引入

为什么把弹簧拉得越远,放手后小球的最大速度越大?

为什么振动过程中动能和势能都在变,总能量却不变?

为什么说“振幅的平方”代表能量,而不是振幅本身?

简谐振动的运动方程描述了位移如何随时间变化,但很多实际问题关心的是能量:弹簧振子能对外做多少功、分子振动能级有多高、共振时能量如何积累。这些问题都要从能量角度重新看一遍振动。

正文

定义

简谐振动的总机械能守恒,动能和势能周期性转换。总能量与振幅的平方成正比:

动能与势能

设位移 ,其中 。

动能:

势能:

总能量:

推导中用了 和 。

两个能量项都是 或 形式,相位差恰好是 :一个最大时另一个为零。

能量转换特征

位置动能势能
平衡位置()最大 零
最大位移()零最大
中间位置

一个周期内,动能和势能各完成两次完整振荡(频率是振动频率的两倍),但总和恒定。

这一点和匀速圆周运动不同:圆周运动的速率不变,动能不变;简谐振动的速率周期变化,动能也周期变化。

平均能量

一个周期内的平均值:

动能和势能的平均值相等,各占总能量的一半。这个结论对任何简谐振动都成立,与初相位无关。

与振幅的关系

振幅变为总能量变为最大速度变为

总能量与振幅平方成正比,这是波动、声强、光强中“强度正比于振幅平方”的根源。

量子化后的振子能量

经典振子的能量可以连续取值,只由振幅决定。量子力学中,谐振子能量是量子化的:

零点能 ——即使在绝对零度,分子仍在振动。这是不确定性原理的直接结果:如果完全静止在平衡位置,位置和动量就同时确定了。

化学意义

  • 分子振动:双原子分子的化学键振动可近似为简谐振动,力常数 反映键的强度。键越强, 越大,振动频率越高。
  • 红外光谱: 的跃迁对应基频吸收(见分子光谱)。
  • 零点能:即使在绝对零度,分子仍有振动能量,影响反应活化能和同位素效应。

引出

经典简谐振动是理想模型。实际分子振动在高能级时偏离简谐近似,需要引入非简谐修正。

阻尼振动中总能量如何随时间衰减?衰减的快慢由什么决定?

受迫振动达到稳态后,能量输入与耗散如何平衡?