§14-5 简谐运动的能量
Energy of Simple Harmonic Vibration
引言:作简谐运动的系统,因物体有速度而具有动能,因弹簧发生形变而具有势能,动能和势能之和就是其能量。
一、简谐运动的能量
1.能量表达式
(1)推导
以弹性振子为例。假设在t时刻质点的位移为x,速度为v,则
则系统动能为:
系统势能为:
因而系统的总能量为
考虑到
,则
(2)结论
弹簧振子作简谐运动的能量与振幅的平方成正比。
(3)解释
由于系统不受外力作用,并且内力为保守力,故在简谐运动的过程中,动能与势能相互转化,总能量保持不变。
(4)说明
1)E∝A2,对任何简谐运动皆成立;
2)动能与势能都随时间作周期性变化,变化频率是位移与速度变化频率的两倍,而总能量保持不变;且总能量与位移无关。
动能Ek=E-Ep
2.能量曲线
注意理解能量守恒和动能、势能相互转化过程。
二、能量平均值
定义:一个随时间变化的物理量f(t),在时间T内的平均值定义为
因而弹簧振子在一个周期内的平均动能为
因而弹簧振子在一个周期内的平均势能为
结论:简谐运动的动能与势能在一个周期内的平均值相等,它们都等于总能量的一半。
三、应用
1.应用1——记忆振幅公式
由能量守恒关系可得:k A2/2= mv02/2+ kx02/2
解之即得:
2.应用2——推导简谐运动相关方程
在忽略阻力的条件下,作简谐运动的系统只有动能和势能(弹性势能和重力势能),且二者之和保持不变,因而有
将具体问题中的动能与势能表达式代入上式,经过简化后,即可得到简谐运动的微分方程及振动周期和频率。这种
方法
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在工程实际中有着广泛的应用。
此方法对于研究非机械振动非常方便。
例1.用机械能守恒定律求弹簧振子的运动方程。
解:弹簧振子在振动过程中,机械能守恒,即
两边对时间求导,得
即
令
,则
其解为
代入守恒方程可得
A=A’
例2.劲度系数为k、原长为l、质量为m的匀质弹簧,一端固定,另一端系一质量为M的物体,在光滑的水平面上作直线运动,求其运动方程。
解:取物体受力平衡位置O为坐标原点,向右为x轴正方向,如图所示,设m
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