波尔共振虚拟实验

释放摆轮,测包络衰减;调驱动频率,观察瞬态到稳态及共振相位。

动画按10倍时间播放。稳态按钮推进至8/β秒,残余自由振幅包络缩至e⁻⁸;读数卡为完整模型输出,稳态幅相是独立谐波量。

图 1 小角扭振;针角放大10倍便于观察,数值为实际摆角

读数、衰减与幅相曲线

图 2 当前时段摆角(黑线)和同频力矩相位参考(灰虚线);灰线幅度单独归一化

图 3 同条件同来源自由正峰的对数拟合
图 4 同参数同来源的幅频记录;各点为独立稳态条件的读数
图 5 对应记录的相频响应

表 1 虚拟读数(0 条)

测量来源时间 / s频率比幅度 / °相位 / °操作

原报告大角观测

表 2 原报告受迫振动

驱动周期 / s幅度 / °相位 / °所列参考周期 / s

自由周期表12点、衰减10点与受迫10点完整保存在观测JSON。所列参考周期属于源参数;三点受迫幅度超出自由周期表幅度范围,不能按普通内插核验。这里不以小角模型倒填原始读数。

模型依据与适用范围

$$\ddot\theta+2\beta\dot\theta+\omega_0^2\theta=a_0\cos\omega t,\quad A=\frac{a_0}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+4\beta^2\omega^2}},\quad\varphi=\operatorname{atan2}(-2\beta\omega,\omega_0^2-\omega^2).$$
$$\omega_d=\sqrt{\omega_0^2-\beta^2},\quad A_n=\theta_0e^{-\beta (2\pi n/\omega_d)},\quad\omega_r/\omega_0=\sqrt{1-2(\beta/\omega_0)^2}.$$

线性扭转回复、黏滞阻尼和给定正弦力矩,初始速度为零。页面求完整瞬态解析解;稳态公式不能代替尚未衰减的自由项。Python以独立ODE、耗散/输入功积分、峰事件和复数方程验证。详见模型、参数和验证依据。

参考文献

朱华泽,《用波尔共振仪研究受迫振动特性》,大学物理实验2011,24(3):57–60,p57–58式1–7为线性方程与幅相关系。本页φ为负的滞后角,使用atan2连续处理象限。DOI 10.14139/j.cnki.cn22-1228.2011.03.018。