【走向高考】高考物理总复习 选34第1讲 机械振动课件.ppt

热点一振动和波本部分内容在高考中所占比例为6 10 左右 题型全面 既有选择题 实验题 也有计算题 多为中等难度题目 考查的热点有振动图象与波动图象的理解和应用 波速 波长和频率 周期 的关系 如2010年北京卷第17题 安徽卷第15题 福建卷第15题 浙江卷第18题等 波的计算问题 如2010年新课标全国卷第34题 山东卷第37 1 题 热点二光本部分内容在高考中所占比例为6 10 左右 题型全面 既有选择题 实验题 也有计算题 多为中等难度题目 考查的热点为光的折射定律及全反射 如2010年新棵标全国卷第34 1 题 山东卷第37 2 题 江苏卷第12b 3 题等 光的干涉和衍射 如2010年江苏卷第12b 2 题 上海卷第3题等 考查的方式多以生活 科技为知识载体 综合考查对基本规律的理解及应用 温故自查1 定义 物体 或物体的一部分 在某一中心位置附近做运动称为机械振动 2 振动产生的条件 1 物体偏离平衡位置后要受到的作用 2 阻力足够小 往复 回复力 3 回复力使振动物体的力 回复力是按来命名的力 它可以是重力在某方向的分力 可以是弹力 也可以是振动物体所受的几个实际力的合力 4 振动的特点 1 存在某一中心位置 2 往复运动 5 平衡位置 是振动物体所受等于零的位置 回到平衡位置 效果 回复力 考点精析关于平衡位置需认清的几个问题 1 平衡位置是回复力为零的位置 2 平衡位置不一定是合力为零的位置 单摆当摆球运动到平衡位置时受力是不平衡的 处在加速上升电梯里的单摆停止摆动仍存在向上的加速度 受力是不平衡的 3 不同振动系统平衡位置不同 弹簧振子处于平衡位置时 弹簧不一定处于原长 比如在竖直方向的弹簧振子 平衡位置是其弹力等于重力的位置 而单摆的平衡位置也不一定是在竖直的最低点 如在水平匀强电场和重力场共同作用的单摆 平衡位置在电场力与重力的合力方向上 温故自查1 定义 物体在跟位移大小成 并且总是指向的回复力作用下的振动 2 描述的物理量 1 位移 x 由位置指向振动质点所在处的有向线段 其最大值等于振幅 正比 平衡位置 平衡 2 振幅 a 振动物体离开位置的最大距离 等于振动位移的最大值 它反映了振动的振幅是标量 3 周期 t 和频率 f 描述振动的物理量 其大小由振动系统本身的性质决定 所以又叫固有周期和固有频率 二者关系 平衡 强弱 快慢 考点精析简谐运动的五个特征 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 f kx是判定一个物体是否做简谐运动的依据 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 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 4 对称性特征 相隔t 2或 2n 1 t 2 n为正整数 的两个时刻 振子位置关于平衡位置对称 位移 速度 加速度大小相等 方向相反 质点在距平衡位置等距离的两个点上具有相等大小的速度 加速度 在平衡位置左右相等距离上运动时间也是相同的 5 能量特征 振动的能量包括动能和势能 简谐运动过程中 系统动能ek与势能ep相互转化 系统的机械能守恒 温故自查1 物理意义 表示振动物体的位移随变化的规律 注意振动图象不是质点的轨迹 2 特点 只有简谐运动的图象才是正弦 或余弦 曲线 3 作图 以横轴表示时间 纵轴表示位移 用平滑曲线连接各时刻对应的位移末端即可 如图所示 时间 运动 考点精析应用简谐运动的图象可以获得的信息 1 振幅a 周期t 注意单位 2 某一时刻振动质点离开平衡位置的位移 3 某时刻质点的回复力 加速度和速度的方向 判定方法 因回复力总是指向平衡位置 故回复力和加速度在图象上总是指向t轴 速度方向可以通过下一时刻位移的变化来判定 下一时刻位移如增加 振动质点的速度方向就是远离t轴 下一时刻位移如减小 振动质点的速度方向就是指向t轴 4 某段时间内质点的位移 回复力 加速度 速度 动能 势能的变化情况 温故自查1 用细线悬挂一小球 上端固定 如果悬挂小球的细线的形变和质量可以忽略 线长又比球的直径大得多 这样的装置叫做单摆 单摆是实际摆的的物理模型 2 回复力为摆球重力沿方向的分力 单摆做简谐振动的条件是最大摆角 3 周期公式 单摆的等时性是指周期与无关 理想化 圆弧切线 小于10 振幅 1 公式成立的条件是单摆的摆角必须小于10 2 单摆的振动周期在振幅较小的条件下 与单摆的振幅无关 与摆球的质量也无关 3 周期公式中摆长为l 摆长l是指摆动圆弧的圆心到摆球重心的距离 而不一定为摆线的长 4 单摆周期公式中的g 1 只受重力和绳拉力 且悬点静止或匀速直线运动的单摆 g为当地重力加速度 在地球上不同位置g的取值不同 不同星球表面g值也不相同 2 单摆处于超重或失重状态等效重力加速度g g0 a 如在轨道上运动的卫星a g0 完全失重 等效g 0 3 含有其它作用力的单摆的周期 若该作用力对单摆的回复力没有影响 则周期仍然不变 如悬点处有带正电的点电荷 而摆球带正电 此时库仑力沿摆线方向 不影响回复力 周期与不带电时一样 如该作用力为一恒力 等效g的取值为单摆不摆动时 摆线的拉力f与摆球质量的比值 即等效g f m 温故自查1 简谐运动的能量与振幅有关 振幅越大 能量2 受迫振动和共振 1 受迫振动 物体在周期性作用下的振动叫受迫振动 做受迫振动的物体 它的周期或频率等于的周期或频率 而与物体的或固有频率无关 越大 驱动力 驱动力 固有周期 2 共振 做受迫振动的物体 它的固有频率与的频率越接近 其振幅就越大 当二者相等时 振幅达到 这就是共振现象 考点精析1 机械振动的分类 1 按受不受驱动力分类 自由振动 开始给振动系统一定的能量 使其振动起来 以后振子自由运动 不再受其他力的作用 自由振动的周期 或频率 等于它的固有周期 或频率 驱动力 最大 受迫振动 物体在周期性驱动力作用下的振动 受迫振动的周期 或频率 等于驱动力周期 或频率 与物体的固有周期 或频率 无关 2 按振幅的变化分类 无阻尼振动 振动系统的总能量不变 可以适当补充能量 振幅不变的振动 无阻尼自由振动是一种理想化的振动 阻尼振动 振动系统的总能量逐渐减少 振幅逐渐减小的振动 2 共振 一种特殊的受迫振动 命题规律根据简谐运动的特征 确定回复力的大小或加速度 位移等物理量 考例1 一质点做简谐运动的图象如图所示 则该质点 a 在0 015s时 速度和加速度都为 x方向b 在0 01s至0 03s内 速度与加速度先反方向后同方向 且速度是先减小后增大 加速度是先增大后减小c 在第八个0 01s内 速度与位移方向相同 且都在不断增大d 在每1s内 回复力的瞬时功率有100次为零 解析 在0 015s时 从图象中可以看出 速度方向沿 x方向 而加速度方向沿 x方向 a项错误 在0 01s至0 03s时间内 速度方向先沿 x方向 后沿 x方向 速度先减小后增大 而加速度方向始终沿 x方向 加速度大小先增大后减小 所以b正确 在第八个0 01s内的位移沿 x方向且逐渐增大 而速度却在不断减小 所以c错误 答案 bd 总结评述 质点振动过程中 加速度的方向与回复力的方向相同 一定指向t轴 而速度的方向可从振动图象中观察 看下一时刻位移的变化趋势 回复力的功率为零的情况有两种 质点振动的平衡位置 回复力为零 质点振动到最大位移处 速度为零 若物体做简谐运动 则下列说法中正确的是 a 若位移为负值 则速度一定为正值 加速度也一定为正值b 物体通过平衡位置时 所受合力为零 回复力为零 处于平衡状态c 物体每次通过同一位置时 其速度不一定相同 但加速度一定相同d 物体的位移增大时 动能增加 势能减少 答案 c 解析 可借助于弹簧振子和单摆这两个做简谐运动的模型来研究 如下图所示 选水平向右为正方向 振子位于点p时 位移为负值 速度可正可负 加速度方向与回复力同向 一定为正值 选项a错误 物体通过平衡位置时 f回 0 但合力不一定为零 如单摆摆球通过平衡位置时 沿悬线方向有加速度 f合 0 选项b错误 物体通过同一位置时 速度方向有两种可能 故速度不一定相同 但位移相同 由牛顿第二定律知 加速度一定相同 选项c正确 做简谐运动的物体机械能守恒 其位移增大时 势能增加 动能减少 选项d错误 命题规律根据简谐运动的周期性和对称性 确定经过一段时间后 物体的速度 位移 动能 势能的变化情况 或求物体运动的周期或振幅 a b c d 答案 d 一弹簧振子在一条直线上做简谐运动 第一次先后经过m n两点时速度v v 0 相同 那么 下列说法正确的是 a 振子在m n两点受回复力相同b 振子在m n两点对平衡位置的位移相同c 振子在m n两点加速度大小相等d 从m点到n点 振子先做加速度减小的加速运动 后做加速度增大的减速运动 答案 cd 解析 建立弹簧振子模型如图所示 由题意知 振子第一次先后经过m n两点时速度v相同 那么 可以在振子运动路径上确定m n两点 m n两点应关于平衡位置o对称 且由m运动到n 振子是从左侧释放开始运动的 若m点定在o点右侧 则振子是从右侧释放的 因位移 速度 加速度和回复力都是矢量 它们要相同必须大小相等 方向相同 m n两点关于o点对称 振子回复力应大小相等 方向相反 振子位移也是大小相等 方向相反 由此可知 a b选项错误 振子在m n两点的加速度虽然方向相反 但大小相等 故c选项正确 振子由m o速度越来越大 但加速度越来越小 振子做加速运动 振子由o n速度越来越小 但加速度越来越大 振子做减速运动 故d选项正确 命题规律 1 根据单摆的特点及周期公式 确定摆长 周期 等效加速度 小球的运动状态或受力情况 2 根据单摆的周期性特点 确定有关运动的多解性 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度减小为原来的1 2 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 答案 c 命题规律根据受迫振动的特点和产生共振的条件判断物体的振动情况 考例4 一砝码和一轻弹簧构成弹簧振子 如图甲所示 该装置可用于研究弹簧振子的受迫振动 匀速转动把手时 曲杆给弹簧振子以驱动力 使振子做受迫振动 把手匀速转动的周期就是驱动力的周期 改变把手匀速转动的速度就可以改变驱动力的周期 若保持把手不动 给砝码一向下的初速度 砝码便做简谐运动 振动图象如图乙所示 当把手以某一速度匀速转动 受迫振动达到稳定时 砝码的振动图象如图丙所示 若用t0表示弹簧振子的固有周期 t表示驱动力的周期 x表示受迫振动达到稳定后砝码振动的振幅 则 1 稳定后 物体振动的频率f hz 2 欲使物体的振动能量增大 需满足什么条件 答 3 某同学提出 我国火车第六次大提速时 需尽可能的增加铁轨单节长度 或者是铁轨无结头 利用上述所涉及的知识 请分析该同学所提问题的物理道理 答 答案 见解析 如图所示是一个单摆做