内容发布更新时间 : 2024/5/21 20:21:35星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第六章 机械振动和机械波

一、简谐运动的基本概念 1.定义

物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫简谐运动。表达式为：F= -kx

⑴简谐运动的位移必须是指偏离平衡位置的位移。也就是说，在研究简谐运动时所说的位移的起点都必须在平衡位置处。

⑵回复力是一种效果力。是振动物体在沿振动方向上所受的合力。 ⑶“平衡位置”不等于“平衡状态”。平衡位置是指回复力为零的位置，物体在该位置所受的合外力不一定为零。（如单摆摆到最低点时，沿振动方向的合力为零，但在指向悬点方向上的合力却不等于零，所以并不处于平衡状态）

⑷F=-kx是判断一个振动是不是简谐运动的充分必要条件。凡是简谐运动沿振动方向的合力必须满足该条件；反之，只要沿振动方向的合力满足该条件，那么该振动一定是简谐运动。 2.几个重要的物理量间的关系

要熟练掌握做简谐运动的物体在某一时刻（或某一位置）的位移x、回复力F、加速度a、速度v这四个矢量的相互关系。

⑴由定义知：F∝x，方向相反。

⑵由牛顿第二定律知：F∝a，方向相同。 ⑶由以上两条可知：a∝x，方向相反。

⑷v和x、F、a之间的关系最复杂：当v、a同向（即 v、 F同向，也就是v、x反向）时v一定增大；当v、a反向（即 v、 F反向，也就是v、x同向）时，v一定减小。 3.从总体上描述简谐运动的物理量

振动的最大特点是往复性或者说是周期性。因此振动物体在空间的运动有一定的范围，用振幅A来描述；在时间上则用周期T来描述完成一次全振动所须的时间。

⑴振幅A是描述振动强弱的物理量。（一定要将振幅跟位移相区别，在简谐运动的振动过程中，振幅是不变的而位移是时刻在改变的）

⑵周期T是描述振动快慢的物理量。（频率f=1/T 也是描述振动快慢的物理量）周期由振动系统本身的因素决定，叫固有周期。任何简谐振动都有共同的周期公式：T?2?m（其

k中m是振动物体的质量，k是回复力系数，即简谐运动的判定式F= -kx中的比例系数，对于弹簧振子k就是弹簧的劲度，对其它简谐运动它就不再是弹簧的劲度了）。 二、典型的简谐运动 1.弹簧振子

⑴周期T?2?m，与振幅无关，只由振子质量和弹簧的劲度决定。

k⑵可以证明，竖直放置的弹簧振子的振动也是简谐运动，周期公式也是T?2?m。这个

k结论可以直接使用。

⑶在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力；在竖直方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。

例1. 如图所示，质量为m的小球放在劲度为k的轻弹簧上，使小球上下振动而又始终未脱离弹簧。⑴最大振幅A是多大？⑵在这个振幅下弹簧对小球的最大弹力Fm是多大？

解：该振动的回复力是弹簧弹力和重力的合力。在平衡位置弹力和重力等大反向，

合力为零；在平衡位置以下，弹力大于重力，F- mg=ma，越往下弹力越大；在平衡位置以上，弹力小于重力，mg-F=ma，越往上弹力越小。平衡位置和振动的振幅大小无关。因此振幅越大，在最高点处小球所受的弹力越小。极端情况是在最高点处小球刚好未离开弹簧，弹力为零，合力就是重力。这时弹簧恰好为原长。

mg⑴最大振幅应满足kA=mg, A=

k⑵小球在最高点和最低点所受回复力大小相同，所以有：Fm-mg=mg，Fm=2mg 2.单摆。

⑴单摆振动的回复力是重力的切向分力，不能说成是重力和拉力的合力。在平衡位置振子所受回复力是零，但合力是向心力，指向悬点，不为零。

⑵当单摆的摆角很小时（小于5°）时，单摆的周期T?2?l，与摆球质量m、振幅A

g都无关。其中l为摆长，表示从悬点到摆球质心的距离，要区分摆长和摆线长。

⑶小球在光滑圆弧上的往复滚动，和单摆完全等同。只要摆角足够小，这个振动就是简谐运动。这时周期公式中的l应该是圆弧半径R和小球半径r的差。

⑷摆钟问题。单摆的一个重要应用就是利用单摆振动的等时性制成摆钟。

在计算摆钟类的问题时，利用以下方法比较简单：在一定时间内，摆钟走过的格子数n与频率f成正比（n可以是分钟数，也可以是秒数、小时数……），再由频率公式可以得到：

n?f?12?g1 ?ll例2. 已知单摆摆长为L，悬点正下方3L/4处有一个钉子。让摆球做小角度摆动，

其周期将是多大？

解：该摆在通过悬点的竖直线两边的运动都可以看作简谐运动，周期分别为

T1?2?l和

T2??gl，因此该摆的周期为 ：TT3?T?1?2?g222l

g例3. 固定圆弧轨道弧AB所含度数小于5°，末端切线水平。两个相同的小球a、b分别从轨道的顶端和正中由静止开始下滑，比较它

B 们到达轨道底端所用的时间和动能：ta＿＿tb，Ea＿＿2Eb。

F/N 解：两小球的运动都可看作简谐运动的一部分，时间都等于2.1 2.0 四分之一周期，而周期与振幅无关，所以ta= tb；从图中可以

1.9 看出b小球的下落高度小于a小球下落高度的一半，所以

1.8 Ea>2Eb。

1.7 例4. 将一个力电传感器接到计算机上，可以测量快速变化的

1.6 力。用这种方法测得的某单摆摆动过程中悬线上拉力大小随1.5 时间变化的曲线如右图所示。由此图线提供的信息做出下列1.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 判断：①t＝0.2s时刻摆球正经过最低点；②t＝1.1s时摆球正

A t/s

处于最高点；③摆球摆动过程中机械能时而增大时而减小；④摆球摆动的周期约是T＝0.6s。上述判断中正确的是

A.①③ B.②④ C.①② D.③④

解：注意这是悬线上的拉力图象，而不是振动图象。当摆球到达最高点时，悬线上的拉力最小；当摆球到达最低点时，悬线上的拉力最大。因此①②正确。从图象中看出摆球到达最低点时的拉力一次比一次小，说明速率一次比一次小，反映出振动过程摆球一定受到阻力作用，因此机械能应该一直减小。在一个周期内，摆球应该经过两次最高点，两次最低点，因此周期应该约是T＝1.2s。因此答案③④错误。本题应选C。 三、受迫振动与共振 1.受迫振动

物体在驱动力（既周期性外力）作用下的振动叫受迫振动。

⑴物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有频率无关。

⑵物体做受迫振动的振幅由驱动力频率和物体的固有频率共同决定：两者越接近，受迫振动的振幅越大，两者相差越大受迫振动的振幅越小。 2.共振

当驱动力的频率跟物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。 要求会用共振解释现象，知道什么情况下要利用共振，什么情况下要防止共振。

⑴利用共振的有：共振筛、转速计、微波炉、打夯机、跳板跳水、打秋千…… ⑵防止共振的有：机床底座、航海、军队过桥、高层建筑、火车车厢……

例5. 把一个筛子用四根弹簧支起来，筛子上装一个电动偏心轮，它每转一周，给筛子一个驱动力，这就做成了一个共振筛。不开电动机让这个筛子自由振动时，完成20次全振动用15s；在某电压下，电动偏心轮的转速是88r/min。已知增大电动偏心轮的电压可以使其转速提高，而增加筛子的总质量可以增大筛子的固有周期。为使共振筛的振幅增大，以下做法正确的是

A.降低输入电压 B.提高输入电压 C.增加筛子质量 D.减小筛子质量

解：筛子的固有频率为f固=4/3Hz，而当时的驱动力频率为f驱=88/60Hz，即f固< f驱。为了达到振幅增大，应该减小这两个频率差，所以应该增大固有频率或减小驱动力频率。本题应选AD。

四、机械波 1.分类

机械波可分为横波和纵波两种。

⑴质点振动方向和波的传播方向垂直的叫横波，如：绳上波、水面波等。

⑵质点振动方向和波的传播方向平行的叫纵波，如：弹簧上的疏密波、声波等。 2.机械波的传播

⑴在同一种均匀介质中机械波的传播是匀速的。波速、波长和频率之间满足公式：v=λ?f。 ⑵介质质点的运动是在各自的平衡位置附近的简谐运动，是变加速运动，介质质点并不随波迁移。

⑶机械波转播的是振动形式、能量和信息。

⑷机械波的频率由波源决定，而传播速度由介质决定。 3.机械波的反射、折射、干涉、衍射