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机械振动|简谐振动|弹簧振子

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机械振动的定义

机械振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的往复性运动。

老式的钟表,下面都有一个钟摆,钟摆的左右摆动,就是一种机械振动。另外,单摆也是一种典型的机械振动。

常用来描述机械振动的物理量是位移、速度、加速度、力、周期、频率。

机械振动典型案例

高中物理选修3-4教材中主要讨论了两个机械振动的模型,其一是弹簧振子,其二是单摆。这两种振动模式都属于简谐振动(简谐振动定义在文章下方)。

下面分别对这两种机械振动模式进行简要介绍。

1.弹簧振子

弹簧振子是一个不考虑摩擦阻力,不考虑弹簧的质量,不考虑振子的大小和形状的理想化的物理模型。

如下图所示,不考虑小球与桌面的摩擦以及弹簧的质量,初始时刻小球在弹簧原长位置获得一定速度,则小球会在弹簧弹力的作用下,以O点为中心往复运动。这就是弹簧振子模型。

弹簧振子

2.单摆

单摆是一种理想的物理模型,它由理想化的摆球和摆线组成。

如下图所示,不计摆线的伸缩和空气摩擦,当把小球拉离到某一位置(摆线与竖直方向夹角为θ,要求θ小于5°),则小球会周而复始的做往复运动。这就是单摆模型。

单摆的周期与摆线长度和当地重力加速度有关,我们可以利用单摆来测定当地重力加速度

重力加速度

机械振动分类

从高中物理考题来看,机械振动分类可分为:简谐振动与非简谐振动。

简谐振动指的是满足,物体所受的力跟位移成正比,并且力总是指向平衡位置。我们把物体所受到的力称之为回复力。

如果用F表示物体受到的回复力,用x表示小球对于平衡位置的位移,根据胡克定律,F和x成正比,它们之间的关系可用下式来表示:

F=-kx;

请注意,这里的负号指的是方向,因为回复力的方向,总是与物体运动的位移方向相反。

简谐振动是一种没有能量损失的振动模式,在没有外界干扰下,将永远运动下去。

非简谐振动也可称之为阻尼振动,指的是由外在阻力作用,这种机械振动模式早晚会停下来。

简谐振动

简谐振动指的是满足,物体所受的力跟位移成正比(F=-kx),并且力总是指向平衡位置。

我们把物体所受到的力称之为回复力,回复力的方向与位移总是相反的;回复力的效果,是让物体回到平衡位置去。

机械振动的能量

机械振动的能量与振幅相关,振幅越大,机械振动的能量就越大。

机械波的由来

机械振动在介质中的传播,叫做机械波。具体机械波的介绍,请看这篇文章

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