高考物理一轮复习讲义 1.1 机械振动 新人教版选修34.doc

选修34第一章机械振动与机械波第1讲机械振动简谐运动(考纲要求)单摆、单摆的周期公式(考纲要求)1简谐运动(1)定义：物体在跟位移大小成正比并且总是指向平衡位置的回复力作用下的振动(2)简谐运动的特征动力学特征：f回kx.运动学特征：x、v、a均按正弦或余弦规律发生周期性变化(注意v、a的变化趋势相反)能量特征：系统的机械能守恒，振幅a不变2简谐运动的两种模型模型弹簧振子单摆示意图简谐运动条件(1)弹簧质量可忽略(2)无摩擦等阻力(3)在弹簧弹性限度内(1)摆线为不可伸缩的轻细线(2)无空气等阻力(3)最大摆角小于5回复力弹簧的弹力提供摆球重力沿与摆线垂直(即切向)方向的分力平衡位置弹簧处于原长处最低点周期与振幅无关t2 能量转化弹性势能与动能的相互转化，机械能守恒重力势能与动能的相互转化，机械能守恒1五个概念(1)回复力：使振动物体返回平衡位置的力(2)平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置(3)位移x：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段，是矢量(4)振幅a：振动物体离开平衡位置的最大距离，表示振动的强弱，是标量(5)周期t和频率f：表示振动快慢的物理量2三个特征(1)受力特征：fkx.(2)运动特征：ax.(3)能量特征：系统机械能守恒简谐运动的公式和图象(考纲要求)1.简谐运动的表达式(1)动力学表达式：fkx，其中“”表示回复力与位移的方向相反(2)运动学表达式：xasin(t)，其中a代表振幅，2f表示简谐运动的快慢，(t)代表简谐运动的相位，叫做初相2简谐运动的图象(1)从平衡位置开始计时，函数表达式为xasin t，图象如图111甲所示图111(2)从最大位移处开始计时，函数表达式为xacos t，图象如图111乙所示受迫振动和共振(考纲要求)1.自由振动、受迫振动和共振的比较振动类形项目自由振动受迫振动共振受力情况仅受回复力周期性驱动力作用周期性驱动力作用振动周期或频率由系统本身性质决定，即固有周期或固有频率由驱动力的周期或频率决定，即tt驱或ff驱t驱t固或f驱f固振动能量振动物体的机械能不变由产生驱动力的物体提供，机械能不守恒振动物体获得的能量最大常见例子弹簧振子或单摆(摆角t1，当其运动达到稳定后，则()弹簧振子的振动周期为t1弹簧振子的振动周期为t2要使弹簧振子的振幅增大，可以减小把手的转速要使弹簧振子的振幅增大，可以增大把手的转速a b c d解析弹簧振子做受迫振动，其振动周期与驱动力的周期(把手匀速转动的周期t2)相同，为t2.弹簧振子的固有周期为t1，把手的转速越大，转动的周期t2越小，当t2t1时，弹簧振子发生共振，振幅达到最大，因此选项正确答案d5一质点简谐运动的振动图象如图116所示图116(1)该质点振动的振幅是_cm.周期是_ s.初相是_.(2)写出该质点简谐运动的表达式，并求出当t1 s时质点的位移解析(1)由质点振动图象可得a8 cm，t0.2 s，.(2)10 rad/s.质点简谐运动表达式为x8sin cm，当t1 s时，x8 cm.答案(1)80.2(2)x8sincm8 cm6如图117所示为一单摆及其振动图象，由图回答：图117(1)若摆球从e指向g为正方向，为最大摆角，则图象中o、a、b、c点分别对应单摆中的点. 一周期内加速度为正且减小，并与速度同方向的时间范围是，势能增加且速度为正的时间范围是.(2)单摆摆球多次通过同一位置时，下述物理量变化的是.a位移b速度c加速度d动能e摆线张力(3)求单摆的摆长(g10 m/s2210)解析(1)图象中o点位移为零，o到a的过程位移为正，且增大，a处最大，历时周期，显然摆球是从平衡位置e起振并向g方向运动的，所以o对应e，a对应g.a到b的过程分析方法相同，因而o、a、b、c对应e、g、e、f点摆动中ef间加速度为正，且靠近平衡位置过程中加速度逐渐减小，所以是从f向e的运动过程，在图象中为c到d的过程，时间范围是1.52.0 s 间摆球远离平衡位置势能增加，即从e向两侧摆动，而速度为正，显然是从e向g的过程，在图象中为从o到a，时间范围是00.5 s间(2)过同一位置，位移、回复力和加速度不变；由机械能守恒知，动能不变，速率也不变，摆线张力tmgcos m也不变；相邻两次过同一点，速度方向改变(3)由图象可知：t2 s，由t2得l1 m.答案(1)e、g、e、f1.52.0 s00.5 s(2)b(3)1 m考点一简谐运动的规律【典例1】 一个质点在平衡位置图118o点附近做机械振动若从o点开始计时，经过3 s质点第一次经过m点(如图118所示)；再继续运动，又经过2 s它第二次经过m点；则该质点第三次经过m点还需要的时间是()8 s 4 s 14 s sa b c d解析设图中a、b两点为质点振动过程的最大位移处，若开始计时时刻，质点从o点向右运动，om过程历时3 s，mbm运动过程历时2 s，显然，4 s，t16 s质点第三次经过m点还需要的时间t3t2 s(162)s14 s，故选项正确若开始计时时刻，质点从o点向左运动，oaom运动过程历时3 s，mbm运动过程历时2 s，显然，4 s，t s质点第三次经过m点还需要的时间t3t2 s s s，故选项正确综上所述，该题的正确答案是b.答案b【变式1】 有一弹簧振子在水平方向上的b图119c之间做简谐运动，已知bc间的距离为20 cm，振子在2 s内完成了10次全振动若从某时刻振子经过平衡位置时开始计时(t0)，经过周期振子有正向最大加速度(1)求振子的振幅和周期；(2)在图119中作出该振子的位移时间图象；(3)写出振子的振动方程解析(1)振幅a10 cm，t s 0.2 s.(2)四分之一周期时具有正的最大加速度，故有负向最大位移如右图所示(3)设振动方程为yasin(t)当t0时，y0，则sin 0得0，或，当再过较短时间，y为负值，所以所以振动方程为y10sin(10t) cm.答案(1)10 cm0.2 s(2)如解析图(3)y10sin(10t) cm考点二简谐运动的图象【典例2】 (2011温州模拟)图1110如图1110所示为一弹簧振子的振动图象，试完成以下问题：(1)写出该振子简谐运动的表达式(2)在第2 s末到第3 s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？(3)该振子在前100 s的总位移是多少？路程是多少？解析(1)由振动图象可得：a5 cm，t4 s，0则 rad/s故该振子做简谐运动的表达式为：x5sin t(cm)(2)由题图可知，在t2 s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t3 s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(3)振子经过一个周期位移为零，路程为54 cm20 cm，前100 s刚好经过了25个周期，所以前100 s振子位移x0，振子路程s2025 cm500 cm5 m.答案(1)x5sin t(cm)(2)见解析(3)05 m应用简谐运动图象可获信息可直接读出振幅、周期、初相从图象上得到的振幅a和初相，周期t.根据，求出.书写简谐运动表达式，可根据位移通式xasin(t)【变式2】 已知单摆的振动图象如图1111所示图1111(1)读图可知振幅a_m，振动频率f_hz；(2)求此单摆的摆长l；(3)若摆球质量为0.2 kg，在摆动过程中，摆球受的回复力的最大值fm是多少？(取g10 m/s2，210)解析(1)a0.1 m，f0.25 hz.(2)因t2 ，则l4 m.(3)fmmgsin mg0.210 n0.05 n.答案(1)0.10.25(2)4 m(3)0.05 n考点三用单摆测定重力加速度图1112【典例3】 (1)某同学在探究影响单摆周期的因素时有如下操作，请判断是否恰当(填“是”或“否”)把单摆从平衡位置拉开约5释放；_.在摆球经过最低点时启动秒表计时；_.用秒表记录摆球一次全振动的时间作为周期；_.(2)该同学改进测量方法后，得到的部分测量数据见表用螺旋测微器测量其中一个摆球直径的示数见图1112，该球的直径为_mm.根据下表中数据可以初步判断单摆周期随_的增大而增大.数据组编号摆长/mm摆球质量/g周期/s1999.332.22.02999.316.52.03799.232.21.84799.216.51.85501.132.21.46501.116.51.4解析单摆的摆角小于5时，单摆做简谐振动当球摆到最低点时，速度最大，此位置开始计时误差小为了减小误差，应该记录3050次全振动的时间，然后再计算出单摆的周期分析表格中的数据可知，当两摆的摆长相同，质量不同时，周期相同，而质量相同，摆长长的周期大答案(1)是是否(2)20.685(20.68320.687)摆长【变式3】 (2011石家庄教学质检)石岩同学利用单摆测重力加速度，他用分度值为毫米的直尺测得摆线长为89.40 cm，用游标卡尺测得摆球直径如图1113甲所示，读数为_则该单摆的摆长为_ cm.用停表记录单摆做30次全振动所用的时间如图1113乙所示，则停表读数为_s，如果测得的g值偏大，可能的原因是_(填序号)图1113a计算摆长时用的是摆球的直径b开始计时时，停表晚按下c摆线上端未牢固系于悬点，振动中出现松动，使摆线长度增加d实验中误将30次全振动记为31次解析由题图甲可知游标卡尺的读数为d2 cm0.050 cm2.050 cm；摆长为ll89.40 cm1.025 cm90.425 cm；停表的读数为57.0 s；因g，如果测得的g值偏大，可能是因为l、n偏大、t偏小，a、b、d正确答案2.050 cm90.42557.0abd一、简谐振动的规律及特点(中频考查)图11141(重庆高考题)某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4 km/s和9 km/s.一种简易地震仪由竖直弹簧振子p和水平弹簧振子h组成(如图1114所示)在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5 s开始振动，则()ap先开始振动，震源距地震仪约36 kmbp先开始振动，震源距地震仪约25 kmch先开始振动，震源距地震仪约36 kmdh先开始振动，震源距地震仪约25 km解析纵波传播速率较大，因此p先振动，s9t4(t5)，t4 s，s36 km.答案a2(2009上海卷)做简谐振动的单摆摆长不变，若摆球质量增加为原来的4倍，摆球经过平衡位置时速率减小为原来的，则单摆振动的()a频率、振幅都不变 b频率、振幅都改变c频率不变、振幅改变 d频率改变、振幅不变解析由单摆的周期公式t2 可知，单摆摆长不变，则周期不变，频率不变；振幅a是反映单摆运动过程中的能量大小的物理量，由ekmv2可知，摆球经过平衡位置时的动能相同，由于摆球的质量不同，所以摆球上升的最大高度不同，因此振幅不同，a、b、d错误，c正确答案c3(2011上海卷，5)两个相同的单摆静止于平衡位置，使摆球分别以水平初速v1、v2(v1v2)在竖直平面内做小角度摆动，它们的频率与振幅分别为f1、f2和a1、a2，则()af1f2，a1a2 bf1a2 df1f2，a1a2，故c项正确答案c二、受迫振动和共振(低频考查)4(2009宁夏理综改编)某振动系统的固有频率为f0，在周期性驱动力的作用下做受迫振动，驱动力的频率为f.若驱动力的振幅保持不变，下列说法正确的是()a当ff0时，该振动系统的振幅随f减小而减小c该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f0d该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f解析物体在外界驱动力作用下的振动叫做受迫振动，物体做受迫振动时，振动稳定后的频率等于驱动力的频率，跟物体的固有频率没有关系，驱动力的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅增大，所以d正确答案d三、简谐运动的图象(中频考查)5(2009浙江高考)一列波长大于1 m的横波沿着x轴正方向传播，处在x11 m和x22 m的两质点a、b的振动图象如图1115所示由此可知()图1115a波长为 mb波速为1 m/sc3 s末a、b两质点的位移相同d1 s末a点的振动速度大于b点的振动速度解析xx2x11 m，由于波沿x轴正方向传播，所以a先振动，又由于波长大于1 m，所以t3 st，所以x， m，a正确，波速v m/s，b错误；由振动图象可知，在3 s末，a、b两质点的位移不相同，c错误；1 s末a点速度为零，b点速度最大，d错误答案a图11166(2009江苏高考)在t0时刻，质点a开始做简谐运动，其振动图象如图1116所示质点a振动的周期是_s；t8 s时，质点a的运动沿y轴的_方向(填“正”或“负”)；质点b在波的传播方向上与a相距16 m，已知波的传播速度为2 m/s，在t9 s时，质点b偏离平衡位置的位移是_cm.解析由图象可知，t4 s，t8 s时与t0时质点a的运动情况相同，沿y轴的正方向运动在t1 s时质点a处于波峰，经过8 s波峰向前传播的距离lvt28 m16 m，即在t9 s时波峰恰好传到质点b处，故其位移是10 cm.答案4正101某质点做简谐运动，其位移随时间变化的关系式为xasint，则质点()a第1 s末与第3 s末的位移相同b第1 s末与第3 s末的速度相同c第3 s末至第5 s末的位移方向都相同d第3 s末至第5 s末的速度方向都相反解析根据xasint，可求得该质点振动周期为t8 s，则该质点振动图象如图所示，图象的斜率为正表示速度为正，反之为负，由图可以看出第1 s末和第3 s末的位移相同，但斜率一正一负，故速度方向相反，a正确、b错误；第3 s末和第5 s末的位移方向相反，但两点的斜率均为负，故速度方向相同，选项c、d错误答案a图11172一质点做简谐运动的图象如图1117所示，下列说法正确的是()a质点振动频率是4 hzb在10 s内质点经过的路程是20 cmc第4 s末质点的速度为零d在t1 s和t3 s两时刻，质点位移大小相等、方向相同解析振动图象表示质点在不同时刻相对平衡位置的位移，由图象可看出，质点运动的周期t4 s，其频率f0.25 hz；10 s内质点运动了t，其运动路程为s4a42 cm20 cm；第4 s末质点在平衡位置，其速度最大；t1 s和t3 s两时刻，由图象可看出，位移大小相等，方向相反由以上分析可知，b选项正确答案b3铺设铁轨时，每两根钢轨接缝处都必须留有一定的间隙，匀速运行列车经过轨端接缝处时，车轮就会受到一次冲击由于每一根钢轨长度相等，所以这个冲击力是周期性的，列车受到周期性的冲击做受迫振动普通钢轨长为12.6 m，列车固有振动周期为0.315 s下列说法正确的是()a列车的危险速率为20 m/sb列车过桥需要减速，是为了防止列车发生共振现象c列车运行的振动频率和列车的固有频率总是相等的d增加钢轨的长度有利于列车高速运行解析列车在钢轨上运动时，受钢轨对它的冲击力作用做受迫振动，当列车固有振动频率等于钢轨对它的冲击力的频率时，列车振动的振幅最大，因v40 m/s，故a错误；列车过桥做减速运动，是为了使驱动力频率远小于桥梁固有频率，防止桥发生共振现象，而不是列车发生共振现象，b错，c错；增加钢轨的长度有利于列车高速运行，d对答案d4下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则().驱动力频率/hz304050607080受迫振动振幅/cm10.216.827.228.116.58.3af固60 hz b60 hzf固70 hzc50 hzf固60 hz d以上三项都不对解析从图所示的共振曲线，可判断出f驱与f固相差越大，受迫振动的振幅越小；f驱与f固越接近，受迫振动的振幅越大并从中看出f驱越接近f固，振幅的变化越慢比较各组数据知在f驱在50 hz60 hz范围内时，振幅变化最小，因此，50 hzf固60 hz，即c选项正确答案c5如图1118所示，两根完全相同的弹簧和一根张紧的细线将甲、乙两物块束缚在光滑水平面上，已知甲的质量大于乙的质量当细线突然断开后，两物块都开始做简谐运动，在运动过程中()图1118a甲的振幅大于乙的振幅b甲的振幅小于乙的振幅c甲的最大速度小于乙的最大速度d甲的最大速度大于乙的最大速度解析由题意知，在细线未断之前两个弹簧所受到的弹力是相等的，所以当细线断开后，甲、乙两个物块做简谐运动时的振幅是相等的，a、b错；两物块在平衡位置时的速度最大，此时的动能等于弹簧刚释放时的弹性势能，所以甲、乙两个物块的最大动能是相等的，而质量大的速度小，所以c正确，d错误答案c6一简谐振子沿x轴振动，平衡位置在坐标原点t0时刻振子的位移x0.1 m；t s时刻x0.1 m；t4 s时刻x0.1 m该振子的振幅和周期不可能为()a0.1 m， s b0.1 m,8 sc0.2 m， s d0.2 m,8 s解析若振子的振幅为0.1 m， st，则周期最大值为 s，a正确、b错误；若振子的振幅为0.2 m，由简谐运动的对称性可知，当振子由x0.1 m处运动到负向最大位移处再反向运动到x0.1 m处，再经n个周期时所用时间为 s，则t s，所以周期的最大值为 s，且t4 s时刻x0.1 m，故c正确；当振子由x0.1 m经平衡位置运动到x0.1 m处，再经n个周期时所用时间为 s，则t s，所以此时周期的最大值为8 s且t4 s时，x0.1 m，故d正确答案b7弹簧振子以o点为平衡位置在b、c两点之间做简谐运动，b、c相距20 cm.某时刻振子处于b点，经过0.5 s，振子首次到达c点，则该振动的周期和频率分别为_、_；振子在5 s内通过的路程及5 s末的位移大小分别为_、_.解析设振幅为a，由题意bc2a20 cm，所以a10 cm，振子从b到c所用时间t0.5 s，为周期t的一半，所以t1.0 s，f1.0 hz；振子在一个周期内通过的路程为4a，故在t5 s5t内通过的路程s4a200 cm；5 s内振子振动了5个周期，5 s末振子仍处在b点，所以它偏离平衡位置的位移大小为10 cm.答案1.0 s1.0 hz200 cm10 cm8有两个同学利用假期分别去参观北大和南大的物理实验室，各自在那里利用先进的dis系统较准确地探究了“单摆的周期t与摆长l的关系”，他们通过校园网交换实验数据，并由计算机绘制了t2l图象，如图1119甲所示去北大的同学所测实验结果对应的图线是_(填“a”或“b”)另外，在南大做探究的同学还利用计算机绘制了a、b两个摆球的振动图象(如图1119乙)，由图可知，两单摆摆长之比_.在t1 s时，b球振动的方向是_甲乙图1119解析由单摆的周期公式t2得：t2l，即图象的斜率k，重力加速度越大，斜率越小，我们知道北京的重力加速度比南京的大，所以去北大的同学所测实验结果对应的图线是b；从题图乙可以得出：tb1.5ta，由单摆的周期公式得：ta2 ，tb2 ，联立解得：；从题图乙可以看出，t1 s时b球正在向负最大位移运动，所以b球的振动方向沿y轴负方向答案b沿y轴负方向9(2011福建理综，19(1)某实验小组在利用单摆测定当地重力加速度的实验中；(1)用游标卡尺测定摆球的直径，测量结果如图1120所示，则该摆球的直径为_cm.图1120(2)小组成员在实验过程中有如下说法，其中正确的是_(填选项前的字母)a把单摆从平衡位置拉开30的摆角，并在释放摆球的同时开始计时b测量摆球通过最低点100次的时间t，则单摆周期为c用悬线的长度加摆球的直径作为摆长，代入单摆周期公式计算得到的重力加速度值偏大d选择密度较小的摆球，测得的重力加速度值误差较小解析(1)游标卡尺读数为0.9 cm50.1 mm0.95 cm.(2)单摆符合简谐运动的条件是最大偏角不超过5，并从平衡位置计时，故a错误；若第一次过平衡位置计为“0”则周期t，若第一次过平衡位置计为“1”则周期t，b错误；由t2 得g，其中l为摆长，即悬线长加摆球半径，若为悬线长加摆球直径，由公式知g偏大，故c正确；为了能将摆球视为质点和减少空气阻力引起的相对误差，应选密度较大体积较小的摆球，故d错误答案(1)0.97(0.96、0.98均可)(2)c10(2012江苏南京)如图1121所示，图甲为一列沿水平方向传播的简谐横波在t0时的波形图，图乙是这列波中质点p的振动图线，那么：甲乙图1121(1)该波的传播速度为_m/s；(2)该波的传播方向为_(填“向左”或“向右”)；(3)图甲中q点(坐标为x2.25 m处的点)的振动方程为：y_cm.解析(1)波的周期t2 s，波长1 m，波速v0.5 m/s.(2)p点向上运动，不难判断波是向左传播(3)q点此时从最大位移开始向平衡位置运动，振动图象是一条余弦曲线，a0.2cm，q点的振动方程为y0.2cos (t)答案(1)0.5(2)向左(3)0.2cos (t)图112211一质点做简谐运动，其位移和时间关系如图1122所示(1)求t0.25102 s时的位移；(2)在t1.5102 s到2102 s的振动过程中，质点的位移、回复力、速度、动能、势能如何变化？(3)在t0至8.5102 s时间内，质点的路程、位移各多大？解析(1)由图可知a2 cm，t2102 s，振动方程为xasinacos t2cos t cm2cos(102t) cm当t0.25102 s时x2cos cm cm.(2)由图可知在1.5102 s2102 s内，质点的位移变大，回复力变大，速度变小，动能变小，势能变大(3)从t0至8.5102 s的时间内质点的路程为s17a34 cm，位移为2 cm.答案(1) cm(2)位移变大，回复力变大，速度变小，动能变小，势能变大(3)34 cm2 cm12(1)将一个电动传感器接到计算机上，就可以测