函数 y = A\sin (\omega x + \varphi)
函数 y = A\sin(\omega x + \varphi)
精准说出 A、ω、φ 如何改变图像,并能从任意图像反推出解析式
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函数 y = A\sin(\omega x + \varphi)
精准说出 A、ω、φ 如何改变图像,并能从任意图像反推出解析式
生活中的周期运动
上一页我们见到了 y = A sin(ωx + φ)。但为什么弹簧的来回和交流电的起伏,最后都长成这个形状?因为它们背后是同一种运动。
位移↔电荷,速度↔电流,质量↔电感,劲度↔1/电容——方程完全同构
从圆周运动到正弦曲线
上一页我们看见了钟摆、风扇这些生活中的周期运动。但一条光滑的正弦曲线,本质上从哪来?答案就藏在一个最简单的运动里——单位圆上的匀速旋转。
转到最高点时 y=1,过圆心水平时 y=0,最低点时 y=-1
振幅 A:离开平衡位置的幅度
上一页里,正弦曲线来自匀速圆周运动的竖直投影。圆的半径决定了投影来回摆动的范围——这个半径,就是振幅 A。
荡得越高(偏离平衡位置越远)对应 |A| 越大;|A| 只管荡多远,不管荡多快
角频率 ω:往复的快慢
振幅 A 回答「摆多大」,那「摆多快」由谁说了算?这就要请出角频率 ω。
摆越快频率越高,对应 |ω| 越大,T 越短
初相 φ:起点的位置
上节 ω 决定了摆动的快慢,但还有一个问题:当你按下秒表那一刻,摆已经走到了哪里?这个'差多少'就是初相 φ 要回答的。
速度一样(A、ω 相同),但起跑位置不同,过同一标记的先后也不同
A > 1:纵向拉伸
看 A>1 时,y=sin(x) 的每个点如何被纵向拉伸。
0 < |A| < 1:纵向压缩
从 sin x 出发,看 |A| 在不同区间如何改造波形
A 的符号:上下颠倒
前面看过 A > 1 把波拉高、0 < |A| < 1 把波压扁。可一旦 A 取负数,图像会发生一次戏剧性的翻转——山峰变山谷,山谷变山峰。
镜像后波形一模一样,只是上下颠倒——这正是 x 轴做对称轴的几何含义
|ω| > 1:横向压缩
从 |ω|>1 出发,箭头即因果:T=2π/|ω| 缩短 → 横向压缩
0 < |ω| < 1:横向拉伸
沿箭头方向读:先看条件 |ω|<1,再到周期公式、T 变大、波形拉宽、往复变慢。虚线是数值例证。
ω 的符号:左右翻转
上页我们让 |ω| 在 0 到 1 之间伸缩,那只是横向的压扁或拉长。今天换一面:ω 的正负号。它不改幅度也不改周期,但会让图象相对原版左右互换。
镜中钟摆左右互换,但摆动快慢和幅度都一样
φ > 0:向左平移
顺着箭头读:从原函数零点出发,加 φ 后解方程,符号决定方向。
φ < 0:向右平移
顺箭头读:从原波到右移后的新波,关键是看零点从 x=0 跑到哪儿。
从 y = sin x 到 y = A\sin(\omega x + \varphi)
按“平移、横向伸缩、纵向伸缩”的顺序,把标准正弦曲线改造成一般形式。
三步变换的顺序细节
为何先平移再伸缩与先伸缩再平移不同
匀速圆周运动的位置函数
上一页把「圆周运动」和「正弦曲线」画了等号。这页要解释等号为什么成立——圆上匀速运动的点,它的坐标究竟怎么就成了三角函数。
人距圆心恒为 R,但上下高度随转角按 sin 规律变化
参数与圆周运动的对应
左右两列一一对应:左边是圆周运动的物理量,右边是正弦函数的三个参数。
自测:参数识别
弹簧振子的位移满足 x(t) = 4sin(2t + π/6) cm(t 单位:秒)。t = 0 时,振子距平衡位置多远?
由图象读出振幅 A
上页我们知道了 A 代表离开平衡位置的最大距离。如果图象已经画好,怎么把这个数值「读」出来?
摆锤离静止位置(平衡位置)的距离,就是振幅 A 的大小
由图象读出周期 T
上页我们从图上读出了振幅 A——最高点离 x 轴多远。这次反过来,读周期 T:相邻两个峰之间的水平距离。
一个浪尖≈一个峰;相邻浪尖的水平距离≈周期 T
由图象读出初相 φ
上页从图象读出了 T 进而算出 ω,最后一步是 φ。φ 控制「起点」,但它在图象上没有刻度直接写出来——要把图象和 y = sin x 叠在一起,找一处两者「对得上」的关键位置,才能把 φ 反推出来。
sin x 像完整影片,关键帧在 x=0;图象上同帧出现在 x₀,x₀ 就是 φ 留下的偏移
本节要点回顾
- ✓A、ω、φ几何作用域正交,三者在变换上互不串扰
- ✓ω先φ后与φ先ω后,落到不同位置——顺序敏感
- ✓φ对应的平移量需用|φ|/ω,不能直接当|φ|用
- ✓从图反参数:最值定A,周期定ω,过零定φ
- ✓A负上下翻转,ω负左右翻转,三符号都进入图象
课后思考
先独立思考每问,再对照参考答案——重点体会思路,不必死记结论。
参考答案先看公式:周期 T=2π/ω、振幅 |A|,两者都与 φ 无关。所以 φ 只决定 x=0 那一刻的相位值,即「起点位置」。
参考答案原公式假设 A 是常数,描述等幅振动。阻尼情况下振幅随时间衰减,需改写为 A·exp(-λx)·sin(ωx+φ) 等形式,超出本节范围。
参考答案匀速保证角度 ωt 随 t 线性增加;变速时角度非线性,无法写成 ωx+φ 形式,函数不再是标准 sin。