机械振动和机械波的知识点总结
振动是宇宙普遍存在的一种现象，总体分为宏观振动（如地震、海啸）和微观振动（基本粒子的热运动、布朗运动）。一些振动拥有比较固定的波长和频率，一些振动则没有固定的波长和频率。两个振动频率相同的物体，其中一个物体振动时能够让另外一个物体产生相同频率的振动，这种现象叫做共振，共振现象能够给人类带来许多好处和危害。不同的原子拥有不同的振动频率，发出不同频率的光谱，因此可以通过光谱分析仪发现物质含有哪些元素。
在许多情况下，振动被认为是消极因素。例如，振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命，振动还可能引起结构的大变形破坏，有的桥梁曾因振动而坍毁；飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往造成事故；车船和机舱的振动会劣化乘载条件；强烈的振动噪声会形成严重的公害。
然而，振动也有它积极的一面。例如，振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础。50年代以来，陆续出现许多利用振动的生产装备和工艺。例如，振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动沉桩、振动消除内应力等等。它们极大地改善了劳动条件，成十、百倍地提高劳动生产率。可以预期，随着生产实践和科学研究的不断进展，振动的利用还会与日俱增。
一 简谐运动
1. 定义
物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总是指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫做简谐运动，又称简谐振动。
2. 简谐运动的特征
回复力F=-kx，加速度a=-kx/m，方向与位移方向相反，总指向平衡位置。
简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零；在最大位移处，速度为零，加速度最大。
3. 描述简谐运动的物理量
位移x：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段，是矢量，其最大值等于振幅。
振幅A：振动物体离开平衡位置的最大距离，是标量，表示振动的强弱。
周期T 和频率f：表示振动快慢的物理量，二者互为倒数关系，即T=1/f。
4. 简谐运动的图像
意义：表示振动物体位移随时间变化的规律，注意振动图像不是质点的运动轨迹。
特点：简谐运动的图像是正弦（或余弦）曲线。
应用：可直观地读取振幅A、周期T 以及各时刻的位移x，判定回复力、加速度方向，判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化情况。
二 弹簧振子
定义
周期和频率只取决于弹簧的劲度系数和振子的质量，与其放置的环境和放置的方式无任何关系。
如某一弹簧振子做简谐运动时的周期为T，不管把它放在地球上、月球上还是卫星中，是水平放置、倾斜放置还是竖直放置，振幅是大还是小，它的周期就都是T。
三 单摆
1. 定义
摆线的质量不计且不可伸长，摆球的直径比摆线的长度小得多，摆球可视为质点。单摆是一种理想化模型。
2. 可看作简谐运动的条件
最大摆角α<5°。
3. 单摆的回复力
是重力沿圆弧切线方向并且指向平衡位置的分力。
4. 周期公式
作简谐运动的单摆的周期公式为：T=2π。
在振幅很小的条件下，单摆的振动周期跟振幅无关。
单摆的振动周期跟摆球的质量无关，只与摆长L 和当地的重力加速度g 有关。
摆长L 是指悬点到摆球重心间的距离，在某些变形单摆中，摆长L 应理解为等效摆长，重力加速度应理解为等效重力加速度（一般情况下，等效重力加速度g\\'等于摆球静止在平衡位置时摆线的张力与摆球质量的比值）。
四 受迫振动
1. 定义
振动系统在周期性驱动力作用下的振动，叫受迫振动。
2. 特点
受迫振动稳定时，系统振动的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关。
3. 共振
当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，振动物体的振幅最大，这种现象叫做共振。共振的条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率。
五 机械波
1. 定义
机械振动在介质中的传播，形成机械波。
2. 产生的条件
机械波产生的条件分为：波源和介质。
3. 分类
横波：质点振动方向与波的传播方向垂直的波叫横波。横波有凸部（波峰）和凹部（波谷）。
纵波：质点振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波。纵波有密部和疏部。
需要注意的是，气体、液体、固体都能传播纵波，但气体、液体不能传播横波。
4. 特点
机械波传播的是振动形式和能量。质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移。
介质中各质点的振动周期和频率，都与波源的振动周期和频率相同。
离波源近的质点带动离波源远的质点依次振动。
六 波长、波速和频率的关系
1. 波长
两个相邻的且在振动过程中对平衡的位移总是相等的质点间的距离，叫做波长。振动在一个周期里在介质中，传播的距离等于一个波长。
2. 波速
波的传播速率。机械波的传播速率由介质决定，与波源无关。
3. 频率
波的频率始终等于波源的振动频率，与介质无关。
4. 上述三者的关系
七 波动图像
1. 定义
表示波的传播方向上，介质中的各个质点在同一时刻相对平衡位置的位移。当波源作简谐运动时，它在介质中形成简谐波，其波动图像为正弦或余弦曲线。
2. 波的图像信息
从图像可以直接读出振幅（注意单位）；
从图像可以直接读出波长（注意单位）；
可求任一点在该时刻相对平衡位置的位移（包括大小和方向）；
在波速方向已知（或已知波源方位）时，可确定各质点在该时刻的振动方向；
可以确定各质点振动的加速度方向（加速度总是指向平衡位置）。
3. 波动图像与振动图像的比较
八 波动问题多解性
波的传播过程中，时间上的周期性、空间上的周期性以及传播方向上的双向性，是导致“波动问题多解性”的主要原因。若题目假设一定的条件，可使无限系列解转化为有限或惟一解。
九 波的衍射
1. 定义
几列波相遇时，每列波能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰，只是在重叠的区域里，任一质点的总位移等于各列波分别引起的位移的矢量和。
2. 波发生明显衍射现象的条件
障碍物（或小孔）的尺寸比波的波长小或能够与波长差不多。
十 波的叠加
1. 定义
几列波相遇时，每列波能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰，只是在重叠的区域里，任一质点的总位移等于各列波分别引起的位移的矢量和。
2. 原理
两列波相遇前、相遇过程中、相遇后，各自的运动状态不发生任何变化，这是波的独立性原理。
十一 波的干涉
1. 定义
频率相同的两列波叠加，某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔的现象，叫波的干涉。
2. 产生条件
产生干涉现象的条件是两列波的频率相同，振动情况稳定。需要注意的是：
干涉时，振动加强区域或振动减弱区域的空间位置是不变的，加强区域中心质点的振幅等于两列波的振幅之和，减弱区域中心质点的振幅等于两列波的振幅之差。
两列波在空间相遇发生干涉，两列波的波峰相遇点为加强点，波峰和波谷的相遇点是减弱的点，加强的点只是振幅大了，并非任一时刻的位移都大；减弱的点只是振幅小了，也并非任一时刻的位移都最小。
十二 声波
空气中的声波是纵波，传播速度为340m/s。能够引起人耳感觉的声波频率范围是在20～20000Hz，频率高于20000Hz的声波是超声波。
超声波的重要性质：波长短，不容易发生衍射，基本上能直线传播，因此可以使能量定向集中传播，且穿透能力强。
超声波的利用：用声纳探测潜艇、鱼群、探察金属内部的缺陷，利用超声波碎石治疗胆结石、肾结石等，利用“B超”探察人体内病变。
十三 多普勒效应
1. 定义
由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象。
2. 特点
当波源与观察者有相对运动，两者相互接近时，观察者接收到的频率增大；两者相互远离时，观察者接收到的频率减小。
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