大学物理复习纲要振动和波.docx

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大学物理复习纲要振动和波

大学物理复习纲要〔振动和波〕

振动学基础

内容提要

一、振动的基本概念

1、振动某物理量随时间变化，如果其数值总在一有限范围内变动，就说该物理量在振动；

2、周期振动如果物理量在振动时，每隔一定的时间间隔其数值就重复一次，称为周期振动；

3、机械振动物体在一定的位置附近作往复运动称为机械振动；

4、简谐振动如果物体振动的位移随时间按余（正）弦函数规律变化，即：

这样振动称为简谐振动；

5、周期物体进行一次完全振动所需的时间称为周期，单位：

秒。

一次完全振动指物体由某一位置出发连续两次经过平衡位置又回到原来的状态。

6、振动频率单位时间内振动的次数，单位：

次秒，称为赫兹（Ｈz）；

7、振动圆频率振动频率的倍，单位是弧度秒（rads），即

8、振幅物体离开平衡位置（）的最大位移的绝对值；

9、相位称为相位或相，单位：

弧。

它是时间的单值增函数，每经历一个周期，相位增加，完成一次振动；

10、初相位开始计时时刻的相位；

11、振动速度表示振动物体位移快慢的物理量，即：

表明速度的相位比位移的相位超前；

12、振动加速度表示振动物体速度变化快慢的物理量，即：

加速度的相位比速度的相位超前，比位移的相位超前；

13、初始条件在时刻的运动状态（位移和速度〕称为初始条件，它决定振动的振幅和初位相，即：

则可求得：

二、旋转矢量法

简谐振动可以用一旋转矢量在轴上的投影来表示。

在平面上画一矢量，其长度等于振动的振幅，初始位置与轴的正向的夹角等于初相位，其尾端固定在坐标原点上，并以圆频率为角速度绕点作逆时针匀速旋转，则矢量在轴上的投影为：

于是描述简谐振动的三个重要的物理量，在这里便非常直观地被表示了出来：

矢量的模即振动的振幅；矢量旋转的角速度便是振动的圆频率；矢量与轴的夹角则为振动的相位；而时，矢量与轴正方向的夹角即为振动的初相位。

三、简谐振动的实例

1、弹簧振子

一个质量可以忽略的弹簧，一端固定，另一端固接一个可以视为质点的自由运动的物体所组成的系统，便是一个弹簧振子。

〔1〕系统受力

〔2〕振动方程

〔3〕振动函数

其中，圆频率，周期

2、单摆一个可以看作质点的小球，系于不可伸长的质量可以忽略不计的细绳下端，绳的上端固定，这样的系统称为单摆

〔1〕系统受力矩

〔2〕振动方程

〔3〕振动函数

其中，圆频率，周期。

3、复摆一个可绕固定水平轴自由摆动的刚体称为复摆，也称为物理摆。

〔1〕系统受力矩

〔2〕振动方程

〔3〕振动函数

其中，圆频率，周期。

四、简谐振动的能量

振动物体的动能

弹性势能

总的机械能为

一个周期内的平均振动动能和振动势能为

振子在振动过程中仅受保守力的作用，所以机械能守恒。

五、简谐振动的合成

1、同方向同频率的两个简谐振动的合成，仍为简谐振动

上式中

〔1〕当时

〔2〕当时

2、同方向、频率相近的两个简谐振动合成后振幅随时间缓慢的周期性变化称之为“拍”。

拍的频率为。

3、同频率相互垂直的两个简谐振动的合成一般为椭圆运动，设

则：

这是一个椭圆方程，椭圆的方位决定于两分振动的相位差。

〔1〕时，为斜向的直线运动，且仍为简谐运动；

〔2〕时，轨迹呈正椭圆形；

〔3〕分振动的相位差为其它的值时（不包括），轨迹为椭圆。

4、相互垂直、频率成整数比的两个简谐振动的合成，它们的合振动为有一定规律的稳定的闭合曲线，这种图形称为李萨如图形。

六、阻尼振动

振动系统因受阻尼力作用振幅不断减小的振动称为阻尼振动。

1、系统受力弹性力：

阻尼力：

2、阻尼振动方程

其中，，，为振动系统固有频率，称为阻尼系数。

3、阻尼振动函数对于一个振动系统由于阻尼系数的大小不同，可以分为三种不同的振动状态的解。

〔1〕欠阻尼振动：

当阻尼较小时，即当，方程的解为

式中，为阻尼振动系统的圆频率，为系统的固有圆频率，是由初始条件确定的常数。

越大，阻尼振动的振幅随时间衰减得越快。

〔2〕过阻尼振动：

当阻尼较大，即当时，方程的解为

〔3〕临界阻尼运动；当时，方程的解为

在〔2〕、〔3〕的情况中，是由初始条件决定的常数。

这两种阻尼运动不再是周期性的振动。

七、受迫振动与共振

1、受迫振动在外来力的策动下的振动。

〔1〕、系统受力弹性力：

，阻尼力：

，周期性策动力：

〔2〕、振动方程

其中，，；

〔3〕、稳态解；

〔4〕、特点稳态时的受迫振动按简谐振动的规律变化。

（a）频率等于策动力的频率；

（b）振幅；

（c）初相

2、共振

在一定条件下振幅出现极大值的现象。

〔1〕共振频率

〔2〕共振振幅

若，则，称尖锐共振。

基本要求

1、掌握谐振动的基本特征，学会用牛顿定律建立振动系统的运动微分方程，并判断其是否为谐振动；

2、设谐振动的运动方程为，掌握用已知的初始条件计算振幅和初位相，根据系统的固有性质计算，明确振动位移、振幅、初位相、位相、圆频率、频率、周期的物理意义；

3、掌握旋转矢量法。

能够借助参考圆确定谐振动方程的初位相、绘制谐振动曲线；能够由已知谐振动的曲线，写出振动方程（最重要的要能从振动曲线上确定初位相）；

4、了解阻尼振动、受迫振动和共振的特点；

5、掌握两个同方向、同频率谐振动的合成规律，以及合振动的振幅极大、极小的条件；

6、了解拍现象的物理意义与拍频；

7、了解两个互相垂直、同频率和不同频率的谐振动的合成规律。

波动学基础

内容提要

一、波动的基本概念

1、机械波机械振动在弹性媒质中的传播。

条件：

有波源（振动物体）和弹性媒质。

2、横波和纵波质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波叫横波；两者平行的波叫纵波。

横波与纵波是波动的两个基本类型，各种复杂的波都可以分解为横波与纵波之和。

3、波线与波面为形象描述起见，自波源沿波的传播方向画一些带箭头的线，叫作波线。

媒质中振动位相相同的点组成的面为同相面或波面。

在某一时刻，最前方的那个波面称为波前或波阵面。

波线与波面相互垂直。

4、平面波和球面波波面为平面或球面的波。

5、波速（相速）振动状态（即相位）在空间的传播速度称为波速或相速。

它与波动的特性无关，仅决定于传播媒质的性质。

6、波长同一波线上相位相差的两相邻质点之间的距离，即一个完整波形的长度它反映了波在空间上的周期性。

7、波的周期一个完整波形通过波线上的某一点所需要的时间，它反映波在时间上的周期性。

波的周期性与传播媒质各质元的振动周期相同。

8、波的频率单位时间内通过波线上某点的完整波形的数目，它与媒质质元的振动频率相同。

9、波数它的数值等于在的长度内所包含的完整波形的个数。

10、波速、波长、周期、频率、波数之间的关系：

11、简谐波波源和波面上的各质元都做简谐振动的波称为简谐波。

各种复杂的波形都可以看成是由许多不同频率的简谐波的叠加。

12、平面简谐波的波函数在无吸收的均匀媒质中沿轴传播的平面简谐波的波函数为：

其中，“－”表示波沿轴正向传播，“＋”表示沿轴负向传播，该式习惯上也称为平面简谐波的波动方程。

13、波函数的物理意义波函数是和的函数。

给定，它表示处质点的振动，即给出处质元任意时刻离开自己平衡位置的位移。

给定，它表示时刻的波形。

即给出时刻任意质元离开自己平衡位置的位移。

当和同时变化时，它描述了波线上所有的质元离开自己平衡位置的位移随时间的变化关系。

表示了波的传播。

14、波所传播的能量

媒质质元的能量质量为的体积元的动能和势能分别为：

即：

两者随时间的变化规律相同。

媒质质元的总能量为：

表明体积元的总机械能不守恒，在零与最大值之间周期性的变化。

反映了能量的传播过程。

能量密度单位体积媒质的波动能量，在一个周期内的平均值，称为平均能量密度。

平均能流密度单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的平均能流，即：

能流密度是矢量，方向与波速方向相同，它的大小表示波的强度。

在均匀各向同性的媒质中，平面波的强度不变，球面波的强度与半径的平方成反比。

二、波动方程

1、波动方程在无吸收的均匀媒质中一切平面波遵守下述微分方程：

在三维空间中传播的一切波动过程都遵守下述波动方程：

2、惠更斯原理媒质中波阵面上的各点都可以看作子波的波源，任一时刻这些子波的包迹就是新的波阵面。

3、波的叠加原理几列波可以保持自己的特点通过同一媒质，好像没有其它波一样。

在它们相重叠的区域内的每一点的振动，都是各个子波单独在该点产生的振动的矢量和。

三、波的干涉

１、干涉现象频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两个波源所发出的波在空间相遇，出现某些点的振动始终加强，某些点的振动始终减弱或完全抵消的现象称为波的干涉现象。

能产生干涉现象的波称为相干波，相应的波源叫做相干波源。

２、相干条件频率相同、振动方向相同、相位差恒定。

３、干涉加强和减弱的条件两相干波源发出的波，在某处相遇叠加时干涉加强或减弱由两波在该处的波程差决定：

当两相干波波源的相位相同时，也可以用波程来表示：

４、驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反的方向传播时形成驻波。

它实际上是稳定的分段振动，有波节和波腹。

相邻两波节或两波腹之间的距离为，每过一个波节振动相位改变。

５、多普勒效应当波源与观察者之间有相对运动时，观察者所接受到的波频率与波源所发射的波频率是不同的，这种现象称为多普勒效应。

波源与观察者在同一直线上运动时，两者的关系为：

当波源与观察者相向运动

当波源与观察者相互离开

基本要求

１、掌握描述简谐平面波的各物理量。

２、理解机械波产生的条件，掌握由已知质点的简谐振动方程得出平面简谐波的波动方程的方法及波动方程的物理意义，理解波动曲线，了解波的能量传播特征及能流、能流密度概念。

３、理解波的相干条件，能应用相位差和波程差分析、确定相干波叠加后振幅加强和减弱的条件。

４、理解驻波及其形成条件，了解驻波和行波的区别并能进行有关计算。

５、了解机械波的多普勒效应和其产生原因。

在波源或观察者单独相对媒质运动，且运动方向沿二者连线情况下，能用多普勒频移公式进行相关计算。