高中 · 拓展 · 受迫振动

轻推,为什么能摆得很大?

线性阻尼振子,展示稳态而非启动增长。慢慢扫过驱动频率,寻找振幅的山峰。

问题的来处19世纪 · 瑞利与振动理论

共振台:问题从哪里来?

瑞利《声学理论》将振动、声波和数学模型联系起来。共振强调持续驱动的频率匹配,不能把它等同于已有单摆的自由摆动。

读一段背景,带着问题动手

瑞利《声学理论》将振动、声波和数学模型联系起来。共振强调持续驱动的频率匹配,不能把它等同于已有单摆的自由摆动。

瑞利《声学理论》将振动、声波和数学模型联系起来。共振强调持续驱动的频率匹配,不能把它等同于已有单摆的自由摆动。 线性阻尼振子,展示稳态而非启动增长。 无阻尼且精确共振,有限稳态振幅还存在吗?

现在,换你来试保持驱动力和阻尼,只改驱动频率,记录两组振幅。

故事出处与延伸阅读

共振台

P03 / 力学与振动
今天的问题

频率接近固有频率时,看看阻尼的作用。

独立探索要做什么?

保持驱动力和阻尼,只改驱动频率,记录两组振幅。

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
位移示意 · 并非真实比例稳态受迫振动 · 非起振过程显示位移限幅;真实振幅见读数0.0621m稳态振幅
青色振子金色驱动方向曲线:稳态幅频
看这里 · 稳态振幅0.0621 m

当前驱动 0.8 Hz,稳态振幅 0.0621 m。峰值频率 0.9855 Hz;继续扫频,而不是只盯住一个时刻。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

0 s默认暂停 · 隐藏页面自动暂停
稳态振幅
0.0621 m
相位滞后
28.0725 °
当前位移
0.0548 m
振幅峰值频率
0.9855 Hz

稳态解;阻尼越大峰越宽。位移显示限幅,不改变数值。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

无阻尼且精确共振,有限稳态振幅还存在吗?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

稳态振幅A=(F/m)/√[(ω₀²−ω²)²+(2ζω₀ω)²];有阻尼时位移峰值频率不必等于ω₀。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

频率接近固有频率时,看看阻尼的作用。

换个条件,再试一次

无阻尼且精确共振,有限稳态振幅还存在吗?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识受迫振动涉及的量与单位:驱动频率(Hz)、固有频率(Hz)、阻尼比(无量纲)、质量(kg)、驱动力振幅(N)、相位时间(s)。高中 · 拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:慢慢扫过驱动频率,寻找振幅的山峰。

再做定量:保持其他条件,比较驱动频率与稳态振幅(m),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

稳态振幅A=(F/m)/√[(ω₀²−ω²)²+(2ζω₀ω)²];有阻尼时位移峰值频率不必等于ω₀。

对照核验提示:离开峰值:驱动0.5 Hz;接近共振:驱动1 Hz,保留阻尼。按这些题设自己操作并比较稳态振幅,不把参考情景当个人完成。

适用范围:稳态解;阻尼越大峰越宽。位移显示限幅,不改变数值。

MacTutor · Rayleigh(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。