 | 相位变化的快慢 | 系统本身(、) | |
| 初相位 | 初始时刻的相位 | 初始条件 |
关键结论:周期由系统决定,与振幅无关。这就是摆钟能计时、且摆幅稍有变化也不影响走时的原因。
简谐振动的能量
由弹性势能和动能可得:
用到了 。总能量恒定,只与振幅和系统参数有关,与时刻无关。
简谐振动的判据汇总
| 判据 | 表达式 | 用途 |
|---|---|---|
| 力的判据 | 从受力直接判断 | |
| 方程判据 | 从运动方程判断 | |
| 能量判据 | 从能量角度判断 |
简谐振动的合成
同方向、同频率的叠加:两个简谐振动
合成为同频率的简谐振动 ,振幅和初相由矢量合成给出:
| 相位差 | 合振幅 |
|---|---|
| (同相) | ,最大 |
| (反相) | ,最小 |
这是“旋转矢量法”的来源:两个同频振动对应两个匀速旋转的矢量,合成后仍是匀速旋转。
同方向、不同频率的叠加(拍):设两振幅相同、频率接近:
结果是一个高频振动被一个低频包络调制。包络的频率(拍频)为:
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| 平均频率 | 听到的音调 |
| 拍频 | 听到的强弱起伏 |
调音时听到“嗡嗡”的起伏,就是拍现象。两音越接近,拍频越低,调到拍消失即同音。
相互垂直方向的叠加:两个垂直方向的简谐振动合成,轨迹由振幅比和相位差决定:
| 相位差 | 轨迹 |
|---|---|
| 或 | 直线 |
| 且振幅相等 | 圆 |
| 其他 | 椭圆 |
这就是李萨如图形的原理,可用于比较两个频率的比值。
引出
实例:单摆在小角度下的运动分析。
那么 为什么等于 ?
简谐振动的运动方程中,通过推导加速度可以得出。