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课程库 › Calculus 2 › S6 · 二阶微分方程 › 第 5 课

弹簧振子(上)—— 简谐运动与欠阻尼

普通课约 45 分钟

本课导读

前四课的数学装备就位,现在进入本单元的主线剧情:弹簧-质量系统。它是全物理学出镜率最高的模型——不只是弹簧,电路振荡、分子振动、建筑物摇摆、音叉发声,方程全长一个样。本课先建模(牛顿 + 胡克,两行搞定),然后处理两种运动:无阻尼的完美振荡(简谐运动)和欠阻尼的减幅振荡。你会亲眼看到第 3 课的"情况三"从纸面公式变成看得见的物理画面。预计 45 分钟。

说明

前置工具箱:第 3 课情况三公式(复根 α±βi\alpha \pm \beta i → eαt(c1cos⁡βt+c2sin⁡βt)e^{\alpha t}(c_1\cos\beta t + c_2\sin\beta t));两角差公式 cos⁡(A−B)=cos⁡Acos⁡B+sin⁡Asin⁡B\cos(A - B) = \cos A\cos B + \sin A\sin B;勾股定理式合并 A2+B2\sqrt{A^2 + B^2}。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 情况三速查(第 3 课):特征根 α±βi\alpha \pm \beta i ⟹ x=eαt(c1cos⁡βt+c2sin⁡βt)x = e^{\alpha t}(c_1\cos\beta t + c_2\sin\beta t),α\alpha 管幅度、β\beta 管快慢。微例:r2+2r+5=0⇒r=−1±2i⇒x=e−t(c1cos⁡2t+c2sin⁡2t)r^2 + 2r + 5 = 0 \Rightarrow r = -1 \pm 2i \Rightarrow x = e^{-t}(c_1\cos 2t + c_2\sin 2t)——例题 2 原式。⚠️ 翻车点:初值求导时漏外壳 eαte^{\alpha t} 的乘积法则贡献。

② 两角差公式:Rcos⁡(ωt−φ)=Rcos⁡φcos⁡ωt+Rsin⁡φsin⁡ωtR\cos(\omega t - \varphi) = R\cos\varphi\cos\omega t + R\sin\varphi\sin\omega t。微例:2cos⁡(2t−π4)=cos⁡2t+sin⁡2t\sqrt{2}\cos\left(2t - \tfrac{\pi}{4}\right) = \cos 2t + \sin 2t——例题 1 的合并结果,倒着展开就能验算。⚠️ 翻车点:φ\varphi 的符号——公式里是 −φ-\varphi,展开后 sin 项系数是 +Rsin⁡φ+R\sin\varphi。

③ 单位圆找角:由 cos⁡φ=AR,sin⁡φ=BR\cos\varphi = \tfrac{A}{R}, \sin\varphi = \tfrac{B}{R} 定 φ\varphi,要看两个符号定象限。微例:cos⁡φ=sin⁡φ=12⇒φ=π4\cos\varphi = \sin\varphi = \tfrac{1}{\sqrt{2}} \Rightarrow \varphi = \tfrac{\pi}{4}。⚠️ 翻车点:只用 tan⁡φ=B/A\tan\varphi = B/A 会丢象限信息,差一个 π\pi。

两行建模:从物理定律到微分方程

装置:一根弹簧,下挂质量 mm 的物体,量好平衡位置记为 x=0x = 0,向下拉开一段后放手。设 x(t)x(t) 为物体偏离平衡位置的位移。两条定律入场:

  • 胡克定律:弹簧的回复力与位移成正比、方向相反:F弹=−kxF_{\text{弹}} = -kx(k>0k > 0 叫弹性系数,弹簧越硬越大)
  • 阻尼(空气阻力、内摩擦、阻尼器):与速度成正比、方向相反:F阻=−c x′F_{\text{阻}} = -c\,x'(c≥0c \geq 0 叫阻尼系数)

牛顿第二定律 mx′′=F合mx'' = F_{\text{合}}(第 1 课说过它是二阶方程的出生证明):

m x′′=−kx−c x′⟹m x′′+c x′+k x=0m\,x'' = -kx - c\,x' \qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{m\,x'' + c\,x' + k\,x = 0}

一个二阶常系数齐次方程——第 3 课的流水线直接开动。特征方程 mr2+cr+k=0mr^2 + cr + k = 0,判别式 Δ=c2−4mk\Delta = c^2 - 4mk。三分天下在物理世界的名字:

判别式数学名(第 3 课)物理名本课/下课
c=0c = 0纯虚根无阻尼(undamped)· 简谐运动本课
c2<4mkc^2 < 4mk复根欠阻尼(underdamped)本课
c2=4mkc^2 = 4mk重根临界阻尼(critical damping)下一课
c2>4mkc^2 > 4mk两实根过阻尼(overdamped)下一课

无阻尼:永不停歇的完美振荡

先看最纯净的情形 c=0c = 0(真空中的理想弹簧):mx′′+kx=0mx'' + kx = 0。除以 mm 并记 ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m},方程成为

x′′+ω02 x=0x'' + \omega_0^2\,x = 0

特征根 r=± ω0 ir = \pm\,\omega_0\, i(纯虚,α=0\alpha = 0:外壳 e0t=1e^{0t} = 1,不衰不涨),通解:

x=c1cos⁡ω0t+c2sin⁡ω0tx = c_1 \cos\omega_0 t + c_2 \sin\omega_0 t

这就是简谐运动(simple harmonic motion)。ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m} 叫固有角频率(natural frequency)——名字里的"固有"是重点:它只由弹簧硬度和质量决定,与怎么拉、拉多远无关。周期 T=2πω0T = \dfrac{2\pi}{\omega_0}。硬弹簧(kk 大)晃得快,重物体(mm 大)晃得慢,符合直觉。

振幅-相位形式:c1cos⁡+c2sin⁡c_1\cos + c_2\sin 两项叠加其实仍是一条余弦曲线。合并(🔧 工具箱 ②倒用):

x=Rcos⁡(ω0t−φ),R=c12+c22,cos⁡φ=c1R, sin⁡φ=c2Rx = R\cos(\omega_0 t - \varphi), \qquad R = \sqrt{c_1^2 + c_2^2}, \quad \cos\varphi = \tfrac{c_1}{R},\ \sin\varphi = \tfrac{c_2}{R}

RR 是振幅(摆动的最大幅度),φ\varphi 是初相位(波形整体左右平移量)。两种写法各有用途:解初值用 c1,c2c_1, c_2 形式好算,读物理("晃多大?多快?")用 R,φR, \varphi 形式一目了然。

例题 1 · 无阻尼全流程

弹簧系统 x′′+4x=0x'' + 4x = 0,初始位移 x(0)=1x(0) = 1、初始速度 x′(0)=2x'(0) = 2。求运动规律,并写成振幅-相位形式。

第 1 步 · 通解与初值

ω0=2\omega_0 = 2,通解 x=c1cos⁡2t+c2sin⁡2tx = c_1\cos 2t + c_2\sin 2t。代 x(0)=1x(0) = 1:c1=1c_1 = 1。求导 x′=−2c1sin⁡2t+2c2cos⁡2tx' = -2c_1\sin 2t + 2c_2\cos 2t,代 x′(0)=2x'(0) = 2:2c2=2⇒c2=12c_2 = 2 \Rightarrow c_2 = 1。

x=cos⁡2t+sin⁡2tx = \cos 2t + \sin 2t
第 2 步 · 合并成一条余弦

R=12+12=2R = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2};cos⁡φ=sin⁡φ=12\cos\varphi = \sin\varphi = \tfrac{1}{\sqrt{2}},两个都为正 → 第一象限(🔧 工具箱 ③),φ=π4\varphi = \tfrac{\pi}{4}:

x=2 cos⁡ ⁣(2t−π4)x = \sqrt{2}\,\cos\!\left(2t - \frac{\pi}{4}\right)

一句话读出全部物理:振幅 2≈1.41\sqrt{2} \approx 1.41,周期 T=πT = \pi,波形右移 π8\tfrac{\pi}{8}。初速度把最大摆幅从 1 推到了 2\sqrt{2}——能量进账的痕迹。

欠阻尼:现实世界的振荡

真实弹簧总有一点摩擦:c>0c > 0 但不大,具体说 c2<4mkc^2 < 4mk。特征方程 mr2+cr+k=0mr^2 + cr + k = 0 给出复根:

r=−c2m±i μ,μ=4mk−c22mr = -\frac{c}{2m} \pm i\,\mu, \qquad \mu = \frac{\sqrt{4mk - c^2}}{2m}

套情况三(🔧 工具箱 ①),通解:

x=e−c2mt(c1cos⁡μt+c2sin⁡μt)=R e−c2mtcos⁡(μt−φ)x = e^{-\frac{c}{2m}t}\left(c_1\cos\mu t + c_2\sin\mu t\right) = R\,e^{-\frac{c}{2m}t}\cos(\mu t - \varphi)

这就是欠阻尼运动,画面读三层:

  1. 振荡内芯照旧:cos⁡(μt−φ)\cos(\mu t - \varphi),物体仍在来回摆
  2. 衰减外壳 e−ct/2me^{-ct/2m}:振幅按指数缩水,摆动被一对收口的"包络线" ±Re−ct/2m\pm R e^{-ct/2m} 夹着,最终归于平衡——现实里秋千不推就停,就是它
  3. 变慢的节拍:μ=ω02−(c2m)2<ω0\mu = \sqrt{\omega_0^2 - \left(\tfrac{c}{2m}\right)^2} < \omega_0——阻尼不仅消振幅,还拖慢节奏。μ\mu 称准频率,2πμ\tfrac{2\pi}{\mu} 称准周期("准"字提示它不是严格周期运动——幅度一直在变,只是过零的节拍稳定)

例题 2 · 欠阻尼全流程

系统 x′′+2x′+5x=0x'' + 2x' + 5x = 0(即 m=1,c=2,k=5m = 1, c = 2, k = 5),x(0)=2x(0) = 2,x′(0)=0x'(0) = 0:从静止释放。求运动规律与包络线。

第 1 步 · 判型与通解

Δ=4−20=−16<0\Delta = 4 - 20 = -16 < 0:欠阻尼。r=−1±2ir = -1 \pm 2i(第 3 课例题 3 的老熟人),通解:

x=e−t(Acos⁡2t+Bsin⁡2t)x = e^{-t}\left(A\cos 2t + B\sin 2t\right)

准频率 μ=2\mu = 2,比无阻尼时的 ω0=5≈2.24\omega_0 = \sqrt{5} \approx 2.24 慢了一点——阻尼拖了节拍。

第 2 步 · 初值与包络线

x(0)=A=2x(0) = A = 2。求导归堆(⚠️ 别漏外壳):x′=e−t[(−A+2B)cos⁡2t+(−B−2A)sin⁡2t]x' = e^{-t}[(-A + 2B)\cos 2t + (-B - 2A)\sin 2t],代 x′(0)=0x'(0) = 0:−2+2B=0⇒B=1-2 + 2B = 0 \Rightarrow B = 1。

x=e−t(2cos⁡2t+sin⁡2t)=5 e−tcos⁡(2t−φ),φ=arctan⁡12≈0.46x = e^{-t}\left(2\cos 2t + \sin 2t\right) = \sqrt{5}\,e^{-t}\cos(2t - \varphi), \quad \varphi = \arctan\tfrac{1}{2} \approx 0.46

包络线:±5 e−t\pm\sqrt{5}\,e^{-t}。每过一个准周期 π\pi,振幅缩水到原来的 e−π≈4.3%e^{-\pi} \approx 4.3\%——肉眼看大约晃两三下就基本静止。

✍️ 练习

练习 1 · 无阻尼基本功

系统 x′′+9x=0x'' + 9x = 0,x(0)=0x(0) = 0,x′(0)=6x'(0) = 6。求运动规律、振幅和周期。

✅ 参考答案

ω0=3\omega_0 = 3,x=c1cos⁡3t+c2sin⁡3tx = c_1\cos 3t + c_2\sin 3t。x(0)=c1=0x(0) = c_1 = 0;x′(0)=3c2=6⇒c2=2x'(0) = 3c_2 = 6 \Rightarrow c_2 = 2:

x=2sin⁡3tx = 2\sin 3t

振幅 R=2R = 2,周期 T=2π3T = \tfrac{2\pi}{3}。从平衡位置被"踢"一脚出发(纯初速度),运动是纯 sin——相位自动就位,不必强行改写成余弦。

练习 2 · 振幅-相位改写

把 x=3cos⁡t−3sin⁡tx = 3\cos t - 3\sin t 写成 Rcos⁡(t−φ)R\cos(t - \varphi) 形式。

✅ 参考答案

R=9+9=32R = \sqrt{9 + 9} = 3\sqrt{2}。cos⁡φ=332=12\cos\varphi = \tfrac{3}{3\sqrt{2}} = \tfrac{1}{\sqrt{2}},sin⁡φ=−332=−12\sin\varphi = \tfrac{-3}{3\sqrt{2}} = -\tfrac{1}{\sqrt{2}}:cos 正、sin 负 → 第四象限,φ=−π4\varphi = -\tfrac{\pi}{4}:

x=32 cos⁡ ⁣(t+π4)x = 3\sqrt{2}\,\cos\!\left(t + \frac{\pi}{4}\right)

只用 tan⁡φ=−1\tan\varphi = -1 会在 −π4-\tfrac{\pi}{4} 和 3π4\tfrac{3\pi}{4} 之间抓瞎——两个符号定象限(工具箱 ③)不是可选项。

练习 3 · 判型与准周期

系统 x′′+x′+x=0x'' + x' + x = 0。判断阻尼类型,若为欠阻尼求准频率与准周期。

✅ 参考答案

Δ=1−4=−3<0\Delta = 1 - 4 = -3 < 0:欠阻尼。r=−12±32ir = -\tfrac{1}{2} \pm \tfrac{\sqrt{3}}{2}i,准频率 μ=32\mu = \tfrac{\sqrt{3}}{2},准周期 2πμ=4π3≈7.26\tfrac{2\pi}{\mu} = \tfrac{4\pi}{\sqrt{3}} \approx 7.26。对照无阻尼版(x′′+x=0x'' + x = 0,ω0=1\omega_0 = 1,T=2π≈6.28T = 2\pi \approx 6.28):阻尼让节拍从 6.28 拖长到 7.26。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 弹簧方程 $mx'' + cx' + kx = 0$ 中三个系数的物理身份是?

2. 无阻尼系统的固有频率 $\omega_0 = \sqrt{k/m}$ 不依赖于?

3. 欠阻尼解 $x = Re^{-ct/2m}\cos(\mu t - \varphi)$ 中,包络线指的是?

4. 与无阻尼相比,欠阻尼的振动节拍(频率)会?

5. 把 $c_1\cos\omega t + c_2\sin\omega t$ 合并为 $R\cos(\omega t - \varphi)$ 时,确定 $\varphi$ 的正确做法是?

本课小结

  • 建模两行:牛顿 mx′′=Fmx'' = F + 胡克 −kx-kx + 阻尼 −cx′-cx' ⟹ mx′′+cx′+kx=0mx'' + cx' + kx = 0;判别式 c2−4mkc^2 - 4mk 把命运分成四档(无/欠/临界/过阻尼)
  • 无阻尼:x′′+ω02x=0x'' + \omega_0^2 x = 0,ω0=k/m\omega_0 = \sqrt{k/m} 是固有频率——只看体质不看初值;解是简谐运动,可合并为 Rcos⁡(ω0t−φ)R\cos(\omega_0 t - \varphi)
  • 合并技术:R=c12+c22R = \sqrt{c_1^2 + c_2^2},φ\varphi 靠 cos、sin 两个符号定象限
  • 欠阻尼(c2<4mkc^2 < 4mk):衰减外壳 × 振荡内芯,包络线 ±Re−ct/2m\pm Re^{-ct/2m} 收口;准频率 μ<ω0\mu < \omega_0——阻尼既消幅又拖拍
  • 固有频率的"固有"二字是第 7 课共振的引信,先揣好

下一课看阻尼继续加大后的另外两种命运:过阻尼的慢吞吞爬回,和工程师最爱的临界阻尼——以及一个反直觉事实:阻尼加得越猛,回家反而越慢。

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