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1、 第五講 振動與波
一、競賽中涉及的問題
(一)簡諧運(yùn)動
1.任何機(jī)械運(yùn)動都可用數(shù)學(xué)方法分解成一系列簡諧運(yùn)動,簡諧運(yùn)動是最基本的機(jī)械振動,簡諧運(yùn)動的動力學(xué)特點(diǎn):物體所受回復(fù)力與位移反向,大小與位移成正比,即:F=-kx。運(yùn)動學(xué)特點(diǎn);位移可用時(shí)間的正弦函數(shù)或余弦函數(shù)表示。
例1.判斷下列各物體的振動是否簡諧運(yùn)動
O
x
x0
(1)
2x
o
x
(5)
x
O
x
θ
光滑斜面
(2)
(3)
m
O
O1
M
x
A
O
x
(4)
O
B
A
Pt
Po
ω
ωt
x
O1
v
x
2、
y
其中,(3)是質(zhì)量均勻的地球通道中的小球,(4)為浮于水面上的木塊,(5)為兩端開口U型管中的液面A。
2.運(yùn)動規(guī)律和參考圓
用初等數(shù)學(xué)方法,不能得出簡諧運(yùn)動物體的V、a變化規(guī)律,
采用參考圓卻能有效解決此問題,任何一個(gè)簡諧振動,都可看作
某一個(gè)作勻速圓周運(yùn)動的參考點(diǎn)在某一直徑上的投影的運(yùn)動,這
種想象中的參考點(diǎn)的運(yùn)動軌跡—參考圓,參考圓半徑為A,即為
簡諧運(yùn)動物體的振幅,如圖,O為振體m的平衡位置,t=0時(shí),
x=x0,Vx=V0,相應(yīng)物在A點(diǎn),參考圓位置的P0點(diǎn),t時(shí)刻,在Pt點(diǎn)(B點(diǎn)),由圖得
m
m
C
B
x
h
o
(b)
m
3、
m
K
C
B
(a)
x
(1)位移x=Acos(ωt +φ0),(2)速度Vx(3)加速度 ,其中,是初相角,回復(fù)力(4)振幅A—振體離開平衡位置的最大距離,由初始條件t =0時(shí),代入x、vx表達(dá)式中,得,解之得A=位相,決定振體運(yùn)動的狀態(tài)的變量,
是t =0時(shí)的初相角N·B!上述方程的
原點(diǎn)均取在振體的靜平衡位置。
(b)
m
m
B
C
k
m
m
k
C
B
例2:試求下圖所示系統(tǒng)的振幅A及初位相,(a)中C與B中吊繩靜止時(shí)斷開,(b)中將物B無初速地放在物C上。
3.簡諧運(yùn)動的圓頻率,頻率與周期
(1)圓頻率 即x、vx
4、、ax表達(dá)式中的 ,由F=-kx=
m
k1
k2
k3
(c)
(2)周期T,T=。 (3)頻率
A
m
k1
k2
(b)
1
k
2
(a)
例3,如圖(a)
將勁度系數(shù)為k的彈
簧,按其原長1∶2截?cái)?
為兩根,求由它們組成的(a),(b)兩系統(tǒng)的周期,圖C中,振動系統(tǒng)的周期又是多少?
例4:物體質(zhì)量m,用彈簧懸吊于長為b的輕質(zhì)桿上,K1、K2 已知,長度a,b已知,求系統(tǒng)振動周期。
a
k2
k1
o
m
x
例5:求下圖
(a)-(d)中系統(tǒng)
振動周期,(a),(b)斜面光滑
(D)
5、
B
60o
α
o
C
A
A
B
m
2L
L
C
o
(C)
30o
30o
L
m
o
α
(b)
L
m
α
(a)
(c)中AC、BC為兩細(xì)線,m在垂直于紙面的平面內(nèi)擺動,(d)中△ABC為等邊△,每邊桿長L,質(zhì)量不計(jì)。
4.簡諧運(yùn)動規(guī)律的求解
解題思路:(1)判斷振體作簡諧振動;(2)取物體靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn),直接寫出規(guī)律,如 (3)求,(4)確定初始條件,A、。5.代入運(yùn)動方程求解。
例6:如圖,質(zhì)量均為m的兩物用線繩相連,懸于K1,K2兩彈簧上,
k2
k1
m
求繩斷后,剩下物體的運(yùn)動規(guī)
6、律。
m
k
M
m
h
k
x
例7.如圖,M=2kg,k=100N/m,光滑水平面,t=0時(shí),x0=10cm,
v0=0,h=1cm高處有一質(zhì)量m=0.4kg的小物下落,當(dāng)M沿x軸負(fù)向
通過平衡位置時(shí),小物恰落在M上且無反彈,試求此后兩物體一起
運(yùn)動的規(guī)律。
(二)振動能量與共振
1.簡諧振動中的能量。彈簧振子動能,振子的瞬間勢能,總能量,可見,簡諧振動物體機(jī)械能守恒,振子通過平衡位置時(shí),Ep=0,Ek最大,通過極端位置時(shí),Ek=0,Ep最大,
例8:彈簧振子勁度系數(shù)為k,振動物質(zhì)量為m,t=0時(shí),x=x0,vx=v0,求A、。
2.
7、阻尼振動,簡諧振動機(jī)械能守恒,一旦開始,就永不停止,是理想狀況,實(shí)際振動,因有摩擦,振動總是減弱以致最后停下,這種振幅逐漸減小的運(yùn)動—阻尼振動。對于一定的振動物體,有阻尼要比無阻尼時(shí),周期長些,陰尼越大,周期越長。
k
1cm
x
例9:如圖,勁度系數(shù)為k=250g/cm的彈簧一端固定,另一端連接一質(zhì)量為30g的物塊,置于水平面上,摩擦因數(shù),現(xiàn)將彈簧拉長1cm后由靜止釋放,求(1)物塊獲得的最大速度;(2)物塊經(jīng)過彈簧原長位置幾次后才停止運(yùn)動?
3.受迫振動,物體在周期性外力(策動力)作用下的振動叫受迫振動。受迫振動的頻率等于策動力的頻率,而與物
8、體固有頻率無關(guān),當(dāng)策動力頻率與物體固有頻率相等時(shí),受迫振動的振幅最大,這種現(xiàn)象稱為共振,策動力頻率與物體固有頻率越接近,受迫振動振幅越大。
(三)機(jī)械波
1.機(jī)械波,橫波與縱波。機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播叫機(jī)械波,波傳播的是振動形式和能量,質(zhì)點(diǎn)并未發(fā)生遷移,橫波一質(zhì)點(diǎn)振動方向與波傳播方向垂直。縱波一質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向在一直線上。固體中可以同時(shí)有橫波與縱波,氣體中一般只有縱波存在。
2.波長、頻率與波速,定義(略)關(guān)系,注意:波速不同于運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的速度。
v
y
3.平面簡諧波的波動方程及圖象,平面簡諧振動在一個(gè)方向上的傳播叫簡諧波,如圖,O點(diǎn)的振動方程為,在x軸上任
O
9、P
x
一點(diǎn)P比O的振動滯后,∴P點(diǎn)振動方程為:
,這就是波動方程,可描述
平面簡諧波的傳播方向上任意點(diǎn)的規(guī)律。
4.波的干涉,同頻率,同相位或相差恒定的兩個(gè)波源,稱相干波源,相干波在相遇區(qū)域中出現(xiàn)的穩(wěn)的振動加強(qiáng)和減弱區(qū)間的現(xiàn)象,叫波的干涉現(xiàn)象。
N
M
干涉時(shí),振動最強(qiáng)區(qū)域發(fā)生在波程差△S =處(k為整數(shù)),振動最弱區(qū)域發(fā)生在△S=(2k+1)處。(兩波源同頻同相)
B
A
例10.如圖,在同一均勻介質(zhì)中,相距為a的兩波源M、N同時(shí)
x
以同一相位向四周發(fā)射波長為2a的簡諧波,試找出介質(zhì)中振動加強(qiáng)
或削弱的兩條直線的位置。
例11.如圖,有兩個(gè)波源位
10、于同一介質(zhì)中的AB兩點(diǎn),振動方向相同,振幅相等,頻率皆為100Hz,但B點(diǎn)波源比A點(diǎn)波源的位相超前π,若AB相距30m,波速為400m/s,試求AB之間的連線上因干涉而靜止及振幅最大的點(diǎn)的位置。
5.波的衍射,波在傳播過程中遇到障礙物而發(fā)生的繞射現(xiàn)象。
6.聲波,聲波的反射,干涉衍射略。(4)聲音的共鳴一共振現(xiàn)象,在一個(gè)盛水
的長玻管上方放一個(gè)正在發(fā)音的音叉,當(dāng)水面上方玻管中空氣柱長度入時(shí),可觀察到空氣柱與音叉發(fā)生共鳴,式中n 是自然數(shù),入是音叉所發(fā)聲音的波長。(5)樂音與噪音 (6)音調(diào)響度和音品自看。
2r
o
x
二、方法與技巧
(一)簡諧運(yùn)動的
11、證明
例1,如圖,圓柱體半徑為r,高為h,質(zhì)量為m,懸掛于彈簧上,其下部
h/2浸在足夠?qū)挻蟮乃刂刑幱陟o止,然后用外力使圓柱體再沒入水中一小段
距離,但不全部沒入,撤去外力后,圓柱體做什么運(yùn)動?其振動周期是多少?
N1
N2
c
o
x
f1
f2
ω
ω
例2:如圖,兩個(gè)相同的定軸圓輪以相同大小的角速度旋轉(zhuǎn),兩輪心相距L,質(zhì)量為M的平板擱置于兩輪上,輪板間摩擦系數(shù)為,試判斷木板是否做簡諧運(yùn)動,并求運(yùn)動周期。
(二)等效法
m
k1
k2
(b)
m
k1
k2
(a)
例3:右圖中(a)、(b)的各兩根彈簧是串聯(lián)還是并聯(lián)?兩個(gè)質(zhì)
12、量為m的物體的振動周期各是多少?(a)中滑輪及所有彈簧質(zhì)量均不計(jì)。
m
θ
a
例4:求右圖中勻加速向左運(yùn)動的小車中單擺的振動周期。
(三)整體法與隔離法
Q
k1
k2
P
例5:如圖,勁度系數(shù)分別為K1、K2的彈簧把質(zhì)量為M的滑塊P連接起來置于光滑水平面上,將質(zhì)量為m的物體Q置于P上,現(xiàn)把P拉到距平衡位置d處從靜止釋放,為使振動過程中Q與P間不發(fā)生相對滑動,則P與Q間靜摩擦系數(shù)至少為多大?
A
B
L1
L2
C
例6:如圖,在勁度系數(shù)為K的輕彈簧兩端,分別系住質(zhì)量為m1的物體A和質(zhì)量為m2的物體B,
13、現(xiàn)讓兩物塊將彈簧壓縮后放于光滑水平面上,求該振動系統(tǒng)的振動周期。
(四)巧用參考圓
C
t=0
A
B
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
0.6
1.2
B
C
t/s
x/m
(a)
(b)
x
A
例7:如圖(b)為某質(zhì)點(diǎn)的振動圖象,試求A、B兩處的時(shí)間差tAB;B、C兩處相拉差
VA∶VB。
d
B
o
A
x
c
P
B
ωt1
c
o
A
d
例8:如圖,一個(gè)勁度系數(shù)為K的輕彈簧豎直固定在桌子上,將一小球放在彈簧上,彈簧被壓縮d后平衡,然后按住小球使彈簧再被壓
14、縮C,且C>d,松開小球后,求小球上升到最高點(diǎn)所需的時(shí)間。
(五)相對振動問題
例9:在電梯中豎直懸掛一彈簧振子,彈簧原長L0,振于質(zhì)量m=1.0kg,電梯靜止時(shí)彈簧伸長△L =0.10m,從t=0開始,電梯以g/2加速度下降t=πs,然后又以g/2的加速度減速下降直到停止,試畫出彈簧的伸長△L隨時(shí)間t的變化曲線。
A
B
C
o
10.如圖,物A、B用細(xì)線相連,懸掛于定滑輪O上,物C用勁度系數(shù)k=mg/L,原長為L的彈簧懸于B下,已知它們的質(zhì)量關(guān)系為mA=2m,mB=mc=m,開始時(shí)系統(tǒng)靜止,且使彈簧保持原
15、長釋放,若不計(jì)滑輪與繩的質(zhì)量和摩擦,試求C相對于B的運(yùn)動規(guī)律。
例11、如圖,質(zhì)量為M的U型槽置于光滑水平面上,質(zhì)量為m的物塊用兩根勁度系數(shù)為K的輕彈簧與U型槽相連,系統(tǒng)開始靜止,現(xiàn)用一水平恒力F作用于U型槽后,試求物塊相對于槽的運(yùn)動規(guī)律。
m
K
K
F
例12、如圖,質(zhì)量M的小車在光滑水平軌道上,擺長L,小球質(zhì)量m,當(dāng)擺球來回?cái)[動時(shí),小車做往復(fù)運(yùn)動,求小車往復(fù)運(yùn)動的周期。
m
L
M
aM
θ
(六)能量法
例13、如圖,用三根豎直的,長度相同的且不可伸長的細(xì)輕繩將一個(gè)細(xì)圓環(huán)水平懸掛,環(huán)上拴繩點(diǎn)彼此
16、等距,現(xiàn)用輕桿將一與環(huán)等重的小球固定于環(huán)心處,求環(huán)心放上小球前后環(huán)的微小扭轉(zhuǎn)振動周期之比。
例14、如圖,一質(zhì)點(diǎn)被一輕彈性繩系于固定點(diǎn)A,繩原長a,懸掛質(zhì)點(diǎn)后,靜伸長為b,質(zhì)點(diǎn)從A靜止下落,試討論質(zhì)點(diǎn)以后的運(yùn)動,并求出質(zhì)點(diǎn)落至最低點(diǎn)的位置和時(shí)間。
a
t=0
A
B
b
x
x1
x
D
例15、如圖,質(zhì)量為m的小球用輕桿懸掛,兩側(cè)用勁度系數(shù)為K的彈簧連接,桿自由下垂時(shí),彈簧無形變,圖中a、L已知,求擺桿做簡諧振動的圓頻率ω。
L
a
K
K
H
例16、如圖,小鋼板固定于勁度系數(shù)為K
17、的彈簧上,彈簧下端固定在地面上,鋼板處于靜止?fàn)顟B(tài),現(xiàn)有一小鋼球從鋼板正上方H高處自由落下,與鋼板發(fā)生完全彈性碰撞,已知鋼板質(zhì)量是鋼球的3倍,不計(jì)空氣阻力。(1)要使球與鋼板每次都在同一高度發(fā)生瞬時(shí)碰撞,板的質(zhì)量最大應(yīng)是多少?(2)在(1)的情況下,若規(guī)定向下時(shí)速度為正,試分別畫出球與鋼板的V-t圖。
(七)簡諧運(yùn)動規(guī)律的一般解法
M
h
m
K
K
x0
x
例17、如圖,M=2kg,K=100N/m,t=0時(shí),xo=10cm,V0=0,在h=1cm高處有一質(zhì)量m=0.4kg的小物下落,當(dāng)M沿x軸負(fù)向通過平衡位置時(shí),小物體剛
18、好落到M上并粘在一起,求此后兩物體一起運(yùn)動的規(guī)律。
L
h
x
O
C
B
A
例18、如圖,振子C質(zhì)量為m,彈簧勁度系數(shù)為K,置于光滑水平面上,振動圓頻率為ω=0.5π/S,另一質(zhì)量也為m的物塊A,從h=0.2m高處由靜止下滑至B需時(shí)間tAB=1.5S,OB=6m,現(xiàn)將彈簧壓縮到x0=2m處,與A同時(shí)自由釋放,A與C做完全非彈性碰撞后粘在一起運(yùn)動,若從剛碰撞后開始計(jì)時(shí),試求振于的運(yùn)動規(guī)律(g=10m/s2)。
·
A
x
O
x0
例19、廣而深的靜水池中豎立一固定細(xì)桿,其露出水面部分
19、套著一個(gè)長為L,密度ρ,截面均勻的均質(zhì)細(xì)管,細(xì)管可沿桿無摩擦地上下滑動,現(xiàn)用手持管,使管的下端剛與水面接觸,放手后管豎直下沉,設(shè)水的密度為ρ水,不計(jì)水的阻力與表面張力。(1)當(dāng)管的密度等于某一密度ρ0時(shí),管能下沉到剛好全沒入水中,求ρ0;(2)在ρ=ρ0時(shí),管下沉歷時(shí)多少?
(3)設(shè)管的密度ρ等于,求管下沉到最后位置所用的時(shí)間。
M
m
h
例20、如圖,質(zhì)量為M的秤盤掛在勁度系數(shù)為K的彈簧下,質(zhì)量為m之物從距盤底高h(yuǎn)處自由落至盤中,與盤做完全非彈性碰撞,試求盤子的運(yùn)動規(guī)律。
例21,如圖,A為小球,B為均質(zhì)球
20、殼,半徑為a,設(shè)A與B的碰撞完全彈性,B與水平桌面的碰撞完全非彈性,A、B質(zhì)量均為m,小球通過一自然長度為a的柔軟彈性輕繩掛在球殼內(nèi)壁最高處,彈性繩被拉長時(shí)相當(dāng)于勁度系數(shù)為K的彈簧,且ka=9mg/2,起初將小球A拉到球殼內(nèi)的最低點(diǎn)處,然后輕輕釋放,試詳細(xì)地,定量地討論小球以后的運(yùn)動。(位移表達(dá)式,周期)
O
a
B
A
V0
O
x
例22、如圖,質(zhì)量為M的小平板固定在勁度系數(shù)為K的輕彈簧上,彈簧的另一端固定在地上,有一質(zhì)量為m的小球沿入射角θ方向以速度ν0射向小平板,并發(fā)生完全彈性碰撞,忽略一切摩擦。求:(1)碰撞后小球的速度ν;(2)碰撞后彈簧增加的最大壓縮量;(3)小平板的振動方程。
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