振动与周期

拖一拖,看周期到底由谁决定

把摆长和周期平方画在一起,是一条直线

因为 T² = 4π²L/g —— 周期平方与摆长成正比。拖摆长,橙点沿这条线滑动。

两个反直觉的结论,你可以自己拖出来

单摆:换更重的球,周期一点不变

把「摆球质量」从 0.1 kg 拖到 3 kg,周期读数一格都不动。因为重力提供的回复力与质量成正比,而惯性也与质量成正比,两者恰好抵消。伽利略当年就是靠这一点做出等时摆的。

弹簧:拉得更远,周期也不变

弹簧振子的周期 T = 2π√(m/k) 里没有振幅。但它的周期会随质量明显变长——正好和单摆相反。把两个模式对比着拖,这个反差很直观。

但单摆真的和摆角无关吗

不完全。小角公式 T = 2π√(L/g) 是近似,摆角越大实际周期越长。页面把「小角公式」和「含大角修正」两个值并列显示,拖到 60° 就能看到约 7% 的偏差。

重力越小,摆得越慢

把 g 从地球(9.80)换成月球(1.62),同一个摆的周期会变成原来的约 2.46 倍——正好是 √(9.8/1.62)。所以钟摆搬到月球上会走得极慢。

计算说明

单摆公式的适用范围

公式来自「摆角很小时 sinθ ≈ θ」这个近似。摆角超过约 15° 后误差开始可见,页面用 T ≈ T₀(1 + θ₀²/16 + 11θ₀⁴/3072) 做修正,其中 θ₀ 取弧度。

阻尼只衰减振幅

轻阻尼下周期几乎不受影响,所以页面里阻尼只让振幅随时间衰减,不改周期。阻尼调到 0 时摆动会一直持续(理想情况)。

弹簧公式没有近似的成分

只要弹簧服从胡克定律、且弹簧自身质量忽略不计,T = 2π√(m/k) 就是精确解,与振幅无关。这也是它和单摆最大的区别。

动画是示意

弹簧在画面上的长度、振子的位移范围都做了归一化处理,不是按真实米数等比绘制;但周期的计算用的是滑杆上的真实数值,两者不混。