簡諧振動(dòng)是最簡單最基本的振動(dòng),它的典型例子是彈簧振子。 什么是彈簧振子呢?一個(gè)不考慮質(zhì)量的彈簧連接一個(gè)有質(zhì)量的小球或物塊,然后把它沿著彈簧的方向壓縮或者拉伸一定的距離(不要拉得太狠,悠著點(diǎn)兒)后松手,那么物塊就會只在彈簧彈力的作用下,周期性地往復(fù)振動(dòng)。彈簧振子是一個(gè)理想物理模型。振子速度最大的位置回復(fù)力為零,此處稱之為平衡位置。 在高中我們就知道,彈簧振子的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以表達(dá)為如下正弦或余弦函數(shù)形式: <mjx-container jax="SVG" display="true" role="presentation" ctxtmenu_counter="56" data-formula="\begin{aligned} x(t)=A \cos (\omega t+\varphi)\x(t)=A \sin (\omega t+\varphi" )="" \end{aligned}'="">它們都表述了振子偏離平衡位置的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系。由中學(xué)數(shù)學(xué)可知這兩個(gè)函數(shù)是等價(jià)的。那么這個(gè)振動(dòng)方程到底是怎么推導(dǎo)出來的呢? 我的書架上有四本書對這個(gè)振動(dòng)方程有所描述,分別是漆安慎版《力學(xué)》、人教社的高中物理教材、《費(fèi)曼物理學(xué)講義》、趙凱華版《新概念物理教程·力學(xué)》,外加知乎@烤羚羊的思路。他們面對同一件事雖然思路迥異,卻又殊途同歸,真真是各有各的特點(diǎn),各有各的巧妙。我們一起來看看吧^_^ 方式一 “易得”型這種方式的典型代表是漆老的《力學(xué)》,在書中,振動(dòng)方程來自于直接寫出微分方程的解,畫風(fēng)是下面這這樣的: 為什么可以寫成這樣呢?當(dāng)時(shí)的我左思右想也沒搞明白這個(gè)余弦函數(shù)是怎么來的。漆老可能覺得讀者基本都是大學(xué)生了,這等小菜,自己可以推出來??磥砦液推崂蠈Υ髮W(xué)生的基本要求隔了一個(gè)地球周長。所以當(dāng)時(shí)我只是把它當(dāng)成基本結(jié)論去記的。現(xiàn)在,這種處理方式著實(shí)不能滿足我對科學(xué)的渴望,必須深究下去。 方式二 科學(xué)探究型這種方式的典型代表是現(xiàn)行高中物理人教版教材。從國家到地方都在大力開展新課程改革,要求在物理教學(xué)中要重視學(xué)生的物理探究過程,多多體驗(yàn)一下科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論、討論驗(yàn)證等的科學(xué)研究過程。所以人教版高中物理教材是按如下方式得出振動(dòng)方程的。 首先,觀察彈簧振子的頻閃照片。 讓彈簧振子先振動(dòng)起來,然后讓頻閃儀對著彈簧振子每隔 0.05s閃光一次,閃光的瞬間振子就會被照亮,從而得到閃光時(shí)小球的位置,相鄰兩個(gè)位置之間的時(shí)間相隔為0.05 s。拍攝時(shí)讓底片從左向右勻速運(yùn)動(dòng),因此在底片上留下了小球和彈簧的一系列的像。 或者,在桌面上放一個(gè)彈簧振子(附一支描線筆),下面放上一條長長的寬紙帶,然后在彈簧振子振動(dòng)的同時(shí)在一側(cè)把紙帶勻速卷起來,這樣就得到一條和頻閃照片類似的圖像。 然后,猜想圖像的函數(shù)并驗(yàn)證。書上引導(dǎo)讀者猜想這是正弦函數(shù)。然后根據(jù)振幅和周期寫出正弦函數(shù)表達(dá)式,再從實(shí)驗(yàn)中得到的圖像中選擇幾個(gè)點(diǎn),得到不同時(shí)間所得到的位置值,把這個(gè)位置值和表達(dá)式中對應(yīng)時(shí)間的函數(shù)值做個(gè)比較。如果符合得很好,說明振動(dòng)圖像就是對應(yīng)正弦函數(shù)。 接著,書上就直接給出了振動(dòng)方程,如下圖所示。 人教版高中教材的這個(gè)方法簡單直觀,規(guī)避了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推理。其中,把時(shí)間作為一個(gè)數(shù)軸,位移作為另一個(gè)數(shù)軸,從一維振動(dòng)中拉一個(gè)二維圖像的方法是很奇妙的一個(gè)思路。 然而,彈簧振子的一維振動(dòng),怎么就跟三角函數(shù)扯上了關(guān)系呢? 彈簧振子難道就有沒有什么內(nèi)在的、固有性質(zhì)使得它必然與三角函數(shù)有關(guān)系嗎? 答案顯示不是。一定是彈簧振子的某些固有屬性使得它與三角函數(shù)有關(guān)系。那么我們首先就得找找,彈簧振子到底有哪些固有的屬性和規(guī)律呢。 彈簧振子的常微分方程(如果你是中學(xué)生,當(dāng)你看到常微分方程這五個(gè)字時(shí)也許會比較納悶,先不管它,我們來一步步把它給逼出來) 彈簧振子的固有屬性彈簧振子有哪些固有屬性會影響到它的振動(dòng)呢? 首先想到的性質(zhì)一定有物塊的質(zhì)量,我們可以想想,在彈簧的拉伸長度一定的前提下,如果物塊越重,振子就應(yīng)該越“懶”,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難得改變,也就是振動(dòng)得越慢。所以質(zhì)量可能會在振動(dòng)方程中體現(xiàn)出來。 接著,我們還應(yīng)該想到彈簧的勁度系數(shù) 也會影響到振動(dòng)的快慢。如果彈簧越是“硬邦邦”,在彈簧被拉長相同的長度時(shí)所具有的拉力就越大,物塊受到更大的拉力就應(yīng)該會更快地回到平衡位置。所以勁度系數(shù)也可能會在振動(dòng)方程中體現(xiàn)出來。 有了質(zhì)量和勁度系數(shù),這只是我們尋找振動(dòng)方程的一小步,還需要從彈簧振子必須滿足的內(nèi)在規(guī)律上找。 振子的牛頓第二定律最先想到的應(yīng)該是牛頓運(yùn)動(dòng)定律。 讀高中時(shí)書上就講,牛頓牛爵爺把力和運(yùn)動(dòng)通過牛頓第二定律結(jié)合起來,小到灰塵,大到天體都可以用,可以說是相當(dāng)?shù)膮柡Α椈烧褡幼匀灰膊焕?。也就是說,彈簧振子一定滿足 ,其中, 就是彈簧受到的彈力,是振子的加速度。 但是,這和我們尋找的振動(dòng)方程有什么關(guān)系呢?牛二定律里面并沒有出現(xiàn)時(shí)間、也沒有出現(xiàn)位移呀。其實(shí),這里需要一丟丟的微積分知識,利用微積分,加速度可以表達(dá)為位置矢量的二階導(dǎo)數(shù)。即可以把牛頓第二定律表達(dá)為如下形式: 如果你沒有微積分方面的數(shù)學(xué)儲備,推薦你參閱長尾科技的文章你也能懂的微積分。 這樣一操作,和 就立馬出現(xiàn)了,似乎答案以經(jīng)找到了。仔細(xì)一想,其實(shí)還沒有。你想想看,在振子振動(dòng)的過程中,彈力總是保持不變的嗎?顯然不是。換句話說,彈力也會隨著時(shí)間,或者說隨著位移發(fā)生變化。如果力不隨位移變化還好,我們直接積分就可以得到位移和時(shí)間的關(guān)系了??墒乾F(xiàn)在并不單純,它里面還藏著 或 沒有露出來,要想直接積分就比較麻煩。 胡克定律下一步,我們自然要再去找找與 之間的關(guān)系。想必你已經(jīng)知道了,就是牛頓的死對頭胡克發(fā)現(xiàn)的胡克定律。胡克定律表達(dá)為如下形式: 胡克定律中有兩點(diǎn)需要注意,一是它表達(dá)了振子離開平衡位置的位移與所受彈力成正比,二是彈力方向始終與位移的方向相反(前提是我們把振子的平衡位置定義為原點(diǎn),即位移為0的位置)。 牛頓與胡克的“聯(lián)姻”——常微分方程接下來,讓人尷尬的一步就出現(xiàn)了。如果我們把胡克定律中表達(dá)的帶進(jìn)牛頓第二定律中去,再把常數(shù)放在一起,就得到了下面這貨: 在數(shù)學(xué)中為了更一般的討論,常常把它寫成下面這種形式: 在數(shù)學(xué)中,第2個(gè)方程被稱為二階常微分方程。叫“微分方程”是因?yàn)榉匠讨杏凶宰兞康奈⑸?;叫二階是因?yàn)槲⑸痰碾A數(shù)最高是二階的;叫“?!笔且?yàn)楹瘮?shù)的自變量只有一個(gè),即時(shí)間t。 為什么說尷尬呢?你瞧瞧,有著恩恩怨怨的牛頓和胡克雖然吵了一輩子,但是他們在科學(xué)上的成就卻彼此左手拉右手,至少在描述簡諧振動(dòng)這件事兒上,別提它們有多甜蜜。 那么該如何求解這個(gè)二階常微分方程,來得到位移 關(guān)于時(shí)間的表達(dá)式呢?解法其實(shí)有很多,真真是八仙過海,各顯神通了。在這里,我介紹兩種求解方式,一個(gè)用的是費(fèi)曼的推理手法,另一個(gè)用復(fù)數(shù)和指數(shù)求解的思路。我們一個(gè)個(gè)地看。 方式三 費(fèi)曼的推理費(fèi)曼是一位擅長通過簡單的例子去說明高深問題的大師。比如,1986年,挑戰(zhàn)者號失事后,費(fèi)曼只用一杯冰水和一只橡皮環(huán),就在國會向公眾揭示了挑戰(zhàn)者失事的根本原因——低溫下橡膠失去彈性。而在彈簧振子的問題上,費(fèi)曼體現(xiàn)了他的另一個(gè)能力——面對一個(gè)一般的問題,先從簡單的情況入手,抓住事物規(guī)律的核心,再去考慮補(bǔ)充其他的細(xì)節(jié)。 接下來,就讓我們一起,看看費(fèi)曼是如何推導(dǎo)出振子位移隨時(shí)間變化的振動(dòng)方程的。 1. 考慮特殊情況,化簡微分方程上面的二階常微分方程中有兩個(gè)常數(shù)和,為分析的方便,我們不妨把和 放到一塊兒,并令,即假設(shè)有這樣一個(gè)彈簧振子,它的勁度系數(shù)的數(shù)值和物塊的質(zhì)量的比值等于1,這個(gè)假設(shè)顯然是允許的。這樣,沒有常數(shù)干擾的微分方程就寫成了 至于不等于1的情況,我們先放一邊兒,過一會兒再考慮它。 2. 抓住微分方程的關(guān)鍵性質(zhì)嘗試構(gòu)造函數(shù)不知你發(fā)現(xiàn)了沒有,方程(3)其實(shí)表達(dá)了這么一個(gè)意思:關(guān)于時(shí)間的函數(shù),在經(jīng)過兩次求導(dǎo) (即) 后居然變回了它自己,還是,只不過多了一個(gè)負(fù)號。 到底是什么樣的函數(shù)具有這樣的性質(zhì)呢?此處迅速在頭腦里回憶一下初等函數(shù),我們發(fā)現(xiàn),正弦函數(shù)或余弦函數(shù)都行。不妨設(shè) 3. 根據(jù)物理意義優(yōu)化函數(shù)的表達(dá)我們知道,時(shí)間的單位是'秒',而余弦cos的括號里裝著的應(yīng)該是以'度'為單位的角度量。因此括號里面不單單有時(shí)間,還應(yīng)該乘上一個(gè)量,使得它與時(shí)間的乘積是一個(gè)角度。 我知道你一定想到了圓周運(yùn)動(dòng)的角速度,因?yàn)樗艘詴r(shí)間就是角度。不過,這里需要提醒一下,我們需要的量雖然與角速度在單位上相同,但它并不是物體旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度,因?yàn)檫@里的振子并沒有體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的意思。但是我們依然可以借用這個(gè)符號,把這個(gè)量寫成 。這樣,振動(dòng)方程進(jìn)一步被優(yōu)化成了下面這個(gè)樣子: 這個(gè)函數(shù)離我們的目標(biāo)以經(jīng)很近了,可是那個(gè)到底是個(gè)啥?它有什么物理意義呢?我們還需要進(jìn)一步探索。 4.把函數(shù)嘗試代入微分方程為了理解的物理意義,我們把猜測的帶入二階常微分方程中,去看看將會有什么表現(xiàn)。代入后的結(jié)果如下: 通過比較(1)、(5)這兩個(gè)式子我們發(fā)現(xiàn),只要令,即這兩個(gè)式子就相同了。那么。 可以看出,這個(gè)的確跟彈簧的固有屬性有關(guān)系,那么這個(gè)關(guān)系體現(xiàn)在什么方面呢? 結(jié)合物理情景分析意義對函數(shù),我們結(jié)合實(shí)際振動(dòng)來分析看看。
函數(shù)的性質(zhì)與振子的物理性質(zhì)符合得很好,所以我們有理由相信,彈簧振子的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程一定具有余弦函數(shù)的內(nèi)核。 但是還有個(gè)問題,振子的振動(dòng)周期,到底等于多少呢? 這個(gè)問題其實(shí)很好回答。我們知道,所謂周期,其實(shí)就是物體經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段之后,正好回到出發(fā)點(diǎn)。而在余弦函數(shù)中,周期是。也就是說,當(dāng)振子運(yùn)動(dòng)了的時(shí)間后, 括號中所謂的'角度',就將等于。這樣我們就有,這樣就求得了周期的表達(dá)式為: 這個(gè)表達(dá)式說明什么意思呢?
說到這里,對于振子的運(yùn)動(dòng)方程,我們不僅把它的蓋頭掀開了一大半,還順帶求出了彈簧振子的振動(dòng)周期,還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了是一個(gè)跟周期有關(guān)的量,表達(dá)了振動(dòng)的固有屬性。 由特殊到一般,得到通解通過剛才的分析我們知道, 僅僅表達(dá)了振子從最大位移處開始運(yùn)動(dòng)的情況,此時(shí)振子的速度為0,然而,振子的運(yùn)動(dòng)初速度可以不為0啊。比如本來振子靜止在平衡位置,現(xiàn)在讓一顆子彈射入振子內(nèi)部,并從此刻開始計(jì)時(shí),那么振子的運(yùn)動(dòng)方程就不再是余弦,而要用正弦。 更進(jìn)一步想想下這個(gè)場景,你正在用秒表去記錄振子的運(yùn)動(dòng),讓秒表指零時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn),此時(shí)振子在最大位移處,振動(dòng)方程正好是余弦。然后牛頓也帶著秒表走進(jìn)來,他剛令秒表從零開始計(jì)時(shí)(假設(shè)你的秒表已經(jīng)走過了的時(shí)間),就發(fā)現(xiàn)振子在最大位移的一半處。這個(gè)時(shí)候,對牛頓而言,他在零時(shí)刻看到的振子的位置,應(yīng)該跟你經(jīng)過了時(shí)刻看到的位置是一樣的。因此,振動(dòng)方程應(yīng)該寫作: 由于是一個(gè)任意的數(shù),此時(shí)令,它也是一個(gè)任意的數(shù),這樣,方程可以進(jìn)一步改成。 還有最后一個(gè)事兒沒處理干凈,就是振子的振幅,在上面的表達(dá)式中,余弦函數(shù)的最大值只是1,對應(yīng)著我們僅僅把振子拉開離平衡位置一個(gè)單位長度,可是我們可以把振子拉開到任意長度后松手,也就是振幅可以是1的倍數(shù),也就是說,我們只需要把振幅 乘到余弦函數(shù)前面即可。最終,振子的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程就變成了: 這就是以彈簧振子為代表的簡諧振動(dòng)的通解。 方式四 用復(fù)變函數(shù)的思路這個(gè)思路要感謝知乎大佬@烤羚羊,他也是從二階常微分方程入手,在他給出的求解過程中一開始和費(fèi)曼是一樣的,都是先猜想解的形式。只不過,費(fèi)曼猜想的是余弦函數(shù),而@烤羚羊猜想的是指數(shù),即,它和余弦函數(shù)一樣,也可以在經(jīng)歷兩次求導(dǎo)后得到于原函數(shù)類似的形式。經(jīng)過一通推導(dǎo)后,得到了簡諧振動(dòng)方程的復(fù)數(shù)形式如下: 有興趣的同學(xué)可以跳轉(zhuǎn)到知乎@烤羚羊的文章(https://zhuanlan.zhihu.com/p/133809744)去看看。 在下一篇文章中,我將從簡諧振動(dòng)的復(fù)數(shù)形式出發(fā),去看看怎么在GeoGebra中把簡諧振動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)直觀地聯(lián)系起來。 方式五 能量守恒大法好上面的做法總結(jié)起來無外乎兩種,一種是從振子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā),去猜余弦函數(shù)(高中教材的做法),一種是從振子的動(dòng)力學(xué)方程出發(fā),去猜常微分方程的解的可能形式(費(fèi)曼的做法和知乎@烤羚羊的做法)。都是靠猜。 那有沒有什么辦法可以不用靠猜,直接通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)就能得出振動(dòng)方程呢?有的,就是利用機(jī)械能守恒定律。這和上面的思路完全不同,《新概念物理學(xué)教程·力學(xué)》中用的就是這種辦法。我們一起看看吧^_^ 彈簧振子具有的能量為了討論振子的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,我們先看看振子運(yùn)動(dòng)過程中的不變量——總能量。 對于宏觀的彈簧振子而言,總能量無外乎兩種,一種是振子的動(dòng)能,我們在中學(xué)就已經(jīng)知道它的計(jì)算式為,顯然它和振子的速度有關(guān)系,而速度是位置的一階導(dǎo)數(shù)。另一種是系統(tǒng)的彈性勢能,那么彈性勢能的具體表達(dá)式又是什么呢?我么一起把它搞出來。 彈性勢能的泰勒級數(shù)我以前被泰勒級數(shù)這四個(gè)字嚇住過,不知道是個(gè)什么玩意兒,隨著認(rèn)識的加深,我逐漸明白了它的意義——用來近似的。部分讀者可能還蒙在鼓里。接下來請?jiān)试S我對它多嘮叨幾句。 首先,我們給出彈性勢能的泰勒級數(shù)展示式。為了討論的方便,我們把平衡位置記為0點(diǎn),那么偏離平衡位置的位移和振子的位置在數(shù)值上相等,這樣,振子的泰勒級數(shù)可以表達(dá)為如下形式: 大家不要被這么一長串公式給嚇著,怎么理解它的意義呢?我們通過分析一副石膏像的素描過程來理解它。 在上圖的素描畫中,第一步先畫出人物的輪廓,雖然它和真實(shí)的照片差距很遠(yuǎn),但仍然可以知道這畫了一個(gè)人,我把它稱為對真實(shí)照片的模擬加入了一階近似; 接著第二步,對人像的五官進(jìn)行深入勾勒,這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)摩西的感覺已經(jīng)出來了,但還是和真實(shí)照片有差距,我把它稱為對真實(shí)照片的模擬加入了二階近似; 然后到了第三步,畫家開始對照片中的光影明暗進(jìn)行深入分析和表現(xiàn),使得素描畫更加立體豐滿,此時(shí)的畫作和真實(shí)照片的差距已經(jīng)很小了。我把這稱為對真實(shí)照片的模擬加入了三階近似; 現(xiàn)在你應(yīng)該明白了,只要我們不斷地近似下去,讓近似項(xiàng)越來越多,我們對原始對象地表現(xiàn)將會越來越逼真。 回到泰勒級數(shù)上去,它干的活兒和上面的素描過程其實(shí)是一樣的。就相當(dāng)于那一張白紙, 就是對彈性勢能加了一階近似, 就是對彈性勢能加了二階近似,依此類推。 這么做有什么好處呢?它可以幫助我們得到彈性勢能的表達(dá)式。接下來我們分析一下這些近似項(xiàng)蘊(yùn)含的意義。 1.首先看,它表示振子在平衡位置時(shí)的彈性勢能。根據(jù)對稱性的方便,我們令平衡位置時(shí)的彈性勢能為0,即 2.再看一級近似。這里有個(gè)一階導(dǎo)數(shù),它表示什么意思呢?嘿嘿,在中學(xué)我們就學(xué)過,彈簧彈力做的功等于彈性勢能變化量的負(fù)值,把這句話寫成微分形式就是 。然后把它變個(gè)形,就得到了彈性勢能一階導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式: 再根據(jù)胡克定律,彈簧彈力大小,所以最終我們得到了彈性勢能一階導(dǎo)數(shù)為 而當(dāng)時(shí),振子處于平衡位置時(shí)的彈力為零,把帶入上式就得到彈性勢能的一階導(dǎo)數(shù)為0。 3.再看彈性勢能的二階導(dǎo)數(shù)。有了一階導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式,二階導(dǎo)數(shù)自然就可以輕松得到,即 4.最后看高階項(xiàng)。由于二階導(dǎo)數(shù)已經(jīng)為一個(gè)常數(shù) (即彈簧的勁度系數(shù))了,那么三階以上的各項(xiàng)就只好都等于0了。 終于,彈性勢能的表達(dá)式就被我們搞出來了,即 換元積分求解有了動(dòng)能和勢能的表達(dá)式,我們就可以得到總的機(jī)械能表達(dá)式 為了等會兒便于積分,把它再改寫成 因?yàn)檎褡拥恼駝?dòng)過程中總能量守恒,所以是一個(gè)常數(shù)。為了求解隨時(shí)間變化的函數(shù),我們寫出速度的導(dǎo)數(shù)形式,那么有 接下來就是一些積分技巧,我們通過換元法,令,這樣分母 而且有 經(jīng)過這么一折騰,上面框框中的式子就被改成下面這個(gè)容易積分的形式 兩邊積分,得 再把 換回到,就得到 終于大功告成,這個(gè)表達(dá)式和我們常見的表達(dá)式在意思上是一樣的。其中的就是振幅 , 就是我們之前定義那個(gè)。 最后的話洋洋灑灑六千多字,不算多但也不算少,經(jīng)過這么一通分析,我主要感受到以下兩點(diǎn):
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