2013非线性动力学练习题
动力学测试题及答案
动力学测试题及答案本试卷分第Ⅰ卷（选择题）和第Ⅱ卷（非选择题）两部分。
共150分考试用时120分钟第Ⅰ卷（选择题共40分）一、本题共10小题，每小题4分，共40分．在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确．全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分．1．在静止的小车内，用细绳a 和b 系住一个小球。
绳a 与竖直方向成θ角，拉力为T a ，绳b 成水平状态，拉力为T b 。
现让小车从静止开始向右做匀加速直线运动，如图1所示。
此时小球在车内的位置仍保持不变（角θ不变）。
则两根细绳的拉力变化情况是 （ ）A ．T a 变大，T b 不变B ．T a 变大，T b 变小C ．T a 变大，T b 变 大D ．T a 不变，T b 变小2．在光滑的水平面上，有一个物体同时受到两个水平力F 1和F 2的作用，在第1s 内保持静止。
若两个力F 1、F 2随时间变化如图2所示，则下列说法正确的是（ ）A ．在第2s 内，物体做匀加速运动，加速度的大小恒定， 速度均匀增大B ．在第3s 内，物体做变加速运动，加速度均匀减小，速度逐渐减小C ．在第5s 内，物体做变加速运动，加速度均匀减小，速度逐渐增大D ．在第6s 末，物体的加速度与速度均为零3．如图3所示，在一无限长的小车上，有质量分别为m 1和m 2的两个滑块（m 1>m 2）随车一起向右匀速运动。
设两滑块与小车间的动摩擦因数均为μ，其它阻力不计，当车突然停止，以下说法中正确的是（ ）A ．若μ=0，两滑块一定相碰B ．若μ=0，两滑块一定不相碰C ．若μ≠0，两滑块一定相碰图1 图3图2D ．若μ≠0，两滑块一定不相碰 4．如图4所示，滑轮A 可沿倾角为θ的足够长光滑轨道下滑，滑轮下用轻绳挂着一个重力为G 的物体B ，下滑时，物体B 相对于A 静止，则下滑过程中 （ ） A ．B 的加速度为g sin θ B ．绳的拉力为G sin θC ．绳的拉力为GD ．绳的方向保持竖直。
非线性药物动力学
四、非线性药物动力学的识别
判别关键：动力学参数是否随剂量的不同而变化
判别方法：iv高、中、低三个剂量，得到三组C-t 数据→进行以下数据处理→判断线性或非线性。
以各剂量AUC对相应的剂量作图，若AUC与相应的剂量呈线性关 系，则为线性动力学，否则为非线性
案例二分析
阿司匹林在体内是经酶代谢由尿排出体外的，是典型酶饱 和非线性消除动力学实例。
小剂量给药时(0.25 g)，由于酶的活性与数量充足，未出现 饱和现象，其消除为一级动力学过程；当服用剂量较大 (≥1.0g)时，初始阶段消除过程在高剂量下酶达到饱和，表 现为零级消除，随着体内药量下降，消除过程逐渐脱离饱 和状态，体内药量降低到一定程度后，又恢复一级动力学 消除。
涉及容量限制系统的药物往往显示出非线性动力学
案例三
下图为乙醇体内消除速率与血药浓度曲线。从图 中可以看出：乙醇在体内的代谢速率随浓度增加 而加快，当达到一定浓度后，乙醇在体内的代谢 速率接近一个定值，且无论其浓度如何增加，乙 醇将以约10g/h的速率进行代谢。
问题：
1. 分析乙醇在体内表现 出显著的非线性药物动 力学特征的原因 2. 发生醉酒取决于饮酒 速率还是饮酒时间
过程。
二、非线性药物动力学的特点
药物消除速率符合Michaelis-Menten方程，即 低剂量(低浓度)时为一级动力学，高剂量(高浓 度)为零级动力学
药物消除半衰期随剂量增加而延长 血药浓度、AUC与剂量不成正比 其他药物可竞争酶或载体系统，影响药物的动
力学过程 药物代谢物的组成、比例可因剂量改变而变化
iv若干大小不同的剂量，以C/D（AUC/D）对t作图，曲线重叠 （比值相同）为线性，反之为非线性
非线性动力学
t∈R
x∈ Rn
的解，则显然它是不仅是时间的函数，而且也是初值的函数，即解随着初值的改变而改变， 可以将解记为
φ(t, x0 )
当 x0 是 R n 中的某一点时，φ (t, x0 ) 代表了 1 条解轨线，而
{φ(t, x0 ) x0 ∈ D}
则代表了一族轨线。将φ看成是一个映射，即
φ : R× Rn → Rn
运动行为，它在物理上对应了这样的一个观点：在系统的最初阶段，系统由于外界的初始干 扰，将呈现相当复杂的运动形式，但随着时间的延续，运动将进入平稳状态，而这种平稳状 态体现了动态系统的本质结构。
微分方程解的最终形态通常有： (1) 平衡点 (2) 周期解 (3) 拟周期解 (4) 混沌解
6.4.1 平衡点
图 6-7 所示是 2 维线性系统的相轨线，坐标原点是系统的平衡点，图 6-7a、b 中的平衡 点是稳定的，称为稳定结点，图 6-7c 中的平衡点是不稳定的，称为鞍点。
图 6-7 2 维线性系统的相轨线
6.5.2 任意解的稳定性
设 x = ψ (t)是微分方程 x& = F(t, x)
第 6 章 非线性动力学
-0.5
-1
-1.5
0.5
1
1.5
图 6-2 例 1 相图
例2
如图 6-3 所示是微分方程
&y& + 0.2 y& + y = 0
在相平面 (x1, x2 ) ，
x1 = y
x2 = y&
上的轨线图，平衡点为 (0,0)，当 t → ∞ 时，解轨线趋于平衡点。
0.6 0.4 0.2
-0.6
-0.4
-0.2 -0.2
非线性物理3-1(倍周期分岔到混沌、阵发性混沌)
3．杜芬方程的倍周期分岔
杜芬方程的倍周期分岔
杜芬方程：
d2x dt 2
dx dt
x
x3
=
F
cos
t
设γ=0.4,κ=1,ζ=4, F=0.115，从小到大改变驱动频率。
计算表明，在 ≥0.8时，杜芬方程的解是反对称的极限环，极限环呈 椭圆形状；
当 <0.8时，极限环的反对称性虽然仍存在，但椭圆形状已明显变 形。
1. 阵发性混沌现象
阵发现象(洛论兹方程)
洛论兹方程 y 分量 rc 附近的 四个参数:一个 r<rc, 三个 r>rc 计算结果
b＝8/3，s＝10 时
临界值rc＝166.07
x -对流的翻动速率， y -比例于上流与下流液体之 间的温差 z-是垂直方向的温度梯度，
r -相对瑞利数 r = R/RC。
f 3(x)有四个不动点，一个由f (x)带来 的不稳定不动点，另外三个与迭代线 相切。切点处f 3(x)曲线的斜率为+1， 是稳定性条件的最大值。
2. 阵发性混沌机理
周期 3 轨道
μ稍许增大一点， mt m < 0 , f 3(x)将越过切点与迭代线相
交为两个交点，产生出六个交点。相切点斜率为+1，每对相交 的两个交点处斜率一个大于1，另一个小于1。
3
0.9212
4 0.28901376
5 0.821939226
·
·
·
·
51 0.27756908
52 0.80209438
·
·
·
·
X2=0.1000001
0.36000003 0.92160036 0.28901355 0.821938871
非线性物理 习题部分答案
由图可能进入混沌状态了 -------------------------------------------------------------
dU 0 2 x 3 2 x 0 （丢掉常系数） x x 0 dx
-------------------------------------------------------------------------------3. （照猫画虎；照虎画猫？）
2 )x x0 x ( x2 x
2 2 2 x 1 x y 1 (1 x y ) bxn n+2 n 1 n+1 n n 2 yn+2 bxn+1 b(1 xn yn ) 2 2 xn+2 xn 1 (1 xn yn ) bxn 2 y y b (1 x n n yn ) n+2 2 2 x 1 (1 x y ) bxn n n n 2 yn b(1 xn yn )
x0 0 ac x0 a0 ab
a. 在 x 0 平衡点附近做微扰，坐标有偏离，偏离量为
x x0 x ； x 代入方程
dx x(a c abx) dt
d (a c ab ) （丢掉常系数）得到 dt d (a c) ab 2 ，忽略二阶小量得到 dt d d dt (a c) ；分离变量积分得到 (a c) dt d (a c)dt
d ln (a c)dt ln (a c)t A e( a c )t A
e( a c )t A Ae( a c )t
动力学20道练习题.docx
（2009江苏高考）航模兴趣小组设计出一架遥控飞行器，其质量m =2kg,动力系统提供的恒定升力F =28N。
试飞时，飞行器从地面由静止开始竖直上升。
设飞行器飞行时所受的阻力大小不变，g取10m/s2o（1）第一次试飞，飞行器飞行5 = 8s时到达高度H = 64m。
求飞行器所阻力f的大小（2）第二次试飞，飞行器飞行0 = 6s时遥控器出现故障，飞行器立即失去升力，求飞行器能达到的最人高度h（3）为了使飞行器不致坠落到地面，求E行器从开始下落到恢复升力的最长时间【答案】（1）第一次飞行中，设加速度为如。
飞行器做匀加速运动，H由牛顿第二定律F - mg - / = ma x解得f = 4N（2）第二次飞行中，设飞行器失去升力时的速度为耳，上升的高度为S]飞行器匀加速运动* =扌如£设失去升力后的速度为血，上升的高度为S2 由牛顿第二定律mg + / = ma2^1 = a1^2解得/i = S] + S2 = 42m（3）设失去升力下降阶段加速度为。
3；恢复升力后加速度为。
4,恢复升力时速度为巾由牛顿第二定律mg - f = ma3F + f _ mg = ma4且±+± = h2。
3 2a4“3 = a3^3解得S =（或2.1s）如图所示，质量为m的物体A,从底线/为定值的斜面顶点从静止开始向下滑动，已知物体与斜面的动摩擦因数为“。
问Q角为何值吋，下滑的时I'可最短，等于多少？【答案】由受力分析可知，物体的加速度a = g（sina - /^cosa）,物体下滑的位移s = l/cosa0物体做匀加速运动，由运动学公式s=^at2可得41g(sin2a —“cos2a—“)有三角函数知识，当a = |arctan 时，严最小，即时闫最短。
（2009山东高考）某物体做直线运动的st 图象如图甲所示，据此判断图乙（F 表示物最短吋间为tmin = I 机 yj g(Jl+“2-“)（2011北京卷）“蹦极”就是跳跃者把一端固定的 长弹性绳绑在踝关节等处，从儿十米高处跳下的一种极限 运动。
线性动力学和非线性动力学。
该直线的截距为 ，斜率为 ，由斜率
1
和截距即可求出 V和m
Km
的数值V。m
km Vm
将（9）式两边同时乘以Cm，即得到HanesWoolf公式：
Cm C
t
1 Vm
Cm
km Vm
（10）
以
Cm C
Cm 作图，可以得到一条斜率为
t
1 Vm
截距为 km 的直线，从而可求出Vm、Km等参数。
Vm
例如：一个体重50kg的患者，静脉注射0.5g水 杨酸钠，于不同时间血样品测得血药浓度见表 1，求Vm、Km。
级动力学过程。见图 2.
图2
第三节
血药浓度与时间关系 及参数的计算
一、血药浓度与时间的关系
具非线性消除动力学特点的药物，静脉注射给药 后，血药浓度的经时过程可通过MichaelisMenten方程的积分式来表达。
将(1)式移项，可得：
dC C
(C
K
m
)
Vm
dt
（4）
上式积分后得 ：
C Km ln C Vm.t i （5）
非线性药物动力学的这些特征，主要与药物在高 浓度条件下形成体内药物代谢酶或载体的饱和过 程有关。
非线性药物动力学过程，药物 在较大剂量时的表观消除速率 常数与小剂量时不同，因此不 能根据小剂量时所估算的常数 预估血药浓度。
因为：
具有非线性药物动 力学特征的药物
一般在高浓度下达到饱和过程，则消除减慢。
注意
具有非线性消除过程的药物在体内系统中 的参数Km、Vm，在一定条件下是个常数， 但由于药物体内分布或其他因素受到影响 而变化时，这些参数亦会随之变化。
二、米氏过程的药物动力学特征
非线性物理试题及答案
非线性物理试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1. 非线性光学中，光的二次谐波产生属于：A. 线性效应B. 非线性效应C. 量子效应D. 热效应答案：B2. 以下哪项不是非线性动力学系统的特点？A. 存在混沌现象B. 系统行为对初始条件敏感C. 系统行为可预测D. 存在分叉现象答案：C3. 非线性系统方程中，以下哪项是正确的？A. \( \frac{dx}{dt} = ax \)B. \( \frac{dx}{dt} = ax^2 \)C. \( \frac{dx}{dt} = ax + bx^2 \)D. \( \frac{dx}{dt} = ax + bx^3 \)答案：D4. 非线性系统中，孤立波解是指：A. 波形随时间不变B. 波形随时间变化C. 波形随空间变化D. 波形随时间和空间变化答案：A5. 非线性物理中，Bose-Einstein凝聚态描述的是：A. 电子气B. 费米子气C. 光子气D. 玻色子气答案：D二、填空题（每题2分，共10分）1. 在非线性光学中，光的____效应可以产生频率为原始光频率两倍的光。
答案：二次谐波2. 非线性动力学系统中的____现象是指系统在某些参数变化时，会出现多种可能的行为模式。
答案：分叉3. 非线性系统的方程通常包含____项，这使得系统的行为复杂化。
答案：非线性4. 非线性系统中的____波是一种在传播过程中保持形状不变的波。
答案：孤立5. 在非线性物理中，____凝聚态是一种在低温下，玻色子粒子聚集在最低能态的现象。
答案：Bose-Einstein三、简答题（每题5分，共20分）1. 简述非线性物理中孤子的概念及其物理意义。
答案：孤子是一种在非线性介质中传播的波，它能够保持其形状和速度不变，即使在与其他孤子相遇时也不会发生能量交换。
孤子的物理意义在于它们展示了非线性系统中的局部化波解，这在光学、流体力学等领域有重要的应用。
2. 解释非线性动力学系统中的混沌现象及其特点。
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2013 “非线性振动” 练习题
1、简述绘制相轨线的原理及其作用。
2、用小参数摄动法求
)1(220<<=+εεωx x x x
的一阶近似解。
3、 用多尺度法或均值法求 (第三章16)
)1(320<<=+εεωx x x
的一阶近似解。
4、 用多尺度法求周期激励范德波尔方程
0)0(,)0(,cos )1(220220=-+=+-=+x F A x t F x x x x ω
ωωεω 的非共振解。
5、 设运动微分方程为
)1(cos 220<<+-=+εωεωt F x x x
试求0ωω≈的主共振解。
6、 简述非线性单自由度保守系统自由振动的主要特点及与线性系
统的区别。
7、 简述非线性单自由度系统在简谐激励下的强迫振动特点。
8、 简述自激振动产生的主要原因及其特点。
9、 以两自由度非线性系统为例，简述非线性多自由度系统振动的
主要特点。
10、 简述分岔和混沌的概念。
（考试从中选取5题）
1、简述绘制相轨线的原理及其作用。
答：绘制相轨迹线的原理如下：
将系统的动力学方程...
+(x,)=0x f x 转化为以状态变量表示的状态方程组 ..==-(x,y)
y x
y f （1）
在利用上式消去微分dt,得到y x 和的关系式 ,=-dy f dx y
（x y ） （2） 这个式子所确定的平面（x,y ）上的各点的向量场，就构成了相轨迹族。
绘制相轨迹线的方法有两种，第一是等倾线法。
等倾线法的原理如下，令方程（2）右边等于常数C ，得到(x,y)相平面内以C 为参数的曲线族 (x,y)+Cy=0f (3)
(3)称作相轨迹的等倾线族，族内每一曲线上的所有点所对应的由方程（2）确定的向量场都指向同一方向。
第二种方法是李纳法。
其原理如下：
适当选择单位使弹簧的系数为1，设单位质量的阻尼力为-(y)ϕ，则有f(x,y)=x+(y)ϕ。
相轨迹微分方程为
+(y)=-dy x dx y
ϕ （4） 在平面上做辅助曲线=-(y)x ϕ 。
此辅助曲线即上述零斜率等倾线，过某个相点 P （x,y ）作x 轴的平行线与辅助曲线交与R 点，再过R 点作y 轴的平行线与x 轴交于S 点，连接PS ，将向量PS →
逆时针旋转90度后的方向就是方程（4）确定的相轨迹切线方向。
相轨迹线可以帮助我们定性地了解系统在不同初始条件下的运动全貌。
当系统是强非线性振动的时候，近似解析法（如小参数摄动法，多尺度法）不再适用，此时可以采用相轨迹法来研究。
（相轨迹线的作用）
非线性动力学主要研究非线性振动系统周期振动规律（振幅，频率，相位的变化规律）和周期解的稳定条件。
其研究内容主要有：保守系统中的稳定性及轨道扩散问题；振动的定性理论；非线性振动的近似解析方法；非线性振动中混沌的控制和同步问题；随机振动系统和参数振动系统问题等。
2、用小参数摄动法求
)1(220<<=+εεωx x x x
的一阶近似解。
解：此处取一阶近似解201=++O()x x x εε (1)
设 222200=+=-D D ωωεωωε即 （2）
此处D 为调谐参数 并设=F K ε （3）
将（1）（2）（3）代入系统动力学方程中则有
....
22010101++(-D )(x +x )=-(x +x )+cos x x K t εωεεεεεω （4）
考虑到ε两边同次幂的系数相等，于是有
..0200..1221100:+=0
(5a):+=Dx -x +cos (5b)x x x x K t
εωεωω 由（5a ）可得 0=cos +Bsin x A t t ωω (6)
将（6）代入（5b ）中有
22
..2
11+=DA cos +sin -(1+cos 2)-(1-cos 2)-ABsin2+cos 22A B x x t DB t t t t K t ωωωωωωω（7）
为了消去久期项，必有使得cos t ω和sin t ω的系数都为0 于是有
DA+=0
=0
K DB （8） 于是有 A =-=-=0K F B D D ε （9）
解（7） （9） 可得
22
11222=R cos +sin +-+cos 226A A x t R t t ωωωωω
（10） 由初始条件 .
11(0)=0 (0)=0x x （11）可得 2
122==03A R R ω （12）
222
1222=cos +cos 2-362A A A x t t ωωωωω
(13)
所以，方程的主共振解为 222
222=cos +cos -+cos 2326A A A x A t t t ωωωεωωω⎛⎫ ⎪⎝⎭
(14) 这里A =-(D )F D ε
其中为调谐参数（15）
3、用多尺度法或均值法求
)1(320<<=+εεωx x x
的一阶近似解。
4、用多尺度法求周期激励范德波尔方程
0)0(,)0(,cos )1(220220=-+=+-=+x F A x t F x x x x ω
ωωεω 的非共振解。
5、设运动微分方程为
)1(cos 220<<+-=+εωεωt F x x x
试求0ωω≈的主共振解。
6、简述非线性单自由度保守系统自由振动的主要特点及与线性系统的区别。
答：特点：
（1）恢复力与位移不成线性比例或阻尼力与速度不成线性比例垆鐲瘍篓帜協鲑釓閃闭鸫恋钝窯輅違谤敘諳媯赂鍆療動泸謙铼滅埙纤阕禄灑帳缽綿單谘顯锥殒鉸癲鷲奮玮襖屨鸾餘脏懇铠断髋癮綆瀏塹蕘毀诓诬祢鹨蠑饜视贩攢負喪阁閫陣飛璉睑鲈鲠巹谊瓏擋骗贩谍剧擻癬烏铆腾进腊趸嵘鷂。
（2）非线性单自由度保守系统自由振动的机械能守恒
（3）系统的周期与初始条件有关。
保守系统的微分方程形式如：。
其中p (u) 是仅依赖于系统位移u 的非线性有势力。
（5）。
区别：线性振动只适用于小运动范围 ，超过此范围，就变成非线性振动。
7、简述非线性单自由度系统在简谐激励下的强迫振动特点。
答：非线性单自由度系统在简谐激励下的强迫振动有以下特点：
（1） 非线性单自由度系统在简谐激励下的强迫振动微分方程为：
+F(t)
F （t ）为正弦时为简谐激励。
上式为弱非线性,有周期解。
(2)振幅与激励频率在一定关系下发生突跳现象。
（3）在非线性系统中，当干扰力频率在派生系统固有频率附近变化，而受迫振动振幅很大时，发生主共振。
一定条件下还会发生超谐共振、亚谐共振、组合共振等非主共振现象。
9、以两自由度非线性系统为例，简述非线性多自由度系统振动的主要特点。
答：多自由度系统的非线性振动，除两自由度系统之外,很少有精确解。
多采用数值方法为近似分析方法。
在某些条件下，存在内共振现象、 饱和现象、周期激励下不存在周期运动的现象。
伦絆矾煢疟诎頎懨貓囪擯谄諧岛嘱欄蛲揀鄉簞钸橥饉頭臥髅碜铽岘買矶绻轲紉谕嘍藥窦鹎塋绪滯齊鲡蘢崗愤在两自由度时：（1）内共振现象，以弹簧摆有限振动为例，
经过计算得到：弹簧的伸长和摆动均为有界,而两种运动的幅值交替增减,能量不断在两种振动形式之间交换,变种现象称为内共振。
),,(20x
x t f x x εω=+l g x x l x x l x x m k x g x l x x =+-=+=-=+022120221220220122221201122ωωωωω
（2）受迫振动中的饱和现象，以船舶在海浪作用为例，
（3）受拍振动中的无周期响应现象，
无周期运动。
)cos(2)
cos(2,22212222202211211111201121θωαμωθωαμω+++-=++++-=+t F x x x x t F x x x x x ：x x 振动方程可写为为仰俯角
为横摇角设。
x x F F 这就是所谓饱和现象能量渗透到饱和幅值就不再增加后超过某一临界值但当仰俯振动的幅值也增加随着激励幅值的增加
开始激发仰俯振动时且从纵向拍击船舶当海浪频率即若存在内共振,),(,,,,
,)0(2,12210201
02=≈≈ωωωω)cos(2)cos(2222122222022112111112011θωαμωθωαμω+++-=++++-=+t F x x x x t F x x x x x 0102012)(ωωωω≈≈且存在内共振即主共振当。