彈簧振子

彈簧振子

彈簧振子是一個不考慮摩擦阻力,不考慮彈簧的質量,不考慮振子的大小和形狀的理想化的物理模型。用來研究簡諧振動的規律。

基本信息

基本信息

如圖所示是一個彈簧振子的模型,其中金屬桿光滑,輕質彈簧質量遠小於金屬小球的質量,故可忽略不計。

位置 A A→ O O O→ B B
位移大小 最大 減小 0 增大 最大
速度大小 0 增大 最大 減小 0
動能 0 增大 最大 減小 0
勢能 最大 減小 0 增大 最大
總能 不變 不變 不變 不變 不變
彈簧振子在一個周期內位移、速度與回復力變化的示意圖。 彈簧振子在一個周期內位移、速度與回復力變化的示意圖。

單擺也是一種理想化的模型,它的結構是一根輕質無彈性的細線一端懸掛(即細線的伸縮不計),另一端下系一小球,當小球的直徑遠小於線的長度,且小球的質量遠大於細線時,在不計空氣阻力的情況下,這樣的裝置叫單擺。當單擺的擺角小於等於5°,且在豎直平面內做往復運動時,所做的運動也是簡諧振動。小球是一個做簡諧振動的振子,意義和彈簧振子相同。

單擺在一個周期內位移、速度與加速度變化的示意圖。 單擺在一個周期內位移、速度與加速度變化的示意圖。
彈簧振子 彈簧振子

彈簧振子的周期為。

其中k表示彈簧的勁度係數

m表示彈簧振子(小球)的質量。

推導過程

並不嚴格的方法

由簡諧振動位移公式 x=Asinωt (1)

對時間t求一次導數: v=Aωcosωt

再對時間t求一次導數:a=-Aω^2sinωt=-ω^2x (2)

再考慮簡諧振動的力的公式-kx=ma (3)

比較(1)、(2)、(3)三式(代入)

有-kAsinωt=-mAω^2sinωt

整理得ω^2=k/m

開方得ω=√(k/m)

則T=2π/ω=2π√(m/k)

用牛頓力學推飛彈簧振子運動方程

把坐標原點選在彈簧原長處,x軸沿彈簧方向,由牛頓第二定律

彈簧振子 彈簧振子

在i方向投影后得到簡單的標量微分方程

彈簧振子 彈簧振子

這個微分方程的通解是

彈簧振子 彈簧振子

我們就從理論上得出了位移公式,相比在“並不嚴格的方法”中直接給出的位移公式,是不是更加有說服力?

簡諧運動示意圖 簡諧運動示意圖

從三角函式的知識可知

彈簧振子 彈簧振子

用拉格朗日方法推飛彈簧振子運動方程

現在用分析力學的方法求解運動方程

先寫出拉格朗日函式

彈簧振子 彈簧振子

把拉格朗日函式代入拉格朗日方程

彈簧振子 彈簧振子

即得

彈簧振子 彈簧振子

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