物理学问题

机械振动中简谐振动的具体定义是什么?它的动力学特征和运动学特征有什么不一样吗?

简谐振动

(1)定义或解释

①物体在受到大小跟位移成正比，而方向恒相反的合外力作用下的运动，叫做简谐振动。

②物体的运动参量，随时间按正弦或余弦规律变化的振动，叫做简谐振动。

(2)说明

①振动中最简单的就是简谐振动。因此，一开始采用(1)中①的讲法来定义简谐振动，是恰当的。在了解了作简谐振动物体的位移、速度、加速度等运动参量的变化规律以后，可以提出(1)中②的讲法，以丰富学生的认识。实际上，物体的运动参量随时间按正弦或余弦规律变化，是物体受到大小跟位移成正比，方向恒相反的合外力作用的必然结果。

②作简谐振动的物体，受到的合外力和位移成正比这一点，是比较容易理解的，但是对于方向恒相反这一点，初学者并不容易理解，错误地认为在物体由平衡位置向最大位移处运动的过程中，位移是指向最大位移处，这和所受的作用力反向；由最大位移处向平衡位置运动的过程中，位移是指向平衡位置，这和所受的作用力同向；这样似乎外力和位移的方向时而相反，时而相同了。造成这种看法主要是由于不理解简谐振动中，位移始终是指物体相对于平衡位置的位置变化，这就是说，物体对平衡位置的位移总是背向平衡位置。而回复力的方向总是指向平衡位置，所以二者方向恒相反。

③在教学中，我们还要强调，作简谐振动的物体除了受到大小跟位移成正比、方向恒相反的回复力作用外，不受其他不平衡力的作用，或者说物体所受的合外力大小和位移成正比，方向恒相反。对于既受大小跟位移成正比、方向恒相反的回复力作用，同时又受其他不平衡力作用(如阻力)，物体所作振动就不是一种简谐振动。

④我们一般可以用四种方法去描述简谐振动。

a．动力学方法。即∑F=-kx,a=-kx/m 。

b．运动学方法。即x= Acos(ωt+φ),v= -Aωsin(ωt+φ),a=- Aω2cos(ωt+φ)。

c．振动图线法(略)。

d．矢量图示法，也就是参考圆法。这四种方法分别从不同的角度反映了简谐振动，在教学中不要混淆。

⑤作简谐振动的物体振幅不变，而且物体的位移、加速度最大时，速度为零；位移、加速度为零时，速度最大。这些事实说明了物体系的势能和动能之间不断地相互转换，而且物体系的总能量保持一定。因此，任何时刻物体系的总能量等于它的势能极大值，也等于动能极大值。即任何时刻的势能