2011《非线性振动》试题解答解析

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11年A答案草稿

11年A答案草稿

一、 填空题1、第一空:质点组不受外力或所受外力的矢量和为零(1分) 第二空:质点组不受外力或所受外力对某定点的力矩的矢量和为零(1分)第三空:作用在质点组上的所有外力及内力都是保守力(或其中只有保守力做功)(2分,如无括号内的内容则1分) 2、作用在一力学体系上诸约束反力(评卷注意:不同参考书上对“约束反力”和“约束力”存在使用上的混淆,可以在评卷时适当放宽两个名词上的选用问题)在任意虚位移r δ中所作的虚功之和为零,即(4分)3、ae at 或ar (2分), be at 或br (2分)4、(每空1分)二、简答题(参考答案) 1、(1)平动,3(1分) (2)定轴转动,1(1分) (3)平面平行运动,3(1分) (4)定点转动,3(1分) (5)一般运动,6(2分)2、科氏加速度是由于在定系中的观察者来看,牵连运动使相对速度的方向发生改变,而相对运动又同时使牵连速度r ω⨯中的r 发生改变。

即科里奥利加速度v w'⨯2是由牵连运动与相对运动相互影响所产生的。

(6分) 3、虚位移:(2分)在质点系运动过程的某瞬时,质点系在约束允许的条件下,可能实现的任何无限小位移,称为质点系(在该瞬时)的虚位移。

01=⋅∑=i n i i r δR r v r ⨯+ωr r v ωr ωωr ωa ⨯+⨯⨯-⨯+2)()(r ωωr ω ⨯⨯-⨯r v ω ⨯2其与实位移的区别:(1)实位移是在一定的力作用下和给定的初条件下运动而实际发生的,虚位移是在约束容许的条件下可能发生的;(1分)(2)实位移具有确定的方向,可能是微小值,也可能是有限值,虚位移则是微小位移,视约束情况可能有几种不同的方向;(2分)(3)实位移是在一定的时间内发生的,虚位移只是纯几何的概念,完全与时间无关;(1分)(4)在定常约束下,微小的实位移必然是虚位移之一。

而在非定常约束下,微小实位移不再是虚位移之一。

(2分)三、分析题1、取坐标系如图点A坐标yA=ltanφ变分后的A的虚位移δy A=l δφ/cos2φC的虚位移δr c=aδφ(方向标记2分)(评分注意,如果解答时对题意出现误解,认为是沿Z轴的负方向转动,但A和C点的虚位移方向标识相一致,则可以考虑酌情给1分)(虚位移的关系式分析3分)2、C 点不是瞬心,因为必须用同一刚体上的两个速度来确定改刚体的瞬心,而V A 和V D 是不同刚体上的速度。

7模块七振动检测思考题与练习题分析

7模块七振动检测思考题与练习题分析

《传感器与检测技术项目教程》统一书号:ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站:或2015年2月第1版(主编:梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫)模块七振动检测思考题与练习题解题分析参考(填空中的红色文字并不等于就是答案,只是给出了怎样选择A、B、C、D中正确的一个答案的分析方法)7-1 单项选择题1)___最简单___的振动量为时间的正弦或余弦函数,是最基本的机械振动形式。

A.随机振动B.瞬态振动C.简谐振动D.衰减振动2)振动角频率ω=1rad/s,f约为___一个rad等于2π___Hz。

A.1 B.πC.2πD.1/2π3)测得某简谐振动的峰峰值x pp=2V,则单峰值x p=___一半___V,有效值x=___1/(根号2)___V,平均值x=___(2/π)x p___V。

A.1 B.0.5 C.0.707 D.0.6374)某简谐振动的位移x=x m cos(ωt+φ)=1cos(2πft+0),测得x m=1m,f=50Hz,振动速度v=v m cos(ωt+φ+π/2)=-ωx m sin(ωt+φ)。

则振动速度的单峰值|v m|=___2πf___m/s。

A.1 B.π C.314 D.6285)某简谐振动的频率f=50Hz,振幅的单峰值x m=1mm。

根据式(7-4),加速度幅值a m≈___a m=ω2(x p/9.81)=4π2f2x m/9.81≈4f2x m=___(单位为g)。

A.1 B.104C.πf2D.1/(4f2x m)6)简谐振动的振动烈度v F=1mm/s,振动频率f=50Hz,则振幅峰峰值x pp=___可参考公式(7-5)___μm。

A.1 B.50 C.0.45 D.9A.1 B.50 C.0.45 D.97)将超声波(机械振动波)转换成电信号是利用压电材料的___力转换为电___;蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电晶片发声原理是利用压电材料的___反过来___。

2011年高考物理各地试题分类汇编及解析

2011年高考物理各地试题分类汇编及解析

2011普通高校招生考试试题汇编-选修3-41(广东第18题).光电效应实验中,下列表述正确的是A.光照时间越长光电流越大B.入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率有关D.入射光频率大于极限频率才能产生光电子2(2011安徽第15题).实验表明,可见光通过三棱镜时各色光的折射率n 随着波长λ的变化符合科西经验公式:24BC n A λλ=++,其中A 、B 、C 是正的常量。

太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如下图所示。

则 A .屏上c 处是紫光B .屏上d 处是红光C .屏上b 处是紫光D .屏上a 处是红光答案:D解析:白色光经过三棱镜后产生色散现象,在光屏由上至下(a 、b 、c 、d )依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

屏上a 处为红光,屏上d 处是紫光,D 正确。

3(2011全国卷1第16题)雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹。

设水滴是球形的,图中的圆代表水滴过球心的截面,入射光线在过此截面的平面内,a 、b 、c 、d 代表四条不同颜色的出射光线,则它们可能依次是A.紫光、黄光、蓝光和红光B.紫光、蓝光、黄光和红光C.红光、蓝光、黄光和紫光D.红光、黄光、蓝光和紫光解析:按照偏折程度从小到大的排序为d 、c 、b 、a 、故:折射率为:d c b a n n n n <<<频率为:d c b a f f f f <<<选B4(2011全国卷1第21题)一列简谐横波沿x 轴传播,波长为1.2m ,振幅为A 。

当坐标为x=0处质元的位移为2A -且向y 轴负方向运动时.坐标为x=0.4m处质元的位移为A 。

当坐标为x=0.2m 处的质元位于平衡位置且向y 轴正方向运动时,x=0.4m 处质元的位移和运动方向分别为ab cA .12A -、延y 轴正方向B . 12A -,延y 轴负方向C .A 、延y 轴正方向D .A 、延y 轴负方向 解析:选C5(2011海南18模块3-4试题).(12分)(1)(4分)一列简谐横波在t=0时的波形图如图所示。

非线性振动——精选推荐

非线性振动——精选推荐

非线性振动非线性振动§0.1非线性振动的研究对象在自然界、工程技术、日常生活和社会生活中,普遍存在着物体的往复运动或状态的循环变化。

这类现象称为振荡。

例如大海的波涛起伏、花的日开夜闭、钟摆的摆动、心脏的跳动、经济发展的高涨和萧条等形形色色的现象都具有明显的振荡特性。

振动是一种特殊的振荡,即平衡位置四周微小或有限的振荡。

如声波和超声波、工程技术中的机器和结构物的机械振动、无线电和光学中的电磁振荡等。

从最小的初等粒子到巨大的天体,从简单的摆到复杂的生物体,无处不存在振动现象。

有时人们力图防止或减小振动,有时又力图制造和利用振动。

尽管振动现象的形式多种多样,但有着共同的客观规律和同一的数学表达形式。

因此有可能建立同一的理论来进行研究,即振动力学。

振动力学是力学、声学、无线电电子学、自动控制理论等学科,以及机械、航空、土木、水利等工程学科的理论基础之一。

它应用数学分析、实验量测和数值计算等方法,探讨振动现象的机理和基本规律,为解决与振动有关的实际题目提供理论依据。

根据描述振动的数学模型的不同,振动理论区分为线性振动理论和非线性振动理论。

线性振动理论适用于线性系统,即质量不变、弹性力和阻尼力与运动参数成线性关系的系统,其数学描述为线性常系数常微分方程。

不能简化为线性系统的系统为非线性系统,研究非线性系统的振动理论就是非线性振动理论。

线性振动理论是对振动现象的近似描述,在振幅足够小的大多数情况下,线性振动理论可以足够正确地反映振动的客观规律。

频率、振幅、相位、激励、响应、模态等都是在线性理论中建立起来的基本概念。

实际机械系统中广泛存在着各种非线性因素,如电场力、磁场力、万有引力等作用力非线性,法向加速度、哥氏加速度等运动学非线性,非线性本构关系等材料非线性,弹性大变形等几何非线性等。

因此工程实际中的振动系统尽大多数都是非线性系统。

由于非线性微分方程尚无普遍有效的精确求解方法,而线性常微分方程的数学理论已十分完善,因此将非线性系统以线性系统代替是工程中常用的有效方法,但仅限于一定的范围。

第7章思考题与参考答案

第7章思考题与参考答案

第7章思考题参考答案1. 为什么说结构的自振频率是结构的重要动力特征,它与那些量有关,怎样修改它? 答:动荷载(或初位移、初速度)确定后,结构的动力响应由结构的自振频率控制。

从计算公式看,自振频率与质量与刚度有关。

质量与刚度确定后自振频率就确定了,不随外部作用而改变,是体系固有的属性。

为了减小动力响应一般要调整结构的周期(自振频率),只能通过改变体系的质量、刚度来达到。

总的来说增加质量将使自振频率降低,而增加刚度将使自振频率增加。

2.自由振动的振幅与那些量有关?答:振幅是体系动力响应的幅值,动力响应由外部作用和体系的动力特性确定。

对于自由振动,引起振动的外部作用是初位移和初速度。

因此,振幅应该与初位移、初速度以及体系的质量和刚度的大小与分布(也即频率等特性)有关。

当计及体系阻尼时,则还与阻尼有关。

3. 任何体系都能发生自由振动吗?什么是阻尼比,如何确定结构的阻尼比?答:并不是所有体系都能发生自由振动的,当体系中的阻尼大到一定程度时,体系在初位移和初速度作用下并不产生振动,将这时的体系阻尼系数称为临界组尼系数,其值为2m ω。

当阻尼系数小于该值时(称为小阻尼),可以发生自由振动。

阻尼比是表示体系中阻尼大小的一个量,它为体系中实际阻尼系数与临界阻尼系数之比。

若阻尼比为0.05,则意味着体系阻尼是临界阻尼的5%。

阻尼比可通过实测获得,方法有多种,振幅法是其中之一,振幅法确定阻尼比读者可见教材例题7-1。

4. 阻尼对频率、振幅有何影响?答:按粘滞阻尼(或等效粘滞阻尼)假定分析出的体系自振频率计阻尼与不计阻尼是不一样的,2者之间的关系为d ω=,计阻尼自振频率d ω小于不计阻尼频率ω,计阻尼时的自振周期会长于不计阻尼的周期。

由于相差不大,通常不考虑阻尼对自振频率的影响。

阻尼对振幅的影响在频比(荷载频率与自振频率的比)不同时大小不同,当频比在1附近(接近共振)时影响大,远离1时影响小。

为了简化计算在频比远离1时可不计阻尼影响。

机械系统非线性振动及其控制试题

机械系统非线性振动及其控制试题

机械系统非线性振动及其控制试题
1 如下图所示的三层楼房, 已知:第二层上作用有水平简谐荷载
kN , 用振型叠加法计算图示刚架各楼层的振幅值。

2 如下图所示,双质量弹簧系统在m1上作用一谐波激励F1sin ωt 。

已知,m1=m ,m2=2m ,k1=k2=k ,k3=2k ,试建立系统的振动方程,并用解耦分析法求系统的响应(初始位移和速度为零)。

3 非线性振动方程为
()cos 0.1
0.5 2.0
11()0
1111x f x p t
p or x x f x x x x +=Ω=Ω=->⎧⎪=-≤≤⎨⎪+<-⎩
采用分段积分求相图。

()P 20sin F t t ω=
4 选择一实际机构或结构,建立动力学模型和振动方程,并编制动力学分析程序,获得振动系统的响应图、频谱图、相图、庞加来截面图,以及系统振动随某参数的变化情况。

研究生课程考试答题册
学号
姓名
考试科目
考试日期
西北工业大学研究生院
wangsami@ 2013年3月1日之前。

非线性物理试题及答案

非线性物理试题及答案

非线性物理试题及答案一、单项选择题(每题2分,共10分)1. 非线性物理中,下列哪个选项不是非线性系统的特征?A. 可积性B. 混沌现象C. 多值性D. 确定性答案:D2. 非线性动力学中,下列哪个方程是描述非线性振动的?A. 简谐振动方程B. 阻尼振动方程C. 范德波尔方程D. 线性耦合振动方程答案:C3. 在非线性系统中,下列哪个现象不是由非线性引起的?A. 倍周期分叉B. 相空间收缩C. 周期解D. 线性共振答案:D4. 非线性系统中,下列哪个概念与系统的稳定性无关?A. 李雅普诺夫指数B. 费根鲍姆常数C. 能量守恒D. 庞加莱映射答案:C5. 非线性光学中,下列哪个现象不是非线性效应?A. 光的二倍频B. 光的三倍频C. 光的偏振D. 光的自聚焦答案:C二、填空题(每题2分,共10分)6. 非线性系统的特点是_________,_________,和_________。

答案:不可预测性;多值性;混沌现象7. 非线性动力学中的_________现象是指系统在某些参数值下表现出的周期性行为突然消失,转变为混沌状态。

答案:倍周期分叉8. 在非线性系统中,_________指数是衡量系统稳定性的一个重要指标,它描述了系统轨迹在相空间中的发散或收敛速率。

答案:李雅普诺夫9. 非线性光学中的_________效应是指光在介质中传播时,光的折射率随光的强度变化而变化。

答案:克尔10. 非线性系统中的_________映射是一种在相空间中描述系统演化的数学工具,常用于研究系统的周期性和分叉行为。

答案:庞加莱三、简答题(每题10分,共20分)11. 简述非线性系统与线性系统的主要区别。

答案:非线性系统与线性系统的主要区别在于:(1)线性系统满足叠加原理,即系统的响应与输入成正比,而非线性系统不满足叠加原理,系统的响应与输入之间存在复杂的关系。

(2)线性系统的解通常是稳定的,而非线性系统的解可能是不稳定的,甚至可能出现混沌现象。

《机械振动》考试试题

《机械振动》考试试题

2009--2011中南大学考试试卷一、填空题(本题15分,每空1分)1、按不同情况进行分类,振动系统大致可分成,线性振动和(非线性振动);(确定性振动)和随机振动;自由振动和(强迫振动);周期振动和(瞬态振动);(连续系统)和离散系统。

2、(惯性)元件、(弹性)元件、(阻尼)元件是离散振动系统的三个最基本元素。

3、系统固有频率主要与系统的(质量)和(刚度)有关,与系统受到的激励无关。

4、研究随机振动的方法是(概率统计),工程上常见的随机过程的数字特征有:(均值),(方差),(自相关函数)和(互相关函数)。

二、简答题(本题40分,每小题8分)1、简述机械振动的定义和系统发生振动的原因。

(10分)答:机械振动是指机械或结构在它的静平衡位置附近往复弹性运动。

振动系统发生振动的原因是由于外界对系统运动状态的影响,即外界对系统的激励或作用。

2、简述振动系统的实际阻尼、临界阻尼、阻尼比的联系与区别。

答:实际阻尼是度量系统消耗能量的能力的物理量,阻尼系数c是度量阻尼的量;临界阻尼是c2enm ω=;阻尼比是/eccξ=(8分)3、共振具体指的是振动系统在什么状态下振动?简述其能量集聚过程?答:共振是指振动系统在激励频率约等于系统的固有频率时的振动状态。

在此过程中,激励力与阻尼力平衡,弹性力与惯性力平衡。

即动能与势能相互转化,激励力提供阻尼消耗。

4、简述线性系统在振动过程中动能和势能之间的关系。

(8分)5、简述刚度矩阵[K]中元素k ij的意义。

答:如果系统的第j个自由度沿其坐标正方向有一个单位位移,其余各个自由度的位移保持为零,为保持系统这种变形状态需要在各个自由度施加外力,其中在第i个自由度上施加的外力就是kij(8分)三、计算题(45分)3.1、(10分)求如图1所示的扭转系统的固有频率。

图13.2、(15分)如图2所示系统,轮子可绕水平轴转动,对转轴的转动惯量为I,轮缘绕有软绳,下端挂有重量为P的物体,绳与轮缘之间无滑动。

《机械振动》课程期终考试卷-答案

《机械振动》课程期终考试卷-答案

《机械振动》课程期终考试卷-答案一、填空题1、机械振动按不同情况进行分类大致可分成(线性振动)和非线性振动;确定性振动和(随机振动);(自由振动)和强迫振动。

2、周期运动的最简单形式是(简谐运动),它是时间的单一(正弦)或(余弦)函数。

3、单自由度系统无阻尼自由振动的频率只与(质量)和(刚度)有关,与系统受到的激励无关。

4、简谐激励下单自由度系统的响应由(瞬态响应)和(稳态响应)组成。

5、工程上分析随机振动用(数学统计)方法,描述随机过程的最基本的数字特征包括均值、方差、(自相关函数)和(互相关函数)。

6、单位脉冲力激励下,系统的脉冲响应函数和系统的(频响函数)函数是一对傅里叶变换对,和系统的(传递函数)函数是一对拉普拉斯变换对。

2、在离散系统中,弹性元件储存( 势能),惯性元件储存(动能),(阻尼)元件耗散能量。

4、叠加原理是分析(线性)系统的基础。

5、系统固有频率主要与系统的(刚度)和(质量)有关,与系统受到的激励无关。

6、系统的脉冲响应函数和(频响函数)函数是一对傅里叶变换对,和(传递函数)函数是一对拉普拉斯变换对。

7、机械振动是指机械或结构在平衡位置附近的(往复弹性)运动。

1.振动基本研究课题中的系统识别是指根据已知的激励和响应特性分析系统的性质,并可得到振动系统的全部参数。

(本小题2分)2.振动按激励情况可分为自由振动和强迫振动两类。

(本小题2分)。

3.图(a )所示n 个弹簧串联的等效刚度=k ∑i ik 111;图(b )所示n 个粘性阻尼串联的等效粘性阻尼系数=e C ∑=ni ic 111。

(本小题3分)(a )(b )题一 3 题图4.已知简谐振动的物体通过距离静平衡位置为cm x 51=和cm x 102=时的速度分别为s cm x 201= 和s cm x 82= ,则其振动周期=T 2.97s ;振幅=A 10.69cm 。

(本小题4分)5.如图(a )所示扭转振动系统,等效为如图(b )所示以转角2?描述系统运动的单自由度系统后,则系统的等效转动惯量=eq I 221I i I +,等效扭转刚度=teq k 221t t k i k +。

第十一章非线性振动(2011版)

第十一章非线性振动(2011版)

224第十一章 非线性振动11.1 引言振动系统的许多运动状态可以按线性系统来分析,解释,但这只能限于一定的范围之内,因为系统中某些元件的特性只在某一定范围之内才是线性的。

例如,一个弹簧被拉伸或压缩,其中将分别产生拉压恢复力,在一定范围之内,力与变形之间的关系是线性的,超过这一范围,恢复力增长的速率将大于变形增长的速率(硬弹簧)或小于变形增长的速率(软弹簧)。

因此,一个简单的弹簧—质量振子,如果工作于弹簧的线性范围之内,就可以看为一个线性系统;如果工作于这线性范围之外,就是一个非线性系统。

同理,一个单摆,如果振幅θ充分小以至可以假设sin θ就等于θ,则可看为线性系统。

但对于大幅振动,这种假设就不再正确。

本质上是非线性的系统如果简单当作线性系统来处理,则不仅所得结果在数量上的误差过大,更重要的是按照线性理论将无法预料或解释实际系统可能出现的某些重要的非线性现象。

对于线性系统,因果关系是线性的。

即载荷加倍,响应也就加倍;若同时作用有不同的载荷,总响应就是各个单独载荷的响应之和,因此可以应用叠加原理,对于非线性系统因果关系不再是线性的,叠加原理也就不再适用。

非线性系统至今没有一般的解法,只能采用一些特殊的研究方法来尽可能地揭示系统的某些重要的运动性态。

这些方法沿着定性的与定量的两个方向发展,二者相辅相成,法国物理学家邦加来(Poincare )在这两个方面都作出了奠基性的工作。

本章通过的一些典型的1自由度非线性系统介绍方法与定量方法的一些初步认识;揭示非线性系统所特有的某些重要的运动性态。

11.2相平面1自由度振动系统的运动微分方程一般形式为...,,0f x t xx ⎛⎫+= ⎪⎝⎭(11.2-1)其中.,,f x t x ⎛⎫ ⎪⎝⎭可以是x 与.x 的非线性函数。

如.,,f x t x ⎛⎫⎪⎝⎭不显含时间t ,则有...,0f x xx ⎛⎫+= ⎪⎝⎭(11.2-2)方程(11.2-1)所表示的系统称为非自治系统,而方程(11.2-2)可改写为两个联立的一阶方程如下..(,)x yy f x y ==- (11.2-3)如果把x 与y 都看为笛卡儿坐标,则x-y 平面成为相平面。

参考文献(2011版)

参考文献(2011版)

参考文献[1]Thomson, W. T., Theory of Vibration with Applications, Prentice-Hall, 1972.[2]Meitovitch, L., Elements of Vibration Analysis. McGraw-Hill, 1975.[3]Meitovitch, L.,Analytical Methods in Vibrations, Macmillan, 1967.[4]Timoshenko, S., D .H. Young. W. Weaver, Jr., Vibration Problems in Engineering, 4 ed., John Wiley, andSons, 1974.[5]Clough, R. W,J. Penzien, Dynamics of Structures, McGraw-Hill, 1975.[6]Den Hartog, J. P, Mechanical, 4 ed., McGraw-Hill, 1956.[7]Bishop, R. E. D., D. C. Johnson, Mechanics of Vibration, Cambridge Univ. Press, 1960.[8]Bishop, R. E. D., G. M. L. Gladwell, S. Michaelson, The Matrix Analysis of Vibration, Cambridge Univ.Press, 1965.[9]Pestel, E. C., F. A. Leckie, Matrix Methods in Elastomechanics, McGraw-Hill, 1963.[10]MeCallion, H., Vibiration of Linear Mechanical Systems, Longman, l 973.[11]Tse, F. S., I. E. Morse, R. T. Hinkle, Mechanical Vibrations, Theory and Applications,2ed.,Allyn and Bacon,1987.[12]Dimarogonas, A. D., Vibration Engineering, West Publishing Co., 1976.[13]得丸英胜,振動論,コロメ社,1973(昭41).[14]真理厚,僟械振動,丸善,1966(昭41).[15]川井忠彦,ヌトリウケヌ法振動あすひ応答,培風舘,1970(昭45).[16]Воголюбов, Н.Н. ,Ю.А.Митрополъский,Асимптотические методы втеории нелинейныхколебаний , нзд . 4 - е ,《Наyка》,1974.[17]Малкин, Н. Г., Некоторые задачи теории нелинейных колебакий, Гостехи---здат, 1956.[18]Sroker, J. J., Nonlinear Vibrations in Mechanical and Electrical Systems, Interscience, 1950.[19]Minorsky N., Nonlinear Oscillations, Van Norstrand, 1962.[20]Arscoff, F. M., Periodic Differential Equations, Pergamon, 1964.[21]Crandall, S. H., W. D. Mark, Random Vibration in Mechanical Systems, Academic Press, 1963.[22]Robson, J. D., An Introduction to Random Vibration, Edinburgh Univ. Press, 1964.[23]Newland, D., An Introduction to Random Vibrations and Spectral Analysis, Longman, 1975.[24]Price, W. G., R. E. D. Bishop, Probabilistic Theory of Ship Dynamics, Chapman and Hall, 1974.[25]Harris, C. M., C. E. Ctede, Shock and Vibration Handbook, 2 ed., Me-Graw-Hill,1976.247原书章节目录绪论 (VII)第一章引论 (1)1.1机械振动 (1)1.2振动系统模型 (2)1.3激扰与响应 (5)1.4振动分类 (6)1.5振动问题及其解决方法 (6)第二章自由振动 (8)2.1引言 (8)2.2简谐振动 (8)2.3能量法 (16)2.4弹簧刚度系数 (23)2.5有粘性阻尼的振系的运动 (25)2.6衰减振动 (30)习题 (37)第三章强迫振动 (47)3.1引言 (47)3.2无阻尼振系在正弦型扰力作用下的振动 (47)3.3有阻尼振系在正弦型扰力作用下的振动 (53)3.4不平衡转子激发的振动 (63)3.5用复数方法求解强迫振动问题 (66)3.6支座激扰 (68)3.7振动的隔离 (73)3.8测振仪表 (75)3.9在强迫振动中激扰力与阻尼力的功 (79)3.10等值粘性阻尼 (81)3.11傅里叶级数 (85)3.12振系在任意的周期激扰下的强迫振动 (94)3.13直线运动与定轴转动的振系的类比 (97)3.14转轴的横向振动 (99)习题 (104)第四章瞬态振动 (112)4.1引言 (112)4.2振系对冲量的响应 (113)4.3振系对任意激扰力的响应 (115)2484.4任意的支座激扰 (127)4.5响应谱 (133)习题 (136)第五章二自由度系统的振动 (148)5.1引言 (148)5.2自由振动 (149)5.3车辆的振动 (158)5.4用初始条件表示自由振动 (162)5.52自由度振系的强迫振动,动力吸振器 (168)5.6离心摆式吸振器 (174)习题 (176)第六章多自由度系统的振动(一) (182)6.1引言 (182)6.2自由振动举例 (183)6.3用柔度法与刚度法列运动方程 (186)6.4固有频率与主振型(特征值与特征矢量) (202)6.5主振型(特征矢量)的正交性 (209)6.6等固有频率(重特征值)的情形 (212)6.7主振型矩阵、标准振型矩阵 (216)6.8固有频率随系统物理参数的变化 (220)6.9约束对系统固有频率的影响 (224)6.10无阻尼强迫振动 (227)6.11多自由度系统中的阻尼 (233)6.12比例阻尼系统的强迫振动 (235)6.13主坐标分析法小结 (239)6.14线性阻尼系统的动响应 (243)习题 (249)第七章多自由度系统的振动(二) (254)7.1引言 (254)7.2瑞利能量法 (254)7.3迹法(邓克利法) (263)7.4里茨(R ITZ)法 (267)7.5矩阵迭代法 (274)7.6子空间迭代法 (280)7.7半定系统 (286)7.8传递矩阵法 (296)7.81基本概念与方法 (297)2497.82轴的扭转振动 (299)7.83梁的弯曲振动 (307)习题 (313)第八章拉格朗日方程 (318)8.1引言 (318)8.2拉格朗日方程 (318)8.3微振动方程 (327)习题 (338)第九章弹性体振动的准确解 (341)9.1引言 (341)9.2弦的振动 (342)9.3杆的纵向振动 (347)9.4轴的扭转振动 (351)9.5梁的弯曲振动 (356)9.6简支梁情形 (360)9.7固支粱情形 (363)9.8悬臂梁情形 (365)9.9振型函数的正交性 (370)9.10主振型叠加法 (375)习题 (382)第十章弹性体振动的近似解法 (385)10.1引言 (385)10.2集中质量法 (385)10.3广义坐标法 (388)10.4假设模态法 (390)10.5模态综合法 (400)10.6有限元素法 (407)习题 (421)第十一章非线性振动 (424)11.1引言 (424)11.2相平面 (425)11.3保守系统 (427)11.4奇点的性质 (436)11.5极限环,自激振动 (446)11.6等倾线法 (451)11.7利埃纳法 (452)11.8基本摄动法 (461)25011.10KBM法(一) (472)11.11KBM法(二) (483)11.12KBM法(三) (491)11.13多尺度法 (507)11.14平均法 (515)11.15参数共振 (525)习题 (534)第十二章随机振动的数学描述 (537)12.1引言 (537)12.2集合平均,定常过程 (538)12.3时间平均,遍历过程 (539)12.4概率分布,概率密度 (543)12.5矩 (548)12.6联合概率分布 (550)12.7正态过程 (556)12.8自相关函数 (559)12.9功率谱(自谱)密度 (562)12.10窄带过程与宽带过程 (567)12.11互相关函数 (570)12.12互功率谱(互谱) (572)习题 (575)第十三章随机振动的激励-响应关系 (580)13.1引言 (580)13.2脉冲响应法 (581)13.3频率响应法 (586)13.4随机激励-响应关系(一) (589)13.41 平均值 (590)13.42 自相关 (591)13.43 自谱 (592)13.44 均方值 (592)13.45 互相关 (598)13.46 互谱 (599)13.5随机激励-响应关系(二) (600)13.6随机响应的模态分析法 (610)习题 (613)第十四章随机振动的功率谱估计 (618)25114.2谱估计 (618)14.3有限分辨率与泄漏 (621)14.4估计谱方差 (625)附录A 复数运算 (633)附录B 矩阵 (638)附录C 拉格朗日方程预备知识 (655)附录D 谐和变换 (659)附录E 关于线性阻尼系统的去耦条件 (665)参考文献 (668)252。

物理学_东南大学 马文蔚__第五版_下册_第九章到第十五章课后答案(个人整理)

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第九章 振动9-1 一个质点作简谐运动,振幅为A ,在起始时刻质点的位移为2A -,且向x 轴正方向运动,代表此简谐运动的旋转矢量为( )题9-1 图分析与解(b )图中旋转矢量的矢端在x 轴上投影点的位移为-A /2,且投影点的运动方向指向O x 轴正向,即其速度的x 分量大于零,故满足题意.因而正确答案为(b ). 9-2 已知某简谐运动的振动曲线如图(a )所示,则此简谐运动的运动方程为( )()()()()()()()()cm π32π34cos 2D cm π32π34cos 2B cm π32π32cos 2C cm π32π32cos 2A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=t x t x t x t x题9-2 图分析与解 由振动曲线可知,初始时刻质点的位移为 –A /2,且向x 轴负方向运动.图(b)是其相应的旋转矢量图,由旋转矢量法可知初相位为3/π2.振动曲线上给出质点从–A /2 处运动到+A 处所需时间为1 s ,由对应旋转矢量图可知相应的相位差3/π4Δ=,则角频率()1s 3/π4Δ/Δ-==t ω,故选(D ).本题也可根据振动曲线所给信息,逐一代入方程来找出正确答案.9-3 两个同周期简谐运动曲线如图(a ) 所示, x 1 的相位比x 2 的相位( )(A ) 落后2π (B )超前2π (C )落后π (D )超前π 分析与解 由振动曲线图作出相应的旋转矢量图(b ) 即可得到答案为(b ).题9-3 图9-4 当质点以频率ν 作简谐运动时,它的动能的变化频率为( )(A ) 2v (B )v (C )v 2 (D )v 4 分析与解质点作简谐运动的动能表式为()ϕωω+=t A m E k 222sin 21,可见其周期为简谐运动周期的一半,则频率为简谐运动频率ν的两倍.因而正确答案为(C ).9-5 图(a )中所画的是两个简谐运动的曲线,若这两个简谐运动可叠加,则合成的余弦振动的初相位为( )(A ) π23 (B )π21 (C )π (D )0 分析与解 由振动曲线可以知道,这是两个同振动方向、同频率简谐运动,它们的相位差是π(即反相位).运动方程分别为t A x ωcos 1=和()πcos 22+=t ωA x .它们的振幅不同.对于这样两个简谐运动,可用旋转矢量法,如图(b )很方便求得合运动方程为t A x ωcos 21=.因而正确答案为(D ).题9-5 图9-6 有一个弹簧振子,振幅m 10022-⨯=.A ,周期s 01.=T ,初相4/π3=.试写出它的运动方程,并作出t x -图、t -v 图和t a -图.题9-6 图分析 弹簧振子的振动是简谐运动.振幅A 、初相ϕ、角频率ω是简谐运动方程()ϕω+=t A x cos 的三个特征量.求运动方程就要设法确定这三个物理量.题中除A 、ϕ已知外,ω可通过关系式T ω/π2=确定.振子运动的速度和加速度的计算仍与质点运动学中的计算方法相同.解 因T ω/π2=,则运动方程()⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=t π2cos cos T A t ωA x 根据题中给出的数据得 ()()m 75.0π2cos 100.22πt x +⨯=-振子的速度和加速度分别为()()-12s m π75.0π2sin 10π4d /d ⋅+⨯-==-t y x v()()-1222s m π75.0π2cos 10π8d /d ⋅+⨯-==-t y x a t x -、t -v 及t a -图如图所示.9-7 若简谐运动方程为()()m π25.0π20cos 10.0+=t x ,求:(1) 振幅、频率、角频率、周期和初相;(2)s 2=t 时的位移、速度和加速度.分析 可采用比较法求解.将已知的简谐运动方程与简谐运动方程的一般形式()ϕω+=t A x cos 作比较,即可求得各特征量.运用与上题相同的处理方法,写出位移、速度、加速度的表达式,代入t 值后,即可求得结果. 解 (1) 将()()m π25.0π20cos 10.0+=t x 与()ϕω+=t A x cos 比较后可得:振幅A =0.10m ,角频率1s π20-=ω,初相ϕ=0.25π,则周期s 1.0/π2==ωT ,频率Hz /1T =v .(2)s 2=t 时的位移、速度、加速度分别为()m 1007.7π25.0π40cos 10.02-⨯=+=t x()-1s m 44.4π25.0π40sin π2d /d ⋅-=+-==t x v()-22222s m 1079.2π25.0π40cos π40d /d ⋅⨯-=+-==t x a9-8 一远洋货轮,质量为m ,浮在水面时其水平截面积为S .设在水面附近货轮的水平截面积近似相等,水的密度为ρ,且不计水的粘滞阻力,证明货轮在水中作振幅较小的竖直自由运动是简谐运动,并求振动周期.分析 要证明货轮作简谐运动,需要分析货轮在平衡位置附近上下运动时,它所受的合外力F 与位移x 间的关系,如果满足kx F -=,则货轮作简谐运动.通过kx F -=即可求得振动周期k m ωT /π2/π2==.证 货轮处于平衡状态时[图(a )],浮力大小为F =mg .当船上下作微小振动时,取货轮处于力平衡时的质心位置为坐标原点O ,竖直向下为x 轴正向,如图(b )所示.则当货轮向下偏移x 位移时,受合外力为∑'+=F P F其中F '为此时货轮所受浮力,其方向向上,大小为gSx mg gSx F F ρρ+=+='题9-8 图则货轮所受合外力为kx gSx F P F -=-='-=∑ρ式中gS k ρ=是一常数.这表明货轮在其平衡位置上下所作的微小振动是简谐运动.由∑=t x m F 22d d /可得货轮运动的微分方程为 0d d 22=+m gSx t x //ρ令m gS /ρω=2,可得其振动周期为gS ρm πωT /2/π2==9-9 设地球是一个半径为R 的均匀球体,密度33m kg 1055-⋅⨯=.ρ.现假定沿直径凿通一条隧道,若有一质量为m 的质点在此隧道内作无摩擦运动.(1) 证明此质点的运动是简谐运动;(2) 计算其周期.题9-9 图分析 证明方法与上题相似.分析质点在隧道内运动时的受力特征即可.证 (1) 取图所示坐标.当质量为m 的质点位于x 处时,它受地球的引力为2xm m G F x -= 式中G 为引力常量,x m 是以x 为半径的球体质量,即3/π43x ρm x =.令3/π4Gm ρk =,则质点受力kx Gmx ρF -==3/π4因此,质点作简谐运动.(2) 质点振动的周期为s 1007.5/π3/π23⨯===ρG k m T9-10 如图(a )所示,两个轻弹簧的劲度系数分别为1k 、2k .当物体在光滑斜面上振动时.(1) 证明其运动仍是简谐运动;(2) 求系统的振动频率.题9-10 图分析 从上两题的求解知道,要证明一个系统作简谐运动,首先要分析受力情况,然后看是否满足简谐运动的受力特征(或简谐运动微分方程).为此,建立如图(b )所示的坐标.设系统平衡时物体所在位置为坐标原点O ,Ox 轴正向沿斜面向下,由受力分析可知,沿Ox 轴,物体受弹性力及重力分力的作用,其中弹性力是变力.利用串联时各弹簧受力相等,分析物体在任一位置时受力与位移的关系,即可证得物体作简谐运动,并可求出频率υ.证 设物体平衡时两弹簧伸长分别为1x 、2x ,则由物体受力平衡,有2211sin x k x k mg ==θ(1)按图(b )所取坐标,物体沿x 轴移动位移x 时,两弹簧又分别被拉伸1x '和2x ',即21x x x '+'=.则物体受力为 ()()111222sin sin x x k mg x x k mg F '+-='+-=θθ (2)将式(1)代入式(2)得1122x k x k F '-='-=(3) 由式(3)得11k F x /-='、22k F x /-=',而21x x x '+'=,则得到 ()[]kx x k k k k F -=+-=2121/式中()2121k k k k k +=/为常数,则物体作简谐运动,振动频率 ()m k k k k πm k ωv 2121/21/π21π2/+=== 讨论 (1) 由本题的求证可知,斜面倾角θ 对弹簧是否作简谐运动以及振动的频率均不产生影响.事实上,无论弹簧水平放置、斜置还是竖直悬挂,物体均作简谐运动.而且可以证明它们的频率相同,均由弹簧振子的固有性质决定,这就是称为固有频率的原因.(2) 如果振动系统如图(c )(弹簧并联)或如图(d )所示,也可通过物体在某一位置的受力分析得出其作简谐运动,且振动频率均为()m k k v /π2121+=,读者可以一试.通过这些例子可以知道,证明物体是否作简谐运动的思路是相同的.*9 -11 在如图(a )所示装置中,一劲度系数为k 的轻弹簧,一端固定在墙上,另一端连接一质量为1m 的物体A ,置于光滑水平桌面上.现通过一质量m 、半径为R 的定滑轮B (可视为匀质圆盘)用细绳连接另一质量为2m 的物体C .设细绳不可伸长,且与滑轮间无相对滑动,求系统的振动角频率.题9-11 图分析 这是一个由弹簧、物体A 、C 和滑轮B 组成的简谐运动系统.求解系统的振动频率可采用两种方法.(1) 从受力分析着手.如图(b )所示,设系统处于平衡状态时,与物体A 相连的弹簧一端所在位置为坐标原点O ,此时弹簧已伸长0x ,且g m kx 20=.当弹簧沿x O 轴正向从原点O 伸长x 时,分析物体A 、C 及滑轮B 的受力情况,并分别列出它们的动力学方程,可解得系统作简谐运动的微分方程.(2)从系统机械能守恒着手.列出系统机械能守恒方程,然后求得系统作简谐运动的微分方程.解1 在图(b )的状态下,各物体受力如图(c )所示.其中()i F 0x x k +-=.考虑到绳子不可伸长,对物体A 、B 、C 分别列方程,有()22101d d t xm x x k F T =+-=(1)22222d d tx m F g m T =-(2) ()2212d d 21tx mR J R F F T T ==-α(3) gm kx 20=(4) 方程(3)中用到了22T T F F '=、11T T F F '=、22/mR J =及R a /=α.联立式(1) ~式(4)可得 02d d 2122=+++x m m m k t x /(5)则系统振动的角频率为 ()221//m m m k ++=ω解2 取整个振动装置和地球为研究系统,因没有外力和非保守内力作功,系统机械能守恒.设物体平衡时为初始状态,物体向右偏移距离x (此时速度为v 、加速度为a )为末状态,则由机械能守恒定律,有()20222212021212121x x k ωJ m m gx m E +++++-=v v 在列出上述方程时应注意势能(重力势能和弹性势能)零点的选取.为运算方便,选初始状态下物体C 所在位置为重力势能零点;弹簧原长时为弹性势能的零点.将上述方程对时间求导得()tx x x k t ωωJ t m t m g m d d d d d d d d 00212+++++-=v v v v v 将22/mR J =,v =R ω,22d /d d /d t x t =v 和02kx g m = 代入上式,可得02d d 2122=+++x m m m k t x /(6)式(6)与式(5)相同,表明两种解法结果一致. 9-12 一放置在水平桌面上的弹簧振子,振幅A =2.0 ×10-2 m ,周期T =0.50s.当t =0 时,(1) 物体在正方向端点;(2) 物体在平衡位置、向负方向运动;(3) 物体在x =-1.0×10-2m 处, 向负方向运动; (4) 物体在x =-1.0×10-2 m 处,向正方向运动.求以上各种情况的运动方程.分析 在振幅A 和周期T 已知的条件下,确定初相φ是求解简谐运动方程的关键.初相的确定通常有两种方法.(1) 解析法:由振动方程出发,根据初始条件,即t =0 时,x =x 0 和v =v 0 来确定φ值.(2) 旋转矢量法:如图(a )所示,将质点P 在Ox 轴上振动的初始位置x 0 和速度v 0 的方向与旋转矢量图相对应来确定φ.旋转矢量法比较直观、方便,在分析中常采用.题9-12 图解 由题给条件知A =2.0 ×10-2 m ,1s π4/2-==T ω,而初相φ可采用分析中的两种不同方法来求.解析法:根据简谐运动方程()ϕω+=t A x cos ,当0t =时有()ϕω+=t A x cos 0,sin 0ωA -=v .当(1)A x =0时,1cos 1=ϕ,则01=ϕ;(2)00=x 时,0cos 2=ϕ,2π2±=,因00<v ,取2π2=; (3)m 100120-⨯=.x 时,50cos 3.=ϕ,3π3±= ,由00<v ,取3π3=; (4)m 100120-⨯-=.x 时,50cos 4.-=ϕ,3ππ4±= ,由00>v ,取3π44=. 旋转矢量法:分别画出四个不同初始状态的旋转矢量图,如图(b )所示,它们所对应的初相分别为01=ϕ,2π2=,3π3=,3π44=. 振幅A 、角频率ω、初相φ均确定后,则各相应状态下的运动方程为(1)()m t πcos4100.22-⨯=x (2)()()m /2πt π4cos 100.22+⨯=-x (3)()()m /3πt π4cos 100.22+⨯=-x (4)()()m /3π4t π4cos 100.22+⨯=-x 9-13 有一弹簧, 当其下端挂一质量为m 的物体时, 伸长量为9.8 ×10-2 m .若使物体上、下振动,且规定向下为正方向.(1) 当t =0 时,物体在平衡位置上方8.0 ×10-2 m 处,由静止开始向下运动,求运动方程.(2) 当t =0 时,物体在平衡位置并以0.6m·s -1的速度向上运动,求运动方程.分析 求运动方程,也就是要确定振动的三个特征物理量A 、ω和φ.其中振动的角频率是由弹簧振子系统的固有性质(振子质量m 及弹簧劲度系数k )决定的,即ω=k 可根据物体受力平衡时弹簧的伸长来计算;振幅A 和初相φ需要根据初始条件确定.题9-13 图解 物体受力平衡时,弹性力F 与重力P 的大小相等,即F =mg .而此时弹簧的伸长量Δl =9.8 ×10-2m .则弹簧的劲度系数k =F /Δl =mg /Δl .系统作简谐运动的角频率为1s 10-=∆==l g m k //ω(1) 设系统平衡时,物体所在处为坐标原点,向下为x 轴正向.由初始条件t =0 时,x 10 =8.0 ×10-2 m 、v 10 =0 可得振幅()m 10082210210-⨯=+=./ωv x A ;应用旋转矢量法可确定初相π1=[图(a )].则运动方程为()()m π10t cos 100.821+⨯=-x(2)t =0 时,x 20 =0、v 20 =0.6 m·s -1 ,同理可得()m 100622202202-⨯=+=./ωv x A ;2/π2=[图(b )].则运动方程为()()m π5.010t cos 100.622+⨯=-x9-14 某振动质点的x -t 曲线如图(a )所示,试求:(1) 运动方程;(2) 点P 对应的相位;(3) 到达点P 相应位置所需的时间.分析 由已知运动方程画振动曲线和由振动曲线求运动方程是振动中常见的两类问题.本题就是要通过x -t 图线确定振动的三个特征量A 、ω和0ϕ,从而写出运动方程.曲线最大幅值即为振幅A ;而ω、0ϕ通常可通过旋转矢量法或解析法解出,一般采用旋转矢量法比较方便.解 (1) 质点振动振幅A =0.10 m.而由振动曲线可画出t 0 =0 和t 1 =4 s时旋转矢量,如图(b ) 所示.由图可见初相3/π0-=(或3/π50=),而由()3201//ππω+=-t t 得1s 24/π5-=ω,则运动方程为()m 3/π24π5cos 10.0⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t x题9-14 图(2) 图(a )中点P 的位置是质点从A /2 处运动到正向的端点处.对应的旋转矢量图如图(c ) 所示.当初相取3/π0-=时,点P 的相位为()000=-+=p p t ωϕϕ(如果初相取成3/π50=,则点P 相应的相位应表示为()π200=-+=p p t ω.(3) 由旋转矢量图可得()3/π0=-p t ω,则s 61.=p t .9-15 作简谐运动的物体,由平衡位置向x 轴正方向运动,试问经过下列路程所需的最短时间各为周期的几分之几? (1) 由平衡位置到最大位移处;(2) 由平衡位置到x =A /2 处; (3) 由x =A /2处到最大位移处.解 采用旋转矢量法求解较为方便.按题意作如图所示的旋转矢量图,平衡位置在点O .(1) 平衡位置x 1 到最大位移x 3 处,图中的旋转矢量从位置1 转到位置3,故2/πΔ1=,则所需时间411//T t =∆=∆ωϕ(2) 从平衡位置x 1 到x 2 =A /2 处,图中旋转矢量从位置1转到位置2,故有6/πΔ2=,则所需时间1222//T t =∆=∆ωϕ(3) 从x 2 =A /2 运动到最大位移x 3 处,图中旋转矢量从位置2 转到位置3,有3/πΔ3=,则所需时间633//T t =∆=∆ωϕ题9-15 图9-16 在一块平板下装有弹簧,平板上放一质量为1.0 kg 的重物.现使平板沿竖直方向作上下简谐运动,周期为0.50s,振幅为2.0×10-2 m .求:(1) 平板到最低点时,重物对平板的作用力;(2) 若频率不变,则平板以多大的振幅振动时,重物会跳离平板? (3) 若振幅不变,则平板以多大的频率振动时, 重物会跳离平板?题9-16 图分析 按题意作示意图如图所示.物体在平衡位置附近随板作简谐运动,其间受重力P 和板支持力F N 作用,F N 是一个变力.按牛顿定律,有22d d ty m F mg F N =-=(1)由于物体是随板一起作简谐运动,因而有()ϕωω+-==t A ty a cos d d 222,则式(1)可改写为 ()ϕωω++=t mA mg F N cos 2 (2)(1) 根据板运动的位置,确定此刻振动的相位ϕω+t ,由式(2)可求板与物体之间的作用力.(2) 由式(2)可知支持力N F 的值与振幅A 、角频率ω和相位(ϕω+t )有关.在振动过程中,当π=+t ω时N F 最小.而重物恰好跳离平板的条件为N F =0,因此由式(2)可分别求出重物跳离平板所需的频率或振幅.解 (1) 由分析可知,重物在最低点时,相位ϕω+t =0,物体受板的支持力为()N 9612222./=+=+=t mA mg mA mg F N πω 重物对木块的作用力NF ' 与N F 大小相等,方向相反. (2) 当频率不变时,设振幅变为A ′.根据分析中所述,将N F =0及π=+t ω代入分析中式(2),可得m 102.6π4//2222-⨯==='gT ωm mg A(3) 当振幅不变时,设频率变为v '.同样将N F =0及π=+t ω代入分析中式(2),可得 Hz 52.3/π21π22==='mA mg ωv 9-17 两质点作同频率、同振幅的简谐运动.第一个质点的运动方程为()ϕω+=t A x cos 1,当第一个质点自振动正方向回到平衡位置时,第二个质点恰在振动正方向的端点,试用旋转矢量图表示它们,并求第二个质点的运动方程及它们的相位差.题9-17 图解 图示为两质点在时刻t 的旋转矢量图,可见第一个质点M 的相位比第二个质点N 的相位超前2/π,即它们的相位差Δφ=π/2.故第二个质点的运动方程应为()2cos 2/πϕω-+=t A x9-18 图(a )为一简谐运动质点的速度与时间的关系曲线,且振幅为2cm ,求(1) 振动周期;(2) 加速度的最大值;(3) 运动方程.分析 根据v -t 图可知速度的最大值v max ,由v max =Aω可求出角频率ω,进而可求出周期T 和加速度的最大值a max =Aω2 .在要求的简谐运动方程x =A cos (ωt +φ)中,因为A 和ω已得出,故只要求初相位φ即可.由v -t 曲线图可以知道,当t =0 时,质点运动速度v 0 =v max /2 =Aω/2,之后速度越来越大,因此可以判断出质点沿x 轴正向向着平衡点运动.利用v 0 =-Aωsinφ就可求出φ.解 (1) 由ωA v =max 得1s 51-=.ω,则 s 2.4/π2==ωT(2)222max s m 1054--⋅⨯==.ωA a(3) 从分析中已知2/sin 0ωA ωA =-=v ,即21sin /-=ϕ6/π5,6/π--=因为质点沿x 轴正向向平衡位置运动,则取6/π5-=,其旋转矢量图如图(b )所示.则运动方程为 ()()cm 6/π55.1cos 2-=t x题9-18 图9-19 有一单摆,长为1.0m ,最大摆角为5°,如图所示.(1) 求摆的角频率和周期;(2) 设开始时摆角最大,试写出此单摆的运动方程;(3) 摆角为3°时的角速度和摆球的线速度各为多少?题9-19 图分析 单摆在摆角较小时(θ<5°)的摆动,其角量θ与时间的关系可表示为简谐运动方程()ϕωθθ+=t cos max ,其中角频率ω仍由该系统的性质(重力加速度g 和绳长l )决定,即l g /=ω.初相φ与摆角θ,质点的角速度与旋转矢量的角速度(角频率)均是不同的物理概念,必须注意区分.解 (1) 单摆角频率及周期分别为s 01.2/π2;s 13.3/1====-ωT l g ω(2) 由0=t 时o max 5==θθ可得振动初相0=ϕ,则以角量表示的简谐运动方程为t θ13.3cos 36π= (3) 摆角为3°时,有()60cos max ./==+θθϕωt ,则这时质点的角速度为()()1max 2max max s2180800cos 1sin /d d --=-=+--=+-=..ωθϕωωθϕωωθθt t t线速度的大小为 1s 2180/d d --==.t l v θ讨论 质点的线速度和角速度也可通过机械能守恒定律求解,但结果会有极微小的差别.这是因为在导出简谐运动方程时曾取θθ≈sin ,所以,单摆的简谐运动方程仅在θ 较小时成立.9-20 为了测月球表面的重力加速度,宇航员将地球上的“秒摆”(周期为2.00s),拿到月球上去,如测得周期为4.90s,则月球表面的重力加速度约为多少? (取地球表面的重力加速度2E s m 809-⋅=.g )解 由单摆的周期公式g l T /π2=可知21Tg /∝,故有2M 2E E M T T g g //=,则月球的重力加速度为 ()2E 2M E M s m 631-⋅==./g T T g9-21 一飞轮质量为12kg ,内缘半径r =0.6m,如图所示.为了测定其对质心轴的转动惯量,现让其绕内缘刃口摆动,在摆角较小时,测得周期为2.0s ,试求其绕质心轴的转动惯量.9-21 题图分析 飞轮的运动相当于一个以刃口为转轴的复摆运动,复摆振动周期为c /π2mgl J T =,因此,只要知道复摆振动的周期和转轴到质心的距离c l ,其以刃口为转轴的转动惯量即可求得.再根据平行轴定理,可求出其绕质心轴的转动惯量.解 由复摆振动周期c /π2mgl J T =,可得22π4/mgrT J =.则由平行轴定理得 222220m kg 8324⋅=-=-=./mr mgrT mr J J π9-22 如图(a )所示,质量为1.0 ×10-2kg 的子弹,以500m·s -1的速度射入木块,并嵌在木块中,同时使弹簧压缩从而作简谐运动,设木块的质量为4.99 kg ,弹簧的劲度系数为8.0 ×103 N·m -1 ,若以弹簧原长时物体所在处为坐标原点,向左为x 轴正向,求简谐运动方程.题9-22 图分析 可分为两个过程讨论.首先是子弹射入木块的过程,在此过程中,子弹和木块组成的系统满足动量守恒,因而可以确定它们共同运动的初速度v 0 ,即振动的初速度.随后的过程是以子弹和木块为弹簧振子作简谐运动.它的角频率由振子质量m 1 +m 2 和弹簧的劲度系数k 确定,振幅和初相可根据初始条件(初速度v 0 和初位移x 0 )求得.初相位仍可用旋转矢量法求.解 振动系统的角频率为 ()121s 40-=+=m m k /ω由动量守恒定律得振动的初始速度即子弹和木块的共同运动初速度v 0 为()12110s m 01-⋅=+=.m m v m v又因初始位移x 0 =0,则振动系统的振幅为 ()m 105.2//202020-⨯==+=ωωx A v v 图(b )给出了弹簧振子的旋转矢量图,从图中可知初相位2/π0=,则简谐运动方程为 ()()m π0.540cos 105.22+⨯=-t x9-23 如图(a )所示,一劲度系数为k 的轻弹簧,其下挂有一质量为m 1 的空盘.现有一质量为m 2 的物体从盘上方高为h 处自由落入盘中,并和盘粘在一起振动.问:(1) 此时的振动周期与空盘作振动的周期有何不同? (2) 此时的振幅为多大?题9-23 图分析 原有空盘振动系统由于下落物体的加入,振子质量由m 1 变为m 1 + m 2,因此新系统的角频率(或周期)要改变.由于()2020/ωx A v +=,因此,确定初始速度v 0 和初始位移x 0 是求解振幅A 的关键.物体落到盘中,与盘作完全非弹性碰撞,由动量守恒定律可确定盘与物体的共同初速度v 0 ,这也是该振动系统的初始速度.在确定初始时刻的位移x 0 时,应注意新振动系统的平衡位置应是盘和物体悬挂在弹簧上的平衡位置.因此,本题中初始位移x 0 ,也就是空盘时的平衡位置相对新系统的平衡位置的位移.解 (1) 空盘时和物体落入盘中后的振动周期分别为k m ωT /π2/π21== ()k m m ωT /π2/π221+='='可见T ′>T ,即振动周期变大了.(2) 如图(b )所示,取新系统的平衡位置为坐标原点O .则根据分析中所述,初始位移为空盘时的平衡位置相对粘上物体后新系统平衡位置的位移,即 g k m g k m m k g m l l x 2211210-=+-=-= 式中l 1 =m 1/k 为空盘静止时弹簧的伸长量,l 2 =(m 1 +m 2)/k 为物体粘在盘上后,静止时弹簧的伸长量.由动量守恒定律可得振动系统的初始速度,即盘与物体相碰后的速度gh m m m m m m 22122120+=+=v v 式中gh 2=v 是物体由h 高下落至盘时的速度.故系统振动的振幅为()212202021/m m kh k g m ωx A ++='+=v 本题也可用机械能守恒定律求振幅A .9-24 如图所示,劲度系数为k 的轻弹簧,系一质量为m 1 的物体,在水平面上作振幅为A 的简谐运动.有一质量为m 2 的粘土,从高度h 自由下落,正好在(a )物体通过平衡位置时,(b )物体在最大位移处时,落在物体上.分别求:(1)振动周期有何变化? (2)振幅有何变化?题9-24图分析 谐振子系统的周期只与弹簧的劲度系数和振子的质量有关.由于粘土落下前后,振子的质量发生了改变,因此,振动周期也将变化.至于粘土如何落下是不影响振动周期的.但是,粘土落下时将改变振动系统的初始状态,因此,对振幅是有影响的.在粘土落到物体上的两种不同情况中,系统在水平方向的动量都是守恒的.利用动量守恒定律可求出两种情况下系统的初始速度,从而利用机械能守恒定律(或公式()2020/ωx A v +=)求得两种情况下的振幅.解 (1) 由分析可知,在(a )、(b )两种情况中,粘土落下前后的周期均为k m ωT /π2/π21== ()k m m ωT /π2/π221+='='物体粘上粘土后的周期T ′比原周期T 大.(2) (a ) 设粘土落至物体前后,系统振动的振幅和物体经过平衡位置时的速度分别为A 、v 和A ′、v ′.由动量守恒定律和机械能守恒定律可列出如下各式2/2/212v m A k ='(1) ()2/2/2212v '+='m m A k(2) ()v v '+=211m m m(3)联立解上述三式,可得 ()A m m m A 211+='/即A ′<A ,表明增加粘土后,物体的振幅变小了.(b ) 物体正好在最大位移处时,粘土落在物体上.则由动量守恒定律知它们水平方向的共同速度v ′=m 1v /(m 1 +m 2 ) =0,因而振幅不变,即A ′=A9-25 质量为0.10kg 的物体,以振幅1.0×10-2 m 作简谐运动,其最大加速度为4.0 m·s -1求:(1) 振动的周期;(2) 物体通过平衡位置时的总能量与动能;(3) 物体在何处其动能和势能相等? (4) 当物体的位移大小为振幅的一半时,动能、势能各占总能量的多少?分析 在简谐运动过程中,物体的最大加速度2max ωA a =,由此可确定振动的周期T .另外,在简谐运动过程中机械能是守恒的,其中动能和势能互相交替转化,其总能量E =kA 2/2.当动能与势能相等时,E k =E P =kA 2/4.因而可求解本题.解 (1) 由分析可得振动周期s 314.0/π2/π2max ===a A ωT(2) 当物体处于平衡位置时,系统的势能为零,由机械能守恒可得系统的动能等于总能量,即J 100221213max 22k -⨯====.mAa mA E E ω(3) 设振子在位移x 0 处动能与势能相等,则有42220//kA kx =得 m 100772230-⨯±=±=./A x(4) 物体位移的大小为振幅的一半(即2x A =/)时的势能为4221212P /E A k kx E =⎪⎭⎫ ⎝⎛== 则动能为 43P K /E E E E =-=9-26 一氢原子在分子中的振动可视为简谐运动.已知氢原子质量m =1.68 ×10-27 Kg ,振动频率υ=1.0 ×1014 Hz ,振幅A =1.0 ×10-11m.试计算:(1) 此氢原子的最大速度;(2) 与此振动相联系的能量.解 (1) 简谐运动系统中振子运动的速度v =-A ωsin (ωt +φ),故氢原子振动的最大速度为12max s m 1028.62-⋅⨯===A πA ωv v(2) 氢原子的振动能量J 1031.32/202max -⨯==v m E9-27 质量m =10g 的小球与轻弹簧组成一振动系统, 按()()cm 3/ππ85.0+=t x 的规律作自由振动,求(1) 振动的角频率、周期、振幅和初相;(2) 振动的能量E ;(3) 一个周期内的平均动能和平均势能.解 (1) 将()()cm 3/ππ85.0+=t x 与()ϕω+=t A x cos 比较后可得:角频率1s π8-=ω,振幅A =0.5cm ,初相φ=π/3,则周期T =2π/ω=0.25 s(2) 简谐运动的能量 J 1090721522-⨯==.ωmA E (3) 简谐运动的动能和势能分别为()ϕωω+=t mA E K 222sin 21 ()ϕωω+=t mA E P 222cos 21 则在一个周期中,动能与势能对时间的平均值分别为()J 109534d sin 2115220222-⨯==+=⎰.ωϕωωmA t t mA T E T K ()J 109534d cos 2115220222-⨯==+=⎰.ωϕωωmA t t mA T E T P 9-28 已知两同方向、同频率的简谐运动的运动方程分别为()()m π75.010cos 05.01+=t x ;()()m π25.010cos 06.02+=t x .求:(1) 合振动的振幅及初相;(2) 若有另一同方向、同频率的简谐运动()()m 10cos 07033ϕ+=t x .,则3ϕ为多少时,x 1 +x 3 的振幅最大? 又3ϕ 为多少时,x 2 +x 3 的振幅最小?题9-28 图分析 可采用解析法或旋转矢量法求解.由旋转矢量合成可知,两个同方向、同频率简谐运动的合成仍为一简谐运动,其角频率不变;合振动的振幅()12212221cos 2ϕϕ-++=A A A A A ,其大小与两个分振动的初相差12ϕϕ-相关.而合振动的初相位()()[]22112211cos cos sin sin arctan ϕϕϕϕϕA A A A ++=/解 (1) 作两个简谐运动合成的旋转矢量图(如图).因为2/πΔ12-=-=,故合振动振幅为 ()m 1087cos 2212212221-⨯=-++=.ϕϕA A A A A合振动初相位()()[]rad 1.48arctan11cos cos sin sin arctan 22112211==++=ϕϕϕϕϕA A A A /(2) 要使x 1 +x 3 振幅最大,即两振动同相,则由π2Δk =得,...2,1,0,π75.0π2π213±±=+=+=k k k要使x 1 +x 3 的振幅最小,即两振动反相,则由()π12Δ+=k 得 (),...2,1,0,π25.1π2π1223±±=+=++=k k k9-29 手电筒和屏幕质量均为m ,且均被劲度系数为k 的轻弹簧悬挂于同一水平面上,如图所示.平衡时,手电筒的光恰好照在屏幕中心.设手电筒和屏幕相对于地面上下振动的表达式分别为()11cos ϕω+=t A x 和()22cos ϕω+=t A x .试求在下述两种情况下,初相位φ1 、φ2 应满足的条件:(1) 光点在屏幕上相对于屏静止不动;(2) 光点在屏幕上相对于屏作振幅A ′=2A 的振动.并说明用何种方式起动,才能得到上述结果.题9-29 图分析 落在屏幕上的光点相对地面的运动和屏幕相对于地面的运动都已知道,且是两个简谐运动.因此由运动的合成不难写出光点相对屏的运动(实际上是两个同方向、同频率简谐运动的合成).根据相对运动公式,有屏对地光对屏光对地x x x +=依题意()()2211ϕωϕω+==+==t A x x t A x x cos cos 屏对地光对地所以 ()()212121cos cos ϕπωϕω++++='+=-=t A t A x x x x x 光对屏 可见光点对屏的运动就是两个同方向、同频率简谐运动()11cos ϕω+=t A x 和()22cos ϕπω++='t A x 的合成.用与上题相同的方法即可求解本题.其中合运动振幅()12222πcos 2-+++='A A A A .解 (1) 根据分析和参考上题求解,当要求任一时刻光点相对于屏不动,即0=光对屏x ,就是当()π12π12+=-+k 时,即π212k +=时(,...,,210±±=k ),A ′=0.当光点相对于屏作振幅为2A 的运动时,要求π2π12k =-+,即()π1212-+=k .(2) 由以上求解可知,要使光点相对于屏不动,就要求手电筒和屏的振动始终要同步,即同相位,为此,把它们往下拉A 位移后,同时释放即可;同理,要使光点对屏作振幅为2A 的谐振动,两者必须相位相反,为此,让手电筒位于平衡点0 上方的-A 处,而屏则位于+A 处同时释放,即可实现.9-30 两个同频率的简谐运动1 和2 的振动曲线如图(a )所示,求(1)两简谐运动的运动方程x 1 和x 2;(2) 在同一图中画出两简谐运动的旋转矢量,并比较两振动的相位关系;(3) 若两简谐运动叠加,求合振动的运动方程.分析 振动图已给出了两个简谐运动的振幅和周期,因此只要利用图中所给初始条件,由旋转矢量法或解析法求出初相位,便可得两个简谐运动的方程.解 (1) 由振动曲线可知,A =0.1 m,T =2s,则ω=2π/T =πs-1 .曲线1表示质点初始时刻在x =0 处且向x 轴正向运动,因此φ1 =-π/2;曲线2 表示质点初始时刻在x =A /2 处且向x 轴负向运动,因此φ2 =π/3.它们的旋转矢量图如图(b )所示.则两振动的运动方程分别为()()m 2/ππcos 1.01-=t x 和()()m 3/ππcos 1.02+=t x (2) 由图(b )可知振动2超前振动1 的相位为5π/6.(3)()ϕω+'=+=t A x x x cos 21其中()m 0520cos 212212221.=-++='ϕϕA A A A A。

非线性振动习题

非线性振动习题

V ( x1 , x2 , x3 ) = x12 + x2 4 − 2 x32是变量函数.
= X ( x) 对于扰动运动微分方程 x
n
n x ∈ R,
Hale Waihona Puke (a) (b)n V V ∂ ∂ ∂V ( i + = ∑ x) ∑ x X i ( x) = 定义全导数: V x t x ∂ ∂ ∂ = i 1= i 1 i i
定理1 (李雅普诺夫,1892)如果对于扰动运动微分方程(a)可以找到一个 正定函数V ( x) ,它通过(a)构成的全导数是常负的,则系统(a)的无扰 运动是稳定的. 定理2 (李雅普诺夫,1892) 如果对于扰动运动的微分方程(a),可以找到 一个正定函数 V ( x),它通过(a)构成的全导数是负定的,则(a)的无扰动 速度是渐进稳定的.
定号常号变号函数设函数维空间原点邻域内的单值连续函数而定义1如果存在在区域定义3如果原点的任意小的邻域内既可取正值又可以取负值则称为变号函数例如其它各点是变量函数
基本概念(V函数):定号,常号,变号函数 设函数 V ( x) 是 n 维空间原点邻域内的单值连续函数,而 V (0) = 0 定义1 如果存在 h > 0 ,在区域 Bh : x ≤ h( h > 0 )内 当x ≠ 0 时,V ( x) > 0,则称 V ( x)是正定的 V ( x) < 0,则称 V ( x)是负定的. V ( x) ≥ 0,则称V ( x) 是常正的 定义2,如果在域 Bh 内,有 V ( x) ≤ 0 ,则称V ( x) 是常负的. 定义3,如果原点的任意小的邻域内, V ( x) 既可取正值,又可以取负值,则称 V ( x) 为变号函数 例如 V ( x1 , x2 , x3 ) = x12 + x2 4 + 2 x32 (h < ∞)是正定的(在全空间内正定) V ( x1 , x2 , x= x12 + x2 4(h < ∞)是常正的. 3) 因为在 ox3 轴上,x = x= 0 , x3 ≠ 0 ,各点有V = 0,其它各点 V > 0 1 2

2011年高考物理真题分类汇编-机械振动和机械波(详解_精校)

2011年高考物理真题分类汇编-机械振动和机械波(详解_精校)

2011年高考物理真题分类汇编(详解+精校)机械振动和机械波1.(2011年高考·上海卷)两个相同的单摆静止于平衡位置,使摆球分别以水平初速v 1、v 2(v 1>v 2)在竖直平面内做小角度摆动,它们的频率与振幅分别为f 1,f 2和A 1,A 2,则A .f 1>f 2和A 1=A 2B .f 1<f 2和A 1=A 2C .f 1=f 2和A 1>A 2D .f 1=f 2和A 1<A 2[来源:学科网]1.C 解析:本题考查单摆的周期公式及能量守恒定律,要求学生理解单摆在小摆幅时的周期与振幅无关。

依题意小角度的摆动可视为单摆运动,由单摆的周期公式T =2πLg 可知同一地点的重力加速度相同,摆长相同,故频率f 1=f 2,与初始速度无关,而摆动的振幅与初始速度有关,根据能量守恒定律可知初速度越大,摆幅越大,A 1>A 2,C 对。

2.(2011年高考·上海卷)两波源S 1、S 2在水槽中形成的波形如图所示,其中实线表示波峰,虚线表示波谷,则A .在两波相遇的区域中会产生干涉B .在两波相遇的区域中不会产生干涉C .a 点的振动始终加强D .a 点的振动始终减弱2.B 解析:本题考查波的干涉图样,要求学生知道两列波产生干涉的条件。

从图中可看出,波源S 2的波长较大,对同一水介质来说,机械波的波速相同,根据波长、频率和波速的关系可知,两列波的频率一定不同,故两波相遇的区域不会产生干涉,A 错B 对。

不产生稳定的干涉,就不会出现振动的始终加强或减弱,C 、D 均错。

[来源:Z#xx#]3.(2011年高考·海南理综卷)一列简谐横波在t =0时的波形图如图所示。

介质中x =2m 处的质点P 沿y 轴方向做简谐运动的表达式为y =10sin (5πt )cm 。

关于这列简谐波,下列说法正确的是______。

A .周期为4.0sB .振幅为20cm [来源:学&科&网Z&X&X&K]C .传播方向沿x 轴正向D .传播速度为10m/s[来源:学科网] 3.CD 解析:5ωπ= 周期为:20.4T s πω==,由波的图像得:振幅10A cm =、1 2波长4m λ=,故波速为10/v m s T λ==,p 点在t=0时振动方向为正y 方向,波向正x 方向传播。

[一级建筑师考试密押题库与答案解析]建筑物理与设备真题2011年

[一级建筑师考试密押题库与答案解析]建筑物理与设备真题2011年
A.甲住宅65dB
B.乙住宅60dB
C.丙住宅55dB
D.丁住宅50dB
答案:D[解析] 规范化撞击声压级值ln数值越小,其隔声效果越好。
问题:10. 室内混响时间与下列哪项因素无关?
A.室内总表面积
B.室内体积
C.室内声压级
D.声音频率
答案:C[解析] 根据伊林公式:
式中,V是室内容积,S是室内总表面积,4m是室内空气吸收系数;它和空气的相对湿度以及声音的频率有关。
A.亮度
B.照度
C.发光强度
D.光通量
答案:C[解析] 配光曲线是按光源发出的光通量为1000lm,以极坐标的形式将灯具在各个方向上的发光强度绘制在平面图上。
问题:25. 下列哪种光源的显色指数为最大?
A.白炽灯
B.荧光灯
C.高压钠灯
D.金属卤化物灯
答案:A[解析] 白炽灯显色指数Ra为95~99,荧光灯为50~93,金属卤化物灯为60~95,高压钠灯为20~60。
问题:31. 以下围护结构的厚度相同,哪种材料的传热系数最大?
A.加气混凝土
B.钢筋混凝土
C.岩棉板
D.砖砌体
答案:B[解析] 一层材料构成的围护结构的传热系数为。其中,Ri、Re分别为内、外表面的换热阻,均为常数;而材料层的导热热阻R=d/λ,它与材料层的厚度d、导热系数λ均有关,在材料层厚度d相同的前提下,材料的导热系数λ越大,材料层的导热热阻R越小。四种材料中钢筋混凝土的导热系数最大,因此,它的传热系数也最大。
问题:3. 已知甲声压是乙声压的2倍,甲声压的声压级为90dB,则乙声压的声压级为______。
A.84dB
B.87dB
C.93dB
D.96dB

运动稳定性与非线性振动作业含答案

运动稳定性与非线性振动作业含答案

Ch2 单自由度保守系统自由振动1、确定下保守系统或耗散系统的奇点和它的类型,绘出相轨线并指出其分界线1)03=+-x x x2)03=++x x x3)023=+++x x x μx4)023=-++x x x μx解:各系统的相轨迹图如下所示:1) 相轨迹线如图1。

系统有三个奇点,其中,相点(-1,0)和(1,0)为中心,相点(0,0)为鞍点,通过鞍点(0,0)的相轨迹线为分界线。

2) 相轨迹线如图2。

系统有一个奇点(0,0),其类型为中心。

图1分界线图2或(图3 μ= 0)3)当0μ=时,系统有一个奇点(0,0),其类型为中心,相轨迹线如图3(和图2一样);当0μ<时,系统有一个奇点(0,0),其类型为不稳定焦点,相轨迹线如图4;当0μ>时,系统有一个奇点(0,0),其类型为稳定焦点或结点,相轨迹线如图5。

图4 μ= -0.3图5 μ=0.34)当0μ<时,系统有一个奇点(0,0),其类型为不稳定焦点,相轨迹线如图6;当0μ>时,系统有一个奇点(0,0),其类型为稳定焦点或结点,相轨迹线如图7。

当0μ=时,系统有一个奇点(0,0),其类型为中心,相轨迹线如图8;图6 μ= -0.05图7 μ=0.6图8 μ= 02、数学摆,摆长为l ,摆锤质量为m ,不计摩擦,其运动方程为0θsin lg θ=+,试求出势能函数U (θ),并在相平面上画出相轨线。

解:将运动方程化为状态变量形式sin g lθωωθ==-⎧⎪⎨⎪⎩ 其相轨迹微分方程为:sin gd ld θωθω=-势能函数U (θ)()sin 1cos 0g g d llθθθθ==-⎰。

相轨迹线图见图9。

3、如图,弹簧原长为l 0,刚度系数为k ,物体沿光滑水平面运动,当物体在平衡位置时,弹簧预张力为S 0,设x (0)=x 0=10mm ,s /m m 1.00=x,l 0=50mm ,S 0=10kN ,m =0.1kg ,k =500N/m 。

《大学物理》下册试卷及答案解析

《大学物理》下册试卷及答案解析

2008-2009《大学物理》(下)考试试卷一、选择题(单选题,每小题3分,共30分):1、两根无限长平行直导线载有大小相等方向相反的电流I ,I 以dI/dt 的变化率增长,一矩形线圈位于导线平面内(如图所示),则 。

(A),矩形线圈中无感应电流;(B),矩形线圈中的感应电流为顺时针方向;(C),矩形线圈中的感应电流为逆时针方向; (D),矩形线圈中的感应电流的方向不确定;2,如图所示的系统作简谐运动,则其振动周期为 。

(A),k m T π2=;(B), k m T θπsin 2=;(C), k m T θπcos 2=; (D), θθπcos sin 2k m T =;3,在示波器的水平和垂直输入端分别加上余弦交变电压,屏上出现如图所示的闭合曲线,已知水平方向振动的频率为600Hz ,则垂直方向的振动频率为 。

(A),200Hz ;(B), 400Hz ;(C), 900Hz ; (D), 1800Hz ;4,振幅、频率、传播速度都相同的两列相干波在同一直线上沿相反方向传播时叠加可形成驻波,对于一根长为100cm 的两端固定的弦线,要形成驻波,下面哪种波长不能在其中形成驻波? 。

(A),λ=50cm ;(B), λ=100cm ;(C), λ=200cm ;(D), λ=400cm ;5,关于机械波在弹性媒质中传播时波的能量的说法,不对的是 。

(A),在波动传播媒质中的任一体积元,其动能、势能、总机械能的变化是同相位的; (B), 在波动传播媒质中的任一体积元,它都在不断地接收和释放能量,即不断地传播能量。

所以波的传播过程实际上是能量的传播过程;(C), 在波动传播媒质中的任一体积元,其动能和势能的总和时时刻刻保持不变,即其总的机械能守恒;(D), 在波动传播媒质中的任一体积元,任一时刻的动能和势能之和与其振动振幅的平方成正比;6,以下关于杨氏双缝干涉实验的说法,错误的有 。

(A),当屏幕靠近双缝时,干涉条纹变密; (B), 当实验中所用的光波波长增加时,干涉条 纹变密;(C),当双缝间距减小时,干涉条纹变疏;(D),杨氏双缝干涉实验的中央条纹是明条纹,当在上一个缝S 1处放一玻璃时,如图所示,则整个条纹向S 1所在的方向移动,即向上移动。

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华中科技大学研究生课程考试试卷课程名称: 非线性振动与控制 课程类别 □公共课专业课 考核形式开卷□闭卷学生类别 考试日期 2011. 12. 21 学生所在院系 学号 姓名 任课教师题1:(20分)Consider the motion of a particle of mass m sliding freely on a wire described by parabola2z px = which rotates about the z -axis as shown in Figure 1. We assume that the wire is weightless and that its angular velocity Ωis changing with the position of the mass along the wire. There is no outside influence acting on the wire. (a) Show that the equations of motion are 20x x Ω+Ω=and 22222(14)4(2)0p x x p x x p g x +++-Ω=2x Ω=wherea constant of integration (essentiallythis is a statement of conservation of angularmomentum) and that the governing equation for x can be written in the form22224(14)4(2)0Hp x x p x x pg x x+++-= (c) Discuss the motion of the mass along parabola. Show that the motion is always bounded in this system.(d) For 1, 32.2, 1000p g h ===and 12H =, plot the trajectories in the phase plane.【注:这里g 为重力加速度,32.2g =这一值的单位为2ft /s 。

】题2:(20分)Determine the singular points and their types for the system2252x x y y xy =+-=-Figure 1 Particle on a rotating parabolaSketch the trajectories and the separatrices in the state plane.题3:(20分)Consider the motion of a system governed by230123(2||)0u u u u u u ωεμμμ++++=where 1ε<<.(a) Show that0cos()()u a t O ωβε=++where2231203043()38a a a a εμμωμωπ=-++ (Note that 3μ must be positive for a realistic system.)(b) Determine the stationary motions and their stability as a function of the magnitudes andthe signs of1μand 2μ.题4:(20分)Consider the system governed by2sin 2cos K t θθμθθ++=Ω(a) When Ω is near unity, show that for small but finite amplitudes of the response3202()cos[()]()a T T T O θεβε=++where 31sin 4a a k μγ'=-+21cos 16ka aγσγ'=++232,1and 2T k K γσβεσε=-=Ω-=Here ε is a measure of the amplitude of the response. Obtain the frequency-response equation.Show that 1/3max (4/)a k μ=. How does this value of max a compare with that the case of linear viscous damping? Plot a versus σ and k . Is there a jump phenomenon?(b) When Ω is near one third (superharmonic response), show that320209()cos[()]cos()()8a T T T K T O θεβε=++Ω+where223212()(cos sin )836a a a μμγγ'=-Λ+-Λ-232121()(sin cos )2836a a γσμγγΛ'=+Λ+++229,31,and 16T K k k γσβεσε=-=Ω-=Λ=Obtain the frequency-response equation. Plot a versus σ and Λ. Is there a jumpphenomenon?(c) When Ω is near 3 (subharmonic response), show that320201()cos[()]cos()()8a T T T K T O θεβε=+-Ω+where2221112()(sin cos )882a a a a μγμγ'=-Λ+-Λ-223111()3(cos sin )2882a a γσγμγ'=+Λ+-Λ+2213,3,and 16T K k k γσβεσε=-=Ω-=Λ= Obtain the frequency-response equation. Plot a versus σ and Λ. Is there a jumpphenomenon?题5:(20分)Consider the system shown in Figure 5 when the tension 0(1sin )T T t εω=+.(a) Show that the governing equation is221/202(1sin )()0mx T t x l x εω-+++=(b) Linearize the governing equation to obtain22002(1sin )0,T x t x mlωεωω++==(c) Determine second-order expansions for the transition curves separating stability frominstability when00,2ωωω≈(d) If 1/2()x O ε=, determine the influence of the nonlinear terms to first order when02ωω≈.Figure 5 Particle attached to stretched string注意:所有的题目并没有给出完整的解答,以此作为提供一个解题思路,希望自己推导一遍(使用自己习惯的一套符号),修改和完善其中的不妥之处,然后补全没有给出解答的部分即可。

切勿雷同!!!题一解:这题关键算Jacobi 积分,可以参考Nayfeh 的《非线性振动》第二章,或用Mathematica 软件计算。

本题有的地方推导过于简单,有些地方没有必要,希望稍作修改。

第三问的分析可能不太恰当!!! (a )系统动能为22222222222111()222111(2)()22211(41)22T mz mx m x m pxx mx m x m p x x m x =++Ω=++Ω=++Ω (1.1)系统的势能为2V mgz mgpx ==(1.2)代入Lagrange 方程d T T Vdt q q q∂∂∂-=-∂∂∂ (1.3)这里取广义坐标为ϕ和x ,其中ϕ是金属丝旋转过的角度,有关系ϕ=Ω,由此得到系统的运动微分方程20x x Ω+Ω=(1.4)22222(14)4(2)0p x x p x x pg x +++-Ω=(1.5)(b )积分式(1.4)得到2x Ω=(1.6)把式(1.6)代入式(1.5)并整理得到22224(14)4(2)0Hp x x p x x pg x x +++-= (1.7)(c )下面来求出描述相平面上的运动方程。

设42222(2)4,14gp H x x p xv x v v p x -+==-+ (1.8)从方程(1.8)中消去t ,我们得到42222(2)4(14)dv gp H x x p xv dx p x v-+=-+ (1.9)此式可以改写为2224221(14)()(2)402p x d v gp H x xdx p xv dx ++-+= (1.10)方程(1.10)积分有22222(14)2Hp x v gpx h x +++= (1.11)式中h 是常数。

方程(1.11)表明,此系统的T V +不是一个常数。

积分(1.11)称为Jacobi 积分。

改写(1.11)可以得到22222214h gpx H x v p x --=+ (1.12)并由此可以得出42222122232(2)48(2)(14)dv gp H x x hp x Hp xdx h gpx H x p x -+-=±--+ (1.13)注意到0,0H p >>,所以222h gpx H x h --≤-当2x = 式(1.12)右边分子必须半正定,即 220020h pgx H x ---≥(1.14)解得2x ≤≤(1.15)因此运动是有界的,它用围绕原点的一些闭轨线来表示,而原点是一个中心。

(d )编程的方法课上老师已经交给大家了,自己编写一小段程序即可。

下面的程序仅为示例,不是最终结果。

勿用此程序画的图。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%% 题一:画轨线图 %%%%%画一条曲线,先确定参数x 范围%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clear all; clc; p=1.0; g=32.2; h=1000.0; H=12.0; dt=0.0001; x0=0.5;v0=0.5;II=6740;X(1:II)=0.0;V(1:II)=0.0;X(1)=x0;V(1)=v0;for i=2:IIx1=x0+v0*dt;v1=v0-((2*g*p-H/(x1^4))*x1+4*p^2*x1*v0^2)/(1+4*p^2*x1^2)*dt;x0=x1;v0=v1;X(i)=x0;V(i)=v0;endfigure;plot(X,V,'r');hold on;on;题二解: 因为2252x x y y xy =+-=- (2.1)所以系统的奇点满足225020x y xy +-=-= (2.2)由此解得奇点为1234(1,2),(1,2),(2,1),(2,1)s s s s ---- (1)对原方程在奇点1(1,2)s 附近线性化,得111111224x x y y x y =+=+ (2.3)系统矩阵的特征方程为 2360λλ--=(2.4)特征值为123322λλ+== (2.5)由于1λ和2λ异号,所以奇点1(1,2)s 为鞍点,它是一个不稳定奇点。

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