x = A cos ( ω t + φ 0 ) x=A\cos(\omega t+\varphi_0) x=Acos(ωt+φ0)
离开平衡位置的最大位移的绝对值
简谐运动的主要运动特征周期性。
(弹簧振子的)固有频率:
ω = k m \omega=\sqrt{\frac{k}{m}} ω=mk
这是微分方程解的直接结果。可以看出这个值仅有弹簧振子的系统决定。
很本质的特征
重要概念:
超前和落后的判别:
两个相位相差小于 2 π 2\pi 2π的波,其中被减的波称为超前波,超前的量决定于它们的相位差。这个图像在旋转矢量图中很容易看出
位移和加速度关系的运动方程可以利用牛二:
d 2 x d t 2 = − k m x \frac{\mathrm d^2x}{\mathrm dt^2}=-\frac{k}{m}x dt2d2x=−mkx
解这个微分方程,可以设方程的通解为 C 1 cos ω x + C 2 sin ω x C_1\cos\omega x+C_2\sin\omega x C1cosωx+C2sinωx
利用辅助角公式,我们可以将其化成:
A cos ( ω t + φ 0 ) A\cos(\omega t+\varphi_0) Acos(ωt+φ0)
的形式。如果有初值条件(实际问题是往往具有的),从而位移的特征就唯一地确定下来。
简谐振动成立的条件就在于能量不耗散,从而机械能守恒。
对水平弹簧振子
1 2 m v 2 + 1 2 k x 2 = E \frac{1}{2}mv^2+\frac{1}{2}kx^2=E 21mv2+21kx2=E
求导,
m v d v d t + k x d x d t = 0 mv\frac{\mathrm dv}{\mathrm dt}+kx\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt}=0 mvdtdv+kxdtdx=0
代入 v = d x d t v=\frac{\mathrm d x}{\mathrm dt} v=dtdx,导出了运动方程。
这给我们指出了一条解决运动方程的好思路。
例题 利用能量法求解有重弹簧振子的周期。
对单摆,在摆动幅度极小时,近似认为 l = h , J = m l 2 l=h, J=ml^2 l=h,J=ml2 , sin θ ≈ θ ,\sin\theta\approx\theta ,sinθ≈θ
对运动方程:
− m g h sin θ = J d 2 θ d t 2 -mgh\sin\theta=\bm{J}\frac{\mathrm d^2\theta}{\mathrm dt^2} −mghsinθ=Jdt2d2θ
原式转化为:
d 2 θ d t 2 = − ω 2 θ \frac{\mathrm d^2\theta}{\mathrm dt^2}=-\omega^2\theta dt2d2θ=−ω2θ
矢量为我们提供了可以同时表示 A , ω , φ 0 A,\omega, \varphi_0 A,ω,φ0三个物理量的运算系统。
我们应该注意到,仅旋转矢量的 x x x轴投影即可以包含我们所需的所有信息。
由于圆中的弧度的几何关系特别明确且易用,所以这个方法主要用来求算相位差。
F f = − γ v = − γ d x d t F_f=-\gamma v=-\gamma\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt} Ff=−γv=−γdtdx
阻尼的情形:
解析法:和差化积(困难)
矢量的平行四边形法。结合余弦定理
A = A 1 2 + A 2 2 + 2 A 1 A 2 cos ( Δ φ ) A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos(\Delta\varphi)} A=A12+A22+2A1A2cos(Δφ)
于是我们可以很清楚的看到,这个振幅和相位差有关。而对向运动的两个波,在其间一个确定的位置上对两波的相位差是一定的。所以在移动麦克风的过程当中出现了波峰波谷
方法同两个求解类似。
振幅最大最小值不一定在同相、反相处取
这里研究一个特殊的情形:
即振幅相等的情形:
x = x 1 + x 2 = 2 A cos ( ω 1 − ω 2 2 ) t ⋅ cos ( ω 1 + ω 2 2 ) t x=x_1+x_2=2A\cos(\frac{\omega_1-\omega_2}{2})t\cdot\cos(\frac{\omega_1+\omega_2}{2})t x=x1+x2=2Acos(2ω1−ω2)t⋅cos(2ω1+ω2)t
整个图像是一个斜拉索桥的形状,第一个余弦导致桥拱的出现,第二个余弦导致拉索。
桥拱对应拍频,对应余弦的两倍频率。
ν = 2 ∣ ( ω 1 − ω 2 ) / 2 ∣ 2 π = ∣ ν 1 − ν 2 ∣ \nu=2\frac{|(\omega_1-\omega_2)/2|}{2\pi}=|\nu_1-\nu_2| ν=22π∣(ω1−ω2)/2∣=∣ν1−ν2∣
同频振动:总会画出椭圆或者退化的椭圆
非同频振动:整数周期利用李萨如图形判别频率之比
是相位的传播,波动中各个质点不随波前进
波面:振动相位相同的点联结成的面
波线:沿波的传播方向的直线
波前:某一时刻波传播到的最前面的波面
波长:统一波线上相位差为 2 π 2\pi 2π的相邻两点距离(空间尺度的周期)
周期:前进一个波长所需时间
波速:振动状态在媒质中的传播速度
u = λ T u=\frac{\lambda}{T} u=Tλ
波的频率 ν \nu ν与媒质性质无关,波速受媒质影响,拉紧的绳中横波波速 u t = T μ u_t=\sqrt{\frac{T}{\mu}} ut=μT,均匀细棒中纵波波速 u l = Y ρ u_l=\sqrt{\frac{Y}{\rho}} ul=ρY
波面为平面的简谐波
对于这个模型,为了研究空间中各点,只用研究和波面垂直的一条线上的波函数分布即可。
平面简谐波的波函数方程,利用波源振动方程,以及波程差,可以写作:
y ( x , t ) = A cos [ ω ( t − x u ) + φ 0 ] y(x,t)=A\cos\left[\omega\left(t-\frac{x}{u}\right)+\varphi_0\right] y(x,t)=Acos[ω(t−ux)+φ0]
分析知,给定 x x x后,方程退化成某个波面上点的振动方程。给定 t t t后,方程退化成 t t t时刻的波的位移分布图像。
step 0:取定基准点
step 1:求相位差
Δ φ = ω ⋅ Δ t = x − x 1 u \Delta\varphi=\omega\cdot\Delta t=\frac{x-x_1}{u} Δφ=ω⋅Δt=ux−x1
step 2:求相位
如果波正向传播,那么基准点相位落后。
反之超前。
φ 0 ± Δ φ \varphi_0\pm\Delta \varphi φ0±Δφ
step 3:写出波函数
分析知,仅相位变化。
y ( x , t ) = A cos ( φ 0 + Δ φ ) y(x,t)=A\cos(\varphi_0+\Delta \varphi) y(x,t)=Acos(φ0+Δφ)
将这个简谐波的二元函数。分别关于 x x x和 t t t求二阶偏导数,随后相除可以得到:
∂ 2 y ∂ x 2 = 1 u 2 ∂ 2 y ∂ t 2 \frac{\partial^2y}{\partial x^2}=\frac{1}{u^2}\frac{\partial^2y}{\partial t^2} ∂x2∂2y=u21∂t2∂2y
结合这个波动方程,设弦线张力 F F F,那么对弦线上任一点:
∑ F y = F ( tan θ ′ − tan θ ) = F ( ∂ y ∂ x ∣ x + d x − ∂ y ∂ x ∣ x ) \sum F_y=F(\tan\theta'-\tan\theta)=F\left(\frac{\partial y}{\partial x}\Big|_{x+\mathrm dx}-\frac{\partial y}{\partial x}\Big|_x\right) ∑Fy=F(tanθ′−tanθ)=F(∂x∂y∣∣∣x+dx−∂x∂y∣∣∣x)
∑ F y = F ( ∂ 2 y ∂ x 2 ) d x \sum F_y=F\left(\frac{\partial^2y}{\partial x^2}\right)\,\mathrm dx ∑Fy=F(∂x2∂2y)dx
结合牛二得:
F ( ∂ 2 y ∂ x 2 ) d x = ρ l d x ∂ 2 y ∂ t 2 F\left(\frac{\partial^2y}{\partial x^2}\right)\,\mathrm dx=\rho_l\,\mathrm dx\frac{\partial ^2y}{\partial t^2} F(∂x2∂2y)dx=ρldx∂t2∂2y
结合波动方程得
1 u 2 = ρ l F \frac{1}{u^2}=\frac{\rho_l}{F} u21=Fρl
即波动方程:
u = F ρ l u=\sqrt{\frac{F}{\rho_l}} u=ρlF
F F F既是张力,又是线度模量。
见百科。
这里有一个重要结论,即:同一介质中波阵面与波源波阵面平行。
(波传播过程中遇到障碍物时,能绕过障碍物,并发生偏折的现象):
波传播至障碍物边缘处时,发射的子波包络面不再是平面,而是偏离原有方向,进入本来不可能进入的区域。
考核不要求。
驻波是波的一种空间特性。
两列波在空间相遇叠加,
A = A 1 2 + A 2 2 + 2 A 1 A 2 cos Δ φ A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2\cos\Delta\varphi} A=A12+A22+2A1A2cosΔφ
我们讨论一种特例情况,即两个波相干(波长频率相同)
Δ φ = 2 π λ δ \Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}\delta Δφ=λ2πδ
波程差:
δ = ∣ r 1 − r 2 ∣ \delta = |r_1-r_2| δ=∣r1−r2∣
δ = N λ \delta=N\lambda δ=Nλ
δ = ( N + 1 2 ) λ \delta = (N+\frac{1}{2})\lambda δ=(N+21)λ
如果两列相反传播的相干波,振幅相同。那么存在部分点相抵,而宏观上静止。从而形成一种空间分布特征不变化的波,也就是驻波。这一点区别于行波。
y = y 1 + y 2 = A cos 2 π ( t T − x λ ) + A cos 2 π ( t T + x λ ) y=y_1+y_2=A\cos2\pi(\frac{t}{T}-\frac{x}{\lambda})+A\cos2\pi(\frac{t}{T}+\frac{x}{\lambda }) y=y1+y2=Acos2π(Tt−λx)+Acos2π(Tt+λx)
利用和差化积公式得到:
y = 2 A cos 2 π λ x cos 2 π T t y=2A\cos\frac{2\pi}{\lambda}x\cos\frac{2\pi}{T}t y=2Acosλ2πxcosT2πt
物理图像上,有两种典型的不同的
波腹处只有动能无势能。波节处仅有势能无动能。每过 1 4 \frac{1}{4} 41周期,发生一次相互转化。
如果考察点处于波节处,显然会出现运动的损失。
u = λ γ u=\lambda \gamma u=λγ
γ w = γ s \gamma_w=\gamma_s γw=γs
λ = u γ w = u γ s \lambda = \frac{u}{\gamma_w}=\frac{u}{\gamma_s} λ=γwu=γsu
其中 γ w \gamma_w γw是波频 γ s \gamma_s γs是波源频率。
观测者接收频率:
γ r = u ± v r λ = u ± v r u γ s \gamma_r=\frac{u\pm v_r}{\lambda}=\frac{u\pm v_r}{u}\gamma_s γr=λu±vr=uu±vrγs
解释:波长仍然均匀,但是相对波速发生变化,所以相当于时间收缩(相对)/膨胀(相向),分别对应符号的正/负。
λ ′ = u T s ± v s T s \lambda'=uT_s\pm v_sT_s λ′=uTs±vsTs
γ w = γ r = u λ ′ = u ( u ± v s ) T s = u u ± v s γ s \gamma_w=\gamma_r=\frac{u}{\lambda'}=\frac{u}{(u\pm v_s)T_s}=\frac{u}{u\pm v_s}\gamma_s γw=γr=λ′u=(u±vs)Tsu=u±vsuγs
解释: 波速 u u u不变的情况下,波长发生不均匀变化,相当于空间上膨胀、收缩。