机械振动和机械波复习ppt课件.ppt

1 物理选修3 4机械振动与机械波复习课件 2 高考分析 本模块涉及机械振动 机械波 光 电磁波 相对论共5部分内容 前两部分为重点 后三部分做好定性了解识记即可 3 山东高考对本模块考察特点 除07年外 均为两题 1 振动和波 波的图像 vf关系 机械波传播特点 质点振动特点2 光学 画光路图 找几何关系 折射定律 全反射3 12年高考需关注其它非重点知识 4 一 简谐运动1 定义 如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律 即它的振动图象是一条正弦曲线 这样的振动叫简谐运动 注 简谐运动是最简单最基本的振动 5 2 简谐运动的描述 1 描述简谐运动的物理量 位移x 由平衡位置指向质点所在位置的有向线段 是矢量 注 位移的参考点是平衡位置 振幅A 振动物体离开平衡位置的最大距离 是标量 表示振动的强弱 6 周期T和频率f 物体完成一次所需的时间叫周期 而频率则等于单位时间内完成全振动的次数 它们是表示振动快慢的物理量 二者互为倒数关系 注 简谐振动的周期和频率由振动系统自身的性质决定 和振幅无关 7 2 简谐运动的表达式x Asin t 注 3 简谐运动的图象 物理意义 表示振子的位移随时间变化的规律 为正弦 或余弦 曲线 不是轨迹 8 从平衡位置开始计时 函数表达式为x Asin t 图象如图1 1所示 从最大位移处开始计时 函数表达式为x Acos t 图象如图1 2所示 9 3 简谐运动的回复力和能量 1 简谐运动回复力的特点 回复力的大小跟偏离平衡位置的位移大小成正比 回复力的方向总指向平衡位置即 F kx注 回复力时刻指向平衡位置 可由F kx判定一个振动是否是简谐运动 回复力是按效果命名的 可由任意性质的力提供 可以是几个力的合力也可以是一个力的分力 10 2 弹簧振子和单摆的回复力水平弹簧振子的回复力为弹簧弹力 竖直悬挂的弹簧振子的回复力是弹力和重力的合力 单摆的回复力是摆球所受重力在圆周切线方向的分力 11 12 注 单摆振动的回复力是重力的切向分力 不能说成是重力和拉力的合力 在平衡位置振子所受回复力是零 但合力是向心力 指向悬点 不为零 13 3 简谐运动的能量简谐运动过程中动能和势能相互转化 机械能守恒 振动能量与振幅有关 振幅越大 能量越大 14 4简谐振动的两个模型 1 弹簧振子 2 单摆当摆角很小时 小于10 时 单摆可以近似看做简谐运动 其周期 与摆球质量m 振幅A都无关 其中l为摆长 表示从悬点到摆球质心的距离 要区分摆长和摆线长 15 3 小球在光滑圆弧上的往复滚动 和单摆完全等同 只要摆角足够小 这个振动就是简谐运动 这时周期公式中的l应该是圆弧半径R 16 二 受迫振动和共振1 受迫振动 物体在周期性驱动力作用下的振动 做受迫振动的物体 它的周期或频率等于驱动力的周期或频率 而与物体的固有周期或频率无关 17 2 共振 做受迫振动的物体 它的固有频率与驱动力的频率越接近 其振幅就越大 当二者相等时 振幅达到最大 这就是共振现象 共振曲线如图1 4所示 18 三 机械波1 定义 机械振动在介质中的传播形成机械波 2 产生条件 一是要有做机械振动的物体作为波源 二是要有能够传播机械振动的介质 思考 机械波与电磁波的不同点 19 机械波的传播特点 规律 1 各质点都做受迫振动 起振方向都和波源的起振方向相同 且其振动频率 周期 都等于波源的振动频率 周期 但离波源越远的质点振动越滞后 2 机械波传播的是波源的振动形式 波形 和波源提供的能量 质点不随波迁移 20 3 机械波的分类 1 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直 凸起的最高处叫波峰 凹下的最低处叫波谷 2 纵波 质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上 质点分布最密的地方叫密部 质点分布最疏的地方叫疏部 21 4 描述机械波的物理量 1 波长 两个相邻的 在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长 在横波中 两个相邻波峰 或波谷 间的距离等于波长 在纵波中 两个相邻密部 或疏部 间的距离等于波长 22 2 频率f 波的频率由波源决定 无论在什么介质中传播 波的频率不变 3 波速v 单位时间内振动向外传播的距离 波速的大小由介质决定 23 1 在同一种均匀介质中机械波的传播是匀速的 波速 波长和频率之间满足公式 v f 2 波由一种介质进入另一种介质 频率不变 波速改变 因此波长改变 24 5 横波的图象如图1 5所示为一横波的图象 纵坐标表示某一时刻各个质点偏离平衡位置的位移 横坐标表示在波的传播方向上各个质点的平衡位置 它反映了在波传播的过程中 某一时刻介质中各质点的位移在空间的分布 简谐波的图象为正弦曲线 25 思考 振动图像与波动图像的区别 26 1 物理意义不同 振动图象表示同一质点在不同时刻的位移 类比录像 波的图象表示介质中的各个质点在同一时刻的位移 类比照片 2 图象的横坐标不同 振动图象的横坐标表示时间 波的图象的横坐标表示距离 3 从振动图象上可以读出振幅和周期 从波的图象上可以读出振幅和波长 27 6 质点振动方向与波传播方向的互判 1 微平移法 沿波的传播方向将波的图象进行一微小平移 然后由两条波形曲线来判断 28 29 2 上 下坡 法沿着波的传播方向看 上坡的点向下振动 下坡的点向上振动 即 上坡下 下坡上 30 31 四 波的衍射和干涉1 衍射 波绕过障碍物继续传播的现象 产生明显衍射现象的条件是 障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多 2 波的叠加 几列波相遇时 每列波都能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰 只是在重叠的区域里 介质的质点同时参与这几列波引起的振动 质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和 32 3 干涉 频率相同的两列波叠加 某些区域的振动加强 某些区域的振动减弱 并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔的现象 产生稳定的干涉现象的必要条件 两列波的频率相同 干涉和衍射是波所特有的现象 波同时还可以发生反射 如回声 33 五 多普勒效应当波源与观察者之间有相对运动时 观察者会感到波的频率发生了变化 这种现象叫多普勒效应 当波源与观察者相向运动时 观察者接收到的频率变大 当波源与观察者背向运动时 观察者接收到的频率变小 实质 波源的频率没有变化 只是观察者接收到的频率发生了变化 34 例1 如图1 12所示为一水平弹簧振子的振动图象 试完成以下要求 1 写出该振子简谐运动的表达式 35 36 2 在第2s末到第3s末这段时间内弹簧振子的加速度 速度 动能和弹性势能各是怎样变化的 37 2 由图可知 在t 2s时 振子恰好通过平衡位置 此时加速度为零 随着时间的延续 位移值不断加大 加速度的值也变大 速度值不断变小 动能不断减小 弹性势能逐渐增大 当t 3s时 加速度的值达到最大 速度等于零 动能等于零 弹性势能达到最大值 38 3 该振子在前100s的总位移是多少 路程是多少 39 3 振子经过一个周期位移为零 路程为5 4cm 20cm 前100s刚好经过了25个周期 所以前100s振子位移x 0 振子路程s 20 25cm 500cm 5m 40 规律总结 1 简谐运动的图象并非振动质点的运动轨迹 2 位移总是背离平衡位置 回复力和加速度总是指向平衡位置 向最大位移处运动时 位移变大 回复力 加速度和势能均变大 而速度和动能均减小 向平衡位置运动与此相反 41 3 简谐运动具有对称性 若两点ab关于O点对称 则这两点的位移 回复力 加速度 大小相等 方向相反 从O点分别到ab的时间相等 因此 在O点的速度大小一定相等 4 简谐运动具有周期性 一个周期T内通过的路程为4A 42 进一步得出 T 2时间运动路程一定为2A 但T 4时间内的路程不一定等于A 43 1 劲度系数为20N cm的水平弹簧振子 它的振动图象如图1 13所示 在图中A点对应的时刻 图1 13 A 振子所受的弹力大小为0 5N 方向指向x轴的负方向B 振子的速度方向指向x轴正方向C 在0 4s内振子做1 75次全振动D 在0 4s内振子通过的路程为0 35cm 位移为0 44 解析振子所受弹力F kx 5N A错 此时 振子的运动方向沿x轴正方向 B对 由图知T 2s 故在0 4s内振子做了2次全振动 振子通过的路程为8A 8 0 5cm 4cm 位移为0 5cm C D均错 45 例2在均匀介质中选取平衡位置在同一直线上的9个质点 相邻两质点的距离均为L 如图1 14 a 所示 一列横波沿该直线向右传播 t 0时到达质点1 质点1开始向下运动 经过时间 t第一次出现如图 b 所示的波形 则该波 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 答案 1 3m 7m 11m 2 0 8s 3 向左 64 总结 一 波速计算方法1 v T f2 v s t 65 二 波的多解问题1 波的空间周期性 相距为波长整数倍的多个质点振动情况完全相同 2 波的时间的周期性 波在传播过程中 经过整数倍周期时 其波的图象相同 3 波的双向性 若不加限制条件 波存在沿正负方向传播两种可能 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 总结 波形图的画法 1 平移法 先算出经 t时间波传播的距离 x V t 再把波形沿波的传播方向平移动 x即可 因为波动图象的周期性 若知波长 则波形平移n 时波形不变 当 x n 十x时 可采取去整n 留零x的方法 只需平移x即可 2 特殊点法 确定一个特殊点经过时间 t后的位置和振动方向 就可以从这个点出发画出波形图 76 77 78 79 解析