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简谐振动的能量转化与合成:探索振动系统的奥秘

更新时间:2024-09-16 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

简谐振动的能量转换tWE物理好资源网(原物理ok网)

在振动系统中留学之路,由于线性恢复力是扭矩和保守力,因此系统的机械能守恒tWE物理好资源网(原物理ok网)

以弹簧振子为例,我们可以利用动力学方程尝试推导出总机械能,此时只需要利用动能与势能的表达式即可。tWE物理好资源网(原物理ok网)

一弹簧振子作简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

经过推导可知,简谐振动的动能和势能随时间呈周期性变化,严格遵循正弦、余弦平方定律;总机械能取决于弹性系数k和振幅A,与其他因素无关。tWE物理好资源网(原物理ok网)

简谐振动的合成tWE物理好资源网(原物理ok网)

我们知道,如果有两种波在空气中传播,那么它们相交区域内各个小单元的振动就是这两种波的合成。tWE物理好资源网(原物理ok网)

一弹簧振子作简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

就拿乐器的琴弦来说,琴弦之所以能发出悦耳的音波,就是因为琴弦上有好几种不同频率的振动在不断地融合。tWE物理好资源网(原物理ok网)

相同方向和频率的简谐振动的合成tWE物理好资源网(原物理ok网)

假设有一个粒子同时参与两个简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

除了频率w0相同之外,我们给两个振动分别设置参数,比如A1,A2等,看看合成后会发生什么。由于它们的方向相同,所以合成后的位移就是它们各自位移的代数和。tWE物理好资源网(原物理ok网)

利用三角函数的性质,我们可以得到,tWE物理好资源网(原物理ok网)

一弹簧振子作简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

展开余弦函数并重新终止它tWE物理好资源网(原物理ok网)

此时,我们看到和之前一样有系数,但它们显然是常数,可以用符号代替。我们严格地将它们记为 Acosa 和 Asina(我们也可以使用归纳公式将它们松散地记为常数 C1 和 C2),因此我们有tWE物理好资源网(原物理ok网)

一弹簧振子作简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

可以看出,两个方向相同、频率相同的简谐振动,合成后仍是一个简谐振动,分频后的频率与合频相同。tWE物理好资源网(原物理ok网)

注意,合成后还可以计算出合成振动的振幅和初相位,具体公式推导过程如下:tWE物理好资源网(原物理ok网)

一弹簧振子作简谐振动tWE物理好资源网(原物理ok网)

如果有两个方向相同但频率不同的简谐振动,会怎么样呢?一般来说一弹簧振子作简谐振动,合成后,虽然不再是简谐振动,但仍然具有周期性。我们把合成振动周期性变化的现象称为“拍”一弹簧振子作简谐振动,振幅变化一个周期称为一个拍。tWE物理好资源网(原物理ok网)

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