弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨(精)

第２６卷第５期

Ｖ０１．２６Ｎｏ．５

周口师范学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｏｕｋｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

２００９年９月

Ｓｅｐ．２００９

弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨

周俊敏，王玉梅

（周口师范学院物理系，河南周口４６６００１）

摘要：从能量的观点出发，分别讨论了弹簧振子垂直地面放置和平行地面放置时所遵守的运动方程，并通过解微分方程，得出结论．这些结论对指导实验和生产实践有一定的参考价值．

关键词：弹簧振子；振动周期；机械能守恒；运动方程中图分类号：０３２６文献标识码：Ａ

文章编号：１６７１—９４７６（２００９）０５—００５８—０３

弹簧振子在生产实践中有着十分广泛的应用，而振动的周期是描述振动系统运动的一个非常重要的基本物理量，因此探讨弹簧质量对弹簧振子振动周期的影响就显得十分必要．在实验教学中笔者发现，大部分实验教材直接给出弹簧振子的振动周

ｒ‘‘—？———＝７

的正方向，建立坐标系如图１（ｂ）所示．设质点的位置坐标为Ｘ，引即为质点相对于坐标原点的位移．

取物体为研究对象，作用在物体上的力有两个：重力大小为ｍｇ，方向竖直向下；弹簧对物体的拉力Ｆ＝一ｋ（ｘ＋ｚ。），方向竖直向上．由此可知物体的合力Ｆ台一一点（ｚ＋Ｘ。）＋ｍｇ＝一妇．由简谐

图１

期公式为Ｔ一２，ｒ＾／ｍ＋ｃＭ，学生通过实验测出ｆ

Ｖ

Ｋ

值的范围为０．３２～０．３４，但未从理论上分析ｃ值在这一范围的原因［１－３］．另外，教材中分析弹簧振子振动周期时，大都从力的观点［４＿５１出发得出运动方程．笔者从能量的观点出发，分别讨论弹簧振子垂直地面放置和平行地面放置时所遵守的运动方程，并通过解运动方程得出弹簧振子的振动周期以及

１

振动的定义“质点在线性

回复力的作用下，围绕平衡位置的运动是简谐振动”可知，竖直放置的弹簧振子将作简谐振动．对于作简谐振动的振子来说，只有保守力作功，可以用机械能守恒定律来求运动方程．

选取平衡位置为重力势能零点，振动物体重力势能为Ｅ，＝一ｍｇｘ，弹簧的弹性势能为Ｅ如＝

弹簧质量对振动周期的修正系数ｃ＝÷，从理论上

Ｏ

证明了学生的实验结果在误差范围内是正确的．

１

１．１

忽略弹簧质量时弹簧振子的振动周期

弹簧与地面垂直

弹簧的原长为Ｌ０，劲度系数为ｋ，上端固定，下

－｝ｋ（ｘ＋ｚ。）２，振动物体动能为Ｅ，＝告，聊２，由机

械能守恒定律可得

端悬挂一质量为优的物体，在平衡位置时弹簧长度为Ｌ，平衡时弹簧的拉伸量为ｚ。，如图１（ａ）所示，此时由于受力平衡，则一妇。＋ｍｇ＝０，即如。＝ｍｇ．将振动物体自平衡位置Ｏ向下移动一小位移至

０

Ｅ＝告脚２一ｍｇｘ＋寺是（ｚ＋ｚ１）２＝Ｃ１．

考虑到ｋｘ。一ｍｇ，则

７（如图１（ｂ）所示），然后释放，物体将以０点为中

心作往复运动．忽略各种阻力的影响，把物体视为质点，以平衡位置Ｏ为坐标原点，设竖直向下为ｚ

丢舢２＋昙妇２＋百１肛２１：Ｃ１．

对振动系统来说妻如；为常量，则

收稿日期：２００９一０３—１２；修回日期：２００９一０７—２５

基金项目：周口师范学院青年科研基金资助项目（Ｎｏ．ＺＫＮＵＱＮ２００８３２）

作者简介：周俊敏（１９６５一），女，河南太康人，讲师，主要从事基础物理教学与研究．

万方数据

第２６卷第５期周俊敏，等：弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨

５９

专栅２＋丢ｂ２＝ｃｚ．

两边同时对￡求－９，考虑到口＝Ｉｄｘ，整理得ｎ￡

磐＋岛：０．’出２。ｍ“

‘

取∥＝生，得此微分方程的解为

ｚ亨Ａｃｏｓ（ｃｃ｜ｔ＋庐）．

若用Ｔ表示完成一次全振动所用时间，则

ｒ＝警＝２耳√詈．

叫

、『宠

１．２

弹簧与地面平行

与竖直情况作类似分析，得Ｆ台＝一如，弹簧弹

性势能为Ｅ，，＝专缸２，振动物体动能为Ｅｋ，＝

妻脚２．对振动系统，由机械能守恒定律可得

Ｅ＝丢脚２＋ｉ１妇２＝Ｃｓ．

两边同时对￡求导，考虑到口＝譬，整理得

ａｆ

磐＋匕：ｏ．“

ｄｔ２’仇“

取∥：鱼，得此微分方程的解为

ｚ—Ａｃｏｓ（ａ＊＋乒）．

若用Ｔ表示完成一次全振动所用时间，则

丁一等＝２丌√詈．

∞

’、『定

２

考虑弹簧质量时弹簧振子的振动周期

２．１

弹簧与地面垂直

设弹簧质量为Ｍ，劲度系数为忌，振动物体质

量为优，在平衡位置时弹簧长度为Ｌ，平衡时弹簧的拉伸量为ｚ：．此时，由于受力平衡，则一ｋ２＋ｒａｇ

＋Ｍｇ一０，则妇２＝ｍｇ＋Ｍｇ．假定弹簧各截面的位移按线性规律变化，从弹簧的固定点Ｐ向下取一点ｙ（取尸ｙ＝ｙ，Ｙ≤Ｌ＋ｚ），并在

此处截取一小位移元ｄｙ，则警＝

１万。——ｘ’即ｙ辨：生，即ｄ：Ｌ＋

２

Ｙ

ｏＬ，如图２所示．

振动物体重力势能为

图２

Ｅ＾＝一ｍｇｘ；

万方数据

振动物体动能为

Ｅ。＝ｉ１

ｍＩ面＆ｃ）２．

令Ａ＝ｆ笔，ｙ到ｙ＋ｄｙ处的动能为

慨：＝虿１叫ｗ＼面ｄｙ）２＝虿１№（煮害）２，

整个弹簧的动能为

Ｅ。＝ｒ；ｔｄｙ（南ｄ－一７）一

ｒ面ｂ（警）２ｙ２ｄｙ＝

——ｌ面Ｊ—』生一（警）２＿Ｌ－ｌ－ｘ２（Ｌ－＋－ｘ）。

Ｊ０

ｙＺ‘ｄｙ一警（害）２．一百（面）‘因弹簧质心下移虿１ｚ，则弹簧的重力势能为

Ｅ：一一号Ｍｇｚ，弹簧的弹性势能为

％一丢志（ｚ＋ｚ：）２．

将振动系统和地球作为一个整体且不考虑各种阻力影响，由机械能守恒定律得ｉ１

ｍＩ面ｄｘ）２一嘲ｚ＋百ＭＩ面ｄｚ）２一

Ｍｇｚ＋

丢志（ｚ＋列２

Ｃ４．

对上式整理并对ｔ求导，得

鲁＋∥ｚ：ｇ，可十旷ｚ

２

ｇ’

’

一Ｍ

其中∥＝—÷丽，ｑ＝一—÷砑ｇ．

１Ｈ’百

１Ｈｔ百

这一微分方程的解为

ｚ＝Ａｃｏｓ（研＋≯）＋．暑，

其中叫一，、ｆｍ

ｋ

Ｍ一

由此得Ｔ：塾：２，ｃ∞

２．２

弹簧与地面平行

与垂直情况作类似分析，振动物体动能为Ｂ，＝虿１

ｍＩ面ｃｌｘ）２，弹簧的动能为Ｂ：＝Ｍ百Ｉ面ｄｚ）２，弹簧

弹性势能为Ｅ。＝丢如２，不考虑各种阻力的影响，

由机械能守恒定律得

．

虿１烈五ｄ：ｃ）２＋Ｍ６＼［ｄｄｘ￡，＼２＋虿１妇ｚ＝ｃ。．

６０

周口师范学院学报

２００９年９月

两边同时求导，整理得

警ｗｚ＝ｏ，

其中∥＝—ｋ孺．

优十了这一微分方程的解为

ｚ＝Ａｃｏｓ（ａｔ＋≯），

即Ｔ＝２７ｒ

，从而能从理论上解释Ｃ的实验

值在０．３２～０．３４这一范围之内．

３）当弹簧质量远小于振动物体质量时，弹簧质量可忽略不计，则振动周期Ｔ＝２７ｒ参考文献：

［１］林抒，龚振雄．普通物理实验［Ｍ］．北京：高等教育出版

社，１９８８：１１９—１２６．

层

其中ｃｃ，＝

由此得Ｔ：堑：２丌

ｔＯ

犀

Ｉ－２］陈群宇，姚列明，霍中生，等．大学物理实验［Ｍ］．北京：

电子工业出版社，２００８：２９１—２９２．

Ｉ－３］扬述武，马葭生，贾玉民，等．普通物理实验：第１册

［Ｍ３．北京：高等教育出版社，２０００：１４３—１４７．

［４］吴百诗．大学物理［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，

１９９４．２４４—２４５．

３

结论

通过前面的理论分析，可以得出如下结论：Ｉ）弹簧振动系统无论是垂直或平行地面放置，

［５］ＳＥＡＲＳ

Ｆ

Ｗ．大学物理［Ｍ］．郭泰运，译．北京：人民教

育出版社，１９９７．

其振动都是简谐振动，且具有相同的振动周期．

２）弹簧质量对振动周期的修正系数为ｆ＝÷，

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｐｒｉｎｇｍａｓｓａｎｄｓｐｒｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ

ＺＨＯＵＪｕｒｌ—ｍｉｎＷＡＮＧＹｕ—ｍｅｉ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＺｈｏｕｋｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｋｏｕ４６６００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙ，ｉｔｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｉｏｎｗｈｅｎｉｔｉｓｎｏｒｍａｌａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｉｔ

ｃａｎ

ｃｏｍｐｌｉｅｄｂｙｔｈｅｓｐｒｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ

ｔｏ

ｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｏｂｔａｉｎｅｄｓｅｖｅｒａｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｆｒｏｍｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｄｉｆ—

ｔｏ

ｂｅｈｅｌｐｅｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｒｉｎｇｍａｓｓ；ｓｐｒｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅ；ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ；ｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｉｏｎ

（上接第５７页）

ＴｈｅｌｏａｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＡＣＳｓｅｒｉｅｓＡＣｓｗｉｔｃｈｅｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ＺＨＯＵＺｉ—ａｎ９１，ＸＵ

Ｋｕｎｌ，ＷＡＮＧ

Ｆｕ—ｙｕａｎ２

（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＺｈｏｕｋｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｋｏｕ４６６００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００５２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡＣＳｗｈｉｌｅｔｈｅｙ

ａｒｅ

ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ＳＯ

ｌｏａｄ，ｓａｙｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｍａｘｉｍｕｍｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｏｆｔｈｅｄｉｅａｎｄ

ｏｎ

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ｔｏ

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ｔｏ

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ｒｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎ

ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣａｓｅ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣＳｓｅｒｉｅｓＡＣｓｗｉｔｃｈｅｓ；ｌｏａｄｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｍａｘｉｍｕｍｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

万方数据

弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨

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刊名：

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年，卷(期)：

引用次数：周俊敏，王玉梅， ZHOU Jun-min， WANG Yu-mei周口师范学院,物理系,河南,周口,466001周口师范学院学报JOURNAL OF ZHOUKOU NORMAL UNIVERSITY2009，26(5)0次

参考文献(5条)

1.林抒.龚振雄普通物理实验 1988

2.陈群宇.姚列明.霍中生大学物理实验 2008

3.杨述武.马葭生.贾玉民普通物理实验 2000

4.吴百诗大学物理 1994

5.SEARS F W.郭泰运大学物理 1997

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T=2π√m/r,再在此公式的基础上推导出弹簧振子和单拯的振动周期T=2π√m/r和

T=π√L/g.

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对弹簧振子振动周期经验公式的实验拟合中所用的实验方法进行了总结,对部分实验方法和实验装置进行了改进.

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/3b12463029.html,/Periodical_zksfgdzkxxxb200905022.aspx 下载时间：2010年5月30日

弹簧振子的简谐振动

弹簧振子的简谐振动 弘毅学堂汪洲 26 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 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。

弹簧振子实验报告

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 =

气垫导轨上弹簧振子振动的研究

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

阻尼振动与受迫振动 实验报告

《阻尼振动与受迫振动》实验报告 一、实验目的 1． 观测阻尼振动，学习测量振动系统基本参数的方法； 2． 研究受迫振动的幅频特性和相频特性，观察共振现象； 3． 观测不同阻尼对受迫振动的影响。 二、实验原理 1． 有粘滞阻尼的阻尼振动 弹簧和摆轮组成一振动系统，设摆轮转动惯量为J ，粘滞阻尼的阻尼力矩大小定义为角速度d θ/dt 与阻尼力矩系数γ的乘积，弹簧劲度系数为k ，弹簧的反抗力矩为-k θ。忽略弹簧的等效转动惯量，可得转角θ的运动方程为 220d d J k dt dt θθγθ++= 记ω0为无阻尼时自由振动的固有角频率，其值为ω0=k/J ，定义阻尼系数β =γ/（2J ），则上式可以化为： 2220d d k dt dt θθ βθ++= 小阻尼即22 00βω-<时，阻尼振动运动方程的解为 ( )) exp()cos i i t t θθβφ=-+ （*） 由上式可知， 阻尼振动角频率为d ω=阻尼振动周期为2d d T π ω= 2． 周期外力矩作用下受迫振动的解 在周期外力矩Mcos ωt 激励下的运动方程和方程的通解分别为 22cos d d J k M t dt dt θθγθω++= ()( )) ()exp cos cos i i m t t t θθβφθωφ=-++- 这可以看作是状态（*）式的阻尼振动和频率同激励源频率的简谐振动的叠加。 一般t >>τ后，就有稳态解 ()()cos m t t θθωφ=- 稳态解的振幅和相位差分别为 m θ=

22 02arctan βω φωω =- 其中，φ的取值范围为（0，π），反映摆轮振动总是滞后于激励源支座的振动。 3． 电机运动时的受迫振动运动方程和解 弹簧支座的偏转角的一阶近似式可以写成 ()cos m t t ααω= 式中α m 是摇杆摆幅。由于弹簧的支座在运动，运动支座是激励源。弹簧总转 角为()cos m t t θαθαω-=-。于是在固定坐标系中摆轮转角θ的运动方程为 ()22cos 0m d d J k t dt dt θθγθαω++-= 也可以写成 22cos m d d J k k t dt dt θθγθαω++= 于是得到 2 m θ= 由θ m 的极大值条件0m θω? ?=可知，当外激励角频率ω=系统发生共振， θ m 有极大值 α 引入参数(0ζβωγ==，称为阻尼比。 于是，我们得到 m θ= ()() 02 02arctan 1ζωωφωω=- 三、实验任务和步骤 1． 调整仪器使波耳共振仪处于工作状态。 2． 测量最小阻尼时的阻尼比δ和固有角频率ω0。 3． 测量阻尼为3和5时的振幅，并求δ。 4． 测定受迫振动的幅频特性和相频特性曲线。 四、实验步骤。

高中物理的所有公式归纳

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：

弹簧振动周期研究

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

《弹簧振子》模型

“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

阻尼振动与受迫振动实验报告

阻尼振动与受迫振动 一、 实验目的 1. 观测阻尼振动，学习测量振动系统基本参数的方法； 2. 研究受迫振动的幅频特性和相频特性，观察共振现象； 3. 观测不同阻尼对受迫振动的影响。 二、 实验原理 1. 有粘滞阻尼的阻尼振动 在弹簧和摆轮组成的振动系统中，摆轮转动惯量为J ，γ为阻尼力矩系数，ω0=√ k /J 为无阻尼时自由振动的固有角频率，定义阻尼系数β=γ/(2J )，则振动方程为 2220d d k dt dt θθ β θ++= 在小阻尼时，方程的解为 ()) exp()cos i i t t θθβφ=-+ 在取对数时，振幅的对数和β有有线性关系，通过实验测出多组振 幅和周期，即可通过拟合直线得出阻尼系数进而得出其他振动参数。 2. 周期外力矩作用下受迫振动 在周期外力矩Mcos ωt 激励下的运动方程和方程的通解分别为 22cos d d J k M t dt dt θθγθω++=

()( )) ()exp cos cos i i m t t t θθβφθωφ=-++- 其中包含稳定项和衰减项，当t >>τ后，就有稳态解 ()()cos m t t θθωφ=- 稳态解的振幅和相位差分别为 m θ= 22 02arctan βω φωω=- 上式中反映当ω与固有频率相等时相位差达到90度。 3. 电机运动时的受迫振动运动方程和解 弹簧支座的偏转角的一阶近似式可以写成 ()cos m t t ααω= 式中αm 是摇杆摆幅。由于弹簧的支座在运动，运动支座是激励源。弹簧总转角为()cos m t t θαθαω-=-。于是在固定坐标系中摆轮转角θ的运动方程为 22cos m d d J k k t dt dt θθγθαω++= 于是得到 2 m θ= 由θm 的极大值条件0m θω? ?=可知，当外激励角频率ω=时，系统发生共振， θm 有极大值α 引入参数(0ζβωγ ==，称为阻尼比，于是有

气垫弹簧振子的简谐振动实验报告

××大学实验报告 学院：×× 系：物理系专业：×× 年级：××级 姓名：×× 学号：×× 实验时间：×× 指导教师签名：_______________ 实验四：气垫弹簧振子的简谐振动 一．实验目的与要求： 1. 考察弹簧振子的振动周期与振动系统参量的关系。 2. 学习用图解法求出等效弹簧的倔强系数和有效质量。 3. 学会气垫调整与试验方法。 二．实验原理： 1.弹簧的倔强系数 弹簧的伸长量x 与它所受的拉力成正比 F=kx k=X F 2.弹簧振子的简谐运动方程 根据牛顿第二定律，滑块m 1 的运动方程为 -k 1(x+x 01)-k 2(x-x 02)=m 2 2dt x d ,即-(k 1+k 2)x=m 2 2dt x d 式中，m=m 1+m 0（系统有效质量），m 0是弹簧有效质量，m 1是滑块质量。令 k=k 1+k 2,则 -kx= m 2 2dt x d 解为x=A sin （ω0t+ψ0 ），ω0= m k = m k k 2 1+ 而系统振动周期 T 0=0 2ωπ=2π k m

当 m 0《 m 1时，m 0=3 s m ，m s 是弹簧的实际质量（m 0与m s 的关系可简单写成 m 0=3 m s ）。 本实验通过改变m 1测出相应的T ，以资考察T 和m 的关系，从而求出m 0和 k 。 三．主要仪器设备： 气垫导轨、滑块（包括挡光刀片）、光电门、测时器、弹簧。 四．实验内容及实验数据记录： 1.气垫导轨水平的调节 使用开孔挡光片，智能测时器选在2pr 功能档。让光电门A 、B 相距约60cm (取导轨中央位置),给滑块以一定的初速度(Δ t 1和Δt 2控制在20-30ms 内),让 它在导轨上依次通过两个光电门.若在同一方向上运动的Δ t 1和Δt 2的相对 误差小于3%,则认为导轨已调到水平.否则重新调整水平调节旋钮。 2.研究弹簧振子的振动周期与振幅的关系 先将测时器设置于6pd （测周期）功能档。按动选择钮，屏幕显示6pd 时，按动执行键，显示为0。每按一次选择键，显示加1；当达到预定值（如预置数为n =6，则表示测3个周期的时间）后，将滑块拉离平衡点6.00厘米（即选定某一振幅），再按执行键，放手让其运动，进入测周期操作。当屏幕上显示预置数减为0后，显示屏上出现总时间t ；由此可得周期T = n t 2。 再重新测量几次并取平均值。并测量滑块和弹簧的质量，利用T 0= 2ωπ =2π k m 计算弹簧的倔强系数。取不同的振幅测量，探讨周期与振幅是否有关。 3.观测简谐振动周期T 与m 的关系，并求出k 与弹簧的有效质量m 0。

简谐运动周期公式的推导

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

弹簧振子的简谐振动

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：

弹簧振子的简谐振动

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 0ω= 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： 1、用逐差法处理数据 由下列公式 221 104()T m m k π=+

振动的隔离与阻尼减振

振动是造成工程结构损坏及寿命降低的原因，同时，振动将导致机器和仪器仪表的工作效率、工作质量和工作精度的降低。 控制振动的一个重要方法就是隔振。从振动控制的角度研究隔振，不涉及结构强度的计算，它只是研究如何降低振动本身。这里所介绍的隔振方法，就是将振源与基础或连接结构的近刚性连接改成弹性连接，以防止或减弱振动能量的传递，最终达到减振降噪的目的。 隔振的作用有两个方面：一是减少振源振动传至周围环境；二是减少环境振动对物体或设备的影响。原理是在设备和底座之间安装适当的隔振器，组成隔振系统，以减少或隔离振动的传递。有两类隔振，一是隔离机械设备通过支座传至地基的振动，以减少动力的传递，称为主动隔振；另一种是防止地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪表仪器，以减小运动的传递，称为被动隔振。 在一般隔振设计中，常常用振动传递比T 和隔振率η来评价隔振效果。主动隔振传递比等于物体传递到底座的振动与物体振动之比，被动隔振传递比等于底座传递到物体的振动与底座的振动之比，两个方向的传递比相等。 隔振效率： η=（1- T ) ·100% 传递比T ： ]u D )u -/[(1u D (1T 2 2 2 2 2 2 ++= ） 式中D 为阻尼比，0 f u f = 为激振频率和共振频率的比。 只有传递比小于1才有隔振效果。因此T<1的区域称为隔振区。 隔振可以分为两类，一类是对作为振动源的机械设备采取隔振措施，防止振动源产生的振动向外传播，称为积极隔振或主动隔振；另一类是对怕受振动干扰的设备采取隔振措施，以减弱或消除外来振动对这一设备带来的不利影响，称为消极隔振或被动隔振。对于薄板类结构振动及其辐射噪声，如管道、机械外壳、车船体和飞机外壳等，在其结构表面涂贴阻尼材料也能达到明显的减振降噪效果，我们称这种振动控制方式为阻尼减振。

弹簧振子周期影响因素

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。

弹簧振子的简谐振动

弹簧振子的简谐振动 弘毅学堂汪洲26 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：

弹簧振子周期公式的研究

教案（首页） 备课笔记附后：

实验二 弹簧振子周期公式的研究 【实验目的】 1. 学习建立实验公式的实验方法，找出弹簧振子的周期公式。 2. 通过公式简化、曲线直化和数据处理，练习作图和图解。 【实验原理】 已知弹簧振子的振动周期T 与倔强系数K 、振子质量m 相关，为了找出T 、K 、m 三者之间的关系，从量纲分析，可以假设满足下式 β α m AK T = （1） 式中α、β和A 均为待定常数。如果能通过实验测量和数据处理找到α、β和A 的具体数值，那么（1）式就被具体地确定了。如果找不出α、β和A 的数值，则说明（1）式的假设是错误的，还需要对T 、K 、m 三者的函数关系做新的假设。 为了简化，先使倔强系数K 或振子质量m 保持不变进行实验。例如先使振子质量m 保持不变，则（1）式可写成 常数===βαAm C K C T 11 （2） 这样，对应于不同的倔强系数K 的弹簧，就有不同的振动周期T ，可以测定一组T ～K 的对应值。 再使倔强系数K 保持不变（用同一个弹簧），则（1）式又可写成 22常数===αβAK C m C T （3） 这样，对于不同的振子质量m ，又有不同的振动周期T ，可以测定一组T ～m 的对应值。 从（2）式和（3）式可见，只要α、β不等于1，则T ～K 和T ～m 间的关系就不是直线关系。为了便于图解，可将（2）式和（3）式取对数，将曲线直化、得到 K C T lg lg lg 1α+= （4） m C T lg lg lg 2β+= （5） 式中常数α、β可以从图线的斜率求出，1C 、2C 可从图线的截距求得。然后将得到的1C 、 2C 值和α、β值，分别代入（2）式或（3）式而确定A 值。当α、β和A 值确定之后， 则所求的周期公式就被具体地确定了。 为了完成以上实验，需要先对各弹簧的倔强系数K 进行测定。 【实验内容】 1. 因六个砝码的误差较大，实验前应先作出校测，记录数据。 2. 弹簧倔强系数K 的测定 用一次增荷法（取31050-?=? m 公斤）测定K 值。计算公式为 x F K ??= 五个弹簧各测一次，记录数据。 3. 振子质量m 一定（统一用3号砝码），测定一组T ～K 的对应值。 4. 倔强系数K 一定（统一用3号弹簧），测定一组T ～m 的对应值

阻尼振动与受迫振动实验报告

阻尼振动与受迫振动实验报告 一、实验目的 （一）观察扭摆的阻尼振动，测定阻尼因数。 （二）研究在简谐外力矩作用下扭摆的受迫振动，描绘扭摆在不同阻尼的情况下的共振曲线（即幅频特性曲线）。 （三）描绘外加强迫力矩与受迫振动之间的位相随频率变化的特性曲线（即相频特性曲线）。 （四）观测不同阻尼对受迫振动的影响。 二、实验仪器 扭摆（波尔摆）一套，秒表，数据采集器，转动传感器。 三、实验任务 1、调整仪器使波耳共振仪处于工作状态。 2、测量最小阻尼时的阻尼比ζ和固有角频率ω0。 3、测量其他2种或3种阻尼状态的振幅，并求ζ、τ、Q和它们的不确定度。 4、测定受迫振动的幅频特性和相频特性曲线。 四、实验步骤 1、打开电源开关，关断电机和闪光灯开关，阻尼开关置于“0”档，光电门H、I可以手动微调，避免和摆轮或者相位差盘接触。手动调整电机偏心轮使有机玻璃转盘F上的0位标志线指示0度，亦即通过连杆E和摇杆M使摆轮处于平衡位置。然后拨动摆轮使偏离平衡位置150至200度，松开手后，检查摆轮的自由摆动情况。正常情况下，震动衰减应该很慢。 2、开关置于“摆轮”，拨动摆轮使偏离平衡位置150至200度后摆动，由大到小依次读取显示窗中的振幅值θj；周期选择置于“10”位置，按复位钮启动周期测量，停止时读取数据10 T。 d 并立即再次启动周期测量，记录每次过程中的10 T的值。 d （1）逐差法计算阻尼比ζ； （2）用阻尼比和振动周期T d计算固有角频率ω0。 3、依照上法测量阻尼（2、3、4）三种阻尼状态的振幅。求出ζ、τ、Q和它们的不确定度。 4、开启电机开关，置于“强迫力”，周期选择置于“1”，调节强迫激励周期旋钮以改变电机运动角频率ω，选择2个或3个不同阻尼比（和步骤3中一致），测定幅频和相频特性曲线，注意阻尼比较小（“0”和“1”档）时，共振点附近不要测量，以免振幅过大损伤弹簧；每次调节电机状态后，摆轮要经过多次摆动后振幅和周期才能稳定，这时再记录数据。要求每

第六节 简谐运动的能量 阻尼振动33794

第六节简谐运动的能量阻尼振动 教学目标： 一、知识目标： 1、知道振幅越大，振动的能量（总机械能）越大。 2、对单摆，应能根据机械能守恒定律进行定量计算。 3、对水平的弹簧振子，应能定量地说明弹性势能与动能的转化。 4、知道什么是阻尼振动和阻尼振动中能量转化的情况。 5、知道在什么情况下可以把实际发生的振动看作简谐运动。 二、能力目标： 1、分析单摆和弹簧振子振动过程中能量的转化情况，提高学生分析和解决问题的能力。 2、通过阻尼振动的实例分析，提高处理实际问题的能力。 三、德育目标： 1、简谐运动过程中能量的相互转化情况，对学生进行物质世界遵循对立统一规律观点的渗透。 2、振动有多种不同类型说明各种运动形式都是普遍性下的特殊性的具体体现。 教学重点： 1、对简谐运动中能量转化和守恒的具体分析。 2、什么是阻尼振动。 教学难点： 关于简谐运动中能量的转化。 教学方法： 1、多媒体展示弹簧振子和单摆的振动过程，观察、讨论、阅读课文，得到水平弹簧振子和单摆的振动过程中动能和势能的转化情况。 2、多媒体、结合实验演示，得到阻尼振动的概念。 3、对比认识各种振动的特点。 教学用具： CAI课件、单摆、水平弹簧振子 教学过程： 一、导入新课： 1、演示：取一个单摆，将摆球拉到一定高度后释放，观察它的摆动情况如何？ 2、现象：单摆的振幅会越来越小，最后停下来。 3、思考：实际振动的单摆为什么会停下来呢？ 今天，我们就来共同探究这个问题。 二、新课教学： （一）、简谐运动的能量： 1、用多媒体模拟简谐运动： 2、分析简谐运动中的能量转化情况： 简谐运动A→O O→A′A′→O O→A 能量的变化动能↑↓↑↓势能↓↑↓↑总能不变 3、总结： ⑴、简谐运动在振动过程中系统的能量守恒，振幅保持不变，叫等幅振动或无阻尼振动。

弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨(精)

第２６卷第５期 Ｖ０１．２６Ｎｏ．５ 周口师范学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｏｕｋｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２００９年９月 Ｓｅｐ．２００９ 弹簧质量与弹簧振子振动周期关系的探讨 周俊敏，王玉梅 （周口师范学院物理系，河南周口４６６００１） 摘要：从能量的观点出发，分别讨论了弹簧振子垂直地面放置和平行地面放置时所遵守的运动方程，并通过解微分方程，得出结论．这些结论对指导实验和生产实践有一定的参考价值． 关键词：弹簧振子；振动周期；机械能守恒；运动方程中图分类号：０３２６文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—９４７６（２００９）０５—００５８—０３ 弹簧振子在生产实践中有着十分广泛的应用，而振动的周期是描述振动系统运动的一个非常重要的基本物理量，因此探讨弹簧质量对弹簧振子振动周期的影响就显得十分必要．在实验教学中笔者发现，大部分实验教材直接给出弹簧振子的振动周 ｒ‘‘—？———＝７ 的正方向，建立坐标系如图１（ｂ）所示．设质点的位置坐标为Ｘ，引即为质点相对于坐标原点的位移． 取物体为研究对象，作用在物体上的力有两个：重力大小为ｍｇ，方向竖直向下；弹簧对物体的拉力Ｆ＝一ｋ（ｘ＋ｚ。），方向竖直向上．由此可知物体的合力Ｆ台一一点（ｚ＋Ｘ。）＋ｍｇ＝一妇．由简谐 图１ 期公式为Ｔ一２，ｒ＾／ｍ＋ｃＭ，学生通过实验测出ｆ Ｖ Ｋ 值的范围为０．３２～０．３４，但未从理论上分析ｃ值在这一范围的原因［１－３］．另外，教材中分析弹簧振子振动周期时，大都从力的观点［４＿５１出发得出运动方程．笔者从能量的观点出发，分别讨论弹簧振子垂直地面放置和平行地面放置时所遵守的运动方程，并通过解运动方程得出弹簧振子的振动周期以及 １

大学物理实验简谐振动与阻尼振动的实验报告

湖北文理学院物理实验教学示范中心 实 验 报 告 学院 专业 班 学号： 姓名： 实验名称 简谐振动与阻尼振动的研究 实验日期： 年 月 日 实验室： N1-103 [实验目的]: 1. 验证在弹性恢复力作用下,物体作简谐振动的有关规律；测定弹簧的弹性系数K 和有效质量m. 2. 测定阻尼振动系统的半衰期和品质因数，作出品质因数Q 与质量M 的关系曲线。 [仪器用具]:仪器、用具名称及主要规格（包括量程、分度值、精度等） 气垫导轨、滑块、附加质量(2)、弹簧(4)、光电门(2)、数字毫秒计. [实验原理]:根据自己的理解用简练的语言来概括(包括简单原理图、相关公式等) 1．简谐振动 在水平气垫导轨上的滑块m 的两端连接两根弹性系数1k 、2k 近乎相等的弹簧，两弹簧的另一端分别固定在气轨的两端点。滑块的运动是简谐振动。其周期为： 2 122k k M T +== π ω π 由于弹簧不仅是产生运动的原因，而且参 加运动。因此式中M 不仅包含滑块（振子）的质量m ，还有弹簧的有效质量0m 。M 称为弹簧振子系统的有效质量。经验 证：0m m M += 其中 s m m 31 0=，s m 为弹簧质量。假设：k k k ==21则有周期： 22T πω= = 若改变滑块的质量m ?，则周期2T 与m ?成正比。222 4422M m T k k ππ?=+。以2T 为纵坐标，以m ?为横坐标，作2T -m ?曲线。则为一条斜率为242k π的直线。由斜率可以求出弹簧的弹性系数k 。求出弹性系数后再根据式22 42M T k π=求出弹簧的 有效质量。 2．阻尼振动 简谐振动是一种振幅相等的振动，它是忽略阻尼振动的理想情况。事实上，阻尼力不可避免，而抵抗阻力做功的结果，使振动系统的能量逐渐减小。因此，实验中发生的一切自由振动，振幅总是逐渐减小以至等于零的。这种振动称为阻尼振动。用品质因数（即Q 值），来反映阻尼振动衰减的特性。其定义为：振动系统的总能量E 与在一个周期中所损耗能 量E ?之比的π2倍，即 2E Q E π =?；通过简单推导也有： 12 ln 2 T Q T π= 2 1T 是 阻尼振动的振幅从 0A 衰减为 2 0A 所用时 间，叫做半衰期。测出半衰期就可以计算出品质因数Q 。在实验中，改变滑块的质量。作质量与品质因数的关系曲线。 [实验内容]: 简述实验步骤和操作方法 1. 打开气泵观察气泵工作是否正常，气轨出气孔出气大小是否均匀。 2. 放上滑块，调节气轨底座，使气轨处于水平状态。 3. 把滑块拉离平衡位置，记录下滑块通过光电门10次所用的时间。 4. 改变滑块质量5次，重复第3步操作。 5. 画出m T -2 关系曲线，.据m T -2关系曲线，求出斜率K ，并求出弹性系数k 。 6. 用天平测量滑块（附挡光片）、每个附加物的质量后；求出弹簧的有效质量。 7. 用秒表测量滑块儿的振幅从A 0衰减到A 0/2所用的时间2 1T ；求出系统的品质因数Q 8. 滑块上增至4个附加物，重复步骤7作出Q-m ?的关系曲线；