高中物理竞赛——振动和波基本知识

高中物理竞赛——振动和波基本知识《振动和波》的竞赛考纲和高考要求有很大的不同，必须做一些相对详细的补充。一、简谐运动1、简谐运动定义：F=－kx①凡是所受合力和位移满足①式的质点，均可称之为谐振子，如弹簧振子、小角度单摆等。谐振子的加速度：a=－mkx2、简谐运动的方程回避高等数学工具，我们可以将简谐运动看成匀速圆周运动在某一条直线上的投影运动（以下均看在x方向的投影），圆周运动的半径即为简谐运动的振幅A。依据：Fx=－mω2Acosθ=－mω2x对于一个给定的匀速圆周运动，m、ω是恒定不变的，可以令：mω2=k这样，以上两式就符合了简谐运动的定义式①。所以，x方向的位移、速度、加速度就是简谐运动的相关规律。从图1不难得出——位移方程：x=Acos(ωt+φ)②速度方程：v=－ωAsin(ωt+φ)③加速度方程：a=－ω2Acos(ωt+φ)④相关名词：(ωt+φ)称相位，φ称初相。运动学参量的相互关系：a=－ω2xA=2020)v(xtgφ=－00xv3、简谐运动的合成a、同方向、同频率振动合成。两个振动x1=A1cos(ωt+φ1)和x2=A2cos(ωt+φ2)合成，可令合振动x=Acos(ωt+φ)，由于x=x1+x2，解得A=)cos(AA2AA12212221，φ=arctg22112211cosAcosAsinAsinA显然，当φ2－φ1=2kπ时（k=0，±1，±2，…），合振幅A最大，当φ2－φ1=（2k+1）π时（k=0，±1，±2，…），合振幅最小。b、方向垂直、同频率振动合成。当质点同时参与两个垂直的振动x=A1cos(ωt+φ1)和y=A2cos(ωt+φ2)时，这两个振动方程事实上已经构成了质点在二维空间运动的轨迹参数方程，消去参数t后，得一般形式的轨迹方程为212Ax+222Ay－221AAxycos(φ2－φ1)=sin2(φ2－φ1)显然，当φ2－φ1=2kπ时（k=0，±1，±2，…），有y=12AAx，轨迹为直线，合运动仍为简谐运动；当φ2－φ1=（2k+1）π时（k=0，±1，±2，…），有212Ax+222Ay=1，轨迹为椭圆，合运动不再是简谐运动；当φ2－φ1取其它值，轨迹将更为复杂，称“李萨如图形”，不是简谐运动。c、同方向、同振幅、频率相近的振动合成。令x1=Acos(ω1t+φ)和x2=Acos(ω2t+φ)，由于合运动x=x1+x2，得：x=（2Acos212t）cos（212t+φ）。合运动是振动，但不是简谐运动，称为角频率为212的“拍”现象。4、简谐运动的周期由②式得：ω=mk，而圆周运动的角速度和简谐运动的角频率是一致的，所以T=2πkm⑤5、简谐运动的能量一个做简谐运动的振子的能量由动能和势能构成，即E=21mv2+21kx2=21kA2注意：振子的势能是由（回复力系数）k和（相对平衡位置位移）x决定的一个抽象的概念，而不是具体地指重力势能或弹性势能。当我们计量了振子的抽象势能后，其它的具体势能不能再做重复计量。6、阻尼振动、受迫振动和共振和高考要求基本相同。二、机械波1、波的产生和传播产生的过程和条件；传播的性质，相关参量（决定参量的物理因素）2、机械波的描述a、波动图象。和振动图象的联系b、波动方程如果一列简谐波沿x方向传播，振源的振动方程为y=Acos（ωt+φ），波的传播速度为v，那么在离振源x处一个振动质点的振动方程便是y=Acos〔ωt+φ-x·2π〕=Acos〔ω（t-vx）+φ〕这个方程展示的是一个复变函数。对任意一个时刻t，都有一个y（x）的正弦函数，在x-y坐标下可以描绘出一个瞬时波形。所以，称y=Acos〔ω（t-vx）+φ〕为波动方程。3、波的干涉a、波的叠加。几列波在同一介质种传播时，能独立的维持它们的各自形态传播，在相遇的区域则遵从矢量叠加（包括位移、速度和加速度的叠加）。b、波的干涉。两列波频率相同、相位差恒定时，在同一介质中的叠加将形成一种特殊形态：振动加强的区域和振动削弱的区域稳定分布且彼此隔开。我们可以用波程差的方法来讨论干涉的定量规律。如图2所示，我们用S1和S2表示两个波源，P表示空间任意一点。当振源的振动方向相同时，令振源S1的振动方程为y1=A1cosωt，振源S1的振动方程为y2=A2cosωt，则在空间P点（距S1为r1，距S2为r2），两振源引起的分振动分别是y1′=A1cos〔ω（t−vr1）〕y2′=A2cos〔ω（t−vr2）〕P点便出现两个频率相同、初相不同的振动叠加问题（φ1=vr1，φ2=vr2），且初相差Δφ=v（r2–r1）。根据前面已经做过的讨论，有r2−r1=kλ时（k=0，±1，±2，…），P点振动加强，振幅为A1+A2；r2−r1=（2k−1）2时（k=0，±1，±2，…），P点振动削弱，振幅为│A1－A2│。4、波的反射、折射和衍射知识点和高考要求相同。5、多普勒效应当波源或者接受者相对与波的传播介质运动时，接收者会发现波的频率发生变化。多普勒效应的定量讨论可以分为以下三种情况（在讨论中注意：波源的发波频率f和波相对介质的传播速度v是恒定不变的）——a、只有接收者相对介质运动（如图3所示）设接收者以速度v1正对静止的波源运动。如果接收者静止在A点，他单位时间接收的波的个数为f，当他迎着波源运动时，设其在单位时间到达B点，则AB=v1，、在从A运动到B的过程中，接收者事实上“提前”多接收到了n个波n=AB=f/vv1=vfv1显然，在单位时间内，接收者接收到的总的波的数目为：f+n=vvv1f，这就是接收者发现的频率f1。即f1=vvv1f显然，如果v1背离波源运动，只要将上式中的v1代入负值即可。如果v1的方向不是正对S，只要将v1出正对的分量即可。b、只有波源相对介质运动（如图4所示）设波源以速度v2正对静止的接收者运动。如果波源S不动，在单位时间内，接收者在A点应接收f个波，故S到A的距离：SA=fλ在单位时间内，S运动至S′，即SS=v2。由于波源的运动，事实造成了S到A的f个波被压缩在了S′到A的空间里，波长将变短，新的波长λ′=fAS=fSSSA=fvf2=fvv2而每个波在介质中的传播速度仍为v，故“被压缩”的波（A接收到的波）的频率变为f2=v=2vvvf当v2背离接收者，或有一定夹角的讨论，类似a情形。c、当接收者和波源均相对传播介质运动当接收者正对波源以速度v1（相对介质速度）运动，波源也正对接收者以速度v2（相对介质速度）运动，我们的讨论可以在b情形的过程上延续…f3=vvv1f2=21vvvvf关于速度方向改变的问题，讨论类似a情形。6、声波a、乐音和噪音b、声音的三要素：音调、响度和音品c、声音的共鸣