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振动

AP 物理 C:力学 · 知识点 7

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8:14

振荡

在一座科学博物馆里,一颗黄铜球悬挂在一根极长的细线上。它在标记好的地板上方整天摆动,无人触碰。每一次摆动耗时都与前一次相同。……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

7.1

简谐运动的定义

教学大纲

学习目标 7.1.A: 描述简谐运动。

  • 7.1.A.1 简谐运动是周期性运动的一种特殊情况。
  • 7.1.A.2 当作用在物体上的回复力大小与该物体偏离平衡位置的位移成正比时,就会产生简谐运动。
    • 推导公式: $ma_x = -k\Delta x$
    • 7.1.A.2.i 回复力是指方向与物体偏离平衡位置位移方向相反的力。
    • 7.1.A.2.ii 平衡位置是指作用在物体或系统上的合力为零的位置。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Simple harmonic motion

Simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) is a special case of periodic motion 周期运动. It appears whenever two things are true: there is an equilibrium 平衡位置 position where the net force is zero, and displacing the object produces a restoring force 回复力 – a force pointing back toward equilibrium – whose magnitude is proportional to the displacement:

$$F=-k\,\Delta x.$$

Newton's second law then gives the defining differential equation 微分方程:

$$\frac{d^2x}{dt^2}=-\frac{k}{m}\,x=-\omega^2 x,\qquad \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}.$$

Its solution is sinusoidal, $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$. You do not need to prove this solution – you need to recognise the equation: any system whose motion obeys "$\ddot{x}=-\omega^2x$" is a simple harmonic oscillator, whatever it is made of. (A mass hanging on a vertical spring works the same way: gravity only shifts the equilibrium point; the oscillation about it is unchanged.)

In SHM the acceleration always points back towards equilibrium, opposite the displacement
In SHM the acceleration always points back towards equilibrium, opposite the displacement
探索

简谐运动的回复力

简谐运动需要一个与位移成正比且指向中心的回复力。

词汇 训练
English 中文 拼音
Simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ 简谐运动 jiǎn xié yùn dòng
periodic motion/ˌpɪərɪˈɒdɪk ˈməʊʃn/ 周期运动 zhōu qī yùn dòng
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡位置 píng héng wèi zhì
restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 回复力 huí fù lì
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ 微分方程 wēi fēn fāng chéng
7.2

简谐运动的频率与周期

教学大纲

学习目标 7.2.A: 描述做简谐运动物体的频率和周期。

  • 7.2.A.1 简谐运动的周期与该物体运动的角频率 $\omega$ 通过以下方程相关联:
    • 方程: $T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{1}{f}$
    • 7.2.A.1.i 物体–理想弹簧振子的周期由以下方程给出:
      • 方程: $T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}.$
    • 7.2.A.1.ii 小角度摆动的单摆周期由以下方程给出:
      • 方程: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}}.$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The angular frequency 角频率 $\omega$ sets the period 周期 and frequency 频率:

$$T=\frac{2\pi}{\omega}=\frac{1}{f}.$$

For the two standard systems:

$$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{\ell}{g}}.$$

Two classic conceptual traps: the period of SHM never depends on the amplitude 振幅, and each system ignores one obvious variable – the pendulum's period does not involve its mass, and the spring's period does not involve $g$ (a spring–block oscillator keeps perfect time in orbit; a pendulum clock does not).

探索

计时单摆的摆动

摆的周期取决于其长度和重力,与其质量或(小)振幅无关:$T=2\pi\sqrt{L/g}$。加长它会使每次摆动耗时更长。

词汇 训练
English 中文 拼音
angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ 角频率 jiǎo pín lǜ
period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
7.3

简谐运动的表示与分析

教学大纲

学习目标 7.3.A: 描述做简谐运动的物体的位移、速度和加速度。

  • 7.3.A.1 对于做简谐运动的物体,其相对于平衡位置的位移可以用方程 $x = A\cos(2\pi ft)$ 或 $x = A\sin(2\pi ft)$ 表示。
    • 7.3.A.1.i 位移、速度和加速度的极小值、极大值和零值是谐波运动的特征。
    • 7.3.A.1.ii 识别简谐运动的位移、速度和加速度具有极值或为零的位置或时间,有助于定性描述运动行为。
  • 7.3.A.2 做简谐运动的物体的位置作为时间的函数,是应用牛顿第二定律导出的二阶微分方程的解。
    • 推导方程: $\dfrac{d^2 x}{dt^2} = -\omega^2 x$
  • 7.3.A.3 简谐运动的特性(如速度和加速度)可以通过方程 $x = A\cos(\omega t + \phi).$ 确定或从中推导得出。
    • 7.3.A.3.i 做简谐运动的物体的加速度与该物体的角频率和位置有关。
      • 推导方程: $a = -\omega^2 x$
    • 7.3.A.3.ii 可以证明,做简谐运动的物体的最大速度和加速度与其运动的角频率有关。
      • 推导方程: $v_{\max} = A\omega$
      • $a_{\max} = A\omega^2$
  • 7.3.A.4 在正弦外部力的作用下,系统可能会表现出共振现象。
    • 7.3.A.4.i 当外力以振荡系统的固有频率施加时,就会发生共振。
    • 7.3.A.4.ii 共振会增加振荡运动的振幅。
    • 7.3.A.4.iii 系统的固有频率是指系统在偏离平衡位置后将会振荡的频率。
  • 7.3.A.5 改变做简谐运动的系统的振幅不会改变其周期。
  • 7.3.A.6 可以使用图形表示来确定和分析简谐运动的特性。

边界说明: AP 物理 C:力学仅要求学生知道描述简谐运动的二阶微分方程的解,并能够识别简谐运动。AP 物理 C:力学不要求学生从数学上证明该解是正确的。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Differentiate $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$ twice:

$$v=-A\omega\sin(\omega t+\phi),\qquad a=-A\omega^2\cos(\omega t+\phi)=-\omega^2x.$$

So at the ends of the swing ($x=\pm A$) the speed is zero and the acceleration is largest; passing through equilibrium ($x=0$) the acceleration is zero and the speed is largest, $v_{\max}=A\omega$. The amplitude $A$ and the phase constant 相位常数 $\phi$ come from the initial conditions: where the object starts and how fast it is moving. Eliminating $t$ (or using energy, below) gives speed as a function of position:

$$v=\pm\,\omega\sqrt{A^2-x^2}.$$
Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motion
Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motion

Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ mass on a $k=200\ \text{N/m}$ spring: $\omega=\sqrt{k/m}=20\ \text{rad/s}$, $T=2\pi/\omega=0.31\ \text{s}$. With $A=0.10\ \text{m}$: $v_{\max}=A\omega=2.0\ \text{m/s}$ at equilibrium, and at $x=0.050\ \text{m}$ the speed is $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$.

探索

简谐运动作为正弦波

简谐振荡器的位移随时间呈余弦曲线变化。

词汇 训练
English 中文 拼音
phase constant/feɪz ˈkɒnstənt/ 相位常数 xiàng wèi cháng shù
7.4

简谐振子的能量

教学大纲

学习目标 7.4.A: 描述作简谐运动(SHM)的系统的机械能。

  • 7.4.A.1 作简谐运动的系统的总能量等于其动能与势能之和。
    • 相关方程: $E_{\text{total}} = U + K$
  • 7.4.A.2 根据能量守恒定律,作简谐运动的系统的总能量保持不变。
  • 7.4.A.3 当系统的势能达到最小值时,作简谐运动的系统的动能达到最大值。
  • 7.4.A.4 当系统的动能达到最小值时,作简谐运动的系统的势能达到最大值。
    • 7.4.A.4.i 作简谐运动的系统的最小动能为零。
    • 7.4.A.4.ii 改变作简谐运动的系统的振幅将改变系统的最大势能,进而改变系统的总能量。
      • 弹簧-物体系统的相关方程: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The total energy of the oscillator is the sum $E=U+K$, and with no friction it is constant – energy just trades back and forth between the spring's potential energy and the mass's kinetic energy:

$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2.$$

All potential at the ends (where $K=0$), all kinetic at equilibrium (where $U$ is minimum). Because $E\propto A^2$, doubling the amplitude quadruples the energy.

Kinetic and potential energy swap over a cycle while the total energy stays constant
Kinetic and potential energy swap over a cycle while the total energy stays constant

Worked example. Where is the energy split evenly? Set $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$, so $x=A/\sqrt2\approx0.71A$ – much closer to the end than to the middle. For the system above ($A=0.10\ \text{m}$): $x=0.071\ \text{m}$.

Left alone, a system oscillates at its own natural frequency 固有频率 (set by $k$ and $m$: $f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}$). With weak damping, a periodic driving force near this frequency can produce a large amplitude – resonance 共振. Well-timed pushes add energy to the motion, while damping removes it. The precise peak frequency depends on damping; for weak damping it is close to $f_0$ (as when pumping a swing in time).

探索

在简谐运动中交换动能和势能

在简谐运动中,能量在动能(中心处最快)和势能(极端位置最大)之间来回转换,而总能量保持不变。

词汇 训练
English 中文 拼音
natural frequency/ˈnætʃərəl ˈfriːkwənsi/ 固有频率 gù yǒu pín lǜ
resonance/ˈrezənəns/ 共振 gòng zhèn
7.5

单摆与物理摆

教学大纲

学习目标 7.5.A: 描述物理单摆的特性。

  • 7.5.A.1 物理单摆是一个绕固定轴进行振荡的刚体。
  • 7.5.A.2 在小振幅运动下,物理单摆的周期是通过应用牛顿第二定律的转动形式推导得出的。
    • 相关公式: $T_{\text{phys}} = 2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}$
    • 7.5.A.2.i 当偏离平衡位置时,作用在物理单摆质心上的重力提供了恢复力矩。
      • 导出公式: $\tau = -mgd\sin\theta$
    • 7.5.A.2.ii 对于小振幅运动,可以对恢复力矩应用小角度近似。
      • 导出公式: $\sin\theta \approx \theta$
      • $\tau = -mgd\theta = I\alpha$
    • 7.5.A.2.iii 小角度近似和牛顿第二定律的转动形式导出了一个描述简谐运动(SHM)的二阶微分方程:
      • 公式: $\dfrac{d^2\theta}{dt^2} = -\omega^2\theta$
  • 7.5.A.3 简单单摆是物理单摆的一种特殊情况,其中悬挂物体可被建模为距离支点 $l$ 处的一个质点。
    • 相关公式: $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$
  • 7.5.A.4 扭摆是一种简谐运动的情况,其恢复力矩与旋转系统的角位移成正比。例如,一个水平圆盘通过连接在其质心的细线悬挂,可能在水平面内绕细线进行旋转振荡。
    • 导出公式: $I\alpha = -k\Delta\theta$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Energy conservation: KE ⇄ PE

A physical pendulum 物理摆 is any rigid body swinging about a fixed pivot. Displace it by an angle $\theta$ and gravity, acting at the center of mass a distance $d$ from the pivot, supplies a restoring torque

$$\tau=-mgd\sin\theta.$$

For small angles, apply the small-angle approximation 小角度近似 $\sin\theta\approx\theta$ and Newton's second law in rotational form ($\tau=I\alpha$):

$$\frac{d^2\theta}{dt^2}=-\frac{mgd}{I}\,\theta=-\omega^2\theta\quad\Rightarrow\quad T_{\text{phys}}=2\pi\sqrt{\frac{I}{mgd}}.$$

This is the same "$\ddot\theta=-\omega^2\theta$" pattern as before – recognising it is the derivation. A simple pendulum 单摆 is the special case of a point mass on a light string: $I=m\ell^2$ and $d=\ell$ give $T=2\pi\sqrt{\ell/g}$.

Gravity acting at the center of mass provides a physical pendulum's restoring torque
Gravity acting at the center of mass provides a physical pendulum's restoring torque

Worked example. A uniform rod (mass $M$, length $L$) swings from one end: $I=\tfrac13ML^2$, $d=\tfrac{L}{2}$, so

$$T=2\pi\sqrt{\frac{\tfrac13ML^2}{Mg\,\tfrac{L}{2}}}=2\pi\sqrt{\frac{2L}{3g}}$$

– shorter than a simple pendulum of length $L$, because the rod's mass sits nearer the pivot.

A torsion pendulum 扭摆 – a disk hanging from a wire that twists – is SHM one more time: the wire's restoring torque is proportional to the twist angle, $I\alpha=-\kappa\,\Delta\theta$, giving $T=2\pi\sqrt{I/\kappa}$.

Exam skill. Every pendulum FRQ wants the same three steps: write the restoring torque about the pivot, apply the small-angle approximation, and match the result to $\ddot\theta=-\omega^2\theta$ to read off $\omega$. State the small-angle step explicitly – it is a scored point, and it is why large-amplitude swings are not simple harmonic.

A large Foucault pendulum swinging over a marked floor
A Foucault pendulum: a long, heavy pendulum whose slow swing reveals the Earth turning beneath it
探索

简单单摆与物理单摆

改变长度和重力,观察单摆周期的响应——振幅几乎无关紧要。

词汇 训练
English 中文 拼音
physical pendulum/ˈfɪzɪkl ˈpendjʊləm/ 物理摆 wù lǐ bǎi
small-angle approximation/smɔːl ˈæŋɡl əˌprɒksɪˈmeɪʃn/ 小角度近似 xiǎo jiǎo dù jìn sì
simple pendulum/ˈsɪmpl ˈpendjʊləm/ 单摆 dān bǎi
torsion pendulum/ˈtɔːʃn ˈpendjʊləm/ 扭摆 niǔ bǎi
7.5

考试技巧

English
  • Identify SHM from a linear restoring force $F=-kx$, which gives $\tfrac{d^2x}{dt^2}=-\omega^2 x$ with $\omega=\sqrt{k/m}$.
  • Write the solution $x=A\cos(\omega t+\phi)$ and get $v,a$ by differentiating; period $T=\tfrac{2\pi}{\omega}$ is amplitude-independent.
  • Energy trades between $\tfrac12 kx^2$ and $\tfrac12 mv^2$, with total $\tfrac12 kA^2$.
  • For a pendulum, use the small-angle approximation $\sin\theta\approx\theta$ to reach SHM.
  • Match phase to the start: released from rest at maximum displacement uses cosine.

Common mistakes

  • Writing $\omega = f$. Angular frequency is $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$.
  • Saying a larger amplitude gives a longer period. For SHM the period depends only on $m$ and $k$ (or $L$ and $g$).
  • Using the full length of a physical pendulum for $d$. In $T = 2\pi\sqrt{I/(mgd)}$, $d$ is the distance from the pivot to the centre of mass.
  • Using $T = 2\pi\sqrt{L/g}$ at large angles. It relies on the small-angle approximation $\sin\theta \approx \theta$.
  • Starting from $\sin$ when the mass is released from rest at $x = A$. That start needs $x = A\cos(\omega t)$.

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

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