| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
7.1.A |
|
振动
AP 物理 C:力学 · 第 7 主题
7.1
简谐运动的定义
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
简谐运动(simple harmonic motion)(SHM)是周期运动(periodic motion)的一个特殊情况。它每当两件事为真时出现:有一个合力为零的平衡位置(equilibrium)位置,而移开物体产生一个回复力(restoring force)——一个指回向平衡的力——它的大小与位移成比例:
牛顿第二定律然后给出定义性的微分方程(differential equation):
它的解是正弦的,$x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$。你不需要证明这个解——你需要认出这个方程:任何运动遵循"$\ddot{x}=-\omega^2x$"的系统都是一个简谐振子,无论它由什么制成。(一个挂在一个竖直弹簧上的质量以相同的方式工作:重力只移动平衡点;绕它的振动不变。)

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Simple harmonic motion | 简谐运动 | jiǎn xié yùn dòng |
| periodic motion | 周期运动 | zhōu qī yùn dòng |
| equilibrium | 平衡位置 | píng héng wèi zhì |
| restoring force | 回复力 | huí fù lì |
| differential equation | 微分方程 | wēi fēn fāng chéng |
| period | 周期 | zhōu qī |
7.2
简谐运动的频率与周期
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
7.2.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
角频率(angular frequency)$\omega$ 设定周期(period)和频率(frequency):
对于两个标准系统:
两个经典的概念陷阱:SHM 的周期从不取决于振幅(amplitude),而每个系统忽略一个明显的变量——摆的周期不涉及它的质量,而弹簧的周期不涉及 $g$(一个弹簧-木块振子在轨道里保持完美的时间;一个摆钟不)。
Time a pendulum's swing
A pendulum's period depends on its length and gravity, not its mass or (small) amplitude: $T=2\pi\sqrt{L/g}$. Lengthen it and each swing takes longer.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| angular frequency | 角频率 | jiǎo pín lǜ |
| frequency | 频率 | pín lǜ |
| amplitude | 振幅 | zhèn fú |
7.3
简谐运动的表示与分析
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
7.3.A |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to know the solution to the second-order differential equation that describes SHM, as well as be able to identify SHM. AP Physics C: Mechanics does not expect students to mathematically prove that the solution is correct. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
把 $x(t)=A\cos(\omega t+\phi)$ 求导两次:
所以在摆动的两端($x=\pm A$)速率是零而加速度最大;通过平衡($x=0$)加速度是零而速率最大,$v_{\max}=A\omega$。振幅 $A$ 和相位常数(phase constant)$\phi$ 来自初始条件:物体从哪里开始以及它移动多快。消去 $t$(或用能量,下面)给出速率作为位置的一个函数:

Worked example. 一个 $k=200\ \text{N/m}$ 弹簧上的 $0.50\ \text{kg}$ 质量:$\omega=\sqrt{k/m}=20\ \text{rad/s}$、$T=2\pi/\omega=0.31\ \text{s}$。以 $A=0.10\ \text{m}$:在平衡 $v_{\max}=A\omega=2.0\ \text{m/s}$,而在 $x=0.050\ \text{m}$ 速率是 $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}=20\sqrt{0.10^2-0.050^2}=1.7\ \text{m/s}$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| phase constant | 相位常数 | xiàng wèi cháng shù |
7.4
简谐振子的能量
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
7.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
振子的总能量是和 $E=U+K$,而没有摩擦它恒定——能量只是在弹簧的势能和质量的动能之间来回交换:
在两端全是势能(那里 $K=0$),在平衡全是动能(那里 $U$ 最小)。因为 $E\propto A^2$,把振幅加倍使能量变为四倍。

Worked example. 能量在哪里均匀分割?令 $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$,所以 $x=A/\sqrt2\approx0.71A$ ——比到中间更接近端。对于上面的系统($A=0.10\ \text{m}$):$x=0.071\ \text{m}$。
不受打扰时,一个系统以它自己的固有频率(natural frequency)振荡(由 $k$ 和 $m$ 决定:$f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}$)。用一个周期性的力在那个相同频率驱动它,振幅急剧增大——共振(resonance)。每一次恰好定时的推动加入能量的速度快于阻尼移除的速度,所以当驱动频率匹配 $f_0$ 时驱动振幅尖锐地达到峰值(荡秋千按节奏推、桥被风摇晃)。
Trade kinetic and potential energy in SHM
In simple harmonic motion, energy sloshes between kinetic (fastest at the centre) and potential (greatest at the extremes) while the total stays constant.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| natural frequency | 固有频率 | gù yǒu pín lǜ |
| resonance | 共振 | gòng zhèn |
7.5
单摆与物理摆
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
7.5.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个物理摆(physical pendulum)是任何绕一个固定枢轴摆动的刚体。把它移开一个角 $\theta$,而重力,作用在距枢轴一个距离 $d$ 的质心处,供应一个回复力矩
对于小角度,应用小角度近似(small-angle approximation)$\sin\theta\approx\theta$ 和旋转形式的牛顿第二定律($\tau=I\alpha$):
这是与之前相同的"$\ddot\theta=-\omega^2\theta$"模式——认出它就是这个推导。一个单摆(simple pendulum)是一个轻绳上的点质量的特殊情况:$I=m\ell^2$ 和 $d=\ell$ 给出 $T=2\pi\sqrt{\ell/g}$。

Worked example. 一根均匀的杆(质量 $M$、长度 $L$)从一端摆动:$I=\tfrac13ML^2$、$d=\tfrac{L}{2}$,所以
——比一个长度 $L$ 的单摆更短,因为杆的质量坐得离枢轴更近。
一个扭摆(torsion pendulum)——一个从一根扭转的金属丝悬挂的圆盘——又是 SHM 一次:金属丝的回复力矩与扭转角成比例,$I\alpha=-\kappa\,\Delta\theta$,给出 $T=2\pi\sqrt{I/\kappa}$。
Exam skill. 每个摆 FRQ 想要相同的三个步骤:写绕枢轴的回复力矩、应用小角度近似,并把结果匹配到 $\ddot\theta=-\omega^2\theta$ 以读出 $\omega$。明确地陈述小角度步骤——它是一个评分点,而它是为什么大振幅摆动不是简谐的。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| physical pendulum | 物理摆 | wù lǐ bǎi |
| small-angle approximation | 小角度近似 | xiǎo jiǎo dù jìn sì |
| simple pendulum | 单摆 | dān bǎi |
| torsion pendulum | 扭摆 | niǔ bǎi |
7.5
考试技巧
- 从一个线性回复力 $F=-kx$ 辨别 SHM,它给出 $\tfrac{d^2x}{dt^2}=-\omega^2 x$,$\omega=\sqrt{k/m}$。
- 写解 $x=A\cos(\omega t+\phi)$ 并通过求导得到 $v,a$;周期 $T=\tfrac{2\pi}{\omega}$ 与振幅无关。
- 能量在 $\tfrac12 kx^2$ 和 $\tfrac12 mv^2$ 之间交换,总量 $\tfrac12 kA^2$。
- 对于一个摆,用小角度近似 $\sin\theta\approx\theta$ 达到 SHM。
- 把相位匹配到起点:从最大位移静止释放用余弦。
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