高中奥林匹克物理竞赛专题讲座第5部分_振动和波

第五部分振动和波第一讲基本知识介绍一、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)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、声音的共鸣第二讲重要模型与专题一、简谐运动的证明与周期计算物理情形：如图5所示，将一粗细均匀、两边开口的U型管固定，其中装有一定量的水银，汞柱总长为L。当水银受到一个初始的扰动后，开始在管中振动。忽略管壁对汞的阻力，试证明汞柱做简谐运动，并求其周期。模型分析：对简谐运动的证明，只要以汞柱为对象，看它的回复力与位移关系是否满足定义式①，值得注意的是，回复力F系指振动方向上的合力（而非整体合力）。当简谐运动被证明后，回复力系数k就有了，求周期就是顺理成章的事。本题中，可设汞柱两端偏离平衡位置的瞬时位移为x、水银密度为ρ、U型管横截面积为S，则次瞬时的回复力ΣF=ρg2xS=Lmg2x。由于L、m为固定值，可令：Lmg2=k，而且ΣF与x的方向相反，故汞柱做简谐运动。周期T=2πkm=2πg2L。答：汞柱的周期为2πg2L。学生活动：如图6所示，两个相同的柱形滚轮平行、登高、水平放置，绕各自的轴线等角速、反方向地转动，在滚轮上覆盖一块均质的木板。已知两滚轮轴线的距离为L、滚轮与木板之间的动摩擦因素为μ、木板的质量为m，且木板放置时，重心不在两滚轮的正中央。试证明木板做简谐运动，并求木板运动的周期。思路提示：找平衡位置（木板重心在两滚轮中央处）→力矩平衡和ΣF6=0结合求两处弹力→求摩擦力合力…答案：木板运动周期为2πg2L。巩固应用：如图7所示，三根长度均为L=2.00m地质量均匀直杆，构成一正三角形框架ABC，C点悬挂在一光滑水平轴上，整个框架可绕转轴转动。杆AB是一导轨，一电动松鼠可在导轨上运动。现观察到松鼠正在导轨上运动，而框架却静止不动，试讨论松鼠的运动是一种什么样的运动。解说：由于框架静止不动，松鼠在竖直方向必平衡，即：松鼠所受框架支持力等于松鼠重力。设松鼠的质量为m即：N=mg①再回到框架，其静止平衡必满足框架所受合力矩为零。以C点为转轴，形成力矩的只有松鼠的压力N、和松鼠可能加速的静摩擦力f，它们合力矩为零，即：MN=Mf现考查松鼠在框架上的某个一般位置（如图7，设它在导轨方向上距C点为x），上式即成：N·x=f·Lsin60°②解①②两式可得：f=L3mg2x，且f的方向水平向左。根据牛顿第三定律，这个力就是松鼠在导轨方向上的合力。如果我们以C在导轨上的投影点为参考点，x就是松鼠的瞬时位移。再考虑到合力与位移的方向因素，松鼠的合力与位移满足关系——F=－kx其中k=L3mg2，对于这个系统而言，k是固定不变的。显然这就是简谐运动的定义式。答案：松鼠做简谐运动。评说：这是第十三届物理奥赛预赛试题，问法比较模糊。如果理解为定性求解，以上答案已经足够。但考虑到原题中还是有定量的条件，所以做进一步的定量运算也是有必要的。譬如，我们可以求出松鼠的运动周期为：T=2πkm=2πg2L3=2.64s。二、典型的简谐运动1、弹簧振子物理情形：如图8所示，用弹性系数为k的轻质弹簧连着一个质量为m的小球，置于倾角为θ的光滑斜面上。证明：小球在弹簧方向的振动为简谐运动，并求其周期T。学生自己证明…。周期T=2πkm模型分析：这个结论表明，弹簧振子完全可以突破放置的方向而伸展为一个广义的概念，且伸展后不会改变运动的实质。其次，我们还可以这样拓展：把上面的下滑力换程任何一个恒力（如电场力），它的运动性质仍然不会改变。当然，这里的运动性质不变并不是所有运动参量均不改变。譬如，振子的平衡位置、振动方程还是会改变的。下面我们看另一类型的拓展——物理情形：如图9所示，两根相同的弹性系数分别为k1和k2的轻质弹簧，连接一个质量为m的滑块，可以在光滑的水平面上滑动。试求这个系统的振动周期T。解说：这里涉及的是弹簧的串、并联知识综合。根据弹性系数的定义，不难推导出几个弹性系数分别为k1、k2、…、kn的弹簧串、并联后的弹性系数定式（设新弹簧系统的弹性系数为k）——串联：k1=n1iik1，并联：k=n1iik在图9所示的情形中，同学们不难得出：T=2π2121kk)kk(m当情形变成图10时，会不会和图9一样呢？详细分析形变量和受力的关系，我们会发现，事实上，这时已经变成了弹簧的并联。答案：T=2π21kkm。思考：如果两个弹簧通过一个动滑轮（不计质量）再与质量为m的钩码相连，如图11所示，钩码在竖直方向上的振动周期又是多少？解：这是一个极容易出错的变换——因为图形的外表形状很象“并联”。但经过仔细分析后，会发现，动滑轮在这个物理情形中起到了重要的作用——致使这个变换的结果既不是串联、也不是并联。★而且，我们前面已经证明过，重力的存在并不会改变弹簧振子的振动方程，所以为了方便起见，这里（包括后面一个“在思考”题）的受力分析没有考虑重力。具体分析如下：设右边弹簧的形变量为x2、滑轮（相对弹簧自由长度时）的位移为x、钩子上的拉力为F，则k1x1=k2x2，x=2xx21，F=2k2x2解以上三式，得到：F=2121kkkk4x，也就是说，弹簧系统新的弹性系数k=2121kkkk4。答：T=π2121kk)kk(m。再思考：如果两弹簧和钩码通过轻杆和转轴，连成了图12所示的系统，已知k1、k2、m、a、b，再求钩码的振动周期T。思路提示：探讨钩码位移和回复力关系，和“思考”题类似。（过程备考：设右弹簧伸长x2，则中间弹簧伸长x1=12akbkx2钩码的位移量x=x1+