2016第十一章机械振动分析
机械振动
• 教学建议 1.振幅（振动能量）和频率、周期（振 振幅（ 振幅 振动能量）和频率、周期（ 动快慢） 让学生明确确切含义， 动快慢） 让学生明确确切含义，并 讲清楚一次全振动确切过程。 讲清楚一次全振动确切过程。
• 2.相位 表示振动的状态 相位:表示振动的状态 相位 相位的概念对理解简谐运动及其合成有着 非常重要的作用， 非常重要的作用，是学习交变电流及波动的基 教学中应给予充分的重视.同时也应注意 同时也应注意， 础，教学中应给予充分的重视 同时也应注意， 相位的概念比较抽象， 相位的概念比较抽象，学生理解起来可能会有 一些难度， 一些难度，教师应根据学生的情况把握好教学 要求. 要求
G
2.简谐运动的能量 简谐运动的能量 以水平弹簧振子理想模型为例， 以水平弹簧振子理想模型为例，结合 实物图，图表分析， 实物图，图表分析，完全可以让学生自主 完成，得出一个周期内能量怎样转化， 完成，得出一个周期内能量怎样转化，意 识到机械能的守恒。 识到机械能的守恒。
E
E = E p + Ek
3.会用单摆测定重力加速度。 会用单摆测定重力加速度。
• 教学建议
1.单摆 单摆 让学生理解单摆是理想模型。 （1）让学生理解单摆是理想模型。 单摆作简谐运动，需要一定的近似条件（ （2）单摆作简谐运动，需要一定的近似条件（小角度 下的摆动）让学生了解单摆做简谐运动的条件， 下的摆动）让学生了解单摆做简谐运动的条件，并体 会物理学中常用的近似的方法． 单摆振动的回复力大小： 单摆振动的回复力大小：
解：设物体静止时拉伸弹簧长度为x0,又向下拉伸距 设物体静止时拉伸弹簧长度为 又向下拉伸距 离为x 取向竖直向下为正方向. 离为 1,取向竖直向下为正方向
F0＝-kx0=-mg F=-k(x0+x)=-mg-kx
大学物理学(第二版) 第11章 机械振动
y
A1
A2
o
- A2
-A1
y1 反相
T
t
y2
(5) 振幅和初相的确定
y Acos(ω t )
y0 Acos
v ω Asin(ω t )
v0 ω Asin
A
y02
v
2 0
2
tg1( v0 ) x0
初相:φ所在的象限可以由y0和v0的方向来决定:
φ取值在第Ⅰ象限
φ取值在第Ⅱ象限 φ取值在第Ⅲ象限 φ取值在第Ⅳ象限
d2 y 2 y
dt 2
• 从位移角度来看——运动学特征
•要证明一个物体是否作简谐运动，只要证明上面三个式 子中的一个即可。
例1：试从能量角度证明单摆在小角度情况下作简谐振动。
解：由于单摆运动过程中机械能守恒，即：
1 mv2 mgl(1 cos ) 恒量
2
两边取时间的微分：
l m
当θ很小时
11.2.1 旋转矢量图示法
自Oy轴的原点O作一矢量A，
A 使它的模等于振动的振幅A ，
并使矢量 A在 Oyz 平面内绕点
o
t 0
y0
y
O作逆时针方向的匀角速转动，
定义：ωt+φ是确定简谐运动状态的物理量，称为相位。
在t=0时，相位为φ，称为初相位，简称初相，它是决定初 始时刻物体运动状态的物理量。
振动过程中物体的状态与相位关系
t 0 T/4 T/2 T
y A
O -A
y
v ω t+φ
A
0
0
0 - ω A π/2
-A
0
π
A
0
2π
在一次全振动中， 不同的运动状态 都对应着一个在 0～2π 内的相位值。
大学物理课后答案第十一章汇总
大学物理课后答案第十一章汇总第十一章机械振动一、基本要求1．掌握简谐振动的基本特征，学会由牛顿定律建立一维简谐振动的微分方程，并判断其是否谐振动。
2.掌握描述简谐运动的运动方程某Aco(t0)，理解振动位移，振幅，初位相，位相，圆频率，频率，周期的物理意义。
能根据给出的初始条件求振幅和初位相。
3.掌握旋转矢量法。
4.理解同方向、同频率两个简谐振动的合成规律，以及合振动振幅极大和极小的条件。
二、基本内容1.振动物体在某一平衡位置附近的往复运动叫做机械振动。
如果物体振动的位置满足某(t)某(tT)，则该物体的运动称为周期性运动。
否则称为非周期运动。
但是一切复杂的非周期性的运动，都可以分解成许多不同频率的简谐振动（周期性运动）的叠加。
振动不仅限于机械运动中的振动过程，分子热运动，电磁运动，晶体中原子的运动等虽属不同运动形式，各自遵循不同的运动规律，但是就其中的振动过程讲，都具有共同的物理特征。
一个物理量，例如电量、电流、电压等围绕平衡值随时间作周期性（或准周期性）的变化，也是一种振动。
2.简谐振动简谐振动是一种周期性的振动过程。
它可以是机械振动中的位移、速度、加速度，也可以是电流、电量、电压等其它物理量。
简谐振动是最简单，最基本的周期性运动，它是组成复杂运动的基本要素，所以简谐运动的研究是本章一个重点。
（1）简谐振动表达式某Aco(t0)反映了作简谐振动的物体位移随时间的变化遵循余弦规律，这也是简谐振动的定义，即判断一个物体是否作简谐振动的运动学根据。
但是简谐振动表达式更多地用来揭示描述一个简谐运动必须涉及到的物理量A、、0（或称描述简谐运动的三个参量），显然三个参量确定后，任一时刻作简谐振动的物体的位移、速度、加速度都可以由t对应地得到。
vAin(t0)Aco(t02)a2Aco(t0)2Aco(t0)（2）简谐运动的动力学特征为：物体受到的力的大小总是与物体对其平衡位置的位移成正比、而方向相反，即Fk某，它是判定一个系统的运动过程是否作简谐运动的动力学根据，只要受力分析满足动力学特征的，毫无疑问地系统的运动是简谐运动。
机械振动分析
机械振动分析机械振动是机械系统中普遍存在的一种运动形式，它对机械设备的性能、可靠性和寿命等都有着重要的影响。
因此，进行机械振动分析是了解并解决机械系统振动问题的关键步骤之一。
本文将对机械振动分析进行详细探讨。
一、机械振动的基本概念和分类机械振动是指机械设备在工作过程中由于内外部因素的作用而产生的周期性或非周期性的运动。
根据机械振动的特点和性质，可以将其分为自由振动和受迫振动两类。
自由振动是指机械系统在不受外界强制激励的情况下，由于初始的位移或速度而引起的自身振动。
自由振动的频率和振幅受到机械系统的固有特性决定。
受迫振动是指机械系统在外界强制激励的作用下，产生的与激励力有关的振动。
根据振动激励的特点，受迫振动可分为谐振和非谐振两类。
谐振是指激励力频率等于机械系统固有频率时产生的振动；非谐振则是指激励力频率与机械系统固有频率不等时产生的振动。
二、机械振动分析的目的和意义机械振动分析的主要目的是了解和解决机械系统中产生的振动问题。
通过振动分析，可以对机械系统进行设计优化，提高工作效率和稳定性；可以检测机械设备的正常工作状态，预测可能存在的故障；还可以减少机械系统对周围环境和人员的危害。
同时，机械振动分析还有助于优化机械系统的结构和材料选择，降低振动噪声；可以评估机械设备的可靠性和寿命，提前采取维护和修理措施；对于已发生故障的机械设备，还可以通过振动分析锁定故障位置和原因。
三、机械振动分析的方法和步骤机械振动分析的方法主要包括试验分析和数值模拟两种。
试验分析是通过采集机械设备振动信号的方式，通过对信号的处理和分析，了解机械设备的振动特性和问题。
试验分析的具体步骤包括：获得振动信号、信号处理、频谱分析、特征提取和问题诊断等。
数值模拟是利用计算机软件进行机械系统的振动仿真。
通过建立机械系统的数学模型，模拟系统在不同工况下的振动行为。
数值模拟的步骤包括建模、求解和分析结果等。
四、机械振动分析的指标和评估方法机械振动分析涉及多个指标和评估方法，常用的指标包括振幅、频率、相位和谱图等。
机械振动的分析与控制
机械振动的分析与控制机械振动是指机械系统在运行过程中产生的周期性回旋或摆动现象。
它在各个工程领域中都扮演着重要的角色，但过大的振动会导致机器的破坏、降低工作效率，甚至危及人身安全。
因此，对机械振动进行分析与控制是非常关键的工作。
一、机械振动的分析机械振动的分析是为了了解和揭示振动性能的规律以及振动源造成的机理和影响因素。
针对振动的分析可以从以下几个方面展开：1. 振动特性分析振动特性分析是研究机械系统的固有频率、振型、振幅等特性参数的过程。
通过特性分析可以了解机械系统的固有振动频率，并确定振动模态，为后续的振动控制提供基础。
2. 动力学分析动力学分析旨在揭示机械系统振动性能与运动特征之间的关系。
通过建立运动方程，利用数学手段对机械系统进行动力学分析，并考虑各种扰动因素的影响，可以预测机械系统的振动行为，为进一步的振动控制提供理论依据。
3. 振动源诊断振动源诊断是通过振动测量数据对机械系统中振动源的类型、位置和严重性进行识别与分析。
通过定位振动源，可以进行精确的故障诊断与预测，为振动控制的针对性措施提供依据。
二、机械振动的控制机械振动的控制是通过采取合理的措施来减小或消除机械系统的振动问题。
针对振动的控制可以从以下几个方面展开：1. 结构优化结构优化是通过改变机械系统的结构参数，减小振动源的影响。
例如，通过增加刚度、改变振动阻尼器等措施，减小系统的振动幅值和频率，提高系统的稳定性和工作效率。
2. 主动控制主动控制是指采用主动力、主动负荷、控制系统等手段对机械系统进行干预，实现振动的主动抵消或调整。
例如，利用反馈控制、主动阻尼器、主动负载等技术，对振动进行实时调整，达到减小振动幅值的效果。
3. 被动控制被动控制是通过添加结构件、阻尼器等被动元件来减小机械系统的振动问题。
例如，添加减振器、隔振垫等被动装置来吸收或分散振动能量，减小振动对机械系统的影响。
4. 振动监测与维护振动监测与维护是保证机械系统长期稳定运行的重要环节。
机械振动问题的分析与解决策略
问题描述：某机械设备在使用过程中出现振动问题，影响设备正常运行 原因分析：可能是由于设备安装不当、部件磨损、润滑不良等原因导致 解决策略：调整设备安装位置、更换磨损部件、改善润滑条件等 效果评估：经过调整和维修，设备振动问题得到解决，复正常运行
问题描述：生产线在运行 过程中出现振动，影响产
智能控制技术：利用人工智能、机器学习等先进技术，实现振动控制的智能化和自主化
智能化技术的发展趋势
智能化技术在机械振动问 题中的具体应用
智能化技术在机械振动问 题中可能带来的改进和优
化
智能化技术在机械振动问 题中可能面临的挑战和问
题
汇报人：XX
减少误差
优化控制系统： 采用先进的控 制技术，提高 控制精度和响
应速度
优化设计：改进 机械结构，提高 稳定性
选用优质材料： 选择高强度、高 硬度的材料，提 高机械强度
提高加工精度： 采用先进的加工 技术和设备，提 高零件加工精度
加强质量控制： 严格控制生产过 程中的质量，确 保机械振动问题 的解决
改变振动频率： 通过改变系统的 固有频率，使振 动频率远离激励 频率，从而减小 振动。
增加质量：增加 系统的质量，使 系统的固有频率 降低，从而减小 振动。
采用隔振措施： 在振动源和振动 接收器之间设置 隔振装置，如隔 振器、隔振垫等， 以减小振动传递。
定期检查设备， 及时发现问题
加强设备操作人 员的培训，提高
安全隐患：振动 可能导致设备结 构损坏，引发安 全事故
噪音污染：振动 可能导致设备产 生噪音，影响工 作环境和周边居 民生活
结构设计不合理：如结构不对称、 刚度不足等
材料选择不当：如材料强度不足、 刚度不够等
(机械制造行业)第十一章机械振动
第十一章 机械振动11-1 一质量为 m 的质点在力 F = - 2x 的作用下沿 x 轴运动．求其运动的周期．11-2 质量为 2 kg 的质点，按方程 x 0.2sin[5t ( /6)] (SI)沿着 x 轴振动．求： (1) t = 0 时，作用于质点的力的大小；(2) 作用于质点的力的最大值和此时质点的位置．(答案： 5 N ；10 N ，± 0.2 m (振幅端点) )11-3 一物体在光滑水平面上作简谐振动，振幅是 12 cm ，在距平衡位置 6 cm 处速度是 24 cm/s ，求(1) 周期 T ；(2) 当速度是 12 cm/s 时的位移．(答案： 2.72s ； 10.8cm )11-4 一个轻弹簧在 60 N 的拉力作用下可伸长 30 cm ．现将一物体悬挂在弹簧的下端并 在它上面放一小物体，它们的总质量为 4 kg ．待其静止后再把物体向下拉 10 cm ，然后释放．问：(1) 此小物体是停在振动物体上面还是离开它？(2) 如果使放在振动物体上的小物体与振动物体分离， 则振幅 A 需满足何条件？二者在何位置开始分离？(答案：小物体不会离开；2A g ，在平衡位置上方 19.6 cm 处开始分离)11-5 在竖直面内半径为 R 的一段光滑圆弧形轨道上，放一小物体，使其 静止于轨道的最低处．然后轻碰一下此物体，使其沿圆弧形轨道来回作小幅度 运动 . 试证：(1) 此物体作简谐振动； (2) 此简谐振动的周期 T 2 R/ g(1) 其初始位移 x 0 = 7.5 cm ，初始速度 v 0 = 75.0 cm/s ； (2) 其初始位移 x 0 =7.5 cm ，初始速度 v 0 =-75.0 cm/s ．(答案： x =10.6×10-2cos[10t-( /4)] (SI) ； x =10.6×10-2cos[10t+( /4)] (SI) )11-7 一轻弹簧在 60 N 的拉力下伸长 30 cm ．现把质量为 4 kg 的物体悬挂在该弹簧的下 端并使之静止 ，再把物体向下拉 10 cm ，然 后由静止释放并开始计时．求(1) 物体的振动方程；答案： 2 m )mF11-6 一质点沿 x 轴作简谐振动，其角频率 下的振动方程：= 10 rad/s ．试分别写出以下两种初始状态(2) 物体在平衡位置上方 5 cm 时弹簧对物体的拉力；(3) 物体从第一次越过平衡位置时刻起到它运动到上方 5 cm 处所需要的最短时间． (答案： x = 0.1 cos(7.07t) (SI)；29.2 N ；0.074 s ) 11-8 一物体放在水平木板上，这木板以 = 2 Hz 的频率沿水平直线作简谐运动，物体 和水平木板之间的静摩擦系数 s = 0.50，求物体在木板上不滑动时的最大振幅 A max ．(答案： 0.031 m )11-9 一木板在水平面上作简谐振动，振幅是 12 cm ，在距平衡位置 6 cm 处速率是 24 cm/s ．如果一小物块置于振动木板上，由于静摩擦力的作用，小物块和木板一起运动(振动 频率不变)，当木板运动到最大位移处时，物块正好开始在木板上滑动，问物块与木板之间 的静摩擦系数 为多少？(答案： 0.0653)11-10 一质点在 x 轴上作简谐振动，选取该质点向右运动通 过 A 点时作为计时起点 ( t = 0 )，经过 2秒后质点第一次经过 B 点， 再经过 2 秒后质点第二次经过 B 点，若已知该质点在 A 、 B 两点 具有相同的速率，且 AB = 10 cm 求：(1) 质点的振动方程；(2) 质点在 A 点处的速率．11-11 在一轻弹簧下端悬挂 m 0 = 100 g 砝码时， 弹簧伸长 8 cm ．现在这 根弹簧下端悬挂 m = 250 g 的物体，构成弹簧振子．将物体从平衡位置向下 拉动 4 cm ，并给以向上的 21 cm/s的初速度 (令这时 t = 0 )．选 x 轴向下 , 求 振动方程的数值式．答案： x 0.05 cos(7t 0.64) (SI))11-12 一质点按如下规律沿 x 轴作简谐振动 ： x 0.1cos(8t 2 )3(SI)．求此振动的周期、振幅、初相、速度最大值和加速度最大值．(答案： 0.25s ， 0.1 m ， 2/3， 0.8 m/s ， 6.4m/s 2)11-13 一质量为 0.20 kg 的质点作简谐振动，其振动方程为x 0.6cos(5t 21 ) (SI) ．求： (1) 质点的初速度；(2) 质点在正向最大位移一半处所受的力．(答案： 3.0 m/s ； -1.5 N )11-14 有一单摆，摆长为 l = 100 cm ，开始观察时 ( t = 0 ) ，摆球正好过 x 0 = -6 cm 处，并以v 0= 20 cm/s 的速度沿 x 轴正向运动，若单摆运动近似看成简谐振动．试求(1) 振动频率； (2) 振幅和初相．(答案： 0.5Hz ； 8.8 cm ， 226.8°或－ 133.2°)vxO O x答案：3) (SI) ； 3.93 10－2m/s ) 411-15 一物体作简谐振动， 其速度最大值 v m = 3×102 m/s ，其振幅 A = 2×102 m ．若 t = 0时，物体位于平衡位置且向 x 轴的负方向运动 . 求：(1) 振动周期 T ； (2) 加速度的最大值 a m ； (3) 振动方程的数值式．-21(答案： 4.19 s ；4.5×10-2 m/s 2；x = 0.02 cos(1.5t) (SI))211-16 一质点作简谐振动，其振动方程为 x = 0.24 cos(12 t 13 ) (SI)，试用旋转矢量23法求出质点由初始状态( t = 0的状态)运动到 x = -0.12 m ，v < 0的状态所需最短时间 t ．(答案： 0.667s )11-17 一质量 m = 0.25 kg 的物体， 在弹簧的力作用下沿 x 轴运动，平衡位置在原点 . 弹 簧的劲度系数 k = 25 N ·m -1．(1) 求振动的周期 T 和角频率 ．(2) 如果振幅 A =15 cm ，t = 0时物体位于 x = 7.5 cm 处，且物体沿 x 轴反向运动，求初 速 v 0 及初相 ．(3) 写出振动的数值表达式．－ 21答案： 0.63s ，10 s －1；－ 1.3m/s ， /3； x 15 10 2 cos(10t )311-18 两个物体作同方向、同频率、同振幅的简谐振动．在振动过程中，每当第一个物 体经过位移为 A/ 2 的位置向平衡位置运动时，第二个物体也经过此位置，但向远离平衡 位置的方向运动．试利用旋转矢量法求它们的相位差．11-19 一简谐振动的振动曲线如图所示．求振动方程．答案： x 0.1cos(5 t/12 2 /3) (SI))11-20 一定滑轮的半径为 R ，转动惯量为 J ，其上挂一轻绳，绳的一端系一质量为 m 的物体，另一端与一固定的轻弹簧相连， 如图所示．设弹簧的劲度系数为 k ，绳与滑轮间无滑动，且忽略轴 的摩擦力及空气阻力．现将物体 m 从平衡位置拉下一微小距离后 放手，证明物体作简谐振动，并求出其角频率．11-21 在一竖直轻弹簧的下端悬挂一小球， 弹簧被拉长 l 0 = 1.2 cm 而平衡．再经拉动后， 该小球在竖直方向作振幅为 A = 2 cm 的振动，试证此振动为简谐振动；选小球在正最大位(SI))答案： 12 )答案：kR 2 )J mR 2移处开始计时，写出此振动的数值表达式．答案： x 2 10 2 cos(9.1 t))11-22 一弹簧振子沿 x 轴作简谐振动 (弹簧为原长时振动物体的位置取作 x 轴原点)．已知振动物体最大位移为 xm = 0.4 m 最大恢复力为 F m = 0.8 N ，最大速度为 v m = 0.8 m/s ，又 知 t = 0 的初位移为+0.2 m ，且初速度与所选 x 轴方向相反．(1) 求振动能量； (2) 求此振动的表达式．11-23 质量 m = 10 g 的小球与轻弹簧组成的振动系统， 按 x 0.5 cos(8 t 31 ) 的规律3作自由振动，式中 t 以秒作单位， x 以厘米为单位，求(1) 振动的角频率、周期、振幅和初相； (2) 振动的速度、加速度的数值表达式； (3) 振动的能量 E ；(4) 平均动能和平均势能．- 2 1 (答案： = 8 s -1，T = 2 / = (1/4) s ，A = 0.5 cm ， = /3；v4π 10 2sin(8πtπ) ，32 2 1- -a 32 210 2cos(8 t ) ；3.95×10 5J ，3.95×10 5J ) 311-24 一物体质量为 0.25 kg ，在弹性力作用下作简谐振动，弹簧的劲度系数 k = 25N ·m -1，如果起始振动时具有势能 0.06 J 和动能 0.02 J ，求(1) 振幅；(2) 动能恰等于势能时的位移； (3) 经过平衡位置时物体的速度．答案： 0.08 m ； 0.0566m ； 0.8m/s )11-25 在竖直悬挂的轻弹簧下端系一质量为 100 g 的物体， 当物体处于平衡状态时， 再 对物体加一拉力使弹簧伸长，然后从静止状态将物体释放．已知物体在 32 s 内完成 48 次振 动，振幅为 5 cm ．(1) 上述的外加拉力是多大？(2) 当物体在平衡位置以下 1 cm 处时，此振动系统的动能和势能各是多少？(答案： 0.444N ； 1.07× 10- 2 J ，4.44×10-4 J ) 11-26 在一竖直轻弹簧下端悬挂质量 m = 5 g 的小球，弹簧伸长 l = 1 cm 而平衡．经推 动后，该小球在竖直方向作振幅为 A = 4 cm 的振动，求(1) 小球的振动周期； (2) 振动能量．(答案： 0.201 s ； 3.92×10-3 J )11-27 一物体质量 m = 2 kg ，受到的作用力为 F = -8x (SI) ．若 该物体偏离坐标原点 O 的最大位移为 A = 0.10 m ，则物体动能的 最大值为多少？(答案： 0.04 J )答案： 0.16J ； x 0.4cos(2 t))OA11-28 如图，有一水平弹簧振子，弹簧的劲度系数k = 24N/m，重物的质量m = 6 kg，重物静止在平衡位置上．设以一水平恒力 F = 10 N 向左作用于物体（不计摩擦），使之由平衡位置向左运动了0.05 m 时撤去力 F ．当重物运动到左方最远位置时开始计时，求物体的运动方程．答案：x 0.204 cos(2t ) (SI))11-29 两个同方向简谐振动的振动方程分别为2 3 2 1x1 5 10 2 cos(10t ) (SI), x2 6 10 2 cos(10t ) (SI) 44求合振动方程．(答案：x 7.81 10 2 cos(10t 1.48) (SI) )11-30 一物体同时参与两个同方向的简谐振动：x1 0.04cos(2 t 12 ) (SI), x2 0.03cos(2 t ) (SI)求此物体的振动方程．(答案：x 0.05 cos(2 t 2.22) (SI))。
物理选修3-4本章整合 第十一章机械振动 含解析 精品
本章整合知识建构专题应用专题一简谐运动的特点简谐运动涉及的物理量较多，但都与简谐运动物体相对平衡位置的位移x存在直接或间接的关系。
简谐运动的对称性是指振子经过关于平衡位置对称的两个位置时，振子的位移、回复力、加速度、速度、动能、势能等均是等大的(位移、回复力、加速度的方向相反，速度的方向不确定)。
运动时间也具有对称性，即在关于平衡位置对称的两段位移间运动的时间相等。
理解好对称性这一点对解决有关问题很有帮助。
简谐运动具有周期性，其运动周期T的大小由振动系统本身的性质决定。
理解了这一点，在解决相关问题时就不易出错。
【专题训练1】一弹簧振子在一条直线上做简谐运动，第一次先后经过M、N两点时速度v(v≠0)相同，那么，下列说法中正确的是()。
A．振子在M、N两点受回复力相同B．振子在M、N两点对平衡位置的位移相同C ．振子在M 、N 两点加速度大小相等D ．从M 点到N 点，振子先做匀加速运动，后做匀减速运动专题二 简谐运动的图象及作用简谐运动的图象描述了振动质点的位移随时间的变化规律。
从图象中可以确定位移、速度、加速度、动能和势能等物理量以及它们的变化规律，具体分析如下：1．可以确定振动物体在任一时刻的位移。
如图所示，对应t 1、t 2时刻的位移分别是x 1＝＋7 cm 、x 2＝－5 cm 。
2．确定振动的振幅。
图中最大位移的值就是振幅，如图表示的振幅是10 cm 。
3．确定振动的周期和频率，振动图象上一个完整的正弦(余弦)图形在时间轴上拉开的“长度”表示周期，由图可知，OD 、AE 、BF 的时间间隔都等于振动周期T ＝0.2 s ，频率f ＝1T＝5 Hz 。
4．确定各时刻物体的振动方向。
例如图中在t 1时刻，物体正远离平衡位置运动；在t 3时刻，物体正向着平衡位置运动。
5．比较各时刻物体的加速度(回复力)的方向和大小。
例如在图中t 1时刻物体位移x 1为正，则加速度a 1为负，两者方向相反；t 2时刻，位移x 2为负，则加速度a 2为正，又因为|x 1|＞|x 2|，所以|a 1|＞|a 2|。
机械振动分析
机械振动分析机械振动是指机械系统或其部件在运转过程中产生的周期性的物理现象。
事实上，振动是机械系统中普遍存在的现象，它可能对机械设备的安全性、性能和可靠性产生重要影响。
因此，对机械振动进行分析和评估是非常重要的。
本文将介绍机械振动的分析方法和应用。
一、机械振动的类型机械振动可以分为自由振动和受迫振动两种类型。
1. 自由振动自由振动是指没有外部激励的振动。
当机械系统受到扰动后，会出现自由振动，振动的频率和振幅由系统的初始条件决定。
自由振动的数学模型可以用二阶线性微分方程描述。
2. 受迫振动受迫振动是指机械系统受到外部激励而发生的振动。
外部激励可以是周期性的力、电磁力或其他形式的力。
受迫振动的频率由外部激励的频率决定，而振幅则由系统的特性和外部激励的幅值决定。
二、机械振动的分析方法机械振动的分析方法主要包括理论分析和实验分析两种。
1. 理论分析理论分析是通过建立数学模型和方程，利用力学和振动学的原理来描述和解释机械系统的振动行为。
常用的理论分析方法有等效刚度法、拉格朗日方程法、哈密尔顿原理等。
理论分析可以提供对机械振动进行详细的建模和预测。
2. 实验分析实验分析是通过实际测试和测量来获取机械系统的振动数据，然后对数据进行分析和处理。
实验分析可以采用各种传感器和测量设备，如振动传感器、加速度计、激光测振仪等。
通过实验分析，可以获取机械系统在不同工况下的振动特性，并对振动源和振动传播路径进行识别和评估。
三、机械振动的应用机械振动分析在工程中具有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 故障诊断通过对振动信号的分析，可以判断机械系统是否存在故障。
故障往往会导致机械系统振动特性的异常变化，通过分析振动数据可以识别出故障的类型和位置，从而提前预警和采取相应的维修措施。
2. 结构优化在设计机械系统时，通过分析振动特性可以评估结构的强度和稳定性。
通过优化结构参数和材料选择，可以减小机械系统的振动响应，提高系统的性能和可靠性。
高中物理 第十一章 机械振动章末小结 新人教版选修3-4
共历时2s；则由其对称性知P、B间住返等时，各为1s，从而可知
T＝16s。第三次再过P点，由P向左到A再返回到P，历时为一个
间往返的2s，则需时t＝16s－2s＝14s。
若沿图中②的方向过P点，则有3－tOP＝2＋tPO＋tOP＝T′/2
由上两式可解得tOP＝tPO＝
1 3
s，T′＝
16 3
s，则质点第三次
由x＝Asin (ωt＋φ)知 t＝0时，－A2＝Asin φ，φ＝－π6，
图乙
即振子由C点振动到O点用时至少为
T 12
，由简谐运动的对称
C点振动到D点用时至少为T6，则T最大为6s。
若振子振动如图乙中虚线所示，振子由C点振动到D点，则
综上所述C错误，D正确。
• 二、临场练兵 • 1．(2017·北京卷，15)某弹簧振子沿x轴的简谐
•
一个做简谐运动的质点在平衡位置O
；当质点从O点向某一侧运动时，经3s第一次过
前运动，又经2s第二次过P点，则该质点再经 _____1_4_s_或_13_0_s ___的时间第三次经过P点。
• 解题指导：振动质点通过关于平衡位置对称的
用的时间相等。另外沿不同方向通过同一段距
也相等。
解析：若质点沿图中①的方向第一次过P点，历时3s；由P到
• (4)用多组实验数据做出T2－L图象，也可以求出 度g。已知三位同学做出的T2－L图线的示意图 、b、c所示，其中a和b平行，b和c都过原点， 的g值最接近当地重力加速度的值。则相对于图 分析正确的是_____B____(选填选项前的字母)。
• A．出现图线a的原因可能是误将悬点到小球下 为摆长L
• 2．(2015·北京理综，21)用单摆测定重力加速度的实 示。
机械工程中的机械振动分析
机械工程中的机械振动分析机械振动是机械工程中重要的一个领域，振动分析是了解机械系统运行状况、预测机械故障、改善机械设计的必要手段。
在机械振动分析中，涉及到振动监测和诊断、振动检测技术和振动分析理论等方面。
一、振动分析的基本理论振动是指物体或系统在周围作有规律或无规律的反复运动，其运动包括位移、速度和加速度等。
振动的基础理论是振动力学，其原理是以物理学中的牛顿第二定律为基础，描述系统中各种力的作用和系统的运动学、力学关系等。
振动的特性包括振幅、频率、周期、相位、波长、速度等参数。
振幅是指振动中位移、速度和加速度等的最大值，频率是指振动重复周期的次数，周期则是指振动运动一次所花的时间。
相位是指不同位置上物体运动的相对时间，波长是指振动传播的距离，速度则是指振动能在介质内传播的速度。
二、振动检测技术振动检测是通过检测与分析机械系统的振动信号，识别和诊断机械系统可能存在的问题或运行状态。
振动检测主要通过振动传感器监测机械系统的振动信号，将信号传递至振动仪、数据采集器等设备中进行数据采集和信号分析，最终得出机械系统的振动信息。
常用的振动检测仪器包括加速度计、速度计和位移计等，其中，加速度计是应用最广泛的一种振动传感器，其工作原理是根据牛顿第二定律制成的阻尼系统，将物体振动信号转换成电信号输出，以供进一步分析、处理和诊断。
速度计是根据安培力定律和法拉第电磁感应定律制成的电感传感器，测量轴承振动磨损、变形等情况，可以解决加速度计不足以捕捉低频振动的问题；位移计则是通过测量物体振动的位移量来反映振动特征。
三、振动分析理论振动分析理论主要包括模态分析、时域分析、频域分析等方法。
模态分析是振动分析的重要手段，其基本思路是将机械系统的复杂振动状态简化成一些基础振型，也即“模态”，然后依次描述不同模态的频率和振型，并进一步根据特征频率和振型判断机械系统可能存在的故障和问题。
时域分析则是指用时间坐标为变量，通过检测和分析机械系统振动信号的时间变化情况，反映机械系统的运行状态。
高中物理人教版(选修3-4)第十一章机械振动第5节 外力作用下的振动+课件(19张)
提出问题
三、受迫振动
1.驱动力：作用在振动系统上的周期性的外力。 2.受迫振动：系统在驱动力作用下的振动。 思考：物体做受迫振动时，振动稳定后的频率与什么 有关？ 3.特点：物体做受迫振动的频率总等于驱动力的频 率，与系统的固有频率无关。
1、人才教育不是灌输知识，而是将开发文化宝库的钥匙，尽我们知道的交给学生。 2、一个人的知识如果只限于学校学习到的那一些，这个人的知识必然是十分贫乏的2021/10/162021/10/162021/10/1610/16/2021 4:13:45 PM 3、意志教育不是发扬个人盲目的意志，而是培养合于社会历史发展的意志。 4、智力教育就是要扩大人的求知范围 5、最有价值的知识是关于方法的知识。 6、我们要提出两条教育的诫律，一、“不要教过多的学科”；二、“凡是你所教的东西，要教得透彻”2021年10月2021/10/162021/10/162021/10/1610/16/2021 7、能培养独创性和唤起对知识愉悦的，是教师的最高本领2021/10/162021/10/16October 16, 2021 8、先生不应该专教书，他的责任是教人做人；学生不应该专读书，他的责任是学习人生之道。2021/10/162021/10/162021/10/162021/10/16
现象一：唐朝的时候，洛阳某寺一僧人房间的一件乐 器磬，经常莫名其妙的自动鸣响，这是什么物理原理 呢？
现象二：登山队员在登山过程中不能大声 说话，为什么？
古代的磬
问题三：各国都规定大队人马过桥，要便步通过，为 什么？
新课讲授
一、固有周期和固有频率
物体的振动周期与频率由振动物体本
身性质决定的，与振幅无关。
则 B(
)
机械振动的分析与控制
机械振动的分析与控制机械振动是指由于外界激励或内部失衡等原因引起的物体运动的周期性波动。
在许多机械系统中，振动是无法避免的，它对机械设备的性能、可靠性和寿命产生重要影响。
因此，对机械振动进行分析与控制是非常关键的。
一、振动的原因和分类机械振动可以分为自由振动、强迫振动和阻尼振动等几种类型。
自由振动是指物体在无外力作用下的振动，其周期只与物体本身的特性有关。
强迫振动是由于外界激励引起的振动，其振动频率与激励频率相同。
阻尼振动则是指物体在振动过程中由于摩擦和阻尼等因素的作用而逐渐减弱。
机械振动的原因通常包括机械失衡、不平衡加载和机械结构异常等。
例如，车辆行驶时发动机失衡会导致车身振动，轴承故障会引起机械设备的振动等。
二、振动分析振动分析是指通过测量和分析振动信号，了解振动特性、诊断故障和评估机械设备性能。
通常使用振动传感器将振动信号转化为电信号后，再通过振动分析仪器进行处理和解读。
振动信号的分析一般包括振动的幅值、频率、相位和波形等。
幅值表示振动的强度，频率代表振动的周期性，相位描述振动信号的时序关系，波形则反映振动信号的整体特征。
利用振动分析技术可以检测机械故障，如轴承、齿轮和螺栓等的异常振动。
通过对振动信号的分析，可以确定故障类型、位置和严重程度，为机械设备的维修和保养提供指导。
三、振动控制振动控制是指通过采取措施减少或消除机械振动的影响。
常见的振动控制方法包括减振、削弱和隔振等。
减振是指通过改进机械设备的结构和工艺，减少振动源的产生。
例如，在发动机设计中加装减振器、增加刚度和减小质量等措施，可以有效降低振动的幅值。
削弱是指通过对振动传播途径的控制，减弱振动对机械系统的影响。
例如，在建筑结构中采用隔振层和减振器等技术，可以降低地震和风振对建筑物的影响。
隔振是指通过加装隔振装置，将振动源和受振体有效隔离，减少振动的传播路径。
常见的隔振装置包括弹簧隔振器、减振垫和悬吊系统等。
四、振动分析与控制技术的应用振动分析与控制技术在各个领域中得到广泛应用。
高中物理 第十一章 机械振动 章末总结课件 新人教版选修34
三、单摆(dān bǎi)周期公式的应用
摆线相距平衡位置的角度，以不大于5°为宜，故c是错误的；
拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5°，释放摆球，当摆
球振动稳定后，从平衡位置开始计时，记下摆球做50次全振
动所用的时间(shíjiān)Δt，则单摆周期T＝ ，故d错，e对.
答案 abe
第十六页，共36页。
二、简谐运动( jiǎn xié yùn dònɡ)的周期性和对称
在图乙中，物体(wùtǐ)从A先向左运动，当物体(wùtǐ)第一
次以相同的速度通过B点时，即图中从1运动到2时，时间
为1 s，从2运动到3，又经过1 s，同样A、B两点关于O点
对称，从图中可以看出从1运动到3共经历了1.5T，即1.5T
余弦)函数规律x＝ Asin(ωt＋φ)
动 (yùn dòng)
位移x：以 平衡位为置参考点
描述 物理量 振幅A：离开平衡位置的最大距
离
第四页，共36页。
描 述 物理量
周期T：完成(w一án次ch全én振g) 动(zhèndòng需)
要的时间 频率(pínl单ǜ)位f：时间
内完成全振T＝
1 f
动的次数
Δt
50
第二十七页，共36页。
自我(zìwǒ)检测区
123
第二十八页，共36页。
123
1.(简谐运动与图象问题的综合)一个弹簧振子沿x轴做简谐运动， 取平衡位置O为x轴坐标原点.从某时刻开始计时，经过四分之一 的周期，振子具有沿x轴正方向的最大加速度.能正确反映 (fǎnyìng)振子位移x与时间t关系的图象是下图中的( )
＝2π
l得l＝
T2＝g
v 1.52×mπ2≈0.56 m.
第十一章 《机械振动》教材分析选修3-4adoc
第十一章《机械振动》教材分析第一节简谐运动【学习目标】1．了解什么是机械振动、简谐运动2．正确理解简谐运动图象的物理含义，知道简谐运动的图象是一条正弦或余弦曲线。
【教学重点】掌握简谐运动特征及相关物理量的变化规律.【教学难点】理解简谐运动的运动学特征。
【疑点】振动图象与振动轨迹的区别【易错点】学生易将振动图象中一质点的振动情况和下一章将要学习的波动图象中不同质点的振动情况相混淆【思想方法】运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，抽象出物理模型——弹簧振子，研究弹簧振子在理想条件下的振动。
【教材资源】1、P4做一做：在弹簧振子的小球上安装一技绘图笔，让一条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运动，笔在纸带上画出的就是小球的振动图象。
当弹簧振子振动时，沿垂置于振动方向匀速拉动纸带，毛笔P就在纸带上画出一条振动曲线。
说明：匀速拉动纸带时，纸带移动的距离与时间成正比，纸带拉动一定的距离对应振子振动一定的时间，因此纸带的运动方向可以代表时间轴的方向，纸带运动的距离就可以代表时间。
介绍这种记录振动方法的实际应用例子：心电图仪、地震仪。
2、P5问题与练习2第二节简谐运动的描述【学习目标】1．知道简谐运动的振幅、周期和频率的含义。
2．熟悉简谐运动的表达式。
3．知道振动物体的固有周期和固有频率，并正确理解与振幅无关。
【教学重点】振幅、周期和频率的物理意义；【教学难点】理解振动物体的固有周期和固有频率与振幅无关。
【疑点】相位的物理意义。
【易错点】偏离平衡位置的位移与运动学中的位移概念容易混淆。
【思想方法】提高学生观察、分析、实验能力和动手能力，从而让学生知道实验是研究物理科学的重要基础。
【教材资源】1、P8科学漫步：月相一方面说明相位这个个概念的用途，另一方面也培养学生对于大自然的兴趣和用物理知识分析自然现象的能力。
第三节简谐运动的回复力和能量【学习目标】掌握简谐运动的定义；了解简谐运动的运动特征；掌握简谐运动的回复力特点，简谐运动的能量变化规律。
机械振动的系统动力学分析
错误！未找到引用源。
机械振动的系统动力学分析一、机械振动1,机械振动(1)定义:物体在平衡位置附近所做的往复运动,叫做机械振动,简称振动.(2)产生振动的条件:①物体受到的阻力足够小②物体受到的回复力的作用手施力使水平弹簧振子偏离平衡位置,感到振子受到一指向平衡位置的力,它总要使振子返回平衡位置,所以叫做回复力.回复力是根据力的作用效果命名的.回复力可以是弹力,也可以是其它的力,或几个力的合力,或某个力的分力.(3)机械振动是一种普遍的运动形式,大至地壳振动,小至分子,原子的振动.2,简谐运动(1)定义:物体在跟位移的大小成正比,并且总指向平衡位置的回复力作用下的运动,叫简谐运动(2)条件:物体做简谐运动的条件是F=-kx,即物体受到的回复力F跟位移大小成正比,方向跟位移方向相反.(3)对F=-kx的理解:对一般的简谐运动,k是一个比例常数,不同的简谐运动,K值不同,k是由振动系统本身结构决定的物理量,在弹簧振子中,k是弹簧的劲度系数.3,简谐运动的特点(1)回复力:物体在往复运动期间,回复力的大小和方向均做周期性的变化,物体处在最大位移处时的回复力最大,物体处于平衡位置时的回复力最小(为零),物体经过平衡位置时,回复力的方向发生改变.(2)加速度:由力与加速度的瞬时对应关系可知,回复力产生的加速度也是周期性变化的,且与回复力的变化步调相同.(3)位移:物体做简谐运动时,它的位移(大小和方向)也是周期性变化的,为研究问题方便,选取平衡位置位移的起点,物体经平衡位置时位移的方向改变.(4)速度:简谐运动是变加速运动,速度的变化也具有周期性(包括大小和方向),物体经平衡位置时的速度最大,物体在最大位移处的速度为零,且物体的速度方向改变.4,振幅(A)(1)定义:振动物体离开平衡位置的最大距离,单位:m(2)作用:描述振动的强弱.(3)振幅和位移的区别:对于一个给定的振动,振子的位移是时刻变化的,但振幅是不变的,位移是向量,振幅是标量,它等于最大位移的大小.5,周期和频率(1)周期(T):振动物体完成一次全振动所需要的时间,单位:s(2)频率(f):单位时间内完成全振动的次数,单位:Hz(3)一次全振动(往返一次):振动物体经过一段时间的运动,位移,加速度,速度都恢复为原来的状态,即完成一次全振动.如振子从O→B→O→C→O或从B→O→C→O→B等.(4)周期与频率的关系:f=1/T 1Hz=1/s=s-1(5)作用:描述振动的快慢(6)测量仪器:秒表,节拍器6,固有周期和固有频率(1)弹簧振子的周期由振动系统中振子的质量与劲度系数决定,而与振幅无关.(2)公式:(3)简谐运动的周期和频率由振动系数本身的性质决定,因此叫做固有周期和固有频率.二、因果环图分析STELLA建模1.加速度,速度模型加速度在时间上的积累得到速度而速度在时间上的积累是位移。
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x Acos(t )
教
程
点旋以转o矢为量原A
第 十
的端点在 x轴
一 章
上的投影点的
机
运动为简谐运
械 振
动.
动
19
普
§ 11-2 旋转矢量
通
物
理
教 程
点旋以转o矢为量原A
第
t 0
A 的端点在 x轴
十 一 章
机 械
o
x0 x
x0 Acos
上的投影点的 运动为简谐运 动.
振
动
20
普
§ 11-2 旋转矢量
机
械 解得 x Acos(t )
振
动
积分常数，根据初始条件确定
简谐运动方程
8
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物
理
x Acos(t )
x x t图
教
A
程 T 2π 取 0
o
t
T
第
A sin(t )
十 一
A cos(t π)
A
A v
o
v t 图
T
t
章
2 A
机 械 振 动
通
物
理
教 程
A
点旋以转o矢为量原A
第
t t
t
的端点在 x轴
十 一 章
o
x 上的投影点的
运动为简谐运
机 械
x Acos(t )
动.
振
动
21
普
§ 11-2 旋转矢量
通
物 理 教 程
y
vm t π
vm A
第 十 一 章
t an
A
2
v A cos(t )
O a v
x an A 2
x Acos(t )
机
a A2 cos(t )
械
振
动
通
物 理
弹簧振子的运动
教
程
l0 k
m
第 十
x
一 章
A
o
A
机
x0 f 0
械
振
动
第九章 振动
5
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物
理
教
程
a 回复力
第 十 一 章
机 械 振
动 振动的成因
a 回复力
6
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通 物
弹簧振子的运动分析
理
教
F
程
m
o
x
x
第
十
F kx ma
机械振动
A 定义：
第 物体或物体的某一部分在一定
十 一
平衡位置附近来回往复的运动
章
b 实例：
机
械 心脏的跳动，钟摆，乐器，地震等
振
动 c 周期和非周期振动
3
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
11.1.1
简谐振动的动力学方程及其解
教 程
——运动方程
例11-1.（P53)水平弹簧振子的运动
第 十
将倔强系数为 k 的轻弹簧一端固定,另
一 章
一端接一个质量为 m 的物体(振子),水平放
机 置在光滑平面上，就形成了水平的弹簧振子
械 振
系统.当振子被拉(或压)离平衡 位置(即振子
动 受弹力为零的位置)时,由于弹 力的作用,振
子将会在平衡位置附近作往复运动.
4
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
a A 2 cos(t ) A 2 cos(t π)
a
A 2
o
§11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
11.1.2、描述简谐振动的特征量
教 程
1
振幅
x Acos(t ) Acos( 2π t )
T
第
十
一 章
A x max
x xt图
机
A
械 振 动
80
80
频率为 1/ T 1.33Hz
第
十 一
动物的心跳（次/分）
章
机
大象 25~30 马 40~50
械
振
猪
60~80 兔 100
动
松鼠 380 鲸
8
15
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物
理 教
昆虫翅膀振动的频率（Hz）
程
雌性蚊子 355~415
第 十
雄性蚊子 455~600
一
章
苍蝇
330
机
械
黄蜂
220
振
动
16
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
练习 一弹簧振子，弹簧的劲度系数为0.32
教
程 N/m，重物的质量为0.02 kg，则这个系统的
固有频率为_0_.6_4_H__z__，相应的振动周期为
第 __π__/_2____．
十
一 章
解
k 2π
机
m
械
振 动
1 k 0.64 Hz
振 动
tan v0
定，振幅和初相由初始 条件决定.
x0
11
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
2 相位与初相
t
教
程
x Acos(t )
相位 (位相) (t) t
第
十
一 章
初相
初相位
t 0时，(t)
机 械
相位的意义:表征任意时刻（t）物体振
振 动
动状态（相貌）.
物体经一周期的振动，
一
章
机 械
得 d2 x 2 x
dt 2
令 2 k
m 即 a 2 x
振 动
具有加速度 a 与位移的大小x成正比,而方
向相反特征的振动称为简谐运动
7
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
解方程
教
程
d2 x 2 x
dt 2
简谐运动的微分方程
第 设初始条件为:
十
一 章
t 0 时，x x0 ，v=v0
相位改变 2π .
12
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物
理 3 周期 频率
教 程
x Acos(t ) Acos[(t T ) ]
周期 T 2π
第
十
x
A
一 章
注意 弹簧振子周期 o
A
机
械 振 动
T 2π m
k
xt图
Tt
T 2
13
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理 教
普 通 物 理 教 程
第十一章 机械振动
北京建筑大学 理学院 应用物理系
1
第十一章 机械振动
普
通
物
理
教 程
§1.1 简谐振动基本概念和规律
§1.2 旋转矢量
第 §1.3 简谐振动的能量
十
一 §1.4 阻尼振动 受迫振动和共振
章
机 §1.5 简谐振动的合成
械 振 动
2
2
普
第十一章
通
物
理
教 程
机械振动
A
x02
(
0
)2
o
A
arctan(
0 x0
)
10
Tt
T
2
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 理
常数A和的确定
教 程
x Acos(t )
v A sin(t )
第 十
初始条件 t 0 x x0 v v0
一
章
机 械
A
x2 0
v2 0
2
对给定振动系统， 周期由系统本身性质决
公式 x Acos(t )
Acos[(t T ) ]
程
频率 1
T 2π
x xt图
第
圆频率
十
A
一 章
机
2 π 2 π
o
T
A
Tt
T
2
械
振
动
周期和频率仅与振动系统本身的物理性质有关
14
普 §11.1简谐振动的基本概念和规律
通
物 例如，心脏的跳动80次/分
理 教 程
周期为 T 1 (min） 60 (s) 0.75 s
2π m
T 2π 0.5π
17
普
§ 11-2 旋转矢量
通
物 理
旋转矢量
教
自Ox轴的原点
程
O作一矢量 A，使
它的模等于振动的
第 十
振幅A ，并使矢量A
在 Oxy平面内绕点
一 章
O作逆时针方向的
机
匀角速转动，其角
械
速度 与振动频率
振
动
相等，这个矢量就
叫做旋转矢量.
18
普
§ 11-2 旋转矢量
通
物 理