正弦函数sinx是大自然运行的基本规律之一,物体的简谐振动、热的传递方程、一年白天时长的长短等等都是按照正弦函数sinx的规律运行的,为什么是正弦函数?而不是其它的呢?那么我们从正弦的定义及特性出发,来推断什么样的规律一般符合正弦函数规律,激发学生对三角函数的学习兴趣。

正弦的定义为在直角三角形中正弦=对边/斜边;如果一个点在圆周运动,我们写出这个点位置的函数,为了方便计算,把圆的半径取值为1时,这时候的正弦值就是点的纵坐标/半径,简化后就是纵坐标。正弦函数是随着角度的变化而变化的。点在圆的运动可以很好用这个点的正弦函数表示。从这里我们可以推断如果一个物体做圆周运动,那么这个物体的轨距可以用一个正弦函数表示,这是一年白天时长按照正弦运动的根源。当然椭圆也是,只是影响函数的振幅。





如果沙摆在做摆动,下面有一个模板在做运动,那么沙子形成的运动轨距也是一个正弦函数图形,同理一个物体的简谐振动,也是时间t的正弦函数。这些振动规律是大自然的基本规律,都是按照正弦函数运行的。




正弦函数到底有什么特点,大自然选自它作为规律,我们从微积分的角度看一下,正弦函数sinx的导数是余弦函数cosx,余弦函数的图形是正弦函数向左移动1/4个周期;如果再对余弦函数cosx求导,那么它的导数-sinx,-sinx正好是sinx向左移动1/2个周期;循环下去,对sinx连续求导4次,那么他就回到原来的面貌;不管对正弦函数sinx 求导多少次,它都没有改变,只是相位改变,它还是原来的它。它处处体现了物极必反的自然规律。



正是正弦函数sinx这个规律,我们把一个波形图像看做很多小的点组成,每个点都在自身的位置做简谐振动,那么它的振动图形就是正弦函数,这也是傅里叶级数物理理解基础。



热的本事是粒子的运动,所以我们可以把热的传到归结为简谐振动来。

所以一般涉及到圆周运动或者简谐振动的物体,我们一般都可以用正弦函数来描述。