【A-Level物理】重难点解析 | 简谐运动(上)


我们身边的很多东西都在oscillate,比如我们荡秋千的时候,我们就在围绕中间的位置oscillate;我们日常使用的交流电,也是oscillating signal。在工程中oscillation有更加广泛的应用,所以alevel物理中我们会学到oscillaiton以及其中比较典型的简谐运动(simple harmonic motion).本篇文章将为大家讲解什么是oscillation,以及总结这一部分的定义和题型。


首先我们来看什么是波动(oscillation):


Oscillation is a repeating back and forth movement on either side of an equilibrium position.

也就是说,是围绕一个平衡位置的前后运动,在我们荡秋千时,最低的点,就是这个equilibrium position。

 


现在我们来看如何形容一个oscillation:

振幅(Amplitude):the maximum displacement from the equilibrium position.

周期(Period):the time taken for one complete oscillation.

频率(frequency): the number of oscillations per unit time.

相位(phase): it describes the point that an oscillating mass has reached within the complete cycle of an oscillation.

相位差(phase difference):the degree by which one oscillation leads or lags behind another oscillation.




此图为例,最高点叫peak,最低点叫trough,一个周期是一个完整的波动所占用的时间(T);

peak到横轴的距离,就是最大的displacement,叫做amplitude;

频率等于周期分之一(f=1/T),单位为赫兹Hz,很多时候会用角速度ω(angular frequency),ω2πf,单位为radians

至于相位,我们把一个完整的周期当成,那么比如图中的peak的相位就是π2.

相位差呢,是针对两个或多个波动来说的,两个信号上同样的点(比如两个peak)之间的相位差就是两个信号的相位差。

 


描述完波动,我们来看简谐运动。

举个例子:最经典的,就是钟摆,围绕着中间的平衡位置一直波动,那么这种波动和普通的波动区别在哪,满足哪些条件才能被称为简谐运动呢?

1.     A mass that oscillates

2.     A position where the mass is in equilibrium

3.     A restoring force that acts to return the mass to its equilibrium position (the force is directly proportional to displacement from equilibrium position and directed towards the equilibrium position or a fixed point)

以上是满足简谐运动的条件,很容易考到,尤其是第三点,在判断是否是简谐运动的时候很重要,因为很多运动都可以满足前两个条件,所以一定要看使物体回到平衡位置的力是否是指向一个固定的点的,比如:




在这张图中,运动的小球受到绳子的拉力T,重力G,在任何一个位置,受到的合力都是指向平衡位置的那个点的,所以这是个简谐运动。

下篇文章将为大家讲解简谐运动的更多知识点和题型!祝大家学习愉快!

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