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物理学1 / 第 13 回

単振動と復元力:ばね・単振り子の周期

简谐振动与复元力:弹簧和单摆的周期
物理学1 🔑 難易度 ★★★★ 📌 単振動・復元力・フックの法則・ばね振動・単振り子
次回は復習 下回复习録音終盤で、次回は新しいスライドより復習中心になる見込みだと話していた。確認問題と初期条件を使う計算練習を解いておく。录音末尾提到下回可能以复习为主。建议先做确认问题和使用初始条件的计算练习。
この回の解説 / 这节课的解说

戻す力と通り過ぎる勢いで、揺れが続く把它拉回来的力,和让它冲过去的惯性,合起来就成了振动

ブランコやばねは、なぜ釣り合い位置で止まらず、行き過ぎて戻ってくるのか?秋千和弹簧为什么不会在平衡位置停下,而是越过去又回来?

この回は、ブランコを思い浮かべると入りやすいです。ブランコは真ん中に戻ってきた瞬間、そこで止まりません。真ん中は一番自然な位置なのに、そのまま反対側へ行き過ぎます。なぜでしょうか。这一节可以从秋千想起。秋千回到正中间时,并不会停在那里。明明中间是最自然的位置,它却会继续冲到另一边。为什么?

答えは二つです。一つは、ずれたものを元へ戻す力、つまり復元力です。ばねならフックの法則で、ずれxに比例し、向きは反対になります。もう一つは慣性です。真ん中へ戻ってきた時、物体には速度があるので、そこで急に止まれず通り過ぎます。答案有两个:一个是把偏离的东西拉回来的力,也就是复元力。弹簧中这就是胡克定律,力与位移x成正比,方向相反。另一个是惯性。物体回到中间时已经有速度,所以不会突然停下,而会冲过去。

左へずれると右向きの復元力が働く。右へずれると左向きの復元力が働く。真ん中に戻るたびに速度を持っているので、また反対側へ行く。この組み合わせが、釣り合い位置の周りの往復運動、つまり単振動です。向左偏时,复元力向右;向右偏时,复元力向左。每次回到中间时它都有速度,于是又冲到另一边。这个组合形成了围绕平衡位置的往复运动,也就是简谐振动。

式では、加速度が変位に比例し、向きが反対になる形を見ます。xを2回時間で微分したものが、-ω²xになる形です。この形になれば、その運動は単振動として扱えます。解はsinやcosで書けて、振幅、角振動数、初期位相を初期条件から決めます。用公式看,就是加速度与位移成正比、方向相反。x对时间二次微分后变成-ω²x。如果运动方程变成这种标准形,就可以把它当作简谐振动。解可写成sin或cos,振幅、角振动数、初相由初始条件决定。

ばね振動ではω=√(k/m)、周期はT=2π√(m/k)になります。質量mが大きいほど動きにくく、周期は長くなる。ばね定数kが大きいほど戻す力が強く、周期は短くなる。ここで大事なのは、理想的なばね振動では周期が振幅によらないことです。弹簧振动中ω=√(k/m),周期T=2π√(m/k)。质量m越大越不容易动,周期越长;弹簧常数k越大,拉回来的力越强,周期越短。重点是,理想弹簧振动的周期不依赖振幅。

単振り子では、重力を接線方向に分解します。戻す力はmg sinθですが、角度が小さいときはsinθ≈θと近似できる。すると単振動の標準形になり、周期はT=2π√(L/g)になります。小さく揺れるなら、周期は主に紐の長さで決まります。单摆中,要把重力分解到切线方向。回复力是mg sinθ,但角度很小时sinθ≈θ,于是也变成简谐振动标准形,周期T=2π√(L/g)。小角度摆动时,周期主要由绳长决定。

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復習資料复习资料ポイント・図・問題は、必要になったらここを開く

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本講のポイント本课重点

復元力は、変位と反対向きに働き、変位が小さい範囲では大きさが変位に比例する。复元力方向与位移相反,在小变形范围内大小与位移成正比。
単振動は、復元力で戻り、慣性で釣り合い位置を通り過ぎる往復運動として理解する。简谐振动可理解为靠复元力拉回、靠惯性越过平衡位置的往复运动。
標準形は x'' = -ω²x。2回微分して負の定数倍で元に戻る形なら単振動になる。标准形为x''=-ω²x;二阶导后变成负常数倍自身,即为简谐振动。
ばね振動では ω=√(k/m)、T=2π√(m/k)。周期は振幅によらない。弹簧振动中ω=√(k/m),T=2π√(m/k),周期不依赖振幅。
鉛直ばねでは、釣り合い位置を原点に取ると重力項が消え、同じ単振動になる。竖直弹簧中,把平衡位置作为原点,重力项会被抵消,仍是同样的简谐振动。
単振り子では小角近似 sinθ≈θ により、T=2π√(L/g) が得られる。单摆通过小角近似sinθ≈θ得到T=2π√(L/g)。
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講義の流れ这节课老师一步步讲了什么

🟢 緑=重要 / 绿色=重点○ 淡色=流れ / 淡色=过程💬 灰=余談 / 灰色=老师的闲话枝节
① 前回の運動量から入る
衝突・分離で運動量保存を使った前回内容を振り返り、今日は位置で変わる力へ移ると示した。从上回动量进入:复习碰撞/分离中动量守恒,然后转到随位置变化的力。
② ブランコの問い
ブランコが真ん中で止まらず通り過ぎる理由を、復元力と慣性で説明するのが今日の入口になった。秋千之问:为什么中点不停,用复元力和惯性解释,这是本节入口。
③ フックの法則
小さい変形では F=-kx。マイナスは軸の取り方ではなく、変位と反対向きに戻すという意味だと強調した。胡克定律:小变形F=-kx。老师强调负号不是取轴问题,而是表示方向与位移相反。
④ 単振動の標準形
運動方程式 mx''=-kx から x''=-(k/m)x とし、x''=-ω²x の標準形と比較した。简谐振动标准形:由mx''=-kx得x''=-(k/m)x,与x''=-ω²x比较。
⑤ sin/cos解と初期条件
解はA sin(ωt+φ)またはA cos(ωt+φ)で書け、振幅と初期位相は初期位置・初期速度から決まる。sin/cos解与初始条件:解可写成A sin或A cos,振幅和初相由初始位置/初始速度决定。
⑥ 位置・速度・加速度
x、v、aをsin/cosの位相差で読み、端では速度0・加速度最大、中心では速度最大・加速度0になることを確認した。位置/速度/加速度:用sin/cos相位差理解,端点速度0加速度最大,中心速度最大加速度0。
⑦ エネルギーと鉛直ばね
ばねの運動エネルギーと弾性エネルギーの入れ替わりを見た後、鉛直ばねでは釣り合い位置からの変位で考えた。能量与竖直弹簧:先看动能与弹性势能交换,再用平衡位置起算处理竖直弹簧。
⑧ 単振り子
重力を接線方向と中心方向に分け、接線方向の mg sinθ を小角近似で mgθ として単振動へつないだ。单摆:把重力分为切线方向和中心方向,用小角近似把mg sinθ变成mgθ,接到简谐振动。
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知識マップ知识图谱(先看这张抓全局)

原因原因
復元力复元力
慣性惯性
釣り合い位置平衡位置
標準形标准形
x''=-ω²xx''=-ω²x
sin/cos解sin/cos解
初期条件初始条件
ばね弹簧
F=-kxF=-kx
ω=√(k/m)ω=√(k/m)
T=2π√(m/k)T=2π√(m/k)
単振り子单摆
mg sinθmg sinθ
小角近似小角近似
T=2π√(L/g)T=2π√(L/g)
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単振動を見つける手順识别简谐振动的步骤

力を描く
物体に働く力を全部描き、運動方向の成分を見る。画受力:把物体受力全画出,看运动方向分量。
運動方程式
ma=Fから、加速度を変位で表す式を作る。列运动方程:由ma=F,把加速度写成位移的式子。
標準形と比較
x''=-ω²x の形になれば単振動と判断し、ωを読む。与标准形比较:若成x''=-ω²x,就判断为简谐振动并读出ω。
周期を出す
T=2π/ωを使い、ばねならmとk、単振り子ならLとgで周期を表す。求周期:用T=2π/ω;弹簧用m和k,单摆用L和g表示周期。
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解説详细讲解

1. 復元力と慣性 1. 复元力与惯性

単振動は、ずれた物体を釣り合い位置へ戻す復元力と、釣り合い位置を通り過ぎる慣性の組み合わせで生じる。左へずれると右向き、右へずれると左向きに力が働くが、中心へ戻った瞬間には速度があるため、そこで止まらず反対側へ進む。简谐振动由把偏离物体拉回平衡位置的复元力和越过平衡位置的惯性共同产生。向左偏时力向右,向右偏时力向左;但回到中心时有速度,所以不会停下,而会继续到另一侧。

2. 標準形 2. 标准形

x'' = -ω²x

運動方程式を立て、加速度を変位で表した時にこの形になれば、その運動は単振動である。負号は「変位と反対向きに戻す」ことを意味する。解は A sin(ωt+φ) または A cos(ωt+φ) で書ける。列出运动方程并把加速度写成位移的形式时,如果成为这个形状,就是简谐振动。负号表示“向位移反方向拉回”。解可写成A sin(ωt+φ)或A cos(ωt+φ)。

3. ばね振動 3. 弹簧振动

F=-kx, mx''=-kx, ω=√(k/m), T=2π√(m/k)

質量mが大きいと慣性が大きく、周期は長くなる。ばね定数kが大きいと戻す力が強く、周期は短くなる。理想的なばね振動では、振幅を大きくしても小さくしても周期は変わらない。质量m越大惯性越大,周期越长;弹簧常数k越大,拉回力越强,周期越短。理想弹簧振动中,振幅大小不改变周期。

4. 単振り子 4. 单摆

θ'' = -(g/L)θ, T=2π√(L/g)

単振り子では、重力の接線方向成分 mg sinθ が戻す役割を持つ。角度が小さい時だけ sinθ≈θ と近似でき、この時に単振動の標準形になる。したがって小さい揺れなら、周期は質量ではなく主にひもの長さLで決まる。单摆中,重力切线方向分量mg sinθ起到拉回作用。只有角度很小时可近似sinθ≈θ,这时才成为简谐振动标准形。因此小幅摆动中,周期主要由绳长L决定,而不是质量。

⚠️

つまずきポイント容易错的地方

❌ F=-kxのマイナスは軸の取り方で消える
✅ マイナスは変位と反対向きに働くという意味で必ず残る
误:F=-kx的负号随坐标轴可消失。正:负号表示方向与位移相反,必须保留。
❌ 釣り合い位置では物体が必ず止まる
✅ 釣り合い位置では力は0でも速度が最大になり、慣性で通り過ぎる
误:平衡位置一定停下。正:平衡位置力为0但速度最大,会因惯性越过。
❌ 単振り子の周期は振幅や質量で決まる
✅ 小角近似の範囲ではT=2π√(L/g)で、主に長さLで決まる
误:单摆周期由振幅或质量决定。正:小角近似下T=2π√(L/g),主要由绳长决定。

基礎問題基础理解题(这些懂了就过关)

基礎復元力とは何か。什么是复元力?
変位と反対向きに働き、物体を釣り合い位置へ戻そうとする力。方向与位移相反,把物体拉回平衡位置的力。
基礎単振動の標準形を書け。写出简谐振动的标准形。
x''=-ω²xx''=-ω²x。
基礎ばね振動の周期を答えよ。回答弹簧振动周期。
T=2π√(m/k)T=2π√(m/k)。
基礎単振り子の周期を、小角近似のもとで答えよ。在小角近似下回答单摆周期。
T=2π√(L/g)T=2π√(L/g)。
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発展問題进阶题

発展ばね振動で質量mが大きくなると周期が長くなる理由を説明せよ。说明弹簧振动中质量m变大为什么周期变长。
質量が大きいほど慣性が大きく、同じ復元力では加速度が小さくなる。そのため往復に時間がかかり、T=2π√(m/k)でもmが大きいほど周期が長くなる。质量越大惯性越大,同样复元力下加速度越小,因此往复更耗时;公式T=2π√(m/k)也显示m越大周期越长。
発展単振り子で小角近似が必要な理由を説明せよ。说明单摆为什么需要小角近似。
接線方向の戻す力はmg sinθであり、そのままではθに比例しない。角度が小さい時だけsinθ≈θとでき、θ''=-(g/L)θという単振動の標準形になるため。切线方向回复力是mg sinθ,原式不与θ成正比。只有角度很小时sinθ≈θ,才能得到θ''=-(g/L)θ这个简谐振动标准形。
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