振盪與簡諧運動
振幅
振幅告訴你振盪有多大:物體在最極端處離中間有多遠。在鞦韆上,它是你比最低點升高了多少;在聲音裡,它與音量的大小有關;在跳動的彈簧上,它是離靜止點最大的伸長量。它回答的問題是:這個來回有多大?
精確地說,振幅 A 是離開平衡位置的最大位移。在簡諧運動的描述 x(t) = A cos(omega t + phi) 中,A 就是位置所達到的峰值,因此物體在 +A 和 -A 之間往返。振幅一律取正數,對擺錘而言帶有長度單位(公尺),對其他振盪則帶有相應的單位。理想振盪儲存的總能量與振幅的平方成正比。
有一個關鍵、有時令人意外的事實:對理想簡諧運動而言,週期與振幅無關,但能量卻大大有關,因為對質量-彈簧系統來說能量等於 1/2 k A^2。所以更響的聲音或更寬的擺盪帶有更多能量,每個循環卻花一樣的時間。在真實的阻尼振盪中,振幅並不會保持固定——它會隨時間縮小,因為能量不斷流失。
若一個彈簧振盪體的振幅為 A = 0.10 m、勁度為 k = 200 N/m,則其總能量為 E = 1/2 k A^2 = 1/2 (200)(0.10)^2 = 1.0 J。把振幅加倍到 0.20 m,能量會變成四倍,成為 4.0 J。
能量隨振幅的平方增長,但週期維持不變。
振幅越大代表能量越多(E 與 A^2 成正比),而不是週期越長;對理想簡諧運動來說,兩者互不相干。
又称
另见