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機械振動|簡諧振動|彈簧振子

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機械振動的定義

機械振動是指物體或質點在其平衡位置附近所作有規律的往復性運動。

老式的鐘表,下面都有一個鐘擺,鐘擺的左右擺動,就是一種機械振動。另外,單擺也是一種典型的機械振動。

常用來描述機械振動的物理量是位移、速度、加速度、力、周期、頻率。

機械振動典型案例

高中物理選修3-4教材中主要討論了兩個機械振動的模型,其一是彈簧振子,其二是單擺。這兩種振動模式都屬于簡諧振動(簡諧振動定義在文章下方)。

下面分別對這兩種機械振動模式進行簡要介紹。

1.彈簧振子

彈簧振子是一個不考慮摩擦阻力,不考慮彈簧的質量,不考慮振子的大小和形狀的理想化的物理模型。

如下圖所示,不考慮小球與桌面的摩擦以及彈簧的質量,初始時刻小球在彈簧原長位置獲得一定速度,則小球會在彈簧彈力的作用下,以O點為中心往復運動。這就是彈簧振子模型。

彈簧振子

2.單擺

單擺是一種理想的物理模型,它由理想化的擺球和擺線組成。

如下圖所示,不計擺線的伸縮和空氣摩擦,當把小球拉離到某一位置(擺線與豎直方向夾角為θ,要求θ小于5°),則小球會周而復始的做往復運動。這就是單擺模型。

單擺的周期與擺線長度和當地重力加速度有關,我們可以利用單擺來測定當地重力加速度

重力加速度

機械振動分類

從高中物理考題來看,機械振動分類可分為:簡諧振動與非簡諧振動。

簡諧振動指的是滿足,物體所受的力跟位移成正比,并且力總是指向平衡位置。我們把物體所受到的力稱之為回復力。

如果用F表示物體受到的回復力,用x表示小球對于平衡位置的位移,根據胡克定律,F和x成正比,它們之間的關系可用下式來表示:

F=-kx;

請注意,這里的負號指的是方向,因為回復力的方向,總是與物體運動的位移方向相反。

簡諧振動是一種沒有能量損失的振動模式,在沒有外界干擾下,將永遠運動下去。

非簡諧振動也可稱之為阻尼振動,指的是由外在阻力作用,這種機械振動模式早晚會停下來。

簡諧振動

簡諧振動指的是滿足,物體所受的力跟位移成正比(F=-kx),并且力總是指向平衡位置。

我們把物體所受到的力稱之為回復力,回復力的方向與位移總是相反的;回復力的效果,是讓物體回到平衡位置去。

機械振動的能量

機械振動的能量與振幅相關,振幅越大,機械振動的能量就越大。

機械波的由來

機械振動在介質中的傳播,叫做機械波。具體機械波的介紹,請看這篇文章

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