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1MechanicalOscillationANDElectromagneticOscillationCHAPTER10ByDr.GYChen第十章機(jī)械振動(dòng)和電磁振蕩3Manyoscillationsexistinnature.OscillationofspringsPlayonaswing4§10-1SimpleHarmonicMotion(SHM)簡(jiǎn)諧振動(dòng)Twoconditionsofmechanicaloscillation:elasticrestoringforceinertia慣性Freeoscillations:Ifthespringkismassless,SimpleHarmonicOscillatorSimpleHarmonicMotion(SHM)簡(jiǎn)諧振子Fig.10-1彈性回復(fù)力Onlybytheelasticrestoringforce5§10-1SimpleHarmonicMotion(SHM)
1characteristics
Thesystem(blackspring)inFig.10-1iscalledasasimpleharmonicoscillator.Spring(k):massless;
body(m);Fig.10-1ProcessofSHM6(1)(2)(3)(4)(5)(6)ProcessofSHMFig.10-27Equilibriumposition:pointO(F=0);物體:在平衡位置附近作周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng);Spring:deformation(形變)--x;Body:displacement(位移)--x;force:F=-kx(frictionless);xFig.10.1km坐標(biāo)原點(diǎn):通常取為原長(zhǎng)位置O;AccordingtoNewton’sSecondLaw,Someconcepts8acceleration:whosesolutionis9
作諧振動(dòng)的物體的加速度,總是與其離開平衡位置的位移大小成正比,且兩者方向相反。——運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。
作諧振動(dòng)的物體所受合力大小,總是與其離開平衡位置的位移大小成正比,且兩者方向相反?!?jiǎng)恿W(xué)特征。
10Notes:(1)Maximumvalues:(2)Thecurvesof
x(t)、v(t)anda(t):OTtx、v
、ax2A
v>0
<0<0>0a<0
<0
>0>0減速加速減速加速AA-A-A-2Avaφ=0Fig.10-3112Threecharacteristicquantities(特征量)ofSHM.Wecanseethat:(1)Thedisplacementisdeterminedbythreequantities:A,,;(2)x=Acos(ωt+φ)isaperiodicfunctionoftimet.12(1)Amplitude(A)A--themaximumdisplacementfromtheequilibriumposition.
(2)Theperiod(T)andfrequency(ν)Period(周期)T:Thetimenecessaryforonecompleteoscillation(acompleterepetitionofthemotion).完成一次全振動(dòng)所需的時(shí)間SIUnit:s13Frequency(頻率)ν:Thenumberofcompleteoscillationfinishedbytheparticleorthesystemperunittime.單位時(shí)間內(nèi)粒子或系統(tǒng)完成全振動(dòng)的次數(shù)。Apparently:
SIUnit:Hz1Hz=1s-1Angularfrequency(角頻率)ω:Thenumberofcompleteoscillationfinishedbytheparticleorthesystemin2πseconds.
HaveainverserelationshipwithTSIUnit:rad/s14(3)Phase(相位)
IfA,ωandφareknown,themotionoftheoscillatorisdeterminedcompletelybythequantityΦ=ωt+φ,whichiscalledphase.當(dāng)A、ω、φ已知時(shí),諧振動(dòng)的物體在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由ωt+φ決定。ωt+φ稱為相位。Whent=0,Thephaseturnsintoφ,thisiscalledinitialphase(初相).而φ是t=0時(shí)的相位,稱為初相位,簡(jiǎn)稱初相。反映了振動(dòng)的初始狀態(tài)。
15Differenceofphases(相位差)
are:
△Φ=(ωt+φ2)-(ωt+φ1)=φ2-φ1
equaltothedifferenceofinitialphase(4)ComparisonofPhases(相位的比較)
Condition:thefrequencyshouldbethesame.
兩個(gè)頻率相同的諧振動(dòng)才能比較步調(diào)。Ifx1=A1cos(ωt+φ1)x2=A2cos(ωt+φ2)Note:16(5)Discussions:(1)如果ΔΦ>0,φ2>φ1,則稱第二個(gè)諧振動(dòng)超前于第一個(gè)諧振動(dòng)的相位。(2)如果ΔΦ=φ2-φ1=0或2π的整數(shù)倍,則兩個(gè)諧振動(dòng)同時(shí)到達(dá)正的最大位移、最小位移。任意時(shí)刻,振動(dòng)方向相同,稱兩個(gè)諧振動(dòng)同相或同步。(3)如果ΔΦ=φ2-φ1=π的奇數(shù)倍,則一個(gè)物體到達(dá)正的最大位移,另一個(gè)物體正好到達(dá)負(fù)的最大位移。任意時(shí)刻,振動(dòng)方向相反,稱兩個(gè)諧振動(dòng)為反相。
173DeterminationofAandφ.Initialconditions:Conclusions:If18Examples(1):一個(gè)質(zhì)量為10g的物體作簡(jiǎn)諧振動(dòng),周期為4s,t=0時(shí)坐標(biāo)為24cm速度為零。計(jì)算:(1)t=0.5s時(shí)物體的位置;(2)t=0.5s時(shí)物體受到的力的大小和方向;(3)從初始位置運(yùn)動(dòng)到x=-12cm所需的最少時(shí)間;(4)x=12cm時(shí)物體速度的大小。解:本題已知物體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。周期為T=4s,振幅為A=24cm,則:19由初始條件:(1)當(dāng)t=0.5s時(shí):注意單位換算!20(2)當(dāng)t=0.5s時(shí),物體受力:與x軸正向相反。(3)從初始位置運(yùn)動(dòng)到x=-12cm的最少時(shí)間:注意單位換算!24cm-12cmFig.10-421(4)x=-12cm物體的速度大小:注意:?jiǎn)挝粨Q算。22Example(2):Infigure,provethesimplependulum(單擺)isasimpleharmonicoscillatorwhenissmall.Prove:Fig.10-523Prove:(1)Displacement:θorx
(2)Restoringtorque(恢復(fù)力矩):(3)Angular(角量)
acceleration:Note:(linear線量)244TherotatingvectorrepresentationofSHM(旋轉(zhuǎn)矢量表示法)
AvectorwithalengthofAisrotatingaboutpointOatanangularvelocity(seeinFig).25Theprojection(投影)Pofthisrotatingvectorinx-axisisgivenbywhichisassameastheequationofSHM.Arotatingvectoronetoone一一對(duì)應(yīng)SHM26Discussions:Determinedtheinitialphasebytherotatingvectorrepresentation.(1)過平衡位置沿x軸正向運(yùn)動(dòng);(2)過平衡位置沿x軸負(fù)向運(yùn)動(dòng);27§10-2TheEnergyofSHMThepotentialenergyofthesystemis:anditskineticenergyisequalto:1TotalenergyofSHMFig.10-128ThetotalenergyofSHMisconstant.(1)彈簧振子作簡(jiǎn)振動(dòng)過程中機(jī)械能守恒。(2)對(duì)于一定的彈簧振子,諧振動(dòng)的機(jī)械能與振幅平方成正比。振幅越大,振子的總機(jī)械能越大。
Consideringk=mω2,thetotalenergyConclusions:29AveragevalueofenergyduringaperiodConclusion:諧振動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)的平均勢(shì)能和平均動(dòng)能相等,均為kA2/4。
2AverageenergyofSHM303TransformationoftheenergyofSHM振動(dòng)過程中,動(dòng)能和勢(shì)能大小時(shí)刻改變并且相互轉(zhuǎn)化,但總能量保持不變。Conclusions:31Example(1):Amassof100gvibrateshorizontallyinSHMwithafrequencyof20Hzandanamplitudeof15cm.Calculate:(1)Thetotalenergyofthemotion.(2)Thevelocityofthemasswhenitis10cmfromthecenterpoint.32Solution:33Example(2):P15.例10.6、10.734§10-3DampedVibration&ForcedVibrationResonance
(阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)共振)1.DampedVibrationThebodyissubjecttothedampingforce,anditsamplitudeAandenergyEwilldecreasetozerogradually.振動(dòng)的物體在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中,會(huì)受到阻礙其運(yùn)動(dòng)的力的作用,能量逐漸受到損失,振幅逐漸衰減的振動(dòng)稱為阻尼振動(dòng)或減幅振動(dòng)。Fig.10-7352.
ForcedVibration(受迫振動(dòng))Thesystemissubjecttoaperiodicexternalforce(系統(tǒng)受周期性強(qiáng)迫力作用下的振動(dòng))3.Resonance(共振)Phenomenathatanmaximumofamplitudeofadampingvibrationappears.36§10-4ElectromagneticOscillation1.LCcircuitLCLCKchargeFig.10-837LCKεt=0LCKεiit=T/4LCKεt=T/2LCKεt=3T/2ii2.OscillationofLCcircuitFig.10-938§10-5
SuperpositionoftwoSHMs
1.Thecompositionoftwoharmonicvibrationswiththesamedirectionandfrequency.Thedisplacementsresultingfromtwoharmonicvibrationsinthesamestraightline(x-axis)are:39Itcanbeprovedthatthedisplacementofcompositionvibrationisgivenby:withthesameangularfrequency.Itiseasytoprovebyusingtherotatingvectors:40Specialexamples:
(1)whenφ2-φ1=2kπ,A=A1+A2,Areachesmaximum(Enhancing)(2)whenφ2-φ1=2kπ±π,A=|A1-A2|,Areachesminimum(Weakening)(3)Generally,|A1-A2|<A<A1+A241ThetwoharmonicvibrationsareFindtheircompositionvibration.Example:Plottherotatingvectorsofx1,x2,x=x1+x2.Solution:→φ1=π/2,φ2=0.42Then:Hence:432.Thecompositionoftwoharmonicvibrationswiththesamedirectionanddifferentfrequencies.§10-5
SuperpositionoftwoSHMs
Thetotalamplitudewillvariesperiodicallywiththetime,whoseChinesenameis拍.3.Thecompositionoftwoharmonicvibrationswiththesamefrequencyandverticaldirections.Theorbitoftheendofthecomposite
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