题目
质量阻尼弹簧系统[1]是_系统。A. 一阶B. 三阶C. 二阶
质量阻尼弹簧系统[1]是_系统。
A. 一阶
B. 三阶
C. 二阶
题目解答
答案
C. 二阶
解析
本题考查质量阻尼弹簧系统的数学模型以及系统阶数的相关知识。解题思路是先写出质量阻尼弹簧系统的运动方程,然后通过求解该方程得到系统的响应函数,最后根据响应函数的形式确定系统的阶数。
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写出质量阻尼弹簧系统的运动方程:
设弹簧的质量为 $m$,阻尼系数为 $c$,弹簧的劲度系数为 $k$,则质量阻尼弹簧系统的运动方程为:
$m\ddot{x}+c\dot{x}+kx = 0$
其中 $x$ 表示弹簧的位移,$\ddot{x}$ 表示位移对时间的二阶导数,$\dot{x}$ 表示位移对时间的一阶导数。 -
求解该方程:
为了求解上述方程,我们可以设 $x = e^{rt}$,将其代入运动方程中得到:
$m r^{2}e^{rt}+c r e^{rt}+k e^{rt} = 0$
由于 $e^{rt} \neq 0$,所以可以得到特征方程:
$m r^{2}+c r +k = 0$
根据一元二次方程的求根公式 $r = \frac{-b \pm \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}$,其中 $a = m$,$b = c$,$c = k$,可得:
$r = \frac{-c \pm \sqrt{c^{2}-4mk}}{2m}$ -
根据特征根的形式确定系统的阶数:
由于特征方程是一元二次方程,其特征根有两个(可能是实数也可能是复数),所以系统的响应函数是由两个指数函数组成的,根据系统阶数的定义,系统的阶数等于特征方程的次数,因此质量阻尼弹簧系统是二阶系统。