旋转矢量法
旋转矢量法在简谐振动中的应用探讨
旋转矢量法在简谐振动中的应用探讨摘要：结合旋转矢量法的理论依据探究旋转矢量法在简谐振动中的应用，探究结果发现：旋转矢量法的理论依据是两个振幅相等，频率相同的简谐振动，相位差等于π/2，沿垂直方向的合成就是圆周运动；而旋转矢量法可计算简谐振动的矢端速度与加速度、相位与初相位、运动时间间隔及合振动。
关键词：旋转矢量法；简谐振动；应用0.旋转矢量法旋转矢量法[1]，也叫匀速圆周运动法，参考圆法，用其方法来解决简谐振动中的问题，相对来说比较简单。
如图1，做一个圆周，以O为原点，向右为正方向建立坐标轴，根据题目条件确定半径位置，要观察的是半径的端点在x轴上的投影的位置，如果速度为正，半径端点一定处于x轴下方，反之在x轴上方，比如，t＝0时，质点正经过平衡位置向正方向运动，那么这个半径端点就是在原点正下方，即端点的投影刚好在原点[2]。
而以O为原点的旋转向量A的端点与在x 轴上的投影点的运动为简谐振动。
图1 旋转矢量图2 相位差为π/2互相垂直简谐振动的合成1.简谐振动矢量法的理论依据互相垂直相同频率简谐振动的合成[3]，现将分振动的运动学方程表示为，，质点既沿Ox轴又沿Oy轴运动，实际上是在Oxy平面上运动。
从上面方程消去t，得合振动的轨迹方程：=。
当相位差为时，，表明合振动的轨迹为以x和y为轴的椭圆，如图2所示这里又可分为两种情况，时，x方向的振动比y方向的振动超前，即，当某一瞬时，则x=0，y=A2，即质点在图2(a)中的P点，经过很短时间后略大于零，y将略小于A2，为正，而略大于，x将为负，故质点运动到第二象限，即质点沿椭圆逆时针运动。
反之，时，y方向的振动比x方向的振动超前，质点沿椭圆顺时针方向运动，如图2（b）。
以上两分运动中，若=且相位差为，则其合运动轨迹方程褪化为圆。
两个振幅相等，频率相同的简谐振动，相位差等于沿互相垂直方向合成的为圆周运动；反推理可得，圆周运动亦能分解为两互相垂直的同振幅同频率的简谐振动。
旋转矢量法求合振动方程
旋转矢量法求合振动方程旋转矢量法是一种常用的工具，用于求解多个振动体的合振动方程。
它在振动学、固体力学、流体力学等领域中都有广泛的应用。
本文将从基本原理、数学推导、具体应用等方面进行阐述。
1. 基本原理旋转矢量法是建立在以下假设基础上的：对于任意振动体，其振动可以看作是由平动和转动两部分构成的，其中平动由质心偏离平衡位置造成，而转动则由振动体绕其质心旋转所引起的。
因此，我们可以将振动体的质心看作是一个之间相邻关联的旋转矢量，从而求得其合振动方程。
2. 数学推导首先，我们需要确定旋转矢量的表达式。
假设一个振动体的质心在平衡位置处的坐标为$(x,y,z)$，而其受到的外力为$\boldsymbol F$。
则该振动体所受的旋转矢量$\boldsymbol A$可表示为：$$\begin{aligned}\boldsymbol A &= \boldsymbol r \times \boldsymbol F\\ &= \begin{vmatrix}\boldsymbol e_x & \boldsymbol e_y & \boldsymbol e_z\\x-x_0 & y-y_0 & z-z_0 \\F_x & F_y & F_z\end{vmatrix}\\&= (y-y_0)F_z\boldsymbol e_x + (z-z_0)F_x\boldsymbole_y + (x-x_0)F_y\boldsymbol e_z\end{aligned}$$其中，$\boldsymbol r=(x-x_0)\boldsymbol e_x+(y-y_0)\boldsymbol e_y+(z-z_0)\boldsymbol e_z$为振动体的位置矢量，$\boldsymbol e_x,\boldsymbol e_y,\boldsymbol e_z$为三个坐标轴的单位矢量，$x_0,y_0,z_0$为平衡位置的坐标。
简谐振动的旋转矢量法
简谐振动的旋转矢量法
简谐振动的旋转矢量法（also known as the rotational vector method）是一种描述简谐振动运动的方法。
这种方法将简谐振动的位移表示为一个旋转矢量，该旋转矢量的大小和方向都随时间变化。
在这种方法中，假设物体在振动过程中绕一个固定轴旋转。
这个固定轴被称为挠度轴，它垂直于振动平面。
振动的位移被表示为从挠度轴指向物体的矢量。
根据简谐振动的性质，位移矢量旋转的角度随时间变化，而角度的变化速率与振动频率相关。
通过将位置矢量的旋转速率与振动频率相关联，可以得到简谐振动的动态方程。
旋转矢量法可以应用于各种简谐振动问题，包括简谐振子、摆线振动等。
通过使用该方法，可以更轻松地分析和计算简谐振动的运动特性，例如位移、速度和加速度等。
此外，该方法还可以用于解决相关问题，如相位差和共振等。
总的来说，简谐振动的旋转矢量法是一种较为直观和简便的分析简谐振动运动的方法，它通过描述位移矢量的旋转来描述振动过程，并可以得到简谐振动的动态方程。
旋转矢量表示法B版
1 2
⎞ ⎟ ⎠
−
π⎤
3
⎥ ⎦
=
2 π
⎡ 2π ⎢⎣ 3
−
π⎤ 3 ⎥⎦
=
2 3
=
0.667(s)
四、相图（phase diagram）
利用相图描述非线性动力学的方 法是19世纪末法国数学家亨利·庞加 莱（H.Poincare）发明的.
现以坐标和速度为坐标轴定义一 个平面, 称为相平面. 系统的一个运 动状态对应于相平面上的一个点, 称 为相点. 当系统的运动状态发生变化 时, 相点在相平面内运动, 相点的轨 迹则称为相图.
A 端投影:
x = A cos(ωt + ϕ )
与简谐运动方程完全相同, 所以投影点的运动为简谐运动.
二、初相位
ϕ = π平衡位置 2
旋转矢量表示法
π <ϕ <π 2
ϕ
ϕ=π
负向最大
π 0<ϕ<
2
x ϕ=0
正向最大
π < ϕ < 3π 2
3π < ϕ < 2π 2
ϕ = 3π 平衡位置 2
初相位讨论
大学物理
振动学基础
第3讲 旋转矢量表示法
旋转矢量表示法
旋转矢量表示法
一、旋转矢量表示法(参考圆法)
是研究简谐运动规律时所采用的直观的几何描述方法.
自 Ox 轴原点作矢量 A , 其模等 于振幅. A 绕 O点逆时针旋转, 角 速度为ω (其数值即为简谐运动的 角频率) , 则 A 称为旋转振幅矢量. 设初始时刻 t = 0 时 A 与 x 轴夹角 等于初相位 ϕ , 经过时间 t , A 与 x 轴夹角等于相位ω t +ϕ .
旋转矢量表示法
旋转矢量表示法高中物理的运动学、动力学大都以矢量表示，为了简单起见，通常采用“合矢”表示。
将有关运动矢量的矢量和分解成两个平行四边形，并指明两个平行四边形的夹角。
地球绕太阳的公转、卫星绕地球的公转、行星绕太阳的公转等都可用旋转矢量表示，但需要说明的是：所谓“公转”只不过是相对于观测者来说的，从一个观测者看来，地球上的每一点都在自西向东转动；而相对于地球的观测者来说，则是自东向西转动。
所以，由于地球上各点的位置在一年之中都不变，故“公转”也叫“平移”，它与“自转”同属角速度概念，并称为角动量的两个基本分量。
如果把太阳看作质点，则太阳绕地球公转的轨道平面就是以地球为焦点的双曲面。
根据动能定理，若把这一双曲面上的某一点P看作质点，则可得到太阳绕地球公转的轨道平面的另一种表达式——椭圆，其离心率为，为行星的半径，故称太阳为椭圆轨道的半长轴，称太阳轨道的长轴为太阳轨道的周期。
还可以证明：太阳的质量为，半径为，周期为地球的轨道平面与椭圆轨道的切线在赤道处的夹角称为地球的公转角速度。
通常以地球轨道的半长轴作为地球的周期，也就是说，地球绕太阳公转一周的时间称为年。
一般在电工学中经常遇到的情况是利用欧姆定律、焦耳定律、楞次定律或其他类似的定律。
电阻两端的电压u与通过导体横截面的电流i成正比，即，式中，是导体的电阻率，是材料的电阻率。
U是导体的内电压，是电源电动势，它决定于电流的参考方向和导体的电阻率，它是表示电源特征的一个物理量。
欧姆定律又称电功定律，是表示电流做功快慢的物理量。
焦耳定律是表示电流通过导体所消耗的热量多少的物理量。
下面介绍两种常用的方法，前者是由V=ir求欧姆定律，后者是由热功当量求焦耳定律。
前者可以直接由V=ir求出，然后再利用欧姆定律得到I，而后者必须先求出热功当量，然后根据热量、功、温度的关系（即热量=功×温度）求出。
另外，若需要知道闭合电路的欧姆定律或焦耳定律的微分形式，只要将公式略作变换，即可分别求出它们的微分形式。
旋转矢量法在简谐振动教学中的应用
旋转矢量法在简谐振动教学中的应用
一、简谐振动的概念
简谐振动是物理学中一个重要的概念，它指的是一个物体在一个恒定的频率和强度中振动的运动状态。
它是一个具有时间恒定性的物理运动，是一种定常运动，它的形式被称为简谐振动。
它是物理学中的重要概念，它的表现主要是一种周期性的运动形式，它的能量以及动量都会在振动中不断地循环。
它是一种简单的物理运动，在实际生活中可以体现在多种形式中。
二、旋转矢量法在简谐振动教学中的应用
旋转矢量法是一种特殊的矢量运算方法，它可以用来表示简谐振动的特性。
旋转矢量法可以将振动的特性简化为一个旋转的矢量，它可以将振动的特性抽象为一个简单的矢量运动。
因此，旋转矢量法在简谐振动教学中有着重要的作用。
旋转矢量法可以用来描述简谐振动的特性，它可以将振动的特性分解为不同的矢量，比如振动频率、振动振幅、振动相位等，这些矢量可以用来描述一个简谐振动的特性。
而且，旋转矢量法还可以用来表示振动运动的运动轨迹。
旋转矢量法可以将振动运动的运动轨迹表示为一个旋转的矢量，这个旋转的矢量可以用来描述振动运动的运动轨迹。
旋转矢量法在简谐振动教学中的应用，可以使学生更加清晰地了解简谐振动的特性，并且，可以更加直观地掌握振动运动的运动轨迹，从而更好地掌握简谐振动的基本原理。
此外，旋转矢量法还可以用来描述复杂的振动运动，例如三维振动、多振子振动等，这些都可以用旋转矢量法来分析和描述。
总之，旋转矢量法在简谐振动教学中有着重要的作用，它可以使学生更加清晰地了解简谐振动的特性，并且，可以更加直观地掌握振动运动的运动轨迹，从而更好地掌握简谐振动的基本原理。
旋转矢量法简谐运动的动力学能量实例
旋转矢量与简谐运动的关联
旋转矢量与简谐运动的振动方向和速度相关联，通过旋转矢量的几何特性可以推 导出简谐运动的振动方程和能量表达式。
旋转矢量法可以直观地表示简谐运动的振动形式，帮助理解振动的合成与分解， 以及振动在不同方向上的表现。
对未来研究的展望
随着科学技术的不断发展，旋转矢量法在简谐运动研究中 的应用将更加广泛和深入。未来可以进Байду номын сангаас步探索旋转矢量 法在其他领域的应用，如量子力学、光学等。
未来研究可以进一步优化旋转矢量法的计算方法和可视化 效果，提高其精度和直观性，以更好地服务于科学研究和 技术创新。
THANKS
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旋转矢量法简介
01
旋转矢量法是一种描述简谐运动 的直观方法，通过引入一个旋转 矢量来表示振动的状态。
02
旋转矢量具有长度和方向，分别 对应振动的振幅和相位，矢量的 旋转速度则与角频率有关。
02
旋转矢量法在简谐运动中的应用
旋转矢量表示
旋转矢量表示是一种用于描述简谐运 动的几何方法，通过引入一个旋转矢 量来表示简谐运动的相位和振幅。
简谐运动的定义
简谐运动
物体在一定力的作用下，以一定的初速度做周期 性往复运动。
描述参数
振幅、角频率、初相角、周期等。
实例
单摆、弹簧振子等。
简谐运动的数学模型
微分方程
$mfrac{d^2x}{dt^2}
+
cfrac{dx}{dt} + kx = F$
旋转矢量法
通过旋转矢量表示简谐运动的相 位和振幅，简化分析过程。
简谐振动-旋转矢量法
sin2 (2 1)
y
2） 2 1 π
y A2 x A1
3）2 1 π 2
x A2
o A1
x2 A12
பைடு நூலகம்
y2 A22
1
x A1 cost
y
A2
cos(t
π) 2
A2 y
o A1 x
用 旋 转 矢 量 描 绘 振 动 合 成 图
两
相
互 垂 直 同 频 率 不 同 相
简 谐 运 动 的 合 成 图
x
x
A1 o
o
A
A2
A A1 A2
Tt
结论
A A12 A22 2A1 A2 cos(2 1 )
若两分振动同相位：
2 1 2k k 0,1, 2,
A A1 A2
若两分振动反相位:
两分振动相互加强
2 1 (2k 1) k 0,1, 2,
A A1 A2
两分振动相互减弱
再若 A1= A2 , 则 A= 0
M
A
P
x
注意：旋转矢量在第 2 象限
速度v <0
M
PA
x
注意：旋转矢量在第 2 象限
速度v <0
M
PA
x
<
注意：旋转矢量在第 3 象限
速度v 0
P x
MA
<
注意：旋转矢量在第 3 象限
速度v 0
P x
A
M
<
注意：旋转矢量在第 3 象限
速度v 0
P x
A
M
<
注意：旋转矢量在第 3 象限
速度v 0
找到谐振动的特征量，问题就解决了。
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n
l
N
m
mg
建立如图自然坐标
受力分析如图 切向运动方程
F ma ml
mg sin
ml
d2
dt2
d2
dt 2
g sin
l
0
d 2
dt 2
g l
s in
0
令 2 g l 得：
d2
dt2
2
sin
0
sin 3 5
3! 5!
单摆运动的微分方程
非线性微分方程 无解析解
四. 孤立谐振动系统的能量
不计振动传播带来的能量损失 —— 辐射阻尼
不计摩擦产生的热损耗 —— 摩擦阻尼
➢水平放置的弹簧振子
以平衡位置为坐标原点
{ x Acos(t 0)
Εp
1 2
k x2
1 2
k A2
cos2 (t
0 )
v A sin(t 0)
Ek
1 2
mv2
1 2
mA2 2
sin2 (
t
0 )
kx2
1 2
kx02
E
EP
EK
( 1 kx2 2
1 2
mv
2
)
1 2
k
x02
1 kA2 1 kx2
2
20
恒量
恰当选择零势点，可去掉第二项。 如何选？以平衡位置为坐标原点和势能零点
k
x0 EP=0
k
k
O
m
x
mg=kx0
x
Ep
1 2
k(x
x0 )2
mgx
1 2
k x02
1 2
k(x
x0 )2
sin2 t
E - x 曲线
Ek , Ep变化频率为 x 的2倍 Ek , Ep彼此变化步调相反
➢竖直悬挂的弹簧振子
以弹簧原长处为重力势能、弹性势能零点
以平衡位置为坐标原点
k
EP=0 x0
k
m
mg-kx0=0
k
O
x
x
Ep
1 2
k(x
x0 )2
mg(x
x0)
)
1 2
k(x
x0
)2
kx0
(x
x0
)
1 2
k
练 习
质量为 0.1的0k物g 体，以振幅
简谐振动，其最大加速度为
1.0102 m作
4.0,m求：s2
（1）振动的周期； （2）通过平衡位置的动能； （3）总能量； （4）物体在何处其动能和势能相等？
解 （1） amax A 2
T 2π 0.314s
amax 20s1 A
（2）
Ek ,m a x
同学们好！
k
上讲内容
一. 简谐振动的运动方程(平衡位置为坐标原点）
F kx
d2 x dt 2
2
x
0
x Acos(t ) 0
二. 特征量
角频率 k m
振幅 初相
A
x02
v02 2
0
arctg(
v0
x0
)
三. 旋转矢量法 思考：
写出质点 m 以角速率 沿
半径 A 的圆周匀速运动的 参数方程
直观地表达谐振动的各特征量 旋转矢量法优点： 便于解题, 特别是确定初相位
便于振动合成
由 x、v 的符号确定 A所在的象限：
练
教材P.410 13-6 / P.40 12-6
习
已知： A = 24cm, T = 3s, t = 0时 x0 12cm, v0 0,
求：质点运动到 x = -12 cm处所需最短时间。
1 2
k A2
sin2 ( t
0 )
E E E 1 kA2 恒量
p
k2
孤立谐振动系统机械能守恒
x, v
E-t 曲线
xt 0
o
t x Acost
T v t v A sint
能量
o T T T 3T 42 4
E 1 kA2 2
E2 t
t Ek
1 2
m 2 A2
a
d2 x dt 2
2 x T
2
自学 教材 P381 [例6]、[例7] / P.12 [例5]
例：能量法求谐振动的周期
已知： k , R, J ,m
求： T 解：以平衡位置为坐标原点
m
和零势点，向下为正，任意
x
时刻 t 系统的机械能为：
Ek
1 m v2 2
1 2
J 2
1 2
m v2
1 2
1 2
mvm2 ax
1 2
m 2 A2
2.0103 J
（3） E Ek,max 2.0103 J
（4） Ek Ep 时， Ep 1.0103 J
由
Ep
1 2
k x2
1 2
m 2 x2
x2
2Ep
m 2
0.5104 m2
x 0.707cm
摆动（单摆、复摆介绍）
研究摆动的理想模型 —— 单摆和复摆 一、单摆：无伸长的轻线下悬挂质点作无阻尼摆动
解：作t = 0时刻的旋转矢量 A0
作x = -12cm处的旋转矢量
A
A
A0
-12 o 12 24 x(cm)
t m in
1T 6
0.5 s
练 习
两个小球a和b分别沿o-x轴作简谐振动，在 t=0时，两球均在平衡位置，且球a向x轴的正方向 运动，球b向x轴的负方向运动，比较t=4/3s时两球 的振动相位差。（Ta=2Tb=2s）
y
m
A
0
x
o
x A cos(t 0 ) y Asin(t 0 )
x、y 方向分运动均为简谐振动
旋转矢
量 A的
端点在 x
轴上的投 影点的运 动为简谐 运动.
x Acos(t )
旋转矢量 A与简谐振动的对应关系（教材 P.378 表13.1.2/P.8表12.1.1）
旋转矢量
A
模
角速度 t=0时，A与ox夹角
kx0 x
1 2
k x02
1 kx2 2
E
Ek
Ep
1 2
mv2
1 2
k x2
1 2
k A2
比较 水平放置的弹簧振子
回复力 弹簧的弹力
F kx
弹簧的伸长
竖直悬挂的弹簧振子
准弹性力：弹力与重力的合力
F kx
离系统平衡位置的位移
势能 总能
kx2 2 弹性势能
kx2 2 准弹性势能， 重力势能和弹性势能的总和
旋转周期 t时刻，A与ox夹角
r A 在ox 上的投影 r A 端点速度在ox 上的投影 r A 端点加速度在ox 上的投影
简谐振动 符号或表达式
振幅 角频率 初相
A
ωM
0O
A (ωt +0 )
x
振动周期 T=2/
相位
t+ 0
位移
x =Acos(t+ 0)
速度
v =- Asin(t+ 0)
加速度 a =- 2Acos(t+ 0)
J
v 2
R
Ep
1 2
kx 2
Ep滑 轮
1 kx2 2
c
振动系统机械能守恒：
E
Ek
Ep
1 2
m v2
1 2
J
v R
2
1 2
kx2
c
恒量
两边对时间求导：
Jva m va R2 kxv 0
a
d2 x dt 2
kx mJ
R2
2 x
得：
k m J R2 ;
T 2 2 m J R2
1 m v2 1 kx2 1 kA2
2
2
2
统一描述：只要以平衡位置为坐标原点和零势点
E 1 kx2 准弹性势能: p 2 （包括重力势能、弹性势能）
E 1 kA2 2
振动系统 总能量
• 能量法求谐振动的振幅
机械能守恒：
1 m v2 1 kx2 1 kA2
2
2
2
• 能量法求谐振动的周期
两边对时间求导：