弹簧振动周期研究
摘要:本文先通过对弹簧质量被忽略和不被忽略两种情况的研究得出弹簧周期的理论公式，再通过实验（弹簧质量小于振子质量）计算出m前的系数约为0.3～0.35，与理论值相符。实际弹簧振子的运动并不是总是简谐运动，它只有在其他级别（n>1）的振动可以忽略的情况下，才能将弹簧的运动看作简谐运动。其他情况的振动的强弱取决于弹簧质量与弹簧振子质量的比值。
关键词：弹簧质量；弹簧振子；周期
引言:在弹簧质量不可以忽略时对弹簧振子周期的影响，有大批人士从不同角度加以研究[1-10]，他们将弹簧视作质量均匀的介质，或利用波动方程 [1,2]，或将弹簧看作一系列离散化的小的弹簧振子进行研究[6,7]。在相同相位，且振幅和平衡位置成正比的情况下[1,2,5,6]都得出弹簧振子周期T=k
m
M 3
2+π
，k 为弹簧劲度系
数，M 为弹簧振子质量，m 为弹簧质量，附加到弹簧振子的m/3叫弹簧的有效质量。我们是否也可以猜测弹簧振子的振动模式存在差异？各种模式的振动频率之间也都不成有理数的倍数关系[8]？文献[9]]对弹簧质量m/3修正的问题存在异议，有的认为1/3仅仅是0.346的近似值.文献[3]采用最优化及多元线性回归，并根据实验数据得0.490
0.503
(0.369)
6.669T M m k
-=+ 。文献[4]依据能量分析方法得出有
效质量应该介于m/3～m/2之间，同时引入有效弹性常量介于2
8
k
k
π
之间。文
献[1,2,7]指出存在无穷多的振子，其?满足M m k m tg k m =)()(??。本文分别探究了不考虑弹簧质量时，和考虑弹簧质量时，这两种情况下产生的差异以及影响，同时还进一步分析了实际弹簧振子周期和理论值得差异，更完善的研究了弹簧振子的振动规律。
1
1、未考虑弹簧质量（理想弹簧）的弹簧振子周期
如图所示，当未考虑弹簧质量时，弹簧的原长为l ，末端系一个质量为M 振动物体。假设水平面是光滑的，没有摩擦，弹簧和振动物体在放在水平面上，物体受到的力是回复力F kx =-，物体做往复的周期性运动。其运动过程中忽略空气摩擦阻力的影响。在下图中：①图弹簧未伸长，静止在水平面上，物体受力0F =。②图弹簧向右运动，弹簧伸长x ，物体受力为F kx =-。③图弹簧未伸长静止在水平面上，物体受力0F =。④图弹簧向左运动，被压缩x ，物体受力F kx =-。其中负号(-)表示物体受力与运动方向相反。选弹簧运动的一个周期为研究条件。
1
本文受内蒙古民族大学科研项目NMD1220支持
在一个周期中，如果弹簧所受的力超过了弹簧的最大的承受力，弹簧将受到损坏，将失去它的周期性能。因此在做研究时，要保证弹簧所受的力在正常范围内，这也是保证研究结果能正确的一个先决条件。对于物体M ，当弹簧所受的力在正常范围内时，由牛顿第一定律可知，kx t
d x d M
-=22
式⑴ 其中k
为弹簧的劲度系数。
我们将⑴式转化一下，用M 除⑴式，设?2=M
k ，k 和M 都一定时，对于弹簧振
子来说，?为常数，所以⑴式可以改写为022
2
=+?t
d x d 式⑵ ，⑵式为二阶常系数
线性齐次微分方程，其特征根为02
2=+?λ 解特征根方程得到 ：第一个解为
?λi =1 ，第二个解为?λi -=2。则⑵式的通解为：t c t c x ??sin cos 21
+= 令
??cos ,sin 21A c A c ==则通解变为t A t A x ????sin cos cos sin +=，)sin(??+=t A x ，
?为初相，A 为振幅。又根据正弦函数的周期性得：)sin(??+=t A x 和
)2sin(π??++=t A x 的运动形式完全一样。而)2sin(π??++=t A x 和
)
)2(sin(??
π
?++
=t A x 即在t 时刻和?
π2+t 时刻，振子的运动是一样的。所以?
π
2是振动周期，用T 来表示T = ?
π2因为M
k =?2所以M
k
=
?，
k M
M
k
T π
π?
π
222==
=
⑶，
⑶式就是在不考虑弹簧质量的情况下得出的弹簧振子周期公式。
2
2.考虑弹簧质量后弹簧振子的周期
如下图I 、II 所示，假设弹簧质量为m ，弹簧的自然长度为l ，物体M 任然在水平面上振动。弹簧是均匀的其质量也是均匀分布的。假设任一点到o 点的距
离为s ，（0≤s ≤l ）
假设s 到s ds +之间有一个弹簧元，它的质量是：ds l
M
dM =
如果弹簧振子m 产生了一个x 的位移，dM 也将发生一个位移。如果把dM 的位移和m 的位移相比，很容易得到dM 的位移远小于m 的结果（其中m 的位移对应的是整个弹簧的伸长量，dM 的位移只是对应弹簧中任一点到o 点的伸长量）。又因为0≤s ≤l ，所以
dM 的位移必然小于m 的位移。为了简单合理的计算出dM 的位移，我们假定弹
簧各部分所发生的位移与它们到固定点o 的距离成正比。则dM 发生的位移
x l s
c = 当s l =时，c x =，即为m 位移；当0s =时，0c =，即为固定点所在位
置；显然x l
s
c = 是符合的。下面我们计算dM 这一小段弹簧元的动能：
ds s dt dx l
M dt dx l s ds l M ds l M dM E d k 22
32
2
)(21)()(21)()(21===
将上式两边积分，右边只对s 积分，其余看作常数，便可使弹簧在任意给定时刻的总动能为:
)(321)(61)(212
20
2
2
ds
dx
M dt dx M ds s dt dx l
M E l
k ==
=
?
其系统的总能量为：
x k dt dx m dt dx M E 2
2
2
2
1)(321)(21++=
即:E x k dt dx M
=+2
2
*
2
1)(
2
1
式⑷，式3
*
m
M M
+
=，
x k 2
2
1为弹簧振子的弹性势能。⑷式和忽略弹簧质量时的能量表达式一样。未考虑弹簧质量时，系统的能量表达式为：x k dt
dx M E 22
2
1)
(2
1+
= 式⑸，而其微分式为： kx
t
d x d M
-=22
周期是：k
M T π
2=对比分析，我们可以得到，考虑弹簧质量后的运动
微分式：
kx
t
d x d M
-=2
2
*
式⑹，将M *除⑹式两边，并设
?
20
*
=M
k
，k 和M *都一定时，
对于弹簧振子来说，?0为常数，所以⑴式可以改写为0
2
02
2
=+?t
d x
d
式⑺ ，⑺式
为二阶常系数线性齐次微分方程，其特征根为02
02=+?λ解特征根方程得到：第
一个解为?λ01i = ，第二个解为?λ02i -=。⑺式的通解为：t c t c x ??020sin cos 1
+=
令
??0201cos ,sin A c A c ==则通解变t A t A x ????0000sin cos cos sin +=即 )sin(00??+=t A x ，
?0
为初相，A 为振幅。又根据正弦函数的周期性得：)sin(00??+=t A x 和
)
2sin(00π??++=t A x 的运动形式完全样，而)2sin(00π??++=t A x 和)
)2(sin(0
0??
π
?++
=t A x 即在t 时刻和?π0
2+t 时刻振子的运动是一样的。振动周期0
2T π
?
=
因为M
k *
20
=
?所以M
k *0=
?因此式⑻即 k
m M T 3
2+=π
式⑼ 由此得出考虑
了弹簧质量后的弹簧振子周期公式。其值大于未考虑弹簧质量时的周期。这个公式我们也可以看成是在M 的基础上加上3
m 后得出来的周期公式。
3.雷利法进一步论证
前面已经求证出不忽略弹簧质量时的振子周期公式k m M T 3
2+=π
，为了使结论具
有更可靠性，我们可以利用雷利法再次论证一下，验证一下结果是否同样。我们把弹簧看作是均匀的弹性杆，同时只有纵向振动。设弹簧长为L ，横截面积为S,其质量为m ，在振幅不怎么大的情况下，其密度可以表示为 S
L m
?=
ρ当有外力时，
弹簧受力F ?，伸长L ?，可以算的劲度系数：L
F k ??=。又根据杨氏模量E 的定义：
L L E S F ?=?，将L
F
k ??=式带入L
L E S
F ?=?式可以得到，L
S E k =。弹性杆做纵向运动时，
其波动方程可以表示为
y d x d E t d x
d 22
2
2ρ=，如下图：
E 为杨氏模量，ρ为弹簧密度，x 为弹簧上一点到原点y 的位移。根据前面的密度表达式，可以将波动方程化为:y
x L
t
x
m 2
2
2
22
2
22??=??
?其中m
k m
=
?
现在考虑边界条件，当
弹簧没有位移时得到一个边界条件⑴0,0==x y 由于M 的运动由弹簧的弹性力决定，依据牛顿第二定律：
)(
)()2
2(
00
y x SE F t x
M y y y ??==??===消去E 后可以得到另外一个
边界条件：⑵L y =时，
)(
)2
2(
y x kL t x
M L
y L
y ??-=??==，采用分离变量法可以解满足以上两个边界条件的波动方程。令)()(),(t y t y x νμ=，将波动方程化t d t d t y d y d y L
m
2
2
2
22
2)
()(1)()(1ννμμ?=，
它们等于一个与y 和t 无关的常数。即：?ννμμ?222
22
2
2
)()(1)()(1-==t
d t d t y d y d y L m
，可以将这个方程化为两方程。①022222
=+μ??
L y
d u
d
m 和②0222
=+ν?νt d d 解①和②得)cos(11a y L A m +=??μ和)cos(22a t A +=?ν，将μ和ν带入波动方程可以解)cos()cos(21a t a L
y A x m
++=???根据边界条件⑴0,0==x y 得)cos(cos 021a t a A +=?，2
1
π±
=a 进而推出)cos()cos(2a t L
y
A x m
+=???
再根据边界条件⑵
)cos(sin )22(22
a t A t x m L
y +-=??=????)cos()cos()(2a t L A
y x m m L y +=??=?????带入)
()
2
2(y x kL t x
M L
y L
y ??-=??==式，依据此式得到：)cos()sin(??????m m m k M =，其中?2m
m k =，
又可以化为
)
cot(????m
m M m =
这是一个超越方程，可以用如下图求解。
图中标出的是)(??m
的前三个解，假如)(??m
<π,用级数展开)
cot(????
m m
M
m =
的右边解。在 πξ<<0时 -----=4725
94524531
cot 7
5
3ξ
ξξ
ξ
ξξ
]451)(31)[()cot(3
---==??????????m
M m M m m m m m 取前面两项得)](31)[()cot(????????m
m m m M m M m -==，从这个式子我们可以得到，
3
32
2m M k m M m m +
=
+=??，进而
3
m
M k +
=
?，所以弹簧振子周期为k
m M T 322+==
π
?
π
，
得出的结果和前面讨论的一样。下表是对不同的M
m 值,式k
3
m
M 22T +==π
?
π
所
引起的误差。
4.
4、实际弹簧振子的周期
如果弹簧的长度比较长，而且质量和弹簧振子的质量相差不多。在这种情况下，对弹簧的周期性研究变得更复杂了。此时，弹簧的变化并非是呈线性变化，要解决实际弹簧振子的周期可以借助弹簧的纵波解来辅助研究。根据纵波的传播方程，我们可以得到考虑弹簧质量时运动方程实际上是由多个简谐振动合成的，其运动方程如下:t A x n n n ∑∞
==1cos ?其中
])
(1[)(22
22
2
m
M
m
M n l n l A A n +
+=
λλ ,λ?n n a =，
n = 1,2,3,4,5……λn 是超越方程 l
M
m l λλ1)tan(-=的根，l 是弹簧的原长，M
是弹簧振子的质量，m 是弹簧的质量。由此结论，可以得出弹簧振子的运动并不是总是简谐运动，它只有在其他级别（n>1）的振动可以忽略的情况下，才能将弹簧的运动看作简谐运动。其他情况的振动的强弱取决于弹簧质量与弹簧振子质量的比值。例如1.0=M
m
,可以求得第一级振动的振幅是第二级的约
5000倍，更远
大于第三极等更高级的振动，所以这时弹簧振子的运动可近似看作简谐运动，此时弹簧振子的周期为k
m
M T 3.02+=π弹簧的质量折算为弹簧振子的等效质量0.3m 。
当1=M
m
时，第一级的振动的振幅是第二级的约
80倍，第一级振动还是远大于其
他级振动，因此，还可以当做简谐运动，此时周期为k
m
M T 35.02+=π即，弹簧的质
量折算为弹簧振子的等效质量为0.35m 。 5.讨论
为了验证实际中的弹簧振子周期m的系数通常是否约为0.30～0.35 ，我们通过实验可以证得。我们做了一个竖直振动实验，如下图的力传感器：M=20g,取为弹簧振子质量，k=2N/m，取为弹簧的劲度系数。
在上图中，将力传感器系于弹簧上。传感器将根据弹簧上下振动的振幅，测得力后，将数据传给计算机。经过计算机计算后，得到弹簧振子的周期。
在上面的两个表中，在弹簧质量和劲度系数不变的情况下，我们测得了实验周期
的最小值和最大值。根据周期公式
k m
n
M
T ?
+
=π2
其中n为m的系数。将实验测得的两表中的周期T，弹簧振子质量M，弹簧质量m，劲度系数k，代入公式，计算后分别得出表一的n约为0.294，表二中n约为0.346。虽然实验过程中存在一些误差，但这些误差是不可避免的。我们可以看出n的值非常接近0.3和0.35。这说明我们的理论推论是正确的。
6.结束语：对于弹簧振子的周期研究，当不考虑弹簧的质量时得出的周期公式
k
M T π
2=②当计及弹簧质量时的周期公式是 k
m
M T 3
2+=π
。第一种情况只有在M
很大远远超过m 时，m 可以忽略时才可以使用。而第二种情况则是在M 和m 相差不大，m 不可以忽略的情况下使用，我们可以把这种情况看作是在M 的基础上加上m/3。当然这两种情况都把空气摩擦、材料因素等次要因素都忽略了。在实际中，在弹簧质量不可忽略的情况下弹簧振子周期公式中m 前的系数n 约在0.30～0.35之间而不是1/3。这是因为实验时存在空气摩擦阻力等因素的影响而不同。
发动机试验铸铁平台空气弹簧隔振系统 设备技术规范 1.1设备名称、数量及功能要求 1.1.1设备功能 能确保发动机性能试验正常运行，保证发动机测试设备的平稳性及较高的测试精度。 1.1.2台架减震系统工作环境及技术参数： ?试验室温度环境：5—50℃ ?试验室湿度：≤95% ?压缩空气压力：≤6bar 1.2方案要求 1.2.1一般要求： 本项目为交钥匙工程。瑞博发承担铸铁地板及减震系统的设计制造、运输、现场搬运、现场安装，提供铸铁地板、减振系统及其它安装附件，制定支撑钢板预埋方案及位置精度要求，现场指导基建施工单位进行预埋。设计混凝土减振质量块，减振弹簧数量，位置安装调试。 1.2.2★铸铁平板技术要求适用标准： ?GB/T9439-2010灰铸铁件 ?GB/T22095-2008铸铁平板 ?GB/T 6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量 ?GB/T11351-1989铸件质量公差
1.2.2.1卖方应具备此类设备的设计、制造、销售、安装资质，并提供相关证明文件。 1.2.2.2要求设备卖方具有对所提供系统三年以上的制造经验，投标设备应有良好的销售业绩和使用信誉。卖方在投标时提供本项目的隔振器详细结构及隔振器技术参数描述，并提供此项目详细的隔振技术方案（含隔振效率计算、压缩量计算、系统固有频率计算、弹簧利用率计算等）。 1.2.2.3在国内具备设备专业售后服务人员，并提供相关地址、电话、服务人员数量、联系人等资料。 1.2.2.4卖方应具有良好的质量控制体系，通过质量管理体系认证。 1.2.3铸铁地板材质：用优质、细密的灰口铸铁HT250或更高抗拉强度的材质，提供硬度、抗拉强度的检测报告。 1.2.4铸铁地板技术要求： ?沿长度方向开T型槽，槽间距为150±0.2mm，T型槽内使用的螺栓型号为M20，地板四周带排污水槽，带排污孔，T型槽符合GB/T 158-1996标准，铸铁地板周围带有水槽及排污口。 1.2.5为提高地板的抗载荷能力，地板结构为加强筋带反沿，以保证足够的强度、刚度和稳定的精度，底面配有专用加厚筋板调整安装平面底座。为最大程度地减小装卸起吊平台过程中平台自重对精度的影响，全部平板吊装孔设计符合贝塞尔支点原理。 1.2.6铸件成形后，不允许有影响外观、精度、使用的砂眼、气孔、裂纹、夹渣、缩松、冷隔、锈迹、划痕、碰伤等缺陷（符合GB/T22095-2008标准）；铸件的壁、筋相交处的圆角部位进行磁粉探伤检验并去磁，内部缺陷采用超声波探伤检测。 1.2.7检测单位必须具备省级及以上资质，检测人员必须具备检测资格，并提供相关资质证明。 1.2.8铸铁地板防锈处理：非加工面喷漆铁红底漆、纯蓝色面漆，加工表面涂防锈油。铁地板表面采用环氧漆，要求环氧漆耐碰撞（2T的小车在铁地板上通过，每天不少于2次，小车通过1万次漆面无脱落无严重磨损）、耐防冻防锈液（含50%乙二醇）、耐汽油、柴油、机油；要求施工表面除锈达到Sa2.5级，表面清洁干燥方可对铁地板表面进行施工，采用喷涂的方式对铁地板表面施工。环氧漆干膜厚度160-200微米。
气垫导轨上弹簧振子振动的研究 力学实验最困难的问题就是摩擦力对测量的影响。气垫导轨就是为消除摩擦而设计的力学实验的装置，它使物体在气垫上运动，避免物体与导轨表面的直接接触，从而消除运动物体与导轨表的摩擦，也就是说，物体受到的摩擦阻力几乎可以忽略。利用气垫导轨可以进行许多力学实验，如测速度、加速度，验证牛顿第二定律、动量守恒定律，研究简谐振动、阻尼振动等，本实验采用气垫导轨研究弹簧振子的振动。 一、必做部分：简谐振动 [实验目的] 1．测量弹簧振子的振动周期T 。 2．求弹簧的倔强系数k 和有效质量 0m 。 [仪器仪器] 气垫导轨、滑块、附加砝码、弹簧、光电门、数字毫秒计。 [实验原理] 在水平的气垫导轨上，两个相同的弹簧中间系一滑块，滑块做往返振动，如图13-1所示。如果不考虑滑块运动的阻力，那么，滑块的振动可以看成是简谐振动。 设质量为m 1的滑块处于平衡位置，每个弹簧的伸长量为x 0，当m 1距平衡点x 时，m 1只受 弹性力)(01x x k +-与)(01x x k --的作用，其中k 1是弹簧的倔强系数。根据牛顿第二定律，其运动方程为 x m x x k x x k =--+-)()(0101（1） 令 12k k = 方程（1）的解为 )s i n (00?ω+=t A x （2） 说明滑块是做简谐振动。式中：A —振幅；0?—初相位。 m k = 0ω （3） 0ω叫做振动系统的固有频率。而 01m m m += （4） 式中：m —振动系统的有效质量；m 0—弹簧的有效质量；m 1—滑块和砝码的质量。 0ω由振动系统本身的性质所决定。振动周期T 与0ω有下列关系： k m m k m T 010 222+=== ππ ωπ （5） 在实验中，我们改变m 1，测出相应的T ，考虑T 与m 的关系，从而求出k 和0m 。 图13-1简谐运动原理图
弹簧振子实验报告 一、引言 ?实验目的 1.测定弹簧的刚度系数(stiffness coefficient). 2.研究弹簧振子的振动特性，验证周期公式. 3.学习处理实验数据. ?实验原理 一根上端固定的圆柱螺旋弹簧下端悬一重物后，就构成了弹簧振子.当振子处于静止状况时，重物所受的重力与弹簧作用于它的弹性恢复力相平衡，这是振子的静止位置就叫平衡位置.如用外力使振子离开平衡位置然后释放，则振子将以平衡位置为中心作上下振动.实验研究表明,如以振子的平衡位置为原点(x=0),则当振子沿铅垂方向离开平衡位置时,它受到的弹簧恢复力F在一定的限度与振子的位移x成正比，即 F =_ kx⑴ 式中的比例常数k称为刚度系数(stiffness coefficient),它是使弹簧产生单位形变所须的载荷?这就是胡克定律?式(1)中的负号表示弹性恢复力始终指向平衡位置.当位移x 为负值，即振子向下平移时，力F向上.这里的力F表示弹性力与重力mg的综合作用结果.
根据牛顿第二定律，如振子的质量为m,在弹性力作用下振子的运动方程为: + Arx = O x = Asin +(/>) (3) 式表明?弹簧振子在外力扰动后，将做振幅为A,角频率为宀0的简谐振 动，式中的(叫/ +。)称为相位，0称为初相位?角频率为叫的振子其振动周期 (4) (4) 式表示振子的周期与其质量、弹簧刚度系数之间的关系，这是弹簧振子的 最基本的特性?弹簧振子是振动系统中最简单的一种，它的运动特性(振幅，相 位，频率，周期)是所有振动系统共有的基本特性，研究弹簧振子的振动是认识 更复杂震动的基础. 弹簧的质量对振动周期也有影响?可以证明，对于质量为“0的圆柱形弹簧, 振子周期为 (5) m o/ m o/ 式中 ?称为弹簧的等效质量，即弹簧相当于以 ?的质量参加了振子的 振动?非圆柱弹簧（如锥形弹簧）的等效质量系数不等于1/3. d 2x 上式可化为一个典型的二阶常系数微分方程乔 =0 其解为 (3) 可得 x =
大学物理公式汇总 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
目录 1. 质点的运动及其规律 (4) 1.1 质点运动的描述 (4) 1.2 圆周运动 (4) 1.4 牛顿定律 (4) 1.4.1 牛顿三定律 (4) 1.4.2 几种常见的力 (5) 2. 动量守恒定律和能量守恒定律 (5) 2.1 质点和质点系的动量定理动量守恒定律 (5) 2.2 动能定理保守力与非保守力能量守恒定律 (5) 3. 刚体与流体 (6) 3.1 刚体的定轴转动 (6) 3.1.2 刚体绕定轴转动的角速度和角加速度 (6) 3.1.3 力矩转动定律转动惯量 (6) 3.2 刚体定轴转动的角动量角动量定理角动量守恒定律 (7) 4. 机械振动与机械波 (7) 4.1 简谐运动旋转矢量简谐运动的能量 (7) 4.1.1 简谐运动 (7) 4.1.2 旋转矢量 (8) 4.1.3 弹簧振子的能量 (8) 4.2两个同向同频率简谐运动的合成 (8) 4.4 机械波 (9) 4.4.1 机械波的形成波长周期和波速 (9) 4.4.2 平面简谐波的波函数 (9) 4.5 惠更斯原理波的衍射和干涉 (9) 4.5.2 波的干涉 (9) 5. 气体动理论和热力学 (10) 5.1 平衡态理想气体物态方程热力学第零定律 (10) 5.1.1 气体的物态参量 (10) 5.1.3 理想气体物态方程 (10) 5.2 气体分子热运动及其统计规律 (10) 5.2.2 气体分子速率分布律 (10) 5.3 理想气体的压强公式平均平动动能与温度的关系 (11) 5.4 能量均分定理理性气体的内能 (11) 5.5 准静态过程热力学第一定律 (11) 5.6 理想气体的等值过程和绝热过程 (11) 5.6.1等体过程 (11) 5.6.2等压过程 (12) 5.6.3等温过程 (12) 5.6.4绝热过程 (12) 5.7 循环过程热力学第二定律 (12) 5.7.2 热机和制冷机 (12) 5.7.3 卡诺循环 (13)
高中物理公式、规律汇编表 一、力学 1、 胡克定律： F = kx (x 为伸长量或压缩量；k 为劲度系数，只与弹簧的 原长、粗细和材料有关) 2、 重力： G = mg (g 随离地面高度、纬度、地质结构而变化；重力约等 于地面上物体受到的地球引力) 3 、求F 1、F 2两个共点力的合力：利用平行四边形定则。 注意：(1) 力的合成和分解都均遵从平行四边行法则。 (2) 两个力的合力范围： ? F 1－F 2 ? ≤ F ≤ F 1 + F 2 (3) 合力大小可以大于分力、也可以小于分力、也可以等于分力。 4、两个平衡条件： （1） 共点力作用下物体的平衡条件：静止或匀速直线运动的物体，所受合 外力为零。 F 合=0 或 ： F x 合=0 F y 合=0 推论：[1]非平行的三个力作用于物体而平衡，则这三个力一定共点。 [2]三个共点力作用于物体而平衡，其中任意两个力的合力与第三个力一定等值 反向 (2* )有固定转动轴物体的平衡条件：力矩代数和为零．（只要求了解） 力矩：M=FL (L 为力臂，是转动轴到力的作用线的垂直距离） 5、摩擦力的公式： (1) 滑动摩擦力： f= μ F N 说明 ： ① F N 为接触面间的弹力，可以大于G ；也可以等于G;也可以小于G ② μ为滑动摩擦因数，只与接触面材料和粗糙程度有关，与接触面积大小、 接触面相对运动快慢以及正压力N 无关. (2) 静摩擦力：其大小与其他力有关， 由物体的平衡条件或牛顿第二定律求解,不与正压力成正比. 大小范围： O ≤ f 静≤ f m (f m 为最大静摩擦力，与正压力有关) 说明：
空气弹簧研究综述 1.3 空气弹簧研究综述 1.3.1 国内外空气弹簧发展简史 空气弹簧的发展仅有五十多年的时间。美国自1947年，在普尔曼车上首先采用空气弹簧，后来在意大利、英国、法国等许多欧洲国家对空气弹簧做了大量研究工作，装有空气弹簧的转向架相继出现。1955年，日本国家铁路技术研究院机车车辆动力试验室，对在车辆上安装的空气弹簧进行了系统的研究，为设计空气弹簧提供了宝贵的基本数据；同时，对装有空气弹簧的车辆进行了一系列的试验工作。目前，日本不仅在铁路客车上成功地装用了多种型式的空气弹簧，而且在货车上也予以采用。 在日本，装有空气弹簧的转向架，不仅数量多，而且型式多样。空气弹簧绝大多数用于中央悬挂，轴箱弹簧为螺旋钢弹簧。起初只安装三曲囊式空气弹簧，用以改善车辆的垂向振动性能，横向复原仍采用摇动台。为了取消复杂、笨重的摇动台结构，于是研制出了约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧，这类空气弹簧不仅能承受垂向振动，而且可以利用其具有良好的横向刚度的优点来承受横向振动；同时，可以与牵引拉杆两端部的弹性元件共同作为横向复原装置。牵引拉杆一端连接摇枕，另一端连接在构架（对心盘支重的转向架）上，或连接在车体（对旁承支重的转向架）上。牵引拉杆两端弹性元件的横向复原力，对空气弹簧来说，是比较小的。 1957年，我国第一机械工业部汽车研究所，对空气弹簧做了大量的试验研究工作，并装在汽车上试用，积累了一些经验。1958年，沈阳机车车辆厂在试制的“东风号”客车上，首先装用空气弹簧，即由天津车辆段和天津橡胶研究所共同研制出一种双曲囊式空气弹簧（图），其有效直径为460mm时，高度为184mm，最大外径为520mm。这种空气弹簧曾先后在天津车辆段、北京车辆段，装在101型、201型和202型转向架上，以代替叠板弹簧。实践证明：这种空气弹簧的垂向振动性能具有良好的运行品质。但是，由于没有采用高度控制阀，在列车返段时，只好采用人工加气；同时，泄漏问题也没有得到很好的解决，所以没有继续应用。 1959年，四方机车车辆厂在新造低重心车辆的转向架上，1960年在新造双层客车的转向架上，又安装了双曲囊式空气弹簧。但是由于车辆自重较大，空气弹簧的有效承压面积不够，同时受到列车管压力的限制，支承不了簧上重量，只好与螺旋钢弹簧联合使用，并设计了机械式高度控制阀，对空气弹簧的高度进行自动控制；同时，在垂向振动性能方面也取得了比只用钢弹簧更好的运行品质，受到旅客好评。 1965年，长春客车厂在试制DK1型转向架时，又对双曲囊式空气弹簧稍加改进，并设计了电磁式高度控制阀，采用无摇动台结构，在摇枕中下部和构架侧梁内侧之间加装横向复 km，因此，垂向振动性能原弹簧。经过多次试验，由于地铁电动客车运行速度不超过80h 很好。但由于采用横向复原螺旋钢弹簧，在车辆进出曲线和通过道岔时侧摆较大，横向振动性能仍不理想，横向复原弹簧安装也很不方便，故未扩大应用。长春客车厂于同年在试制高速列车的CCKZ1型转向架上，安装了外筒锥角为40o，内筒为0o的约束膜式空气弹簧；四方机车车辆厂于同年也在同列高速客车的KZ2型转向架上安装了内外筒皆为0o的约束膜式空气弹簧，这两种转向架均采用旁承支重的无摇动台结构，用节流孔产主阻尼，代替垂直油
“弹簧振子”模型 太原市第十二中学 姚维明 模型建构： 【模型】常见弹簧振子及其类型问题 在简谐运动中，我们对弹簧振子（如图1，简称模型甲）比较熟悉。在学习过程中，我们经常会遇到与此相类似的一个模型（如图2，简称模型乙）。认真比较两种模型的区别和联系，对于培养我们的思维品质，提高我们的解题能力有一定的意义。 【特点】①弹簧振子做简谐运动时，回复力F=-kx ，“回复力”为振子运动方向上的合力。加速度为m kx a -= ②简谐运动具有对称性，即以平衡位置（a=0）为圆心，两侧对称点回复力、加速度、位移都是对称的。这是解题的关键。 模型典案： 【典案1】把一个小球挂在一个竖直的弹簧上，如图2。当它平衡后再用力向下拉伸一小段距离后轻轻放手，使小球上下振动。试证明小球的振动是简谐振动。 〖证明〗设弹簧劲度系数为k ，不受拉力时的长度为l 0，小球质量为m ，当挂上小球平衡时，弹簧的伸长量为x 0。由题意得mg=kx 0 容易判断，由重力和弹力的合力作为振动的回复力 假设在振动过程中的某一瞬间，小球在平衡位置下方，离开平衡位置O 的距离为x,取向下的方向为正方向 则回复力F=mg+[-k(x 0+x)]=mg-kx 0-kx= -kx 根据简谐运动定义，得证 比较： （1）两种模型中，弹簧振子都是作简谐运动。这是它们的相同之处。 (2）模型甲中，由弹簧的弹力提供回复力。因此，位移(x)，回复力(F)，速度(v)，加速度(a)，各量大小是关于平衡位置O 点对称的。 (3)模型乙中，由弹簧的弹力和重力两者的合力提供回复力。弹簧的弹力大小关于平衡位置是不对称．．．的，这点要特别注意。但是，回复力（加速度）大小关于平衡位置是对称．．的。在解题时我们经常用到这点。 【典案2】如图3所示，质量为m 的物块放在弹簧上， 弹簧在竖直方向上做简谐运动，当振幅为A 时，物体对弹 簧的最大压力是物重的1.8倍，则物体对弹簧的最小压力是 物重的多少倍？欲使物体在弹簧振动中不离开弹簧，其振幅 最大为多少？ 〖解析〗1)选物体为研究对象，画出其振动过程的几个 特殊点，如图4所示， O 为平衡位置，P 为最高点，Q 为最低点。 图2 m 图3 P 点
空气弹簧 空气弹簧的基本结构 空气弹簧是一种由橡胶、网线贴合成的曲形胶囊，俗称气胎、波纹气胎、气囊、皮老虎等。胶囊两端部需用两块钢板相连接，形成一个压缩空气室。橡胶与网线本身不提供对负荷的承载力，而是由充入胶囊内的压缩空气来完成。其曲囊数通常为1~3 曲囊，但根据需要也可以设计制造成4 曲或5 曲以上，还可以在一定条件下将两个空气弹簧叠加使用。 空气弹簧按照性能与特点又称为橡胶空气冲程调节器和橡胶空气隔振体。 现有的曲囊式空气弹簧的端部结构，根据联接方式可以分为三大类：一类为固定式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸和曲囊最大外径相等或略小一些，钻若干个孔后用法兰环和端板紧固联接；另一类为活套式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸比曲囊最大外径小得多，无须钻孔，用一个特制的法兰环和一个普通端板紧固联接；第三类为自密封型，不用法兰联接，压入端板，充入压缩空气则自行密封。空气弹簧端部与连接板的法兰密封形式有：LHF 型、JBF 型、GF 型、
HF 型、ZF 型五种结构形式。 参考网址：https://www.doczj.com/doc/2511020517.html, （详见空气弹簧端封形式选择及装配结构） 空气弹簧端封形式选择及总装配结构 1、弹簧高度、承载能力和弹簧刚度的选择： 设计时，可彼此独立地,范围相当广泛地选择弹簧高度，承载能力和弹簧刚度，可获得极其柔软的弹簧特性。 弹簧高度：使用高度控制阀，可根据使用要求适当控制空气弹簧的高度，在簧上载荷变化的情况下保持一定高度。 承载能力：对于相同尺寸的空气弹簧，改变内压，可得到不同的承载能力，承载能力大致与内压成正比。这便达到了同一种空气弹簧可适应多种载荷要求。 弹簧刚度：在设计空气弹簧的刚度时，可以依靠改变弹簧内压而加以选择，刚度与内压大致成正比，因此，可以根据需要将刚度选得很低，对于一个尺寸既定的空气弹簧，刚度是可变的，它随载荷的改变而变化，因而在任何载荷下自振频率几乎不变，所以它能使被支承系统具有几乎不变的性能。 2、固有的振动频率较低 空气弹簧与附加空气室相连，可是空气弹簧装置的固有振动频率降低到0.5∽ 3Hz。在任何载荷的作用下，空气弹簧都可以保持较低而近乎相等的振动频率。 3、能隔绝高频振动及隔音效果好 空气弹簧是由空气和橡胶构成的，内部摩擦小，不会因弹簧本身的固有振动而影响隔离高频振动的能力。此外，空气弹簧没有金属间的接触，因此能隔音，防音效果也很好。
大学物理上公式集 概念（定义和相关公式） 1． 位置矢量：r ，其在直角坐标系中： k z j y i x r ++=；2 2 2 z y x r ++=角位置：θ 2． 速度：dt r d V =平均速度：t r V ??= 速率：dt ds V =（τ V V =）角速度：dt d θω= 角速度与速度的关系：V=ｒω 3． 加速度：dt V d a =或22dt r d a = 平均加速度：t V a ??= 角加速度：dt d ωβ= 在自然坐标系中n a a a n +=ττ其中dt dV a =τ （= ｒβ），r V n a 2=（=r 2 ω） 4． 力：F =ｍa （或F =dt p d ） 力矩：F r M ?=（大小：M=rFcos θ方向：右手螺旋法则） 5． 动量：V m p =，角动量：V m r L ?=（大小：L=rmvcos θ方向：右手螺旋法则） 6． 冲量：?=dt F I （=F Δｔ）；功：? ?= r d F A （气 体对外做功：A=∫PdV ）
7． 动能：mV 2/2 8． 势能：A 保= – ΔE p 不同相互作用力势能形式不同且零点选择不 同其形式不同，在 默认势能零点的情况下： 机械能：E=E K +E P 9． 热量：CRT M Q μ = 其中：摩尔热容量C 与过程有关，等容热容 量C v 与等压热容量C p 之间的关系为：C p = C v +R 10． 压强： ω n tS I S F P 3 2 =?== 11． 分子平均平动能：kT 2 3=ω；理想气体能：RT s r t M E )2(2 ++=μ 12． 麦克斯韦速率分布函数：NdV dN V f =)(（意义：在V 附近单位速度间隔的分子数所占比率） mg(重力) → mgh -kx （弹性力） → kx 2/2 F= r r Mm G ?2- (万有引力) →r Mm G - =E p r r Qq ?420 πε(静电力) →r Qq 0 4πε
简谐运动周期公式的推导 【摘要】：本文通过简谐运动与圆周运动的联系，用圆周运动的周期公式推导出了简谐运动周期公式。 【关键辞】：简谐运动、周期、匀速圆周运动、周期公式 【正文】： 考虑弹簧振子在平衡位置附近的简谐运动，如图2所示。它的运动及受力情况和图3所示的情况非常相似。在图3中，O 点是弹性绳（在这里我们设弹性绳的弹力是符合胡克定律的）的原长位置，此点正好位于光滑水平面上。把它在O 点的这一端系上一个小球，然后拉至A 位置由静止放手，小球就会在弹性绳的作用下在水平面上的A 、A ’间作简谐运动。如果我们不是由静止释放小球，而是给小球一个垂直于绳的恰当的初速度，使得小球恰好能在水平面内以O 点为圆心，以OA 长度为半径做匀速圆周运动。那么它在OA 方向的投影运动（即此方向的分运动）与图3中的简谐运动完全相同。证明如下： 首先，两个运动的初初速度均为零（图4中在OA 方向上的分速度为零）。 其次，在对应位置上的受力情况相同。 由上面的两个条件可知这两个运动是完全相同的。 在图4中小球绕O 点转一圈，对应的投影运动（简谐运动）恰好完成一个周期，这两个时间是相等的。因此我们可以通过求圆周运动周期的方法来求简谐运动的周期。 如图5作出图4的俯视图，并建以O 为坐标原点、OA 方向为x 轴正方向建直角坐标图2 图3 图4
系。 则由匀速圆周运动的周期公式可知： ωπ 2=T (1) 其中ω是匀速圆周运动的角速度。 小球圆周运动的向心力由弹性绳的弹力来提供，由牛顿第二定律可知： r m kr 2ω= (2) 式中的r 是小球圆周运动的半径，也是弹性绳的形变量；k 是弹性绳的劲度系数。 由（1）（2）式可得： k m T π 2= 二零一一年三月九日 图5
空气弹簧动力学特性分析 担架支架是伤员运送车辆在行驶途中承载、固定卧姿伤病员 担架的主要设备。担架支架的隔振系统设计在很大程度上决定了 伤病员在运送途中的乘卧舒适性。性能优异的担架支架隔振系统 能有效提高伤员运送车辆的运送能力。空气弹簧是较为合适的可 用于担架支架系统的隔振器,它是利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件。作为隔振元件,空气弹簧具有非线性变刚度特性,通过内压的调整,可以得到不同的承载能力;承受轴向载荷和径向 载荷,可产生相对较好的缓冲隔振效果;还具有结构简单、安装高 度低、更换方便、工作可靠、质量轻、单位质量储能量高等优 点。将空气弹簧增加附加气室能显著降低空气弹簧的刚度及固有 频率。本文对应用于急救车担架支架装置的空气弹簧隔振器的动 态特性进行了理论分析、实验测试、实验建模等方面的研究,为今后进一步研究半主动控制的空气弹簧隔振系统提供了参考依据。 本文首先介绍了空气弹簧的研究与发展现状,对空气弹簧的性能和优缺点进行了比较。并对空气弹簧的动力学特性进行研究,推导了空气弹簧动刚度计算公式,分析了其动力学特性的影响因素, 建立了带附加气室与不带附加气室空气弹簧的力学模型。 其次做了空气弹簧的动力学特性实验,得到如下结论:不带附 加气室时,当初始气压、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加;当激振频率增加时,空气弹簧的动刚度随之减小。空气弹簧的
固有频率几乎保持不变。而带附加气室空气弹簧在节流孔孔径4-7mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小;当初始气压、激振频率、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加。在高频(8Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。在低频率时,带附加气室能显著降低空气弹簧的动刚度,而在较高频率时,带附加气室会使空气弹簧的动刚度增加。 最后对带附加气室空气弹簧力学模型进行了简化,通过实验数据运用最小二乘法对模型参数进行了识别,并用四个指标对模型拟合精度进行了评价。分析结果表明误差较小,模型能够比较准确的反映出应用空气弹簧隔振器的力学特性。
大学物理波动学公式 集
大学物理波动学公式集 波动学 1． 定义和概念 简谐波方程： x 处t 时刻相位 振幅 ξ=Acos(ωt+φ-2π x/λ ) 简谐振动方程：ξ=Acos(ωt+φ) =Acos(2πx/λ+φ′) 相位Φ——决定振动状态的量 振幅A ——振动量最大值 决定于初态 ｘ0=Acos φ 初相φ——ｘ=0处ｔ=0时相位 （x 0,V 0） V 0= –A ωsin φ 频率ν——每秒振动的次数 圆频率ω=2πν 决定于波源如： 弹簧振子ω= m k / 周期T ——振动一次的时间 单摆ω=l g / 波速V ——波的相位传播速度或能量传播速度。决定于介质如： 绳V= μ/T 光速V=C/n 空气V=ρ /B 波的干涉：同振动方向、同频率、相位差恒定的波的叠加。 光程：L=ｎｘ（即光走过的几何路程与介质的折射率的乘积。 相位突变：波从波疏媒质进入波密媒质时有相位π的突变（折合光程为λ/2）。 拍：频率相近的两个振动的合成振动。
驻波：两列完全相同仅方向相反的波的合成波。 多普勒效应：因波源与观察者相对运动产生的频率改变的现象。 衍射：光偏离直线传播的现象。 自然光：一般光源发出的光 偏振光（亦称线偏振光或称平面偏振光）：只有一个方向振动成份的光。 部分偏振光：各振动方向概率不等的光。可看成相互垂直两振幅不同的光的合成。 2． 方法、定律和定理 ① 旋转矢量法： 如图，任意一个简谐振动ξ=Acos(ωt+φ)可看成初始角位置为φ以ω逆时针旋转的矢量A 在ｘ方向的投影。 相干光合成振幅： A= φ?++cos 2212221A A A A 其中：Δφ=φ1-φ2–λπ2（r 2–r 1当φ1-φ2=0时，光程差δ=（r 2–r 1 ② 惠更斯原理：波面子波的包络面为新波前。（用来判断波的传播方向） ③ 菲涅尔原理：波面子波相干叠加确定其后任一点的振动。 ④ *马吕斯定律：I 2=I 1cos 2θ ⑤ *布儒斯特定律：
弹簧振子实验报告记录
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弹簧振子实验报告 一、引言 ●实验目的 1.测定弹簧的刚度系数(stiffness coefficient). 2.研究弹簧振子的振动特性，验证周期公式. 3.学习处理实验数据. ●实验原理 一根上端固定的圆柱螺旋弹簧下端悬一重物后，就构成了弹簧振子.当振子处于静止状况时,重物所受的重力与弹簧作用于它的弹性恢复力相平衡,这是振子的静止位置就叫平衡位置.如用外力使振子离开平衡位置然后释放,则振子将以平衡位置为中心作上下振动.实验研究表明,如以振子的平衡位置为原点(x=0),则当 振子沿铅垂方向离开平衡位置时,它受到的弹簧恢复力F在一定的限度内与振子的位移x成正比,即 (1) 式中的比例常数k称为刚度系数（stiffness coefficient），它是使弹簧产生单位形变所须的载荷.这就是胡克定律.式（1）中的负号表示弹性恢复力始终指向平衡位置.当位移x为负值，即振子向下平移时，力F向上.这里的力F表示弹性力与重力mg的综合作用结果.
根据牛顿第二定律，如振子的质量为m，在弹性力作用下振子的运动方程为： (2) 令，上式可化为一个典型的二阶常系数微分方程，其解为 （） （3） （3）式表明.弹簧振子在外力扰动后，将做振幅为A，角频率为的简谐振动，式中的（）称为相位，称为初相位.角频率为的振子其振动周期为，可得 （4） (4)式表示振子的周期与其质量、弹簧刚度系数之间的关系，这是弹簧振子的最基本的特性.弹簧振子是振动系统中最简单的一种，它的运动特性（振幅，相位，频率，周期）是所有振动系统共有的基本特性，研究弹簧振子的振动是认识更复杂震动的基础. 弹簧的质量对振动周期也有影响.可以证明，对于质量为的圆柱形弹簧，振子周期为 （5）
玉林师范学院本科生毕业论文 弹簧质量对振动系统的影响The Influence of Spring Quality on Vibration System 院系物理科学与工程技术学院 专业物理学 学生班级2009级2班 姓名戴石贵 学号200905401240 指导教师单位物理科学与工程技术学院 指导教师姓名关小蓉 指导教师职称副教授
弹簧质量对振动系统的影响 物理学2009级2班戴石贵 指导教师关小蓉 摘要 弹簧振子是物理学中的一个典型模型,弹簧振子是指忽略质量的轻弹簧系一物体所组成的系统。在实验中得到的弹簧振子的振动频率和理论结果存在着较大的差异,其中有很多原因,但主要是由于弹簧的质量对振动有一定的影响。人们在讨论弹簧振 m、弹性系数子的振动情况时，往往忽略弹簧本身的质量，实际弹簧振子由质量为 为k的弹簧和连接于弹簧一端质量为m的振动物体组成，为解决实际弹簧振子弹簧质量对振动系统的影响问题，采用研究系统的能量方法，建立了有弹簧质量时系统的动能和势能公式，从不同角度定量的分析了弹簧质量对振动系统的周期之间的影响，该研究对实际振动系统的振动问题具有一定的参考价值和指导意义。 由于弹簧本身有质量，这种弹簧振子不是理想的振子，它的振动周期与弹簧的质量有着密切的联系，当我们把这种影响仅归于质量因素时，振子的周期可以写成与弹簧有效质量有关的表达式，实际上处理这类问题的方法有很多种，像四阶龙格——库塔法、瑞利法、传递矩阵法、求解波动方程法、试探法求解微分方程、机械能守恒近似法、迭代法等等，本文主要运用机械能守恒定律和迭代法分别近似求解实际弹簧振子的周期，并对结果做出详细的讨论。 关键词：弹簧振子，弹簧质量，周期，动能，势能
大学物理波动学公式集 波动学 1．定义和概念 简谐波方程： x 处t 时刻相位 振幅 ξ ) 简谐振动方程：ξ=Acos( ωt+φ) 波形方程：ξ=Acos(2πx/λ+φ′) 相位Φ——决定振动状态的量 振幅A ——振动量最大值 决定于初态 ｘ0=Acos φ 初相φ——ｘ=0处ｔ=0时相位 （x 0,V 0） V 0= –A ωsin φ 频率ν——每秒振动的次数 圆频率ω=2πν 决定于波源如： 弹簧振子ω=m k / 周期T ——振动一次的时间 单摆ω=l g / 波速V ——波的相位传播速度或能量传播速度。决定于介质如： 绳V=μ/T 光速V=C/n 空气V=ρ/B 波的干涉：同振动方向、同频率、相位差恒定的波的叠加。 光程：L=ｎｘ（即光走过的几何路程与介质的折射率的乘积。 相位突变：波从波疏媒质进入波密媒质时有相位π的突变（折合光程为λ/2）。 拍：频率相近的两个振动的合成振动。 驻波：两列完全相同仅方向相反的波的合成波。 多普勒效应：因波源与观察者相对运动产生的频率改变的现象。 衍射：光偏离直线传播的现象。 自然光：一般光源发出的光 偏振光（亦称线偏振光或称平面偏振光）：只有一个方向振动成份的光。 部分偏振光：各振动方向概率不等的光。可看成相互垂直两振幅不同的光的合成。 2．方法、定律和定理 ①旋转矢量法： 如图，任意一个简谐振动ξ=Acos(ωt+φ)可看成初始角位置为φ以ω逆时针旋转的矢量A 在ｘ方向的投影。 相干光合成振幅： A=φ?++cos 2212221A A A A
其中：Δφ=φ1-φ 2–λπ 2（r 2–r 1当φ1-φ2=0时，光程差δ=（r 2–r 1 ②惠更斯原理：波面子波的包络面为新波前。（用来判断波的传播方向） ③菲涅尔原理：波面子波相干叠加确定其后任一 点的振动。 ④*马吕斯定律：I 2=I 1cos 2 θ ⑤*布儒斯特定律： 当入射光以I p 入射角入射时则反射光为垂直入射面振动的 完全偏振光。I p 称布儒斯特角，其满足： tg i p = n 2/n 1 3． 公式 振动能量：E k =mV 2/2=E k (t) E= E k +E p =kA 2 /2 E p =kx 2 /2= (t) *波动能量：222 1A ρωω= I=V A V 2 221ρωω=∝A 2 *驻波： 波节间距ｄ=λ/2 基波波长λ0=2L 基频：ν0=V/λ0=Ｖ/2Ｌ； 谐频：ν=ｎν0 *多普勒效应： 机械波ννs R V V V V -+='（V R ——观察者速度；V s ——波源速度） 对光波ν νr r V C V C +-= '其中V r 指光源与观察者相对速度。 杨氏双缝： dsin θ=ｋλ（明纹） θ≈sin θ≈ｙ/Ｄ 条纹间距Δy=D/λd 单缝衍射（夫琅禾费衍射）： ａsin θ=ｋλ（暗纹） θ≈sin θ≈ｙ/ｆ 瑞利判据： θmin =1/R =λ/D （最小分辨角） 光栅： dsin θ=ｋλ（明纹即主极大满足条件） tg θ=ｙ/ｆ ｄ=1/ｎ=L/N （光栅常数）
弹簧振子的简谐振动 弘毅学堂汪洲2016300030016 实验目的： （1）测量弹簧振子的振动周期T。 （2）求弹簧的倔强系数k和有效质量 m 实验器材 气垫导轨、滑块、附加砝码、弹簧、光电门、数字毫秒计。 实验原理： 在水平的气垫导轨上，两个相同的弹簧中间系一滑块，滑块做往返振动，如图2.2.4所示。如果不考虑滑块运动的阻力，那么，滑块的振动可以看成是简谐运动。
设质量为1m 的滑块处于平衡位置，每个弹簧的伸长量为0x ，当1m 距平衡点x 时，1m 只受弹性力10()k x x -+与10()k x x --的作用，其中1k 是弹簧的倔强系数。根据牛顿第二定律，其运动方程为 1010()()k x x k x x mx -+--= 令 12k k = 则有 kx mx -= ① 方程①的解为 00sin()x A t ω?=+ 说明滑块做简谐振动。式中，A 为振幅，0?为初相位，0ω叫做振动系统的固有圆频率。有 0k m ω= 且
10m m m =+ 式中，m 为振动系统的有效质量，0m 为弹簧的有效质量，1m 为滑块和砝码的质量。 0ω由振动系统本身的性质所决定。振动周期T 与0ω有下列关系 222T πω= == ② 在实验中，我们改变1m ，测出相应的T ，考虑T 与m 的关系，从而求出k 和0m 。 实验内容： （1）按气垫导轨和计时器的使用方法和要求，将仪器调整到正常工作状态。 （2）将滑块从平衡位置拉至光电门左边某一位置，然后放手让滑块振动，记录A T 的值。要求记录5位有效数字，共测量10次。 （3）再按步骤（2）将滑块从平衡位置拉至光电门右边某一位置测量B T ，重复步骤（2）共测量10次。 取A T 和B T 的平均值作为振动周期T ，与T 相应的振动系统有效质量是10m m m =+，其中1m 就是滑块本身（未加砝码块）的质量，0m 为弹簧的有效质量。 （4）在滑块上对称地加两块砝码，再按步骤（2）和步骤（3）测量相应的周期。有效质量20m m m =+，其中2m 为滑块本身质量加上两块砝码的质量和。 （5）再用30m m m =+和40m m m =+测量相应的周期T 。式中， 3m =1m +“4块砝码的质量” 4m =1m +“6块砝码的质量” 注意记录每次所加砝码的号码，以便称出各自的质量。 （6）测量完毕，先取下滑块、弹簧等，再关闭气源，切断电源，整理好仪器。 （7）在天平上称出两弹簧的实际质量并与其有效质量进行比较。 数据处理：
弹簧质量对弹簧振子振动周期的影响 摘 要：从能量的观点出发，通过对有弹簧质量弹簧振子的振动实验进行研究，分析弹簧振子振动周期与弹簧质量的关系。 关 键 词：弹簧振子；弹簧质量；振动周期 振动作为自然界中最为普遍的运动形式之一, 在物理学的基础理论研究中具有显著地位, 正确理解与掌握振动的客观规律对于深入研究并掌握自然界的普遍运动规律具有十分重要的理论意义和实践意义。作为自然界各种振动形式中最简单的一个抽象物理模型——简谐振子, 由一质量为m 的质点和一劲度系数为k 的无质量理想弹簧所组成, 其振动周期为 2T = (1) 在高中和大学物理中，弹簧质量对振动的影响往往被忽略。显然，这在弹簧质量远小于振子质量的情况下是可行的。但在一些实际问题中，人们往往会用弹簧的有效质量来对理想的弹簧振子振动周期公式进行修正。查阅相关资料可知，由机械能守恒定律计算出有效质量为031 m （其中0m 为弹簧质量）；进一步由质心运动定理却得出有效质量为 02 1 m ，从而得到 “弹簧振子佯谬”；而利用数值计算解超越方程的方法，得出“有效质量随振子与弹簧质量比的增大而减小”，“当振子与弹簧质量比较大时，有效质量可小于03 1 m ”，“不能简单地认为有效质量介于031m 和 02 1 m 之间”等结论。理论繁杂冗乱，令人眼花缭乱。本文通过对弹簧振子垂直地面放置的模型进行分析，并通过解微分方程，得出最终的周期公式。 考虑弹簧质量时弹簧振子的振动周期（弹簧与地面垂直情况） 查阅资料可知，弹簧振子的周期T 与劲度系数k 、振子质量m 有关，在弹簧质量不可忽略时，还要考虑弹簧自身质量0m 的影响，则弹簧振子的振动周期公式可写为： k Cm m T 0 2+=π (2) 式中0Cm 即为弹簧的有效质量，C 为待定系数，在下文中称为“有效质量系数”。 为了验证该公式并分析在弹簧与地面垂直情况下有效质量系数的大小，可以对该模型进 行进一步分析。
《数学实验》报告 实验名称弹簧振子系统的简谐振动研究___ 学院 专业班级 姓名 学号 2012年6月
一、【实验目的】 1.熟悉MATLAB各个函数命令及使用方法. 2.熟悉MATLAB编程原则和子函数应用的方法. 3.进行MATLAB的综合应用以提高使用技巧. 4.对于弹簧振子系统的简谐振动进行编程以更好的理解其定义并熟悉 MATLAB. 二、【实验任务】 设弹簧振子系统由质量为m的滑块和劲度系数为k的弹簧所组成。已知t=0时，m在A处，即x0=A,并由静止开始释放。试研究滑块的运动规律。三、【问题分析】 以x表示质点相对于原点的位移，线性回复力为f=-kx。由牛顿第二定律以及题设条件，可写出弹簧振子的振动微分方程及其初始条件为 d^2x/dt^2+kx/m=0 x(0)=A v(0)=dx/dt|(t=0)=0 滑块的速度和加速度分别为 V=dx/dt a=d^2x/dt^2 令ω*ω=k/m,用符号法求解上诉微分方程，求出运动方程、速度和加速度，并绘制出x-t，v-t和a-x曲线。 四、【实验程序】 clc x=dsolve('D2x=-w^2*x','Dx(0)=0,x(0)=A','t') v=diff(x,'t'),a=diff(x,'t',2), 2
3 k=400;m=2;w=sqrt(k/m); A=0.1;t=0:0.01:0.9; x=eval(x);v=eval(v);a=eval(a); subplot(3,1,1),plot(t,x); title('x-t 关系图 ') subplot(3,1,2);plot(x,v); title('v-x 关系图') subplot(3,1,3);plot(x,a) title('a-x 关系图') 一、 【实验结果】 x = (A*exp(i*t*w))/2 + A/(2*exp(i*t*w)) v = (A*i*w*exp(i*t*w))/2 - (A*i*w)/(2*exp(i*t*w)) a = - (A*w^2*exp(-t*w*i))/2 - (A*w^2*exp(t*w*i))/2 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 -0.10 0.1x-t 关系图 -0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.080.1 -20 2v-x 关系图 -0.1 -0.08-0.06-0.04-0.0200.02 0.040.060.080.1 -200 20a-x 关系图
大学物理上下册常用公式 Prepared on 22 November 2020
大学物理第一学期公式集 概念（定义和相关公式） 1． 位置矢量：r ，其在直角坐标系中：k z j y i x r ++=；222z y x r ++=角位置： θ 2． 速度：dt r d V = 平均速度：t r V ??= 速率：dt ds V = （τ V V =）角速度： dt d θω= 角速度与速度的关系：V=ｒω 3． 加速度：dt V d a = 或2 2dt r d a = 平均加速度：t V a ??= 角加速度：dt d ωβ= 在自然坐标系中n a a a n +=ττ其中dt dV a =τ（=ｒβ），r V n a 2= （=r 2 ω） 4． 力：F =ｍa （或F = dt p d ） 力矩：F r M ?=（大小：M=rFcos θ方向：右手螺旋 法则） 5． 动量：V m p =，角动量：V m r L ?=（大小：L=rmvcos θ方向：右手螺旋法则） 6． 冲量：? = dt F I （=F Δｔ）；功：? ?= r d F A （气体对外做功：A= ∫PdV ） 7． 动能：mV 2/2 8． 势能：A 保= – ΔE p 不同相互作用 力势能形式不同且零点选择不同其形式不同，在默认势能零点的情况下： 机械能：E=E K +E P 9． 热量：CRT M Q μ = 其中：摩尔热容量C 与过程有关，等容热容量C v 与等压热容 量C p 之间的关系为：C p = C v +R mg(重力) → mgh -kx （弹性力） → kx 2/2 F= r r Mm G ?2- (万有引力) →r Mm G - =E p r r Qq ?42 0πε(静电力) →r Qq 04πε
弹簧振子周期的影响因素 （南京 210096） 摘要：本文研究了弹簧质量对弹簧振子系统周期的影响，分析了不同方法近似成立的条件并对计算结果进行了讨论。并且通过对弹簧振子研究的进一步探析，发现如果弹簧的形状不是几何对称, 即使用相同的方法对弹簧两端分别挂测，其质量对周期公式产生的影响也是不同的。从而发现弹簧振子的周期与其重心位置也是有关的。 关键词：弹簧振子；周期；质量；重心 Spring vibrator cycle impact factors (Information science and engineering college of Southeast University, Nanjing, 210096) Abstract:This paper studies the quality of spring spring vibration subsystem the influence of the cycle, and analyzes on the different methods of approximate established condition and the calculation results are discussed. And through the spring vibrator further analysis, found that if the shape of the spring is not symmetrical geometric, that is, using the same method of spring ends hang separately measured, its quality to cycle the impact of the formula is also different. Spring vibrator to find the cycle of barycenter position is also related with. key words: spring vibrator; cycle;quality;focus 人们在讨论弹簧振子的振动情况时，往往忽略弹 簧本身的质量。实际弹簧振子由质量为m、劲度系数为k的弹簧和连接于弹簧一端的质量为M的振动物体组成。由于弹簧本身有质量，这种弹簧振子不是理想振子，它的振动周期与弹簧的质量有着密切的联系。当我们把这种影响仅归于质量因素时，振子的周期可以写成与弹簧有效质量有关的表达式。 而且质量一定，形状不规则的弹簧，其运动周期还与他的形状及重心相关。 作者简介：1实验回顾 在“弹簧振子周期公式研究”的实验中，最后的课题探究采用控制变量的方法，控制振子质量M不变，研究弹簧自身质量m对弹簧振子振动周期的影响。测得的数据见表1。