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欧拉公式 解析圆周运动,简谐运动的利器

更新时间:作者:小小条

匀速圆周运动:欧拉公式的旋转属性

匀速圆周运动的位置函数:

欧拉公式  解析圆周运动,简谐运动的利器

用欧拉公式表示


匀速圆周运动的线速度:

线速度可以通过对路程(位置)函数 z(t) 求导得到:

匀速圆周运动的加速度:

加速度可以通过对 速度函数 v(t)求导,或者对 路程函数 z(t) 求二阶导数得到:

欧拉公式的旋转属性为分析圆周运动提供了强大的数学工具:

复杂的 旋转 被转化成单纯的 复指数乘法 这种简单的代数运算;

复指数的导数性质 极大地简化 复杂的三角函数求导;


简谐运动:与圆周运动的等价性(通过欧拉公式)

简谐振动(Simple Harmonic Motion, SHM)是物理学中最基础且普适的振动模型,

其核心特征是 恢复力 与 位移 成正比,而方向相反。

弹簧振子的运动或单摆的小角度振动 可视为简谐振动。


下面我们探讨 复平面上的匀速圆周运动 是如何与简谐运动 联系起来的:

最直观的理解方式是“投影”:想象一个质点在复平面上做匀速圆周运动,

如果用一束光照射该质点,质点的运动轨迹就会在 实轴 或 虚轴 上留下

一个个“影子”,而这些“影子”,就是一个标准的 简谐运动 的轨迹。


复平面上的匀速圆周运动:

质点在复平面上做匀速圆周运动,用复数z(t)来描述质点在复平面上的位置:

根据欧拉公式展开:

简谐运动方程:

简谐运动是周期性的往复运动,它的运动方程:

或者

关键联系:匀速圆周运动是二维简谐运动的叠加/合成

1,一个匀速圆周运动可以分解为两个相互垂直的简谐运动

2,反之,两个相位差为90°的简谐运动合成为一个匀速圆周运动



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