我們身邊的物理學(xué)第一課時(shí)

1、我們周圍的物理學(xué)我們周圍的物理學(xué)主講：黃濤教授主講：黃濤教授第一章第一章 緒論緒論1.1 力學(xué)是怎樣的一門科學(xué)力學(xué)是怎樣的一門科學(xué)力學(xué)是研究力對(duì)物體作用的科學(xué)。力學(xué)是研究力對(duì)物體作用的科學(xué)。首先，它是所有自然科學(xué)的主要部分。首先，它是所有自然科學(xué)的主要部分。其次，力學(xué)又是眾多應(yīng)用科學(xué)特別是工程其次，力學(xué)又是眾多應(yīng)用科學(xué)特別是工程科學(xué)的基礎(chǔ)，它是人類改造自然的工具?？茖W(xué)的基礎(chǔ)，它是人類改造自然的工具。力學(xué)與其他基礎(chǔ)科學(xué)之間的關(guān)系力學(xué)與其他基礎(chǔ)科學(xué)之間的關(guān)系力學(xué)與其他技術(shù)科學(xué)的關(guān)系力學(xué)與其他技術(shù)科學(xué)的關(guān)系1.2 歷史的啟迪歷史的啟迪古代力學(xué)（古代力學(xué)（5世紀(jì)）世紀(jì)）中世紀(jì)力學(xué)（中世紀(jì)力學(xué)（6-16

2、世紀(jì)）世紀(jì)）經(jīng)典力學(xué)（經(jīng)典力學(xué)（17-18世紀(jì)）世紀(jì)）力學(xué)的主要分支（力學(xué)的主要分支（19世紀(jì)世紀(jì)）近代力學(xué)（近代力學(xué)（20世紀(jì)世紀(jì)60年代）年代）現(xiàn)代力學(xué)現(xiàn)代力學(xué)開普勒三大定律開普勒三大定律經(jīng)典力學(xué)的先導(dǎo)經(jīng)典力學(xué)的先導(dǎo)牛頓三大定律牛頓三大定律力學(xué)發(fā)展的里程碑力學(xué)發(fā)展的里程碑第二章第二章 力與振動(dòng)力與振動(dòng)l我們生活在一個(gè)充滿著振動(dòng)我們生活在一個(gè)充滿著振動(dòng)的世界中當(dāng)我們步入高雅的世界中當(dāng)我們步入高雅的音樂廳時(shí)，流暢、悠揚(yáng)的的音樂廳時(shí)，流暢、悠揚(yáng)的旋律給人以一種美的享受；旋律給人以一種美的享受；而在遭受一場(chǎng)地動(dòng)山搖的大而在遭受一場(chǎng)地動(dòng)山搖的大地震后，家毀人亡，給人的地震后，家毀人亡，給人的是撕心裂

3、肺的哀傷。對(duì)人體是撕心裂肺的哀傷。對(duì)人體來說，心臟的跳動(dòng)、肺的呼來說，心臟的跳動(dòng)、肺的呼吸、肌肉的收縮、腦電波的吸、肌肉的收縮、腦電波的漲落等等，都是振動(dòng)所以，漲落等等，都是振動(dòng)所以，振動(dòng)現(xiàn)象比比皆是，對(duì)振動(dòng)振動(dòng)現(xiàn)象比比皆是，對(duì)振動(dòng)的研究領(lǐng)域廣闊、意義深的研究領(lǐng)域廣闊、意義深遠(yuǎn)遠(yuǎn)什么是振動(dòng)呢？什么是振動(dòng)呢？ 振動(dòng)就是物體經(jīng)過它的平衡位置所作的往復(fù)振動(dòng)就是物體經(jīng)過它的平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或者某個(gè)物理量在其平衡值運(yùn)動(dòng)，或者某個(gè)物理量在其平衡值(平均值平均值)附近附近的來回波動(dòng)。的來回波動(dòng)。描述振動(dòng)的一些參量：描述振動(dòng)的一些參量：周期（周期（T）：將一個(gè)振動(dòng)量完成一次振動(dòng)過程所需的時(shí)間稱為周期。

4、）：將一個(gè)振動(dòng)量完成一次振動(dòng)過程所需的時(shí)間稱為周期。頻率（頻率（f）：周期的倒數(shù)稱為頻率，它是表示單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次）：周期的倒數(shù)稱為頻率，它是表示單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，是反映振動(dòng)快慢的參量，單位符號(hào)是數(shù)，是反映振動(dòng)快慢的參量，單位符號(hào)是Hz（赫茲）。（赫茲）。振幅：在振動(dòng)中，振動(dòng)量偏離平衡位置的最大值稱為振幅，它是反振幅：在振動(dòng)中，振動(dòng)量偏離平衡位置的最大值稱為振幅，它是反映振動(dòng)強(qiáng)度的量。映振動(dòng)強(qiáng)度的量。2.1自由振動(dòng)自由振動(dòng)彈簧彈簧-質(zhì)量振子系統(tǒng)在作自由振動(dòng)質(zhì)量振子系統(tǒng)在作自由振動(dòng)2.1.1無阻尼自由振動(dòng)無阻尼自由振動(dòng) 我們可以很容易地從理論上分析小球的振動(dòng)規(guī)律，我們可以很容易地從理論上分

5、析小球的振動(dòng)規(guī)律，假設(shè)忽略所有的阻力和彈簧質(zhì)量等因素，那么小球只假設(shè)忽略所有的阻力和彈簧質(zhì)量等因素，那么小球只受到兩個(gè)力的作用：重力與彈簧恢復(fù)力受到兩個(gè)力的作用：重力與彈簧恢復(fù)力。 在平衡狀態(tài)。由于重力的作用，使彈簧伸長(zhǎng)了y0，根據(jù)力的平衡原理得如果將小球下拉到-y位置，如圖2-2，然后突然放手，這時(shí)小球受到的合力大小為：2.1.1無阻尼自由振動(dòng)無阻尼自由振動(dòng)2-5式為小球的振動(dòng)位移y隨時(shí)間t變化的規(guī)律，其中A為振幅，為幅角。會(huì)發(fā)現(xiàn)它是一條正弦曲線。它的圓頻率N ，頻率f，周期T分別為：2.1.2阻尼自由振動(dòng)阻尼自由振動(dòng) 當(dāng)我們仔細(xì)觀察圖2-1所示的彈簧小球的實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，小球的振動(dòng)并不是嚴(yán)格的

6、按正弦曲線運(yùn)動(dòng)的，隨著時(shí)間的推移，小球的振幅會(huì)越來越小，最終停止在平衡位置上。實(shí)際上，小球在運(yùn)動(dòng)中還會(huì)受到一個(gè)阻力，假設(shè)這個(gè)阻力位fc，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反： 這里，稱為阻力系數(shù)或阻尼，代入方程（2-3）得： 2-8方程分為3種情況： 2.1.2阻尼自由振動(dòng)阻尼自由振動(dòng)（1）當(dāng)N時(shí)，稱為過阻尼狀態(tài)。方程解為：其中 在這種狀態(tài)下系統(tǒng)不發(fā)生振動(dòng)而直接以指數(shù)規(guī)律衰減到平衡位置，如圖2-4中的曲線（1）所示。（2）當(dāng)=N時(shí)，稱為臨界阻尼狀態(tài)。方程解為：其中A1和A2為與初始條件有關(guān)的常數(shù)。在這種狀態(tài)下系統(tǒng)也不發(fā)生振動(dòng)，直接衰減到平衡位置，如圖2-4中的曲線（2）所示。（3）當(dāng)N時(shí)，稱為欠阻尼狀態(tài)。方程

7、解為：2.1.2阻尼自由振動(dòng)阻尼自由振動(dòng) 在這種狀態(tài)下系統(tǒng)將發(fā)生振動(dòng)，但振幅隨著時(shí)間以指數(shù)規(guī)律衰減，振動(dòng)頻率也較無阻力時(shí)小，直到停止在平衡位置，如圖2-4中的曲線（3）所示，這和圖2-1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。2.2 受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)剛開啟的冰箱剛開啟的冰箱奔跑中的賽車奔跑中的賽車2.2.1 受迫振動(dòng)分析受迫振動(dòng)分析 我們?nèi)耘f采用上一節(jié)的彈簧-小球模型，只是在小球上再作用一個(gè)周期性外力fe，其大小為 其中B為外力作用的幅度， e為外界激勵(lì)的頻率。這樣在圖2-2的受力分析中要增加一個(gè)外界作用力fe，這時(shí)方程（2-8）要再增加一項(xiàng)，變?yōu)?直接求解這個(gè)方程并不容易，首先在方程中含有阻尼項(xiàng)，根據(jù)我們上一節(jié)

8、的結(jié)果，可以預(yù)計(jì)只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，由外界激勵(lì)所引起的自由振動(dòng)必然會(huì)衰減，除此之外由于經(jīng)常性外界激勵(lì)所產(chǎn)生的響應(yīng)，可能伴隨激勵(lì)而一直存在，根據(jù)方程，這部分解可寫成2.2.1 受迫振動(dòng)分析受迫振動(dòng)分析其中D和為待定系數(shù)。將表達(dá)式（2-14）代入方程（2-13），比較方程兩邊的系數(shù)可得到2.2.1 受迫振動(dòng)分析受迫振動(dòng)分析 我們發(fā)現(xiàn)振幅D與時(shí)間無關(guān)，因此這個(gè)振動(dòng)響應(yīng)將伴隨著激勵(lì)一直存在。這個(gè)響應(yīng)振幅D和系統(tǒng)的固有頻率、阻尼、外界激勵(lì)頻率及幅度有關(guān)，設(shè)= e/ N 為激勵(lì)頻率與固有頻率之比，H=D/B為放大因子，根據(jù)表達(dá)式（2-15）可以作出H隨和的變化曲線，稱為幅頻曲線，如圖2-6所示。2.2.2 共

9、振共振拿破侖軍隊(duì)過橋的例子：拿破侖軍隊(duì)過橋的例子：2.2.2 共振共振共振的危害共振的危害： 共振對(duì)人類健康會(huì)產(chǎn)生直接的危害：人體甚至人體的某個(gè)器官也是彈性-質(zhì)量系統(tǒng)，因此它們也有自己的固有頻率，如果外界的頻率范圍與人體一些主要器官的固有頻率處于同一頻段，那么，就很容易引起人體重要器官的共振，因?yàn)槿硕荒芨杏X到這個(gè)頻率段的聲波，我們的身體往往在不知不覺中遭到次聲的損害，因此次聲又被稱為無聲無息的殺手。共振的利用共振的利用：共振有這么多的壞作用，但了解了共振的原理后，我們不僅可以防止有害共振，而且可以利用共振的特性為人類服務(wù)。其中火車秤就是科學(xué)家根據(jù)共振的原理制成的。2.3 有害振動(dòng)的防范有害振

10、動(dòng)的防范2.3.1 汽車減震汽車減震 當(dāng)汽車在公路上行駛時(shí)，我們感覺是否舒服的一個(gè)重要指標(biāo)是振動(dòng)的大小首先分析一下，一輛汽車可能有的振源：第一，發(fā)動(dòng)機(jī)非均勻運(yùn)動(dòng)，或發(fā)動(dòng)機(jī)與車體的共振；第二，路面不平，地面對(duì)車輪的作用。2.3.1 汽車減震汽車減震 對(duì)于第一個(gè)問題，就是要盡力消除這類振動(dòng)解決方案有兩種：一是提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，所以汽缸越多越好；二是檢測(cè)車體的共振頻率，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避開共振區(qū)。 車體共振頻率檢測(cè)是振動(dòng)工程中一項(xiàng)重要的技術(shù)，它是應(yīng)用已知激勵(lì)與響應(yīng)來獲得系統(tǒng)特性，我們稱之為系統(tǒng)識(shí)別，如圖2-10所示。2.3.2 船舶的穩(wěn)定船舶的穩(wěn)定 艘航行在大?；騼?nèi)河上的船只；只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，總會(huì)引起不同程度的振動(dòng)，輕微的振動(dòng)是允許的，也是不可避免的但如果干擾力過大或引起共振，則會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)這不僅會(huì)影響旅客和船員的休息與工作甚至健康，而且將引起船體局部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞及設(shè)備的損傷，影響正常營(yíng)運(yùn)，特別是對(duì)一些豪華游輪，振動(dòng)控制與否至關(guān)重要。 解決船在航行中產(chǎn)生振動(dòng)問題的方法首先是分析振源；其次是減輕局部強(qiáng)迫振動(dòng)，一般是通過對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行隔振、增加局部阻尼和安裝消振器等來實(shí)現(xiàn)；第三，進(jìn)行抵抗海浪沖擊設(shè)計(jì)，如安