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复旦大学大学物理力学课件Ch7
第七章 振动 (Vibration) 本章要讨论的问题 1.怎样描述振动 描述振动的物理量 2.简谐振动及其描述 基本参量 解析表达式,矢量表示法,复数表示法 3.自由振动,阻尼振动,受迫振动与共振 4.振动的合成 振动有各种不同的形式: 机械振动 振动:物理系统受到外界扰动时,系统状态在平衡态附近往复变化-周期运动。 广义振动:物理量(如位移、电流等) 在某一数值附近反复变化。 电磁振动 微观振动(如晶格点阵上原子的振动)etc 机械运动 振动分类 受迫振动 自由振动 阻尼自由振动 无阻尼自由振动 无阻尼自由非谐振动 (简谐振动) 无阻尼自由谐振动 I.振动的描述与简谐振动 振动的定义:随时间作周期性重复变化的物理 过程 origin:restoring force example: spring, pendulum, lattice vibrations 如何描述振动:位移 x(t) 1—D 速度vx 加速度 ax 能量 E = Ek + EP 参量 振幅 A maximum displacement from equilibrium 周期 T 或 频率f 相位 φ Simple harmonic oscillation 定义:物理量随时间按正弦或余弦规律变化的过程。 位移函数表示法 A — amplitude 最大位移量为±A ω = 2πf = 2π/T angular frequency (arc/s) f — frequency (1/s = Hz) T — period (s) φ0 初相位 ωt+j 2. 简谐振动的矢量表示法和复数表示法 矢量表示:简谐振动可以表示为一个矢量OA在xy平面内绕O点作逆时针方向的匀速转动时,A点在x轴上的投影。 的实部即为 复数表示: 将xy平面看作一个复平面 矢量端点对应于一个复数 (包含模和辐角) 的三角函数表示 优点:求导,积分,加减等运算方便 A和φ0由初始条件给出 2 弹性系统的自由振动 1.一维弹簧振子 弹簧的恢复力 f = -kx k --- force constant(劲度系数)(N/m) Equation of motion General solution 由振子性质确定-固有周期 初始条件确定 A 和 0 : 讨论 振动状态 振子振动状态由 m 的位置和速度表征 速度 ——振动方程(振动式) 加速度 也是简谐振动 速度 加速度 弹簧振子的能量 动能 势能 EP(t) EK(t) T/2 T EK(x) EP(x) x 简谐振动系统机械能守恒! [例] 由x-t曲线求振动方程。 解:设 x=Acos( t+ ) 单摆 2. Single pendulum, Compound pendulum 绳长l massless, inextensible, frictionless θ small enough sinθ≈θ (θ5o 0.3 rad) 当振幅很小时,单摆的振动为简谐振动。 Quasi 1-D restoring force f = -mgsinθ≈-mgθ= -mgx/l k = mg/l, ω02 = k/m = g/l ω0 = √g/l 单摆实验 可以测g 复摆(物理摆) 当振幅很小时,振动为简谐振动。 O 固定点 C center of mass torque Equation of motion 例 半径为 r 的小球在半径为R的半球形大碗内作纯滚动,这种运动是简谐振动吗?如果是,求出它的周期。 设小球质心速度vC,角速度ω 机械能守恒 两边对t求导 其中 小角度时的周期 弹簧的串联和并联 串联公式: 1/k = 1/k1 +1/k2 并联公式: k = k1 + k2 等效劲度系数 (ke) f: 恢复力 x: 偏离平衡位置的位移 例:一劲度系数为
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