• [物理]简谐振动总结


    简谐振动

    简谐振动就是无阻力的振动,简谐振动在时间上具有周期性,在空间上具有重复性.

    简谐振动方程

    对于一个质量为(m),弹性系数为(k)的弹簧振子,

    弹簧振子和静止状态的位置距离是(x),速度是(v),加速度是(a),有以下性质

    [由牛顿第二定律得,F=ma\ 由胡克定律的,F=kx\ 所以a=frac{kx}{m}\ 由速度相关公式得a=frac{d^2x}{dt^2}\ 所以frac{d^2x}{dt^2}-frac{kx}{m}=0\ 根据数学结论,一个形如frac{d^2x}{dt^2}+w^2x=0的方程\ 可以转换为形如x=Acos(omega t+phi)的形式\ 所以x=Acos(sqrt{frac{k}{m}}cdot t+phi)\ 其中A=sqrt{x_0^2+frac{v_0^2}{omega^2}}\ tanphi=frac{-v_0}{omega x_0} ]

    (A)是振幅,(omega)是角速度,(phi)是初始相位,他们被称为振动三要素.周期(T=frac{2pi}{omega}),

    振动的位置(x=Asin(omega x + phi))

    振动的速度(v=Aomega cos(omega x + phi))

    简谐振动能量

    振动的动能如下

    [E=frac{1}{2}mv^2=frac{1}{2}mcdot A^2omega^2 cos^2(omega t+phi)=frac{1}{2}kcdot A^2cos^2(omega t+phi) ]

    振动的弹性势能如下

    [E=frac{1}{2}kx^2=frac{1}{2}kcdot A^2sin^2(omega t+phi) ]

    振动的总能量如下

    [E=frac{1}{2}mv^2+frac{1}{2}kx^2=frac{1}{2}kA^2cos^2(omega t+phi)+frac{1}{2}kA^2sin^2(omega t + phi)=frac{1}{2}kA^2 ]

    他是恒定不变的

    振动的合成

    两个同方向同频率简谐振动如下

    [x_1=A_1cos(omega t+phi_1)\ x_2=A_2cos(omega t+phi_2) ]

    他们合成之后,依然是同方向,同频率的简谐振动,合成的振动相关值如下

    [A=sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2cos(phi_2-phi_1)}\ phi=arctanfrac{A_1sinphi_1+A_2sinphi_2}{A_1cosphi_1+A_2cosphi_2} ]

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