振动和波的基础知识

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1.机械振动:

(1):机械振动即物体(或物体的一部分)在某一中心位置两侧所做的往返的运动 (2):回复力F 回:指向“平衡”位置的合力叫回复力 (3):振动位移x :都以“平衡”位置为位移的起点

(4):振幅A :振动物体离开“平衡”位置的最大距离,振幅越大,振动的能量就越大 (5):振动的周期T :指完成一次全振动的时间;周期表示振动的快慢,周期小表示振动的快 (6):振动的频率f :指单位时间内完成振动的次数;频率大,表示振动的快。单位为:赫兹(Hz ) (7):T=

f

1;振动的周期T 的大小与振幅的大小无关:对于同一个振动系统,当振动的振幅变大时,其

周期将保持不变,所以物体振动的周期又叫固有周期

(8):平衡位置:振动的中心位置,是假冒的“平衡”,F 合不一定为0,如:单摆的“平衡”位置的加速度

为:02

2

≠=

=⇒==m

F R v

R v a m F F 指向圆心的合力

向心向心指向圆心的合力

2:简谐振动:

(1):回复力F 回和位移x 成正比,但它们的方向相反;F 回=-kx

x 为物体离开“平衡”位置的位移 负号表示回复力F 回和位移x 的方向相反 回复力就是一个指向“平衡”位置的合力

(2):对于同一个振动系统,当振动的振幅变大时,其周期仍保持不变 (3):简谐振动的x-t 图像:是一条正弦或余弦曲线

(4):振动的周期T 的大小与振幅的大小无关(所以把它叫国有周期)。弹簧振子的T 与小球的质量、

弹簧的劲度序数有关;单摆的T 与摆长、重力加速度g 有关

3.单摆

(1):当单摆的摆角小于80时,单摆的振动可以看做简谐振动

(2):单摆振动时,也可以把它看做圆周运动R m R m m F F T R v 2

222

(向心指向圆心的合力πω====(多多从不同的角度分析问题)

(3):单摆的回复力由重力在切线方向的分力提供。当摆角小于80时,L

x

θsin ,

mg F L x

-=回复力(如右图)

(3):当单摆的摆角小于80时,g

L T π

2=

L 为物体摆动时的圆心(悬点)到物体重心的距离

g 为当地的重力加速度g =2

R GM

;g ´=

2

22

)()(H R gR H R GM ++=

(g ´为离天体表面H 高处的重力加速度;g

为天体表面的重力加速度;R 为天体的半经;M 为中心天体的质量;H 为离天体表面的高)

公式说明T 与振幅A 无关

(4):单摆振动时,由于拉力始终与速度垂直,所以拉力不做功,如无阻力,则物体的机械能守恒 (5):单摆振动时,如有阻力,则在短时间内,仍可把它看做简谐振动

4、任何一个介质质点在一个周期内经过的路程都是4A ,在半个周期内经过的路程都是2A ,但在四分之一个周

期内经过的路程就不一定是A 了(多多用位移时间图像帮助分析问题) 5、受迫振动:

(1):物体在周期性外力的作用下的振动叫受迫振动

(2):物体做受迫振动时,它的频率等于驱动力的频率,而跟物体的固有频率无关,如图:假

如L=g ,则单摆的固有周期g

L

T π2==2π秒,如果每隔八秒推一下小球,则单摆的周期

就为8秒,而不是2π秒

(3):波在传播时,各质点都在做受迫振动(各质点都在模仿波源的振动),所以波由一种介质传到另一介质时,

波的频率不变(等于波源的振动频率)

(4):物体在做受迫振动时,驱动力的频率跟物体的固有频率相等的时侯,物体

的振幅最大,这种现象叫共振。驱动力的频率跟物体的固有频率越接近,物体的振幅也越大,如图为共振曲线

(5):当f 驱动力=f 固时物体会发生共振,共振时的振幅比不共振时的振幅大 (6):利用共振的有:共振筛、转速计、微波炉、打夯机、跳板跳水、打秋千……

防止共振的有:机床底座、航海、军队过桥、高层建筑、火车车厢……

6:简谐振动的图像(如右图为水平振动的弹簧振子的振动图像):由图像可知: (1):振动图像表示的是某一质点在各个时刻的位移 (2):振幅A 为15cm (3): 周期T 为8s

(4):a 点对应的时刻,速度在增大,速度的方向向负方向;

加速度在减小,加速度的方向负方向(和位移的方向相反,此时位移为正10cm ) 回复力在减小,回复力的方向向负方向(和位移的方向相反) 动能在增大,弹性势能在减小(机械能守恒)

b 点对应的时刻,速度在减小,速度的方向向负方向;

加速度在增大,加速度的方向向正方向(和位移的方向相反,此时位移为-5cm ) 回复力在增大,回复力的方向向正方向(和位移的方向相反) 动能在减小,弹性势能在增大(机械能守恒)

d 点对应的时刻,速度在减小,速度的方向向正方向;

加速度在增大,加速度的方向向负方向(和位移的方向相反,此时位移为正5cm ) 回复力在增大,回复力的方向向负方向(和位移的方向相反) 动能在减小,弹性势能在增大(机械能守恒)

(5):V a < V b = V d 7:解振动问题的方法:

(1):振动问题都是变力问题,一般选用动能定理、能量守恒定律解题。注意应用弹簧的弹性势能不变、(了

解:弹性势能2

21kx

E P ,k 弹簧的劲度系数,x 为弹簧的形变量)、弹力做的功= - 弹性势能的变化量等条件

(2):充分利用振动的对称性,如在两个对称点的加速度a 、速度v 、位移、动能E k 、弹性势能相等等条件 (3):充分利用振动的图像解题(画出振动的图像帮助解决问题)

(4):注意应用临界点的条件:如弹力为0、加速度a 、速度v 、位移相等等等

(5):两物体的加速度a 1、a 2相等时,两物体可能将要分开(物体分开的瞬间,物体间的弹力为零) (6):弹簧的形变量或两次的形变量之差可能等于物体的位移:S=X 2-X 1