大学物理教学中对大角度单摆的介绍

大学物理的教学在简谐振动部分介绍了小角度单摆,但没有介绍摆角较大时单摆的运动.利用Matlab研究了大角度的单摆运动,得到了大角度单摆的运动曲线,曲线表明,尽管摆角较大时单摆不再做简谐振动,但其运动曲线看似余弦曲线,且具有一定的周期性;文章给出了小角度单摆的相图及其与实际摆动的对比动画;对大角度单摆运动的相图进行了分析,说明在摆角较大时单摆的运动将不同于简谐振动而更加复杂.在此基础上,探讨了如何把所得结论引入到大学物理教学中,以加深和拓展学生对单摆运动的理解.     

用微元法推导无阻尼单摆运动任意角度下的周期公式

对单摆运动进行了讨论。通过对单摆进行能量分析,得出了单摆角频率与角度的关系式,然后运用微元法,推导出了单摆的理论周期公式。计算结果表明,所得到的单摆运动周期的理论公式与展开公式符合得很好。     

"旋转单摆"的双稳态振动

利用数值计算的方法分析了旋转单摆以一定角速度ω旋转时的双稳态特征及其围绕稳定平衡位置的大角度振动.     

利用智能手机磁传感器研究单摆运动

本文基于Phyphox手机App,利用智能手机中的磁传感器(电子罗盘)研究磁性单摆运动.结果表明,不同最大摆角测量出来的磁感应强度随时间变化规律不同.只有最大摆角小于1.时,单摆才可看作简谐振动.不同最大摆角的磁感应强度随时间变化曲线可以用磁偶极子模型结合大角度单摆公式来描述.利用磁传感器测量的当地重力加速度为9.86...     

大角度下阻尼对单摆摆动周期的影响

研究了在大角度下阻尼对单摆周期的影响,提出了每个周期值T与对应周期序数n的关系,总结出T与n间近似的线性变化规律;得到了连续摆动32个周期后,其角度变化Δθ值与初始角度θ0的关系式.     

第一类椭圆积分函数在单摆中的应用

通过一种简洁方法,给出了第一类椭圆积分函数的近似表达式,精度可达10~(-5),并应用于任意初始摆角下的单摆研究,得到了任意初始摆角下显式的单摆周期表达式。通过对小角度情况下的理论公式与本文得到的结果进行比对,得出了一些有意义的结果,形象地展现了初始摆角在小角度与较大角度下的差异,可为教学及开展相关的单摆实验提供很好的参考。     

基于计算机视觉的机械运动分析

利用Matlab的计算机视觉跟踪功能,以单摆的大角度运动为例,研究了机械运动的位移与时间的关系,并且直接给出阻尼等不易测量的参量,提高了实验的精度和准确性.     

耦合摆的分析

在一根张紧的绳子上悬挂固有频率相同和不同的单摆，观察到固有频率相同的单摆的最大振幅比固有频率不同的单摆的最大振幅大，说明是共振现象．其实，这不是简单的共振现象，值得仔细的进一步分析．     

弹簧耦合摆在复杂情况下的小振动解

求解弹簧耦合摆的简正频率是理论力学中一道非常经典的题目,用分析力学的角度研究该题是一种重要的方法.目前对弹簧摆的研究多针对两单摆间的距离恰好等于弹簧原长;而当距离略大于或小于弹簧原长时,平衡状态下单摆摆线不再处于竖直状态,由于涉及不同的小角度近似,系统动能和势能的表示都变得更为复杂.本文探究了弹簧耦合摆系统的简正频率与系统静止时摆线偏移竖直方向角度的关系,利用MATLAB计算对比了是否使用小角度近似的运动过程,得到了近似解的适用情况.最后,在不考虑小角度的情况下,计算了拍频与弹簧固有频率、单摆固有频率和单摆平衡状态下偏移角度的关系.     

单摆的超大振幅振动

基于单摆的动力学方程和运动初始条件对单摆的大振幅振动进行了近似分析,介绍了一种估计摆振幅接近π的振动周期的解析方法.结果表明,当摆振幅小于2.8 rad时估计值偏离精确值较多,产生误差的原因在于采用了线性近似.