大学物理
波动学基础
第4讲平面简谐波的能量
平面简谐波的能量
在波的传播过程中, 介质中各质元的能量如何变化？遵循怎样的规律？
平面简谐波的能量
波动的过程是能量传播的过程.
介质中各质点在各自平衡位置附近振动动能
介质间相互作用产生弹性形变势能
一、平面简谐波传播时媒质中体积元的能量
(一)能量
设平面简谐波在密度为ρ的弹性介质中沿 x 正方向传
播: ? = 0
?
?
?
????=u x t A y ωcos 在 x 处取体积元 ΔV ,
质量为
V
x S m ?==?ρρd
当波传到此 ΔV 时, 有
?
?
??????=??=u x t A t y ωωsin v 所以体积元动能为
()()?
?
??????=?=?u x t A V m E ωωρ2
222k sin 2121v 经推导(略), 体积元弹性形变势能也为
()?
?
??????=?u x t A V E ωωρ2
22p sin 21
体积元的总能量为
()?
????
?
??=?+?=?u x t A V E E E ωωρ2
2
2
p
k sin (1)能量的传播 (2)
(2)周期性的变化
(二)能量变化同相位
形变最大、振速最大（势能最大、动能最大）
形变最小、振速为零
（势能为零、动能为零）
O
x
y
a
b
(三)振动与波动中能量变化的区别
振动: 能量守恒
波动: 能量传播过程
——时大时小, 不守恒 ——
(一)能量密度
单位体积内波的能量————
能量密度 w :()?
?
?????=??==u x t A V E t x ωωρ222sin ，w w 能量密度的平均值:
2
202
1d 1ω
ρA t T T ==∫w w 机械波的能量与振幅平方, 频率平方以及介质密度成
正比.
二、波的能量密度 能流密度
（二）能流和能流密度
能流: 单位时间内垂直于波线方向流过某一面积的能量.
uS
P w =平均能流：
uS
P w = 能流密度: 在单位时间内垂直于波线方向的单位面积
上通过的平均波的能量.
S
P I =
()u S
uS I ?=?=w w (1)大小:
(2)方向:
(3)单位：2
m
W ??(4)能流密度也称为波的强度。
能流密度为矢量, 其方向为波速的方向.
u A I 222
1ωρ=即
(三)球面波(点波源激发)
2
211I r I r ：： 单位时间内穿过这两个球
形面的总平均能量分别为
2
2
2
12
144I r I r ππ 以点O 为中心, r 1, r 2为半径, 作两个同心球形波面, 则
1
r O
2
r
因为无吸收, 由能量守恒定律得
2
2212144I
r I r ππ=所以21
2221r
r I I =即1
221r r A A =
则C
Ar r A r A ====L 2211即
r
C A =
C 为 r =1 时该处的振幅, 则球面波的波函数为
?
?
????+???????=?ωu r t r C
y cos
解:
ωλπ
2=
=T T u Q π
2ωλ=∴u S
P w π
2ωλ=uS
P w = 例题 在截面积为 S 的圆管中, 有一列平面简谐波, 其波
动的表达式为
管中波的平均能量密度为 , , 则通过截面 S 的平均能流是多少?)
π2cos(λ
ωx
t A y ?=w and
张建斌：浅谈机械波传播过程中介质中质点的运动 浅谈机械波传播过程中介质中质点的运动 张建斌 摘要：人民教育出版社2007年11月版物理《选修3－4》认为：有正弦波传播的介质中的质点在做简谐运动。但笔者查阅了相关书籍后发现这一说法欠妥。本文将从平面简谐波的波动方程和介质波的能量出发，分析机械波能量在空间上的分布、随时间的变化与能量传递的实质，通过与简谐运动的对比，对新教材中关于机械波传播过程中介质中质点的运动作新的描述“简谐波是简谐运动在介质中的传播，但介质中各质点做得并非简谐运动，而是运动规律满足正弦（或余弦）图像的受迫振动”。 关键词：受迫振动简谐运动机械波能量传递 普通高中课程标准实验教科书《物理：选修3－4》（人民教育出版社2007年4月第2版）第27页“介质中有正弦波传播时，介质的质点在做简谐运动”。但简谐运动的能量在整个振动过程中是一个守恒量，简谐运动的过程是动能和势能的相互转化过程，这样做简谐运动的介质中的质点将无法实现传递能量的功能。 实际上，平面波传播时，若介质中质点按正弦（或余弦）规律运动时，叫做平面简谐波，是最基本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。但平面简谐波传播时，介质中的质点并非简谐运动，只是其运动规律满足正弦（或余弦）规律。因为介质中每一个振动质点（体元）的动能和势能同时达到最大、同时达到最小，质点的机械能在最大值和最小值之间变化，每个质点都在不断吸收和放出能量的过程中实现能量的传递。本文主要阐述机械波的能量及其传递，并尝试对新教材中关于机械波传播过程中介质中质点的运动谈一点自己的看法。 一、波动方程 设一列平面简谐波沿轴正向传播，波源点的振动方程为，在轴上任意点的振动比点滞后（是振动状态传播的速度、即波速），即当点相位为时，点相位为，因此点的振动方程为，这就是平面简谐波方程，它可以描述平面简谐波在传播方向上任意点的振动规律。 二、介质中波的能量分布 一列波在弹性介质中传播时，各体元都在平衡位置附近振动，所以具有动能；同时，各体元发生形变，又有弹性势能。现以简谐横波为例，研究某体元的动能、势能和总能的变化规律。 1、动能 在有简谐横波传播的介质中，取一微元，根据平面简谐波方程可得到其振动速度 设介质密度为，微元体积为，则该体元的动能为 2、形变势能 我们选取的介质中的微元同时受到相邻的微元的作用而发生剪切形变（即在力偶作用下，两平行截面发生相对移动的形变），如图1所示，若设表示假想截面的面积，且在该面上均匀分布，则剪应力。同时，我们用平行截面间相对滑动位移与截面垂直距离之比描述剪切形变，称为剪切应变。由图1：，称为切变角。则可由剪切形变的胡克定律得：在形变范围内（为剪切模量，反映材料抵抗剪切应变的能力），且单位体积剪切形变的弹性势能为。 对于传播横波的介质中的微元而言，其剪切形变简化为如图2所示，。所以选取的微元的形变势能为 3、总能 弹性介质中横波的波动方程可写为： 对偏导运算可得：
第六节简谐运动的能量阻尼振动 ●本节教材分析 本节从功能关系角度来深化对简谐运动的特点的认识. 教学时，在复习机械能守恒的基础上，应向学生说明：在位移最大时，即动能为零时，单摆的振幅最大，重力势能最大；水平弹簧振子的振幅越大，弹性势能越大，因此振幅越大，振动的能量越大. 对于竖直的弹簧振子，涉及弹性势能、重力势能、动能三者的变化，不要求从能量的角度对它进行分析. 简谐运动是一种理想化模型，实际中发生的振动都要受到阻尼的作用，如果阻尼很小，振动物体受到的回复力大小与位移成正比，方向与位移相反，则物体的运动可以看作是简谐 运动，这种将实际问题理想化的方法，应注意让学生理会. 1.知道振幅越大，振动的能量(总机械能) 2. 3. 4.知道什么是阻尼振动和阻尼振动中能量转化的情况. 5.知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动. 1.分析单摆和弹簧振子振动过程中能量的转化情况，提高学生分析和解决问题的能力. 2.通过阻尼振动的实例分析，提高处理实际问题的能力. 1.简谐运动过程中能量的相互转化情况，对学生进行物质世界遵循对立统一规律观点的渗透. 2.振动有多种不同类型说明各种运动形式都是普遍性下的特殊性的具体体现. 1.对简谐运动中能量转化和守恒的具体分析. 2.什么是阻尼振动. 关于简谐运动中能量的转化. 1.多媒体展示弹簧振子和单摆的振动过程，观察、讨论、阅读课文，得到水平弹簧振子和单摆的振动过程中动能和势能的转化情况. 2.多媒体、结合实验演示，得到阻尼振动的概念. 3.对比认识各种振动的特点. 投影片、CAI 出示本节课的学习目标. 1.会分析弹簧振子和单摆这两种典型简谐运动的能量及能量转化情况. 2.知道简谐运动振幅与振动系统能量的关系. 3.
§4-2平面简谐波的波动方程 振动与波动 最简单而又最基本的波动是简谐波！ ￥ 简谐波：波源以及介质中各质点的振动都是简谐振动。任何复杂的波都可看成是若干个简谐波的叠加。 对平面简谐波，各质点都在各自的平衡位置附近作简谐振动，但同一时刻各质点的振动状态不同。需要定量地描述出每个质点的振动状态。 波线是一组垂直于波面的平行射线，可选用其中一根波线为代表来研究平面简谐波的传播规律。 一、平面简谐波的波动方程 设平面简谐波在介质中沿 x 轴正向传播，在此波线上任取一参考点为坐标原点 参考点原点的振动方程为 ()00cos y A t ω?=+ 任取一点 P ，其坐标为 x ，P 点如何振动 A 和 ω 与原点的振动相同，相位呢 沿着波的传播方向，各质点的相位依次落后，波每向前传播 λ 的距离，相位落后 2π | 现在，O 点的振动要传到 P 点，需要向前传播的距离为 x ，因而 P 点的相 区别 联系 振动研究一个质点的运动。 波动研究大量有联系的质点振动的集体表现。 振动是波动的根源。 波动是振动的传播。 x "
位比 O 点落后 22x x π πλ λ = P 点的振动方程为 02cos P y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 由于 P 点的任意性，上式给出了任意时刻任意位置的质点的振动情况，将下标去掉 02cos y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 就是沿 x 轴正向传播的平面简谐波的波动方程。 如果波沿 x 轴的负向传播，P 点的相位将比 O 点的振动相位超前2x π λ 沿 x 轴负向传播的波动方程为 02cos y A t x πω?λ??=++ ??? 利用 2ωπν=， u λν= 沿 x 轴正向传播的平面简谐波的波动方程又可写为 : 02cos y A t x πω?λ??=-+ ??? 02cos A t x u πνω??? =-+ ??? 0cos x A t u ω??? ??=-+ ??????? 即 0cos x y A t u ω??? ??=-+ ??????? 原点的振动状态传到 P 点所需要的时间 x t u ?= x —
§4-2平面简谐波的波动方程 振动与波动 最简单而又最基本的波动是简谐波！ 简谐波：波源以及介质中各质点的振动都是简谐振动。任何复杂的波都可看成是若干个简谐波的叠加。 对平面简谐波，各质点都在各自的平衡位置附近作简谐振动，但同一时刻各质点的振动状态不同。需要定量地描述出每个质点的振动状态。 波线是一组垂直于波面的平行射线，可选用其中一根波线为代表来研究平面简谐波的传播规律。 一、平面简谐波的波动方程 设平面简谐波在介质中沿 x 轴正向传播，在此波线上任取一参考点为坐标原点 参考点原点的振动方程为 x 区别 联系 振动研究一个质点的运动。 波动研究大量有联系的质点振动的集体表现。 振动是波动的根源。 波动是振动的传播。
()00cos y A t ω?=+ 任取一点 P ，其坐标为 x ，P 点如何振动？ A 和 ω 与原点的振动相同，相位呢？ 沿着波的传播方向，各质点的相位依次落后，波每向前传播 λ 的距离，相位落后 2π 现在，O 点的振动要传到 P 点，需要向前传播的距离为 x ，因而 P 点的相位比 O 点落后 22x x π πλ λ = P 点的振动方程为 02cos P y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 由于 P 点的任意性，上式给出了任意时刻任意位置的质点的振动情况，将下标去掉 02cos y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 就是沿 x 轴正向传播的平面简谐波的波动方程。 如果波沿 x 轴的负向传播，P 点的相位将比 O 点的振动相位超前2x π λ 沿 x 轴负向传播的波动方程为 x
02cos y A t x πω?λ??=++ ??? 利用 2ωπν=， u λν= 沿 x 轴正向传播的平面简谐波的波动方程又可写为 02cos y A t x πω?λ??=-+ ??? 02cos A t x u πνω??? =-+ ??? 0cos x A t u ω??? ??=-+ ??????? 即 0cos x y A t u ω??? ??=-+ ??????? 原点的振动状态传到 P 点所需要的时间 x t u ?= P 点在 t 时刻重复原点在 x t u ?? - ??? 时刻的振动状态 波动方程也常写为 02cos y A t x πω?λ??=-+ ??? ()0cos A t kx ω?=-+ 其中 2k π λ = 波数，物理意义为 2π 长度所具有完整波的数目。 ☆ 波动方程的三个要素：参考点，参考点振动方程，传播方向 二、波动方程的物理意义 1、固定x ，如令0x x = ()002cos y t A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 振动方程
练习九波动（一） 1．在简谐波传播过程中，沿传播方向相距为2/λ（λ 为波长）的两点的振动速度必定［ ］ (A)大小相同，方向相反．(B)大小和方向均相同．(C)大小不同，方向相同．(D)大小不同，而方向相反．2．一角频率为ω的简谐波沿x 轴的正方向传播，t =0时刻的波形如图所示．则t =0时刻，x 轴上各质点的振动速度v 与x 坐标的关系图应为：［］3．一平面简谐波沿x 轴负方向传播．已知x =-1m 处质点的振动方程为)cos(φω+=t A y ，若波速为u ，则此波的表达式为．4．一平面余弦波沿Ox 轴正方向传播，波动表达式为])x T t (2cos[A y φλ+-=π，则x =-λ 处质点的振动方程是_________________________；若以x =λ处为新的坐标轴原点，且此坐标轴指向与波的传播方向相反，则对此新的坐标轴，该波的波动表达式是：_________． 5.一平面简谐波某时刻的波形图如下，则OP之间的距离为厘米。 6.如图所示为一平面简谐波在t =0时刻的波形图，设此简谐波的频率为250Hz ，且此时质点P 的运动方向向下，求(1)该波的表达式； (2)在x=100m 处质点的振动方程与振动速度表达式． 7.一平面简谐波沿x 轴正向传播，其振幅为A ，频率为ν，波速为u ．设t =t ＇时刻的波形曲线如图所示．求(1)x =0处质点振动方程；(2)该波的表达式． x u O t =t ′y x (cm)
练习十波动（二） 1.一平面简谐波，其振幅为A ，频率为ν．波沿x 轴负方向传播．设t =t 0时刻波形如图所示．则x =0处质点的振动方程为［］ (A)]21)(2cos[0π++π=t t A y ν． (B)]21)(2cos[0π+-π=t t A y ν． (C)] 2 1)(2cos[0ππ--=t t A y ν(D) ])(2cos[0π+-π=t t A y ν． 2．一平面简谐波在弹性媒质中传播，某一时刻媒质中某质元在负的最大位移处，则它的能量是［] (A)动能为零，势能最大．(B)动能为零，势能为零．(C)动能最大，势能最大．(D)动能最大，势能为零． 3．如图所示,两相干波源S 1与S 2相距3λ/4，λ为波长．设两波在S 1S 2连线上传播时，它们的振幅都是A ，并且不随距离变化．已知在该直线上在S 1左侧各点的合成波强度 为其中一个波强度的4倍，则两波源应满足的相位条件是______________________． 4．一平面简谐波沿X 轴正向传播，已知坐标原点的振动方程为0.05cos(/2)()y t m ππ=+，设同一波线上A、B 两点之间的距离为0.02m，Ｂ点的相位比Ａ点落后/6π，则波长λ=______________，波速u=_______________，波动方程y=___________________.★ 5.（A1做，B1不做）设入射波的表达式为1cos 2()x y A t πνλ =+ ，波在x=0处发生反射，若反射点为 固定端，则反射波的波函数为y 2=_____________________________;若反射点为自由端，则反射波的波函数为y 2=_____________________________ 6．已知波长为λ 的平面简谐波沿x 轴负方向传播．x =λ/4处质点的振动方程为ut A y ?π =λ 2cos (SI) (1)写出该平面简谐波的表达式.. (2)画出t =T 时刻的波形图. 7．如图所示，S 1，S 2为两平面简谐波相干波源．S 2的相位比S 1的相位超前π/4，波长λ=8.00m ，r 1=12.0m ，r 2=14.0m ，S 1在P 点引起的振动振幅为0.30m ，S 2在P 点引起的振动振幅为0.20m ，求P 点的合振幅． x (3/4)λ P S S
ωS A O ′ ωS A O ′ω A O ′ ωS A O ′ (A)(B)(C)(D)31 s 31 -平面简谐波 1.选择题1.一平面简谐波沿ox 正方向传播，波动表达式为]2 )42(2cos[10.0π+-π=x t y (SI)，该波在t = 0.5 s 时刻的波形图是（B ） *2 2.在下面几种说法中，正确的说法是：（C ） *2 (A) 波源不动时，波源的振动周期与波动的周期在数值上是不同的 (B) 波源振动的速度与波速相同 (C) 在波传播方向上的任一质点振动相位总是比波源的相位滞后(按差值不大于π计) (D) 在波传播方向上的任一质点的振动相位总是比波源的相位超前(按差值不大于π计) 3.机械波的表达式为y = 0.03cos6π(t + 0.01x ) (SI) ，则（B ） *1 (A)其振幅为3 m (B)其周期为 (C)其波速为10 m/s (D)波沿x 轴正向传播 4.在简谐波传播过程中，沿传播方向相距为λ1（λ 为波长）的两点的振动速度必定（A ） *2 (A) 大小相同，而方向相反 (B) 大小和方向均相同 (C) 大小不同，而方向相同 (D) 大小不同，且方向相反 5.频率为100 Hz ，传播速度为300 m/s 的平面简谐波，波线上距离小于波长的两点振动的相位差为 π3 1 ，则此两点相距（C ）*3 (A)2.86 m (B)2.19 m (C)0.5 m (D)0.25 m 6.横波以波速u 沿x 轴负方向传播．t 时刻波形曲线如图．则该时刻 （D ） *3 (A) A 点振动速度大于零 (B) B 点静止不动 (C) C 点向下运动 (D) D 点振动速度小于零 7.一平面简谐波的表达式为 )/(2c o s λνx t A y -π=． 在t = 1 /ν 时刻，x 1 = 3λ /4与x 2 = λ /4二点处质元速度之比是（A ） *5 (A) -1 (B) (C) 1 (D) 3 8.一平面简谐波沿x 轴正方向传播，t = 0 时刻的波形图如图所示，则P 处质点的振动在t = 0 时刻的旋转矢量图是（A ） *3 S 9.一沿x 轴负方向传播的平面简谐波在t = 2 s 时的波形曲线如图所示，则原点O 的振动方程为 （C ）*4 (A) )2 1(cos 50.0ππ+=t y (SI)． (B) )2 121(cos 50.0ππ-=t y (SI)． (C) )2 121(cos 50.0ππ+=t y (SI)． (D) )2 14 1(cos 50.0ππ+=t y (SI)． 10.一平面简谐波沿x 轴负方向传播．已知 x = x 0处质点的振动方程为)cos(0φω+=t A y ．若波速为u ，则此波的表达式为（A ） *3 (A) }]/)([cos{00φω+--=u x x t A y (B) }]/)([cos{00φω+--=u x x t A y )
大学物理振动波动例 题习题
振动波动 一、例题 （一）振动 1.证明单摆是简谐振动，给出振动周期及圆频率。 2.一质点沿x轴作简谐运动，振幅为12cm，周期为2s。当t = 0时, 位移为6cm，且向x轴正方向运动。 求: (1) 振动表达式； (2) t = 0.5s时，质点的位置、速度和加速度； (3)如果在某时刻质点位于x=-0.6cm，且向x轴负方向运动，求从该位置回到平衡位置所需要的时间。 3. 已知两同方向，同频率的简谐振动的方程分别为： x 1= 0.05cos (10 t + 0.75π) 20.06cos(100.25)(SI) x tπ =+ 求：(1)合振动的初相及振幅. (2)若有另一同方向、同频率的简谐振动x 3 = 0.07cos (10 t +? 3 ), 则当? 3为多少时x 1 + x3的振幅最大?又? 3为多少时 x 2 + x 3的振幅最小? （二）波动 1. 平面简谐波沿x轴正方向传播，振幅为2 cm，频率为 50 Hz，波速为 200 m/s。在t = 0时，x = 0处的质点正在平衡位置向y轴正方向运动， 求：(1)波动方程 (2)x = 4 m处媒质质点振动的表达式及该点在t = 2 s 时的振动速度。 2. 一平面简谐波以速度m/s 8.0 = u沿x轴负方向传播。已 知原点的振动曲线如图所示。求：（1）原点的振动表达 式； （2）波动表达式； （3）同一时刻相距m 1的两点之间的位相差。 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3 x t O A/2 -A x 1 x 2 3. 两相干波源S 1和S 2的振动方程分别是1cos y A t ω=和2cos(/2)y A t ωπ=+。S 1距P 点3个波长，S 2距P 点21/4个波长。求：两波在P 点引起的合振动振幅。 4.沿X 轴传播的平面简谐波方程为： 310cos[200(t )]200x y π-=- ，隔开两种媒质的反射界面A 与坐标原点O 相距2.25m ，反射波振幅无变化，反射处为固 定端，求反射波的方程。 二、习题课 （一）振动 1. 一质点在x 轴上作简谐振动，振辐A = 4 cm ，周期T = 2 s ，其平衡位置取作坐标原点。若t = 0时刻质点第一次通过x = -2 cm 处，且向x 轴负方向运动，则质点第二次通过x = -2 cm 处的时刻为［ ］ (A) 1 s (B) (2/3) s (C) (4/3) s (D) 2 s 2.已知某简谐振动的振动曲线如图所示，则此简谐振动的振动方程为 (A) ??? ??+=3232cos 2ππt x ；(B) ??? ? ?-=332cos 2ππt x ； (C) ??? ??+=3234cos 2ππt x ；(D) ??? ? ?-=334cos 2ππt x 。 3.一质量为m 的物体挂在劲度系数为k 的轻弹簧下面，振动角频率为ω。若把此弹簧分割成二等份，将物体m 挂在分割后的一根弹簧上，则振动角频率［ ］ (A) 2ω (B) ω2 (C) 2/ω (D) ω /2 4.当质点以频率ν 作简谐振动时，它的动能的变化频率为［ ］ (A) 4 ν (B) 2 ν (C) ν (D) 1/2 ν 5.图中所画的是两个简谐振动的振动曲线。若这两个简谐振动可叠加，则合成的余弦振动的初相为［ ］ (A) π23 (B) π21 (C) π (D) 0 O 2.25m A 2 1 -2 o 1 x (m t ω ω πt x O t =0 t = t π/4
振动与波动题库 一、选择题（每题3分） 1、当质点以频率ν 作简谐振动时，它的动能的变化频率为（ ） （A ） 2v （B ）v （C ）v 2 （D ）v 4 2、一质点沿x 轴作简谐振动，振幅为cm 12，周期为s 2。当0=t 时, 位移为cm 6，且向x 轴正方向运动。则振动表达式为（ ） (A) ）（3 cos 12.0π π-=t x （B ） ）（3 cos 12.0π π+=t x （C ） ）（3 2cos 12.0π π-=t x （D ） ） （32cos 12.0π π+=t x 3、 有一弹簧振子，总能量为E ，如果简谐振动的振幅增加为原来的两倍，重物的质量增加为原来的四倍，则它的总能量变为 （ ） （A ）2E （B ）4E （C ）E /2 （D ）E /4 4、机械波的表达式为()()m π06.0π6cos 05.0x t y +=，则 （ ） （Ａ） 波长为100 ｍ （Ｂ） 波速为10 ｍ·ｓ-1 （Ｃ） 周期为1/3 ｓ （Ｄ） 波沿x 轴正方向传播 5、两分振动方程分别为x 1=3cos (50πt+π/4) ㎝ 和x 2=4cos (50πt+3π/4)㎝，则它们的合振动的振幅为（ ） (A) 1㎝ （B ）3㎝ （C ）5 ㎝ （D ）7 ㎝ 6、一平面简谐波，波速为μ=5 cm/s ，设t= 3 s 时刻 的波形如图所示，则x=0处的质点的振动方程为 （ ） (A) y=2×10－2 cos (πt/2－π/2) (m) (B) y=2×10－2 cos (πt + π) (m) (C) y=2×10－2 cos(πt/2+π/2) (m) (D) y=2×10－2 cos (πt－3π/2) (m) 7、一平面简谐波，沿X 轴负方向 传播。x=0处的质点的振动曲线如图所示，若波函数用余弦函数表示，则该波的初位相为（ ） （A ）0 （B ）π (C) π /2 (D) － π /2 8、有一单摆，摆长m 0.1=l ，小球质量g 100=m 。设小球的运动可看作筒谐振动，则该振动的周期为（ ） (A) 2π （B ）32π （C ）102π （D ）52π 9、一弹簧振子在光滑的水平面上做简谐振动时，弹性力在半个周期内所做的功为 [ ] (A) kA 2 （B ）kA 2 /2 （C ）kA 2 /4 （D ）0
大学物理平面简谐波波 动方程 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
§4-2平面简谐波的波动方程 振动与波动 最简单而又最基本的波动是简谐波！ 简谐波：波源以及介质中各质点的振动都是简谐振动。任何复杂的波都可看成是若干个简谐波的叠加。 对平面简谐波，各质点都在各自的平衡位置附近作简谐振动，但同一时刻各质点的振动状态不同。需要定量地描述出每个质点的振动状态。 波线是一组垂直于波面的平行射线，可选用其中一根波线为代表来研究平面简谐波的传播规律。 一、平面简谐波的波动方程 设平面简谐波在介质中沿 x 轴正向传播，在此波线上任取一参考点为坐标原点 参考点原点的振动方程为 ()00cos y A t ω?=+ 任取一点 P ，其坐标为 x ，P 点如何振动？ x 区别 联系 振动研究一个质点的运动。 波动研究大量有联系的质点振动的集体表现。 振动是波动的根源。 波动是振动的传播。
A 和 ω 与原点的振动相同，相位呢 沿着波的传播方向，各质点的相位依次落后，波每向前传播 λ 的距离，相位落后 2π 现在，O 点的振动要传到 P 点，需要向前传播的距离为 x ，因而 P 点的相位比 O 点落后 22x x π πλ λ = P 点的振动方程为 02cos P y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 由于 P 点的任意性，上式给出了任意时刻任意位置的质点的振动情况，将下标去掉 02cos y A t x πω?λ? ?=+- ?? ? 就是沿 x 轴正向传播的平面简谐波的波动方程。 如果波沿 x 轴的负向传播，P 点的相位将比 O 点的振动相位超前2x π λ 沿 x 轴负向传播的波动方程为 02cos y A t x πω?λ??=++ ??? 利用 2ωπν=， u λν= x
§4—２平面简谐波得波动方程 振动与波动 最简单而又最基本得波动就是简谐波! 简谐波：波源以及介质中各质点得振动都就是简谐振动。任何复杂得波都可瞧成就是若干个简谐波得叠加。 对平面简谐波,各质点都在各自得平衡位置附近作简谐振动，但同一时刻各质点得振动状态不同.需要定量地描述出每个质点得振动状态。 波线就是一组垂直于波面得平行射线,可选用其中一根波线为代表来研究平面简谐波得传播规律. 一、平面简谐波得波动方程 设平面简谐波在介质中沿 轴正向传播，在此波线上任取一参考点为坐标原点 参考点原点得振动方程为 任取一点 ，其坐标为 ， 点如何振动? 与 与原点得振动相同，相位呢？ 沿着波得传播方向,各质点得相位依次落后,波每向前传播 得距离,相位落后 现在，点得振动要传到 点，需要向前传播得距离为 ,因而 点得相位比 点落后 点得振动方程为 由于 点得任意性，上式给出了任意时刻任意位置得质点得振动情况，将下标去掉 就就是沿 轴正向传播得平面简谐波得波动方程。 区别 联系 振动研究一个质点得运动。 波动研究大量有联系得质点振动得集体表现。 振动就是波动得根源。 波动就是振动得传播。
如果波沿轴得负向传播, 点得相位将比点得振动相位超前 沿轴负向传播得波动方程为 利用， 沿轴正向传播得平面简谐波得波动方程又可写为 即 原点得振动状态传到点所需要得时间 点在时刻重复原点在时刻得振动状态 波动方程也常写为 其中波数，物理意义为长度内所具有完整波得数目。☆波动方程得三个要素:参考点，参考点振动方程,传播方向 二、波动方程得物理意义 1、固定，如令 振动方程 处质点得振动方程 处得振动曲线 该质点在与两时刻得相位差 2、固定,如令 波形方程 时刻各质点离开各自平衡位置得位移分布情况,即时刻得波形方程。
一、选择题： 1．3147：一平面简谐波沿Ox正方向传播，波动表达式为 ] 2 ) 4 2 ( 2 cos[ 10 .0 π + - π = x t y (SI)，该波在t = 0.5 s时刻的波形图是 ［ B ］ 2．3407：横波以波速u沿x轴负方向传播。t时刻波形曲线如图。则该时刻 (A) A点振动速度大于零 ［ y= ［ 4．3413：下列函数f (x。t) 的常量。其中哪个函数表示沿x轴负向传播的行波 (A) ) cos( ), (bt ax A t x f+ =(B) ) cos( ), (bt ax A t x f- = (C) bt ax A t x f cos cos ), (? =(D) bt ax A t x f sin sin ), (? =［］5．3479：在简谐波传播过程中，沿传播方向相距为λ 2 1 （??为波长）的两点的振动速度必定 (A) 大小相同，而方向相反(B) 大小和方向均相同 (C) 大小不同，方向相同(D) 大小不同，而方向相反 ［］ 6．3483：一简谐横波沿Ox轴传播。若Ox轴上P1和P2两点相距? /8（其中?为该波的波长），则在波的传播过程中，这两点振动速度的 (A) 方向总是相同(B) 方向总是相反 (C) 方向有时相同，有时相反(D) 大小总是不相等 ［］ 7．3841：把一根十分长的绳子拉成水平，用手握其一端。维持拉力恒定，使绳端在垂直于绳子的方向上作简谐振动，则 (A) 振动频率越高，波长越长 (B) 振动频率越低，波长越长 (C) 振动频率越高，波速越大 (D) 振动频率越低，波速越大［］ 8．3847：图为沿x轴负方向传播的平面简谐波在t = 0时刻的波形。若波的表达式以余弦函数表示，则O点处质点振动的初相为： (A) 0 (B) π 2 1 (C) π(D) π 2 3 y (m)y (m) - y (m)y (m) 5193图 x y O u 3847图
简谐波中的质点在什么位置动能最大 波是波源振动形式在介质中传播,从而使媒质所有质点在平衡位置附近先后振动形成的．既然对一个个质点来说也是振动,就有一个动能和势能的转化问题．那么质点在什么位置动能最大往什么位置势能最大呢？有的同学认为简谐振动的质点和单摆及弹簧振子一样,它们在平衡位置时动能最大，在最大位移处时势能最大而动能为零.这种认识是错误的,它混淆了单个质点的简谐振动和波中各质点的简谐振动的能量转化上的区别．它们的区别有以下两点: 第一,单个质点与的简谐振动与外界没有能量交换机械能守恒.而波动是离波源近的质点先振动通过媒质间的相互作用力（弹性力）依次带动离源远的质点振动.故就每一个介质质点来说它与周围质点构成了一个不可分割的统一体依次带动的过程也是能量传递的过程，因此对每个质点来说其机械能不守恒,试想若守恒，哪来能量向远处传播? 第二,单各质点做在谐振动时．其势能仅由自身因素决定．取决于质点离开平衡位置的位移大小(在水平弹簧振子中．取决于其伸长量)．而在波动中由于各质点间存在弹性力作用．其势能就取决于质点与周国 质点间的相对位移．也即质点所在处附近煤质的形变程度．图甲是横波（可设想为绳子形成的波）．处在最大位移处的质点A相对位移为零，形变量最小．故其势能为零．动能也是一定为零的．否则这一点就不是处在最大位移处的点．在平衡位置处的质点B，形变最大,势能最大．同样动能也最大．图乙是纵被．设为弹簧成的疏密波．由图可知处于平衡位置的质点．如图中的第10和第4质点恰好处在疏部和密部中央．这里是弹性形变最大的位置，势能最大．动能也最大．综上所述．不管是横波还是纵波．质点处平衡位置时动能和势能都最大. 在最大位移处质点的动能和势能都为零：机如波中动能和势能的变化县同步的．同时达最大和同时为零．并且做周期性变化.
简谐振动练习 1．如图，一根用绝缘材料制成的轻弹簧，劲度系数为k ，一端固定，另一端与质量为m 、带电荷量为＋q 的小球相连，静止在光滑绝缘水平面上的A 点．当施加水平向右的匀强电场E 后，小球从静止开始在A 、B 之间做简谐运动，在弹性限度内下列关于小球运动情况说法中正确的是( ) A ．小球在A 、 B 的速度为零而加速度相同 B C ．从A 到B 的过程中，小球和弹簧系统的机械能不断增大 D ．将小球由A 的左侧一点由静止释放，小球简谐振动的周期增大 2．如图所示，由轻质弹簧下面悬挂一物块组成一个竖直方向振动的弹簧振子，弹簧的上端固定于天花板，当物块处于静止状态时，取它的重力势能为零，现将物块向下拉一小段距离后放手，此后振子在平衡位置附近上下做简谐运动，不计空气阻力，则 A ．振子速度最大时，振动系统的势能为零 B ．振子速度最大时，物块的重力势能与弹簧的弹性势能相等 C ．振子经平衡位置时，振动系统的势能最小 D ．振子在振动过程中，振动系统的机械能不守恒 3．如图所示，弹簧振子在a 、b 两点间做简谐振动，当振子从平衡位置O 向a 运动过程中 A ．加速度和速度均不断减小 B ．加速度和速度均不断增大 C ．加速度不断增大，速度不断减小 D ．加速度不断减小，速度不断增大 4．一根用绝缘材料制成的轻弹簧，劲度系数为k ，一端固定，另一端与质量为m 、带电量为+q 的小球相连，静止在光滑绝缘的水平面上，当施加一水平向右的匀强电场E 后（如图所示），小球开始作简谐运动，关于小球运动有如下说法中正确的是 A 、球的速度为零时，弹簧伸长qE/k B 、球做简谐运动的振幅为qE/k C 、运动过程中，小球的机械能守恒 D 、运动过程中，小球动能的改变量、弹性势能的改变量、电势能的改变量的代数和为零 5．在t=0s 时刻向平静水面的O 处投下一块石头，水面波向东西南北各个方向传播开去，当t=1s 时水面波向西刚刚只传到M 点（图中只画了东西方向，南北方向没画出），OM 的距离为1m,振动的最低点N 距原水平面15cm, 如图，则以下分析正确的是 A. t=1s 时 O 点的运动方向向上
单元二 简谐波 波动方程 一、选择题 1. 频率为100 Hz ，传播速度为300 m/s 的平面简谐波，波线上距离小于波长的两点振动的相位差为 π3 1 ，则此两点相距 ［ C ］ (A) 2.86 m (B) 2.19 m (C) 0.5 m (D) 0.25 m 2 . 一平面简谐波的表达式为:)/(2cos λνx t A y -π=．在t = 1 /ν 时刻，x 1 = 3λ /4与x 2 = λ /4二点处质元速度之比是 ［ A ］ (A) -1 (B) 3 1 (C) 1 (D) 3 3. 一平面简谐波，其振幅为A ，频率为v ，沿x 轴的正方向传播，设t t =0时刻波形如图所示，则x=0 处质点振动方程为： [ B ] 0000(A)y Acos[2v(t t )] 2(B)y Acos[2v(t t )] 2(C)y Acos[2v(t t )] 2 (D)y Acos[2v(t t )] π =π++π =π-+π =π--=π-+π 4. 某平面简谐波在t=0时的波形曲线和原点(x=0处)的振动曲线如图 (a)(b)所示，则该简谐波的波动方程(SI)为： [ C ] 3(A)y 2cos(t x );(B)y 2cos(t x ) 2222 (C)y 2cos(t x ); (D)y 2cos(t x ) 22 22 πππ=π+ +=π- +πππ ππ =π-+=π+- 5. 在简谐波传播过程中，沿传播方向相距为/2λ，（λ为波长）的两点的振动速度必定： [ A ] (A) 大小相同，而方向相反； (B) 大小和方向均相同； (C) 大小不同，方向相同； (D) 大小不同，而方向相反 。 6. 当机械波在媒质中传播时，一媒质质元的最大变形量发生在(A 是振动振幅)： [ C ] (A) 媒质质元离开其平衡位置最大位移处； (B) 媒质质元离开其平衡位置 )处； (C) 媒质质元在其平衡位置处； (D) 媒质质元离开其平衡位置 2 A 处。 7. 图示一平面简谐机械波在t 时刻的波形曲线．若此时A 点处媒质质元的振动动能在增大，则 ［ B ］ (A) A 点处质元的弹性势能在减小 (B) 波沿x 轴负方向传播 (C) B 点处质元的振动动能在减小 (D) 各点的波的能量密度都不随时间变化 (4)题(3) 题
利用能量法计算物体作简谐运动的周期 浙江胡亦中 当物体作简谐运动时，求振动周期的常用方法是利用动力学方法，即利用回复力F＝ -kx，由周期求得。但当系统受力较难分析时，可利用能量法求解。下面以弹簧振子为例进行分析： 1．基本规律 以水平方向弹簧振子为例，设振子的位移x随时间的变化规律为x＝Acos（wt+），在振动中的任何一时刻t时，振子具有动能E K，弹簧具有弹性势能E P。此两者的值分别为 ， 。 由于k＝mw2，故上式又可写为 。 可见这一振动系统的动能和势能都随时间作周期性变化，但系统总的机械能E＝E K+E P ＝保持不变。这一总机械能与振幅的平方成正比，与角频率的平方成正比。这也是简谐运动的一般规律。 简谐运动能量的表达式还为我们提供了求振子频率的另一种方法，这种方法不涉及振子所受的力，因此在力不易求得时较为方便。若将势能E P写成位移x的函数，由前述势能的表达式可得到 w＝， 或将总能量写成振幅的函数，则由前述总能量的表达式可以得到
w＝。 2．用能量法求周期的规律应用 【例1】有一轻质刚性杆，长为L，可绕上端的水平轴自由转动，下端固定着质量为m 的质点，构成单摆。如图1所示，质点通过一根劲度系数为k的水平弹簧拴到墙上，当摆竖直下垂时，弹簧处于松弛状态，求系统小幅度振动的周期。 解析：设质点偏离平衡位置的最大位移为x，杆偏离竖直方向的夹角为θ，则系统总的机械能为 ， 式中x＝Lθ， 1-cosθ＝。 故得， 而， 比较上两式得系统的角频率为， 故系统振动的周期为。
【例2】如图2所示，摆球质量为m，凹形滑块质量为M，摆长为l。m与M、M与水平面之间光滑，令摆线偏转很小角度后，从静止释放，求系统的振动周期。 解析：设未放凹形滑块的单摆以角频率w振动，偏角为θ，振幅A＝lθ。由系统振动能量守恒得 mgl（1-cosθ）＝， 设带有凹形滑块的摆以同样的振幅以角频率为w′振动，则有 mgl（1-cosθ）＝， 由上两式得 ，而 故系统的振动周期为。 通过以上两例可知采用能量法求周期的一般步骤： （1）确定振动系统，分析振动系统的机械能是否守恒； （2）找出平衡位置并将选定为坐标原点； （3）写出任意位置处的机械能表达式（或特殊位置）； （4）将求得的结果与弹簧作简谐运动时能量关系作比较，求得系统振动周期。 3．巩固练习
9．6 简谐运动的能量 阻尼振动 一、教学目标 1.知道振幅越大，振动的能量(总机械能)越大. 2.对单摆，应能根据机械能守恒定律进行定量计算. 3.对水平的弹簧振子，应能定性地说明弹性势能与动能的转化. 4.知道什么是阻尼振动和阻尼振动中能量转化的情况. 5.知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动. 二、教学重点、难点分析 1．理解简谐运动的物体机械能守恒。 2．会分析简谐运动中各种能量之间的转化和相关计算。 三、教学方法：实验演示，计算机辅助教学 四、教具：弹簧振子演示器，单摆演示器，计算机，大屏幕，自制CAI 课件 五、教学过程 （－）引入新课 上几节课讲了简谐运动，知道简谐运动中力与运动的变化关系，那么简谐运动中能量是如何变化的呢？ 【板书】六 简谐运动的能量 阻尼振动 （二）进行新课 【演示１】弹簧振子演示器（图１） 把弹簧振子由平衡位置Ｏ拉到位置Ａ后释放，让弹簧振子由Ａ运动到Ｏ后， 又由Ｏ运动到Ａ’，使振子在Ａ、Ａ’间来回振动。 分析；弹簧拉到位置Ａ时，弹簧发生的形变量最大，振动系统具有的弹性 势能也最大；振子的速度为零，振动系统的动能为零。 当由位移最大位置Ａ向平衡位置Ｏ运动时，振子位移逐渐减小，弹簧的形变也逐渐减小，振动系统的势能也逐渐减小；速度逐渐增大，动能逐渐增大；由于在运动过程中，只有弹簧的弹力做功，机械能守恒，振动系统的机械能总量保持不变。 在平衡位置Ｏ时，位移为零，弹簧没有形变，振动系统的势能也为零；速度达到最大，动能达到最大。 当由平衡位置Ｏ向位移最大位置Ａ’ 运动时，弹簧的形变逐渐增大，振动系统的势能也 图１
逐渐增大；速度逐渐减小，动能也逐渐减小；由于在运动过程中，只有弹簧的弹力做功，机械能守恒，振动系统的机械能总量保持不变。 当振子在位移最大位置Ａ’时，与振子在Ａ点能量相同。当振子由位移最大位置Ａ’回到平衡位置Ｏ时，与振子由Ａ到Ｏ点能量变化相同，当振子由平衡位置Ｏ到达位移最大位置Ａ时，与由平衡位置Ｏ到达位移最大位置Ａ’能量变化相同，不再重复。 结论：振子在运动过程中，就是动能与势能间的一个转化过程，在平衡位置 时，动能最大，势能最小；在位移最大位置时，势能最大，动能最小；在由平衡 位置向位移最大位置运动时，动能减小，势能增大；在由位移最大位置向平衡位 置运动时，势能减小，动能增大；机械能总量保持不变。 是否所有的简谐运动都具有这些特点呢？ 【演示２】单摆的摆动（图２） 把摆长为Ｌ，质量为ｍ的小球从平衡位置拉过θ角到达Ａ点释放，由位移最 大位置Ａ运动到平衡位置Ｏ，又由平衡位置Ｏ运动到位移最大位置Ａ’后，在Ａ、Ａ’间来回振动。 分析：（取位置Ｏ所在的平面为重力势能的参考面，设该平面势能为零。） 摆球在位置A时，由于摆球上升的高度h=L(1-cosθ)最大，振动系统具有的重力势能E P=mgL(1-cosθ)最大，摆球的速度为零，动能为零。 在由位移最大位置Ａ向平衡位置O运动时，摆球高度逐渐减小，重力势能逐渐减小；速度逐渐增大，动能逐渐增大。由于只有重力做功，机械能守恒，振动系统机械能总量保持不变。 在平衡位置O时，摆球到达零势能面，重力势能为零；速度最大，动能最大。由机械 能守恒得：该位置的动能为E K= mgL(1-cosθ)，该位置的速度为v=√2gL(1-cosθ) . 在位移最大位置Ａ’时，由于摆球上升的高度最大，振动系统的势能最大；速度最小，动能为零。由机械能守恒，Ａ、Ａ’两点机械能相等，得：h’=h= L(1-cosθ). 当振子由位移最大位置Ａ’回到平衡位置O时，与振子由A到O点能量变化相同。当振子由平衡位置O回到位移最大位置Ａ时，与由平衡位置O到达位移最大位置Ａ’能量变化相同，不再重复。 通过对弹簧振子和单摆的分析，得出下面的规律： 【板书】1、简谐运动的能量图２