简谐振动能量转换实验台

拨动时间,盯住同一份能量如何在“动”与“势”之间来回转账。

理想无阻尼模型

同一时刻

弹簧振子与运动状态

右端点:速度为零

浏览器不支持画布时,请使用下方位移和速度数值观察状态。
时间 t0.000 秒
位移 x+0.200 米
速度 v0.000 米每秒
相位 ωt0.000 弧度
0.000 秒|0.00 T

已启用减弱动态模式:自动演示关闭,请拖动时间滑块逐帧观察。

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能量账本

一份总能量,两种存法

此刻振子位于端点,弹簧势能占全部,动能为零。

恒定总机械能 E = ½kA² 0.400 焦耳
动能 0.000 焦耳(0.0%) 弹性势能 0.400 焦耳(100.0%)

一个振动周期里的能量交替

动能和势能各起伏两次,因此能量变化的角频率是 2ω

浏览器不支持画布时,可由能量条观察能量转换。
在 x = ±Av = 0,动能为零,势能等于总能量
在 x = 0速率最大,势能为零,动能等于总能量
在任意位置Eₖ + Eₚ = E,理想无阻尼时总量不变

反向推理

指定能量比例,位置在哪里?

注意:除平衡位置和端点的特殊情况外,同一能量比例通常对应左右两个位置。

当 Eₚ/E = 36% 时,先算出 |x|/A。

|x|/A =

实验采用的理想模型

x=A cos(ωt)  v=−Aω sin(ωt)

Eₖ=½mv²  Eₚ=½kx²  E=½kA²

忽略阻力与能量损耗;这里只研究自由简谐振动的能量转换。