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大学物理(3)-简谐振动的合成

大学物理(3)-简谐振动的合成

作者: 流星落黑光 | 来源:发表于2018-09-25 19:54 被阅读0次

两个同方向同频率简谐振动的合成

条件:同方向,角频率\omega相同。即
x_1 = A_1 cos(\omega t + \varphi_1)
x_2 = A_2 cos(\omega t + \varphi_2)
要求的x = x_1+x_2。下面给出两种x的求法:旋转矢量法和解析法。

旋转矢量法

要求:频率相同。否则无法画在一张图内。(其实不相同也可以用向量加法,但比较麻烦)
求法:在一张图总画出x_1x_2,用向量加法将x_1x_2加起来就是x。
适用于简单的数字,易于记忆。

解析法

直接用公式求解:
A= \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2 cos(\varphi_2 - \varphi_1)}
tan \varphi = \frac{A_1 sin\varphi_1 + A_2 sin\varphi_2}{A_1 cos\varphi_1 + A_2 cos\varphi_2}
适用性强,但是可能会记错,可用旋转矢量法推导。

两个特例:同相、反相

形象地,同相时(相位差2k\pi),A = A_1 +A_2,反相时(相位差2k\pi+\pi/2),A = \left | A_1 - A_2 \right |

多个同方向同频率简谐振动的合成

上面两个同方向同频率合成的简单推广,只是当多个简谐振动的振幅相同、相位差依次为\Delta \varphi时,表达式可写的比较简单:
A = A_0 \frac{sin(N\Delta\varphi/2)}{sin(\Delta\varphi/2)}
\varphi = \frac{N-1}{2}\Delta\varphi

两个同方向不同频率简谐振动的合成:拍

频率不同时,相位差随时间而改变,合振动一般不为简谐振动。情况复杂,这里只讨论两个频率相差较小的情况。
例:两个频率相差很小的音叉同时振动
的定义:频率较大而频率之差很小的两个同方向简谐振动合成时,其合振动的振幅时而加强时而减弱的现象。
假设一个简单的情况:振幅相同,初相位为0:
x_1 = A cos(\omega_1 t )= A cos(2\pi \nu_1 t )
x_2 = A cos(\omega_2 t )= A cos(2\pi \nu_2 t )
则x为
x = ( 2 A_1 cos 2\pi \frac{\nu_2- \nu_1}{2}t)cos 2\pi \frac{\nu_2+ \nu_1}{2}t
由于\left | \nu_2 - \nu_1 \right | <<(\nu_2 + \nu_1),可将前半段(低频部分)看成合振动的“振幅”,次振幅随时间作缓慢的周期性变化,范围为0~2A;将后半段(高频部分)看成合振动的频率。
经计算,合振幅的变化频率(拍频)为
\nu = \nu_2 - \nu_1
若知道了其中一个频率和拍频,可计算出另一个频率。
应用:乐队“定音”,声学,速度测量,无线电技术,卫星跟踪等。

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