高中物理 第1章 机械振动 1.1 研究简谐运动同步备课课件 沪科版选修34.ppt

1 1研究简谐运动 第1章 学习目标1 知道什么是弹簧振子 理解弹簧振子是一种理想化的物理模型 2 借助弹簧振子理解一次全振动 平衡位置及简谐运动的位移等概念 3 知道什么是简谐运动 知道简谐运动的振动图像为正弦曲线 或余弦曲线 知道描述简谐运动的常用物理量及意义 4 会利用简谐运动的图像分析有关问题 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 1 弹簧振子模型 如图1所示 如果小球与杆之间的摩擦可以 且弹簧的质量与小球的质量相比也可以 则该装置为弹簧振子 2 弹簧振子的位移 时间图像以纵坐标表示 横坐标表示 描绘出简谐运动的振子的随变化的图像 称为简谐运动的图像 简谐运动的图像是一条 曲线 不计 忽略 振子的位移 图1 位移 时间 时间 正弦 或余弦 3 简谐运动 1 定义 如果做机械振动的质点 其位移与时间的关系遵从 或余弦 函数规律 这样的振动叫做简谐运动 2 特点 简谐运动是最简单 最基本的 弹簧振子的运动就是 4 描述简谐运动的物理量除了位移 速度 加速度等力学量外 还需要 等物理量 正弦 振动 简谐运动 周期 频率 振幅 重点知识探究 一 什么是简谐运动简谐运动的图像 如图2所示的装置 把小球向右拉开一段距离后释放 可以观察到小球左右运动了一段时间 最终停止运动 1 小球的运动有哪些特点 为什么小球最终停止运动 答案 答案小球在中心两侧往复运动 即具有周期性 小球因为受到摩擦阻力的作用最终停止运动 图2 2 如果把小球受到的阻力忽略不计 弹簧的质量比小球的质量小得多即也忽略不计 其结果如何 答案 答案小球将持续振动 3 如图3为弹簧振子在一次全振动过程中间隔相等的8个相继时刻的位置 请用曲线连接各时刻小球球心的位置 并猜想一下 小球在各时刻的位移跟时间之间存在着怎样的关系 答案 答案小球的位移随时间可能按正弦 或余弦 规律变化 图3 1 弹簧振子 1 组成 如图4所示 它是由弹簧和小球 振子 组成的 是一个理想模型 2 理想化要求 小球在杆上能够自由滑动 球与杆间的摩擦可以不计 弹簧的质量与小球的质量相比也可以忽略 3 平衡位置 小球原来静止时的位置 4 机械振动 小球在平衡位置附近所做的周期性的往复运动 简称振动 图4 5 全振动 振动物体往返一次 以后完全重复原来的运动 的运动叫做一次全振动 如图4所示 对于水平方向运动的弹簧振子 a o b o a 即为一次全振动 图4 6 位移 时间图像 坐标系的建立 为了研究振子的运动规律 以小球的平衡位置为坐标原点 用横坐标表示振子振动的时间 用纵坐标表示振子相对平衡位置的位移 建立坐标系 如图5所示 这就是弹簧振子运动时的位移 时间图像 物理意义 振动图像表示振子相对平衡位置的位移随振动时间的变化规律 振动图像 理论和实验表明 弹簧振子振动时 其位移 时间图像是正弦曲线 或余弦曲线 图5 2 简谐运动如果质点的位移与时间的关系遵从正弦 或余弦 函数的规律 即它的振动图像 x t图像 是一条正弦 或余弦 曲线 这样的振动叫做简谐运动 简谐运动是最简单 最基本的振动 弹簧振子的振动就是简谐运动 我们在研究直线运动时 可以由s t图像得出运动物体的速度或速度的变化规律 由简谐运动的振动图像 我们可以判断振子速度的变化情况吗 答案 答案可以 研究直线运动时 在s t图像上 图线的斜率为运动物体的速度 同样 在振动图像上 图线的斜率仍然代表振子的运动速度 由振动图像可知 在振子经过平衡位置时 图线的斜率最大 即振子的速度大小达到最大 离开平衡位置的过程中 图线的斜率逐渐变小 即速度逐渐减小 在最大距离处图线的斜率为零 速度为零 例1 多选 如图6甲所示 一弹簧振子在a b间振动 取向右为正方向 振子经过o点时开始计时 其振动的x t图像如图乙所示 则下列说法中正确的是 解析 答案 图6 a t2时刻振子在a点b t2时刻振子在b点c 在t1 t2时间内 振子的位移在增大d 在t3 t4时间内 振子的位移在减小 解析振子在a点和b点时的位移最大 由于取向右为正方向 所以振子运动到a点是正向最大位移 运动到b点是负向最大位移 则t2时刻 振子在a点 t4时刻 振子在b点 故选项a正确 b错误 振子的位移是以平衡位置为起点 所以在t1 t2和t3 t4时间内振子的位移都在增大 故选项c正确 d错误 二 描述简谐运动的物理量及其位移公式 1 用锤敲锣一下 锣发出响亮的声音 锣声很快变小 但音调没变 锣声变小是什么发生了变化 音调没变又是为什么 答案 答案锣声变小是锣面的振动强度变弱了 即振幅变小了 音调没变是锣的振动快慢没变 即频率没变 2 我们知道做简谐运动的物体的振动位移随时间是按正弦 余弦 函数规律变化 在数学课上我们学习过正弦函数为y asin t 你知道a 与简谐运动的基本物理量之间的关系吗 答案 答案a代表简谐运动的振幅 叫做简谐运动的圆频率 它与周期t的关系为 1 振幅a 1 振幅是标量 在数值上等于振子偏离平衡位置的最大位移的绝对值 2 物理意义 表示振动强弱的物理量 对同一振动系统 振幅越大 表示振动系统的能量越大 2 周期和频率 3 简谐运动的位移公式 x asin t或x acos t 1 式中x表示振动质点相对平衡位置的位移 t表示振动时间 2 a表示振动质点偏离平衡位置的最大位移 即振幅 3 称做简谐运动的圆频率 它也表示简谐运动物体振动的快慢 与周期t及频率f的关系 2 f 所以表达式也可写成 x asint或x asin2 ft a 从o b o振子做了一次全振动b 振动周期为2s 振幅是10cmc 从b开始经过6s 振子通过的路程是60cmd 从o开始经过3s 振子处在平衡位置 例2弹簧振子在a b间做简谐振动 o为平衡位置 a b间的距离是20cm 振子由a运动到b的时间是2s 如图7所示 则 图7 解析 答案 解析振子从o b o只完成半个全振动 a选项错误 从a b振子也只完成了半个全振动 半个全振动的时间是2s 所以振动周期是4s 振幅是振动物体离开平衡位置的最大位移 振幅a 10cm b选项错误 t 6s 1t 所以振子经过的路程为4a 2a 6a 60cm c选项正确 从o开始经过3s 振子处在位置a或b d选项错误 例3如图8所示为一弹簧振子的振动图像 规定向右的方向为正方向 试根据图像分析以下问题 1 如图9所示 振子振动的起始位置是 从起始位置开始 振子向 填 右 或 左 运动 解析 答案 三 对振动图像的理解 图8图9 e 右 解析由x t图像知 在t 0时 振子在平衡位置 故起始位置为e 从t 0时 振子向正的最大位移处运动 即向右运动 2 在图9中 找出图8中的o a b c d各点对应振动过程中的哪个位置 即o对应 a对应 b对应 c对应 d对应 解析 答案 e g e f e 图8图9 解析由x t图像知 o点 b点 d点对应振动过程中的e点 a点在正的最大位移处 对应g点 c点在负的最大位移处 对应f点 3 在t 2s时 振子的速度方向与t 0时振子的速度的方向 解析 答案 相反 解析t 2s时 图线斜率为负 即速度方向为负方向 t 0时 图线斜率为正 即速度方向为正方向 故两时刻速度方向相反 4 振子在前4s内的位移等于 0 解析4s末振子回到平衡位置 故振子在前4s内的位移为零 a 振动周期是2 10 2sb 第2个10 2s内物体的位移是 10cmc 物体的振动频率为25hzd 物体的振幅是10cm 针对训练 多选 如图10所示 是一做简谐运动的物体的振动图像 下列说法正确的是 图10 解析 答案 解析振振动周期是物体完成一次全振动所用的时间 在图像上是两相邻极大值间的距离 所以周期是4 10 2s 又f 所以f 25hz 则a项错误 c项正确 正 负极大值表示物体的振幅 所以振幅a 10cm 则d项正确 第2个10 2s的初位置是10cm 末位置是0 根据位移的概念有x 10cm 则b项正确 当堂达标检测 1 如图11所示 下列振动系统不可看作弹簧振子的是a 如图甲所示 竖直悬挂的轻弹簧及小铅球组成的系统b 如图乙所示 放在光滑斜面上的铁块及轻弹簧组成的系统c 如图丙所示 光滑水平面上 两根轻弹簧系住一个小钢球组成的系统d 蹦极运动中的人与弹性绳组成的系统 1 2 3 4 解析 答案 图11 解析a b c中都满足弹簧振子的条件 d中人受空气的阻力不可忽略 且人不能看作质点 故不可看作弹簧振子 1 2 3 4 2 多选 振动周期指的是振动物体a 从任意一个位置出发又回到这个位置所用的时间b 从一侧最大位移处 运动到另一侧最大位移处所用的时间c 从某一位置出发又沿同一运动方向回到这个位置所用的最短时间d 经历了四个振幅的时间 解析振动周期是指振动物体完成一次全振动所用的时间 也就是物体经过4个振幅所用的时间 解析 答案 1 2 3 4 3 多选 弹簧振子在aob之间做简谐运动 o为平衡位置 测得a b之间的距离为8cm 完成30次全振动所用时间为60s 则a 振子的振动周期是2s 振幅是8cmb 振子的振动频率是2hzc 振子完成一次全振动通过的路程是16cmd 从振子通过o点时开始计时 3s内通过的路程为24cm 解析 答案 1 2 3 4 解析a b之间的距离为8cm 则振幅是4cm 故a错 t 2s f 0 5hz b错 振子完成一次全振动通过的路程是4a 即16cm 3s内运动了1 5个周期 故总路程为24c