从单摆到混沌

 普通物理教学,从概念、内容到方法,传统上都是以经典物理学为主体的.本世纪以来,相对论和量子力学的建立,成为近代物理学不可缺少的基础.普通物理课程的现代化,必然要涉及如何处理相对论和量子力学的问题.     

从单摆振动认识混沌

设计摆长周期性变化的单摆振动模型。运用计算机求解分析。在特定参量条件下该振动过程呈现混沌特征。     

单摆的规则、随机及混沌运动的研究

介绍了单摆运动的计算机辅助教学，给出了单摆在相空间中的规则，随机及混沌运动相轨图，并讨论了扰动强度和频率作用。     

气轨上单摆的混沌实验

设计并自制了一个气轨上单摆的混沌演示装置,建立了系统的动力学方程,直观地显示了混沌的一些基本特征。     

单摆周期的相图求法

对单摆相图作了讨论,并由相图求出了单摆的运动周期。     

从单摆看混沌

 众所周知,当单摆在摆角很小时,其运动可以看作简谐振动,用简单的线性微分方程即可描述。但在摆角很大时,其动力学行为就必须要用非线性方程才能描述了。考虑既受外界周期性驱动力,同时又受阻力的情况,单摆的运动方程可写为:(1)其中ω0=g/l为单摆的固有频率,r为阻力系数,Ω0为驱动力的角频率,F为外界驱动力的幅值。     

从单摆到混沌

 与速度无关的力,如保守力、驱动力、都不影响相元面积.以上结论对维数更高的相空间完全适用.(2)二维相图的通有特征行为庞加莱和瑞典数学家本迪克森(I.Bendixson)证明了,在二维相空间里动力学系统的特征行为只有图25中所示的集几种情况:源、汇和鞍点三种不动点,稳定和不稳定的两种极限环.它们的例子我们都已在§2和§3中遇到过了.     

从单摆到混沌

 图7是一张扩展的相图,对应于不同的n.θ=2nπ对应图上不同的点.它们被看成是不同的吸引中心.从图7可以看出,分界线把相平面分隔成不同的区域,从每一区域中的任一点出发,轨线都流向该区中心的吸引子.我们把这样的区域叫做该吸引子的吸引域(basin of attraction).     

倒摆运动的混沌行为

设计一个受周期外力驱动的倒摆实验装置,并建立该系统的动力学方程,用线性稳定性分析方法讨论了平衡点附近邻域的稳定性,利用数值计算并结合多种分析方法求解非线性方程并判断解的性质．通过改变系统参数,画出时域图、相图及分岔图,计算分析和实验发现,这个简单的力学系统存在十分丰富的动力学行为（分岔、混沌）．理论分析、数值模拟和实验结果一致．     

Transition to chaos in a driven pendulum with nonlinear dissipation

The Melnikov-Holmes method is used to study the onset of chaos in a driven pendulum with nonlinear dissipation. Detailed numerical studies reveal many interesting features like a chaotic attractor at low frequencies, band formation near escape from the potential well and a sequence of subharmonic bifurcations inside the band that accumulates at the homoclinic bifurcation point.     

一种非线性动力学系统混沌现象的深入研究

本文在实验教学中引入一种非线性混沌摆系统,通过调节混沌摆的驱动力周期演示了该非线性动力学系统出现混沌现象的过程,从而让学生了解混沌现象的参数敏感性、相图特点、频谱特性等基本特性.为了进一步了解该混沌摆的特性,本文建立了该非线性摆系统的简化动力学方程,在数值上对其进行了研究.基于动力学方程的数值模拟,克服了实验上相关参数定量改变困难、摆动稳定性不易控制、实验时间周期长等问题.在数值模拟中,通过改变不同参数得到了相图、频谱图以及分岔图,比较深入详细地对这种混沌摆的相关特性进行了描述,也有利于学生加深对混沌摆的理解.     

基于PASCO系统的混沌摆实验

基于PASCO系统研制了受周期外力驱动的混沌摆实验仪,调节混沌摆系统的参量可演示非线性动力学特征行为,描绘了无驱动及有驱动下的系统相位图,并分析了初值敏感性、奇异性(奇异吸引子)现象.应用混沌摆的动力学方程,进行Matlab仿真实验.实验结果表明:混沌摆实验系统动力学的性质依赖于振动频率值,系统驱动振幅必须大于一定阈值是混沌相出现的必要条件.     

单摆系统的振动研究

通过求解变张力弦振动微分方程的边值问题,给出摆线与摆球的质量比为任意值时单摆系统运动的一般解和本征频率满足的方程.利用该方程求得高精度的单摆系统周期数值解,特别是拟合出单摆系统作基频振动时一个范围大、精度高的周期近似公式.同时将理论与实验进行比较,结果二者相符.     

精确测量单摆周期

以激光束作控制信号,用自制光电门控制电路控制电子秒表计时,实现了对单摆周期的精确测量.     

单摆测重力加速度实验的改进

在单摆测重力加速度实验中,很难对摆长进行非常精确的测量,在较好的测量条件下其测量精度一般也只能达到毫米量级,所测得重力加速度的相对误差一般在1％左右.针对这一问题,本文通过对单摆实验装置进行改进,利用与摆线连接在一起的游标卡尺精确测量摆长的改变量而不直接测量单摆摆长,可将测量精度提高到0.02毫米.同时利用光电门测量摆...     

"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.     

弱阻尼非线性单摆的周期研究

用平均法研究了弱阻尼条件下非线性单摆的振动,得到周期比随角振幅和阻尼常量变化的表达式.