高考物理一轮总复习 第十二章 振动和波 光 相对论（选修34） 第34讲 机械振动课件.ppt

振动和波光相对论 选修3 4 第十二章 第34讲机械振动 栏目导航 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 的回复力作用下的振动 2 平衡位置 物体在振动过程中 为零的位置 考点简谐运动受迫振动 平衡位置 回复力 3 回复力 定义 使物体返回到 的力 方向 总是指向 来源 属于 力 可以是某一个力 也可以是几个力的 或某个力的 4 简谐运动的两种模型 弹簧振子 单摆 平衡位置 平衡位置 效果 合力 分力 2 简谐运动的公式和图象 1 简谐运动的表达式 动力学表达式 f 其中 表示回复力与位移的方向相反 运动学表达式 x 其中a代表振幅 2 f表示简谐运动的快慢 t 代表简谐运动的相位 叫做 kx asin t 初相 2 简谐运动的图象 从 开始计时 函数表达式为x asin t 图象如图甲所示 从 处开始计时 函数表达式为x acos t 图象如图乙所示 平衡位置 最大位移 3 简谐运动的运动规律 1 对称规律 做简谐运动的物体 在关于平衡位置对称的两点 回复力 位移 加速度具有等大反向的关系 另外速度的大小 动能具有 速度的方向可能 或 振动物体来回通过相同的两点间的时间相等 如tbc tcb 振动物体经过关于平衡位置对称的等长的两线段的时间相等 如tbc tb c 如图所示 2 运动的周期性特征相隔t或nt的两个时刻振动物体处于同一位置且振动状态相同 对称性 相同 相反 4 受迫振动和共振 1 受迫振动系统在 作用下的振动 做受迫振动的物体 它做受迫振动的周期 或频率 等于 的周期 或频率 而与物体的固有周期 或频率 2 共振做受迫振动的物体 它的驱动力的频率与固有频率越接近 其振幅就越大 当二者 时 振幅达到最大 这就是共振现象 共振曲线如图所示 驱动力 驱动力 无关 相等 1 判断正误 1 简谐运动是匀变速运动 2 简谐运动平衡位置就是质点所受合力为零的位置 3 做简谐运动的质点先后通过同一点 回复力 速度 加速度 位移都是相同的 4 做简谐运动的质点 速度增大时 其加速度一定减小 5 周期 频率是表征物体做简谐运动快慢程度的物理量 6 振幅等于振子运动轨迹的长度 7 单摆在任何情况下的运动都是简谐运动 8 物体做受迫振动时 其振动频率与固有频率无关 9 简谐运动的图象描述的是振动质点的轨迹 2 振动图象 一个弹簧振子沿x轴做简谐运动 取平衡位置o为x轴坐标原点 从某时刻开始计时 经过四分之一周期 振子具有沿x轴正方向的最大加速度 能正确反映振子位移x与时间t关系的图象是 a 3 共振 在实验室可以做 声波碎杯 的实验 用手指轻弹一只玻璃酒杯 可以听到清脆的声音 测得这声音的频率为500hz 将这只酒杯放在一个大功率的声波发生器前 操作人员通过调整其发出的声波 就能使酒杯碎掉 下列说法中正确的是 a 操作人员必须把声波发生器输出的功率调到很大b 操作人员必须使声波发生器发出频率很高的超声波c 操作人员必须同时增大声波发生器发出声波的频率和功率d 操作人员必须将声波发生器发出的声波频率调到500hz 且适当增大其输出功率 d 1 动力学特征f kx 表示回复力的方向与位移方向相反 k是比例系数 不一定是弹簧的劲度系数 2 运动学特征简谐运动的加速度与物体偏离平衡位置的位移成正比而方向相反 为变加速运动 远离平衡位置时 x f a ep均增大 v ek均减小 靠近平衡位置时则相反 一简谐运动的五个特征 3 运动的周期性特征相隔t或nt的两个时刻振子处于同一位置且振动状态相同 5 能量特征振动的能量包括动能ek和势能ep 简谐运动过程中 系统动能与势能相互转化 系统的机械能守恒 分析简谐运动的技巧 1 分析简谐运动中各物理量的变化情况时 一定要以位移为桥梁 位移增大时 振动质点的回复力 加速度 势能均增大 速度 动能均减小 反之 则产生相反的变化 另外 各矢量均在其值为零时改变方向 2 分析过程中要特别注意简谐运动的周期性和对称性 ad 1 根据简谐运动图象可获取的信息 1 振幅a 周期t 或频率f 和初相位 如图所示 二简谐运动的图象 2 某时刻振动质点离开平衡位置的位移 3 某时刻质点速度的大小和方向 曲线上各点切线的斜率的大小和正负分别表示各时刻质点的速度的大小和速度的方向 速度的方向也可根据下一时刻物体的位移的变化来确定 4 某时刻质点的回复力和加速度的方向 回复力总是指向平衡位置 回复力和加速度的方向相同 在图象上总是指向t轴 5 某段时间内质点的位移 回复力 加速度 速度 动能和势能的变化情况 例2 一质点做简谐运动 其位移和时间的关系如图所示 1 求t 0 25 10 2s时质点的位移 2 在t 1 5 10 2s到t 2 10 2s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t 0到t 8 5 10 2s时间内 质点的路程 位移各多大 思维导引 1 看下一时刻位移增加 速度远离时间轴 向正方向运动 否则向负方向运动 加速度方向永远指向时间轴 指向平衡位置 2 先增大 后减小 图象上斜率表示速度 三单摆及其周期公式 例3 如图甲是一个单摆振动的情形 o是它的平衡位置 b c是摆球所能到达的最远位置 设向右为正方向 图乙是这个单摆的振动图象 根据图象回答 1 单摆振动的频率是多大 2 开始时摆球在何位置 3 若当地的重力加速度为10m s2 试求摆长 1 自由振动 受迫振动和共振的比较 四受迫振动和共振 2 对共振的理解 1 共振曲线 如图所示 横坐标为驱动力频率f 纵坐标为振幅a 它直观地反映了驱动力频率对某振动系统受迫振动振幅的影响 由图可知 f与f0越接近 振幅a越大 当f f0时 振幅a最大 2 受迫振动中系统能量的转化 受迫振动系统机械能不守恒 系统与外界时刻进行能量交换 1 无论发生共振与否 受迫振动的频率都等于驱动力的频率 但只有发生共振现象时振幅才能达到最大 2 受迫振动系统中的能量转化不再只有系统内部动能和势能的转化 还有驱动力对系统做正功补偿系统因克服阻力而损失的机械能 例4 多选 如图所示是一个单摆做受迫振动时的共振曲线 表示振幅a与驱动力的频率f的关系 下列说法正确的是 a 摆长约为10cmb 摆长约为1mc 若增大摆长 共振曲线的 峰 将向右移动d 若增大摆长 共振曲线的 峰 将向左移动解析 根据图象可看出单摆的固有频率为0 5hz 即周期为2s 根据周期公式很容易算出摆长约为1m 故选项a错误 选项b正确 若增大摆长 单摆周期将变长 固有频率变小 所以共振曲线的 峰 将向左移动 选项c错误 选项d正确 bd d 2 多选 甲 乙两弹簧振子的振动图象如图所示 则可知 a 两弹簧振子完全相同b 两弹簧振子所受回复力最大值之比f甲 f乙 2 1c 振子甲速度为零时 振子乙速度最大d 两振子的振动频率之比f甲 f乙 2 1e 振子乙速度为最大时 振子甲速度不一定为零 ce 解析 从图象中可以看出 两弹簧振子周期之比t甲 t乙 2 1 则频率之比f甲 f乙 1 2 d错误 弹簧振子周期与振子质量 弹簧劲度系数k有关 周期不同 说明两弹簧振子不同 a错误 由于弹簧的劲度系数k不一定相同 所以两振子所受回复力 f kx 的最大值之比f甲 f乙不一定为2 1 b错误 由简谐运动的特点可知 在振子到达平衡位置时位移为零 速度最大 在振子到达最大位移处时 速度为零 从图象中可以看出 在振子甲到达最大位移处时 振子乙恰好到达平衡位置 c正确 当振子乙到达平衡位置时 振子甲有两个可能的位置 一个是最大位移处 一个是平衡位置 e正确 3 如图甲所示 弹簧振子以o点为平衡位置 在a b两点之间做简谐运动 取向右为正方向 振子的位移x随时间t的变化图象如图乙所示 下列说法正确的是 a t 0 8s时 振子的速度方向向左b t 0 2s时 振子在o点右侧6cm处c t 0 4s和t 1 2s时 振子的加速度完全相同d t 0 4s到t 0 8s的时间内 振子的速度逐渐减小 a 4 2017 浙江嘉兴质检 弹簧振子以o点为平衡位置 在b c两点间做简谐运动 在t 0时刻 振子从o b间的p点以速度v向b点运动 在t 0 20s时刻 振子速度第一次变为 v 在t 0 50s时刻 振子速度第二次变为 v 1 求弹簧振子的振动周期t 2 若b c之间的距离为25cm 求振子在4 0s内通过的路程 3 若b c之间的距离为25cm 从平衡位置开始计时 写出弹簧振子位移表达式 并画出弹簧振子的振动图象 解析 1 画出弹簧振子简谐运动示意图如图所示 由对称性可得t 0 5 2s 1 0s 答案 1 1s 2 200cm 3 x 12 5sin2 t cm 图象见解析图 例1 2016 山东临沂检测 6分 某弹簧振子的振动图象如图所示 根据图象判断 下列说法正确的是 a 第1s内振子相对于平衡位置的位移与速度方向相反b 第2s末振子相对于平衡位置的位移为 20cmc 第2s末和第3s末振子相对于平衡位置的位移不相同 但瞬时速度方向相反d 第1s内和第2s内振子相对于平衡位置的位移方向相同 瞬时速度方向相反 答题送检 来自阅卷名师报告 解析 第1s内振子相对于平衡位置的位移为正方向 速度方向也为正方向 a错 第2s末振子在平衡位置 位移为零 b错 第3s末振子相对于平衡位置的位移为 20cm 第2s末振子恰好过平衡位置 且正向 x轴方向运动 而第3s末振子瞬时速度刚好为零 所以c错 第2s内振子相对于平衡位置的位移方向是正方向 所以d正确 答案 d 例2 2016 江苏常州质检 6分 如图表示一弹簧振子做受迫振动时的振幅与驱动力频率的关系 由图可知 a 驱动力频率为f2时 振子处于共振状态b 驱动力频率为f3时 振子振动频率为f3c 假如让振子自由振动 它的频率为f2d 振子做自由振动时 频率可以为f1 f2 f3 答题送检 来自阅卷名师报告 解析 理解共振曲线是关键 驱动力频率为f2时弹簧振子的振幅最大 f2也就等于弹簧振子的固有频率 故振子自由振动时 它的频率为固有频率f2 当驱动力频率为f1 f3时 弹簧振子只做受迫振动 其频率与振子固有频率无关 答案 abc 1 多选 如图所示 两个质量分别为m和m的小球 悬挂在同一根水平细线上 当m在垂直于水平细线的平面内摆动时 下列说法正确的是 a 两摆的振动周期是相同的b 当两摆的摆长相等时 m摆的振幅最大c 悬挂m的竖直细线长度变化时 m的振幅不变d m摆的振幅可能超过m摆的振幅 abd 解析 m摆动时 m摆做受迫振动 稳定后 m摆的振动周期应等于驱动力的周期 即等于m摆的周期 故选项a正确 当m摆长与m摆长相等时 两者的固有周期相等 而m摆的固有用期就是使m做受迫振动的驱动力的周期 可见m摆处于共振状态 选项b正确 m摆长发生变化 就是使m做受迫振动的驱动力周期发生变化 由于m的固有周期不变 这样两个周期差别就发生了变化 因而m的振幅也发生了变化 选项c错误 单摆振动的能量不仅与振幅有关 还跟振动系统的质量有关 如果m的质量比m大得多 从m向m传递的能量有可能使m的振幅大于m的振幅 选项d正确 2 多选 如图所示为两单摆分别在受迫振动中的共振曲线 则下列说法正确的是 a 若两摆的受迫振动分别在月球上和地球上进行 且摆长相同 则图线 表示月球上单摆的共振曲线b 若两摆的受迫振动是在地球上同一地点进行 则两摆摆长之比l l 25 4 c 图线 若表示在地面上完成的 则该单摆摆长约为1md 若摆长均为1m 则图线 表示在地面上完成的 abc 3 多选 2017 福建福州检测 一弹簧振子沿x轴振动 振幅为4cm 振子的平衡位置位于x轴上的o点 图甲上的a b c