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科学 / 物理 / 08

耦合摆 实验室

只用一根弹簧连起两个摆,能量为什么会像倒水一样来回倒?

ENGINE / COUPLED-ENGINE-1x = a₊u₊cos ω₊t + a₋u₋cos ω₋t
弹簧连接的一对摆起始方式: 只动左摆
ENGINE COUPLED-ENGINE-1 / BEAT ω₊ − ω₋

探索路线

先猜一猜,再动手。

知道单摆有固有频率,两个能振动的东西连起来会互相影响。

01

等长、只动左摆,看能量多久全部倒到右摆。

02

切到反相起动,确认能量不过河。

03

把长度差拉满 10%,看转移率下滑。

第一步 · 先猜一猜

两摆等长、耦合 1.0、只动左摆,12 秒内能量最多倒过去多少?

选一个你现在的预测。

第二步 · 观察当前状态

当前读数

摆长1.00 m
耦合 κ1.00
长度差0.0%
拍周期20.6 s
转移率99.6%

发生了什么?

转移率 99.6%,拍周期 20.6 s。转移率由失谐决定:0% 时 ≈99.6%,10% 时 ≈79.9%——收音机调台就是在找 0% 失谐。

记录观察

第三步 · 接受一个挑战

1 / 3
已完成满幅过河

让转移率 ≥ 95%(Full slosh)。

提示

长度差保持 0,左摆起动。

02反相封锁

用反相起动让转移率归零。

提示

起始方式切到“反相起动”。

03失谐滑落

长度差拉满,把转移率压到 85% 以下。

提示

长度差 10% 时转移率约 79.9%。

安全与范围网页模拟。真实的耦合摆装置请勿在共振时用手拦摆。

你看到的是

两个单摆的本征模式是“一起摆”(弹簧不发力)和“对着摆”(弹簧拉压最凶)。任意起动都是这两个模式的叠加,而两个模式的频率略有不同,拍频 ω₊−ω₋ 就决定了能量来回倒的节奏:等长时转移接近 100%,一个摆停下的瞬间另一个恰好满幅。把两个摆调成不同长度(失谐),两个模式不再“对齐”,转移率一路下滑(失谐 10% 只剩约 80%)——收音机要对准电台频率,就是怕这种失谐。

动手试试把长度差拉满 10%,转移率从 ≈100% 滑到 80%。切到反相起动:转移率直接归零,能量不再过河。
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