1. 简谐运动
(1)定义:物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比,且总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动。
(2)特征:回复力F=-kx(判断一个振动是不是简谐运动的充分必要条件)。
凡是简谐运动沿振动方向的合力必须满足该条件;反之,只要沿振动方向的合力满足该条件,那么该振动一定是简谐运动),加速度a=-kx/m,方向与位移方向相反,总指向平衡位置。
注意:在研究简谐运动时所说的位移的起点都必须在平衡位置处。
“平衡位置”不等于“平衡状态”。平衡位置是指回复力为零的位置,物体在该位置所受的合外力不一定为零。(如单摆摆到最低点时,沿振动方向的合力为零,但在指向悬点方向上的合力却不等于零,所以并不处于平衡状态)
简谐运动是一种变加速运动,在平衡位置时,速度最大,加速度为零;在最大位移处,速度为零,加速度最大。
(3)描述简谐运动的物理量
① 位移x:由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段,是矢量,其最大值等于振幅。
② 振幅A:振动物体离开平衡位置的最大距离,是标量,表示振动的强弱。
③ 周期T和频率f :表示振动快慢的物理量,二者互为倒数关系,即T=1/ f 。
④ 几个物理量之间的相互关系:
由定义知:F∝x,方向相反。
由牛顿第二定律知:F∝a,方向相同。
由以上两条可知:a∝x,方向相反。
v与x、F、a之间的关系复杂:当v、a同向(即 v、 F同向,也就是v、x反向)时v一定增大;
当v、a反向(即 v、 F反向,也就是v、x同向)时,v一定减小。
(4)简谐运动的图像
① 意义:表示振动物体位移随时间变化的规律,注意振动图像不是质点的运动轨迹。
② 特点:简谐运动的图像是正弦(或余弦)曲线。
③ 应用:可直观地读取振幅A、周期T以及各时刻的位移x,判定回复力、加速度方向,判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化情况。
2. 弹簧振子:周期和频率只取决于弹簧的劲度系数和振子的质量,与其放置的环境和放置的方式无任何关系。
公式:>
对水平方向振动的弹簧振子,回复力是弹簧的弹力;对竖直方向上振动的弹簧振子,回复力是弹力和重力的合力。
例如某一弹簧振子做简谐运动时的周期为T,不管把它放在地球上、月球上还是卫星中;是水平放置、倾斜放置还是竖直放置;振幅是大还是小,它的周期都是T。
3. 单摆:摆线的质量不计且不可伸长,摆球的直径比摆线的长度小得多,摆球可视为质点,是一种理想化模型。
(1)单摆的振动可看作简谐运动的条件:最大摆角α<5°。
(2)单摆的回复力是重力沿圆弧切线方向并且指向平衡位置的分力。
(3)公式:T=2π>
① 在振幅很小的条件下,单摆的振动周期跟振幅无关;
② 单摆的振动周期跟摆球的质量无关,只与摆长L和当地的重力加速度g有关;
③ 摆长L是指悬点到摆球重心间的距离,在某些变形单摆中,摆长L应理解为等效摆长,重力加速度应理解为等效重力加速度(一般情况下,等效重力加速度g' 等于摆球静止在平衡位置时摆线的张力与摆球质量的比值)。
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只要摆角足够小,这个振动就是简谐运动。这时周期公式中的l应该是圆弧半径R和
小球半径r的差。
4. 受迫振动
(1)受迫振动:振动系统在周期性驱动力作用下的振动。
(2)受迫振动的特点:受迫振动稳定时,系统振动的频率等于驱动力的频率,跟系统的固有频率无关。
(3)共振:当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时,振动物体的振幅最大,这种现象叫做共振。
共振的条件:驱动力的频率等于振动系统的固有频率。