大學(xué)物理機(jī)械振動習(xí)題解答

1、習(xí)題四4-1 符合什么規(guī)律的運(yùn)動才是諧振動?分別分析下列運(yùn)動是不是諧振動：(1)拍皮球時(shí)球的運(yùn)動；(2)如題4-1圖所示，一小球在一個(gè)半徑很大的光滑凹球面內(nèi)滾動(設(shè)小球所經(jīng)過的弧線很 短)題4-1圖解：要使一個(gè)系統(tǒng)作諧振動，必須同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：一 ，描述系統(tǒng)的各種參量，如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、擺長等等在運(yùn)動中保持為常量；二，系統(tǒng) 是在 自己的穩(wěn)定平衡位置附近作往復(fù)運(yùn)動；三，在運(yùn)動中系統(tǒng)只受到內(nèi)部的線性回復(fù)力的作用 或者說，若一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程能用描述時(shí)，其所作的運(yùn)動就是諧振動(1)拍皮球時(shí)球的運(yùn)動不是諧振動第一，球的運(yùn)動軌道中并不存在一個(gè)穩(wěn)定的平衡位置； 第二，球在運(yùn)動中所受的三個(gè)力：重力

2、，地面給予的彈力，擊球者給予的拍擊力，都不是線 性回復(fù)力(2)小球在題4-1圖所示的情況中所作的小弧度的運(yùn)動，是諧振動顯然，小球在運(yùn)動過程中 ，各種參量均為常量；該系統(tǒng)(指小球凹槽、地球系統(tǒng))的穩(wěn)定平衡位置即凹槽最低點(diǎn)，即系統(tǒng)勢能最小值位置點(diǎn)；而小球在運(yùn)動中的回復(fù)力為，如題4-1圖(b)所示題 中所述，故0，所以回復(fù)力為.式中負(fù)號，表示回復(fù)力的方向始終與角位移的方向相反即小球在點(diǎn)附近的往復(fù)運(yùn)動中所受回復(fù)力為線性的若以小球?yàn)閷ο?，則小球在以為圓心的豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動，由牛頓第二定律，在凹槽切線方向上有令，則有4-2 勁度系數(shù)為和的兩根彈簧，與質(zhì)量為的小球按題4-2圖所示的兩種方式連 接，試證明

3、它們的振動均為諧振動，并分別求出它們的振動周期題4-2圖解：(1)圖(a)中為串聯(lián)彈簧，對于輕彈簧在任一時(shí)刻應(yīng)有，設(shè)串聯(lián)彈簧的等效倔強(qiáng)系數(shù)為等效位移為，則有又有 所以串聯(lián)彈簧的等效倔強(qiáng)系數(shù)為即小球與串聯(lián)彈簧構(gòu)成了一個(gè)等效倔強(qiáng)系數(shù)為的彈簧振子系統(tǒng)，故小球作諧振動其振動周期為(2)圖(b)中可等效為并聯(lián)彈簧，同上理，應(yīng)有，即，設(shè)并聯(lián)彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)為，則有故 同上理，其振動周期為4-3 如題4-3圖所示，物體的質(zhì)量為，放在光滑斜面上，斜面與水平面的夾角為，彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)為，滑輪的轉(zhuǎn)動慣量為，半徑為先把物體托住，使彈簧維持原長，然 后由靜止釋放，試證明物體作簡諧振動，并求振動周期 題4-3圖解：分別以

4、物體和滑輪為對象，其受力如題4-3圖(b)所示，以重物在斜面上靜平衡時(shí)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿斜面向下為軸正向，則當(dāng)重物偏離原點(diǎn)的坐標(biāo)為時(shí)，有 式中，為靜平衡時(shí)彈簧之伸長量，聯(lián)立以上三式，有令 則有故知該系統(tǒng)是作簡諧振動，其振動周期為4-4 質(zhì)量為的小球與輕彈簧組成的系統(tǒng)，按的規(guī)律作諧振動，求：(1)振動的周期、振幅和初位相及速度與加速度的最大值；(2)最大的回復(fù)力、振動能量、平均動能和平均勢能，在哪些位置上動能與勢能相等?(3)與兩個(gè)時(shí)刻的位相差；解：(1)設(shè)諧振動的標(biāo)準(zhǔn)方程為，則知：又 (2) 當(dāng)時(shí)，有，即 (3) 4-5 一個(gè)沿軸作簡諧振動的彈簧振子，振幅為，周期為，其振動方程用余弦函數(shù)表示如

5、果時(shí)質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)分別是：(1)；(2)過平衡位置向正向運(yùn)動；(3)過處向負(fù)向運(yùn)動；(4)過處向正向運(yùn)動試求出相應(yīng)的初位相，并寫出振動方程解：因?yàn)?將以上初值條件代入上式，使兩式同時(shí)成立之值即為該條件下的初位相故有4-6 一質(zhì)量為的物體作諧振動，振幅為，周期為，當(dāng)時(shí)位移為求：(1)時(shí)，物體所在的位置及此時(shí)所受力的大小和方向；(2)由起始位置運(yùn)動到處所需的最短時(shí)間；(3)在處物體的總能量解：由題已知 又，時(shí)，故振動方程為 (1)將代入得方向指向坐標(biāo)原點(diǎn)，即沿軸負(fù)向(2)由題知，時(shí)，時(shí) (3)由于諧振動中能量守恒，故在任一位置處或任一時(shí)刻的系統(tǒng)的總能量均為4-7 有一輕彈簧，下面懸掛質(zhì)量為的物體時(shí)，伸

6、長為用這個(gè)彈簧和一個(gè)質(zhì)量為的小球構(gòu)成彈簧振子，將小球由平衡位置向下拉開后 ，給予向上的初速度，求振動周期和振動表達(dá)式解：由題知而時(shí)， ( 設(shè)向上為正)又 4-8 圖為兩個(gè)諧振動的曲線，試分別寫出其諧振動方程題4-8圖解：由題4-8圖(a)，時(shí)，即 故 由題4-8圖(b)時(shí)，時(shí)，又 故 4-9 一輕彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)為，其下端懸有一質(zhì)量為的盤子現(xiàn)有一質(zhì)量為的物體從離盤底高度處自由下落到盤中并和盤子粘在一起，于是盤子開始振動(1)此時(shí)的振動周期與空盤子作振動時(shí)的周期有何不同?(2)此時(shí)的振動振幅多大?(3)取平衡位置為原點(diǎn)，位移以向下為正，并以彈簧開始振動時(shí)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，求初位相并寫出物體與盤子的振動

7、方程解：(1)空盤的振動周期為，落下重物后振動周期為，即增大(2)按(3)所設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)及計(jì)時(shí)起點(diǎn)，時(shí)，則碰撞時(shí)，以為一系統(tǒng)動量守恒，即則有 于是（3） (第三象限)，所以振動方程為4-10 有一單擺，擺長，擺球質(zhì)量，當(dāng)擺球處在平衡位置時(shí)，若給小球一水平向右的沖量，取打擊時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，求振動的初位相和角振幅，并寫出小球的振動方程解：由動量定理，有 按題設(shè)計(jì)時(shí)起點(diǎn)，并設(shè)向右為軸正向，則知時(shí)， 0 又 故其角振幅小球的振動方程為4-11 有兩個(gè)同方向、同頻率的簡諧振動，其合成振動的振幅為，位相與第一振動的位相差為，已知第一振動的振幅為，求第二個(gè)振動的振幅以及第一、第二兩振動的位相差題4-11圖解：由題意可做出旋轉(zhuǎn)矢量圖如下由圖知 設(shè)角，則即 即，這說明，與間夾角為，即二振動的位相差為.4-12 試用最簡單的方法求出下列兩組諧振動合成后所得合振動的振幅：(1) (2)解： (1) 合振幅 (2) 合振幅 4-13 一質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)在同一直線上的簡諧振動，振動方程為試分別用旋轉(zhuǎn)矢量法和振動合成法求合振動的振動幅和初相，并寫出諧振方程。解： 其振動方程為(作圖法略)*4