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2 简谐运动的描述

免费读1253字2024-07-22

  老师:各位同学大家好,今天我们继续来研究简谐震动这一最简单最基本的机械运动。先来简单回顾一下,通过上节课的学习,我们知道震动现象是在自然界中广泛存在的。为了方便分析,我们从最简单的情况出发,建立了弹簧震子这种理想模型。弹簧震子是小球弹簧组成的整个系统的名称。该理想模型忽略了弹簧的质量以及弹簧与杆之间的摩擦,并且我们定义了弹簧处于圆长这一特殊位置为平衡位置。将弹簧拉长到某一长度,松手后,小球就在平衡位置附近做这样一个往复运动。假如我们以平衡位置为参考点,建立这样一个一维的坐标系,那么弹簧伸长时,比如中间这张图,小球的位移为正,弹簧压缩时小球的位移为负。那么假如我们用某种方法把小球随着时间变化的位移记录下来,就得到了这样一个位移时间图像。通过论证,我们发现这是一个正弦函数,凡是位移时间图像为正弦曲线的振动,我们给它取了个统一的名字,叫做简谐运动。

  老师:好,那么问题来了,当初我们在学习机械运动的时候,为了描述匀变速直线运动,除了位移,还需要有时间速度和加速度。后来学到匀速圆周运动的时候,为了反映出运动的特点,还引入了周期、频率、角速度等物理量。那么对于简谐运动,我们要用哪些物理量来描述它?让我们通过观察简谐运动的运动特点来一起思考一下。由于现在实验条件有限,老师就利用动图来演示一下运动规律,与实际的实验现象是一样的,我们可以开学后再把实验补齐。这是两个完全相同的弹簧镇子,但这两个简谐运动显然不同,请你描述一下是什么不同,显然最明显的就是震动的强弱不一样,表现为震动的幅度或者说震动的范围不一样。底下这个镇子的在在震动的时候能够远离平衡位置的这个最大距离更大一些,进而运动过程中各个时刻的位移速度之类的物理量也就有所不同了。可见,震动物体离开平衡位置的最大距离可以用来描述简谐运动的典型特征,我们称之为振符。

  老师:把地写出来,既然是离开平衡位置的最大距离,那么对于AA撇之间的这样一个往复运动来说,OA之间的距离就是振幅。OA撇的距离也是振幅,描述了震动的强弱,通常用大写的字母a来表示,单位长就是长度单位。那么振幅是矢量还是标量?我们从定义来看,所谓最大距离,它一定是大于0的,并且没有方向,是妖量。知道了振幅,我们就可以知道振子能够振动的范围了,两倍的a。然后让我们做个概念辨析,刚才我们定义的振幅跟我们上节课研究的振子的位移显然不是一回事,它们有什么区别?请大家按下暂停键自己思考一下。

  老师:现在老树公布答案了,首先位是矢量,振幅是标量。然后从定义来看,镇子的振动给定了之后,能够离开平衡位置的最大距离也就给定了。因此,振幅是一个确定值,而位移则对应于某一个具体时刻,不同时刻振动的物体偏离平衡位置的距离是很可能不同的,是一个随时间变化的物理量。不过二者也有关系,当物体运动到AA撇这两个点时,嗯,也就是处于正负最大位移的时候,振幅与最大位移的数值是相等的。

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