高二物理机械振动

1、考纲点击, 1. 简谐运动 2. 简谐运动的公式和图象 3. 单摆及周期公式 4. 受迫振动和共振 5. 机械波 6. 横波和纵波 7. 横波的图象 8. 波速、波长和频率(周期)的关系 9. 波的干涉和衍射现象 10. 多普勒效应 实验一：探究单摆的运动，用单摆测定重力加速度, 备考导读 1. 本章综合运用运动学、动力学和能的转化等方面的知识 讨论了两种常见的运动形式机械振动和机械波的特点和 规律，以及它们之间的联系与区别因此概念较多，考点 较多，而且对图象要求层次较高在复习时，应注意对概 念的理解和记忆，在理解和掌握简谐运动的运动学特征和 动力学特征的基础上，进而掌握机械波的相关知识 2.

2、 高考命题频率较高的知识点是波的图象、频率、波长及 波速的关系，其次是单摆，题型多以选择题、填空题的形 式出现，题目信息容量大，综合性强，往往考查多个概念 和规律，特别是通过图象考查对波的理解能力、推理能力 和空间想像能力等题型多以选择题、填空题形式出现 第第1节机械振动节机械振动 一、振动及描述振动的物理量 1. 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 2. 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 3. 周期T和频率f：做简谐运动的物体完成一次全振动所需的 时间叫做周期，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

3、关系，即T 1/f.当T和f是由振动系统本身的性质决定时(非受迫振动)， 则分别叫做固有周期和固有频率 4. 回复力F：使物体回到平衡位置的合力它是按力的效果 命名的，它可以由某一个力提供，也可以由几个力的合力提 供，或由某一个力的分力提供 模型比较项目 ,弹簧振子 ,单摆模型 示意图 特点 ,忽略摩擦力，弹簧对小 球的弹力提供回复力 弹簧的质量可以忽略 ,细线的质量可忽略 偏角很小(小于5) 重力的切向分力提供向心 力 公式 回复力：F回kx 平衡位置, F回0位置，弹簧处于原长 F回0位置，小球摆动的最 低点(此时F向0) 能量转化关系, 动能和弹性势能相 互转化，机械能守恒 重力势能与动

4、能的相互转化， 机械能守恒 三、受迫振动与共振 1. 受迫振动 (1)定义：系统在周期性驱动力作用下的振动 (2)特点： 物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有 频率无关 物体做受迫振动的振幅由驱动力频率和物体的固有频率共 同决定两者越接近，受迫振动的振幅越大；两者相差越大 受迫振动的振幅越小 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 简谐运动描述与图象的应用 弹簧振子以O点为平衡位置，在B、C两点间做简谐运 动，在t0时刻，振子从O、B间的P点以速度v向B点运动；在t 0.20 s时，振子速度第一次变

5、为v；在t0.50 s时，振子速 度第二次变为v. (1)求弹簧振子振动周期T. (2)若B、C之间的距离为25 cm，求振子在4.00 s内通过的路 程 (3)若BC间的距离为25 cm，从振子经过平衡位置开始计时写出 其位移表达式，并画出运动图象 【点拨】(1)根据运动的对称性确定周期 (2)根据一个周期的路程为4A确定总路程 (3)从平衡位置计时，简谐运动的表达式xAsin t，并据此画 出图象 1. 一个质点做简谐运动的图象如图所示，下列说法错误的是( ) A质点振动频率为4 Hz B在10 s内质点经过的路程是20 cm C在5 s末，质点速度为零，加速度最大 D在t1.5 s和t4

6、.5 s两时刻质点位移大 小相等 单摆周期规律的应用 如图所示为一单摆及其振动图象，由图回答： (1)单摆的振幅为_，频率为_，摆长 为_，一周期内位移x(F回、a、Ep)最大的时 刻为_ (2)单摆摆球多次通过同一位置时，下列物理量变化的 是_ 2. (2010海南海口调研)有一摆长为L的单摆，悬点正下方 某处有一小钉，当摆球经过平衡位置向左摆动时，摆线 的上部将被挡住，使摆长发生变化现使摆球做小角度 摆动，图为摆球从右边最高点M摆到左边最高点N的闪光 照片(悬点与小钉未被摄入)，P为摆动中的最低点，每相 邻两次的时间隔相等，则小钉距悬点的距离为() 受迫振动的规律应用 (1)(2009宁夏

7、卷)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 _(填入选项前的字母) A当ff0时，该振动系统的振幅随f增大而减小 B当f f0时，该振动系统的振幅随f减小而增大 C该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f0 D该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f (2)现代共振技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光 学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领 域若是利用共振，应该让驱动力的频率_物体的固 有频率，若是消除共振，应该让驱动力的频率_物体 的固有频率(填“接近”、“远离”) 【点拨】(1)受迫振动的

8、频率由驱动力的频率决定 (2)受迫振动的振幅由驱动力的频率与固有频率的差决定 (3)当驱动力的频率等于固有频率时，物体的振幅最大，达到 共振 【解析】(1)做受迫振动的物体，振动频率等于驱动力的频 率；当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，振动系统的 振幅最大，故B、D正确 (2)当驱动力的频率等于固有频率时，物体的振幅最大，达到 共振利用共振应该让驱动力的频率接近物体的固有频率，消 除共振，应该让驱动力的频率远离物体的固频率 【答案】(1)BD(2)接近远离 3. (2010东北师大附中模拟)如图所示为两个单摆做受迫振动 中的共振曲线，则下列说法正确的是() A. 两个单摆的固有周期之比为

9、TT 2 5 B. 若两个受迫振动是在地球上同一地点 进行，则两个摆长之比为ll4 25 C. 图线若是在地面上完成的，则该摆 摆长约为1 m D. 若两个受迫振动分别在月球上和地球 上进行，且摆长相等，则图线是月球上 单摆的共振曲线 简谐运动不同于前面复习的直线运动，不能用以往的思 维模式分析新问题，不要形成思维定势，要善于接受新 知识、新方法，并将其运用到实际问题中去，进而开阔 我们分析、解决问题的思路，如自由振动的周期与振幅 无关等知识 一个弹簧振子，第一次被压缩x后释放做自由振动， 周期为T1，第二次被压缩2x后释放做自由振动， 周期为T2，则两次振动周期之比T1 T2为() A1 1

10、 B1 2 C2 1 D1 4 【错解】B 【正解】把振子的运动看成是匀速运动或加速度恒定的匀 加速直线运动用匀速或匀加速运动的规律，压缩x时，振幅 为x，完成一次全振动的路程为4x.压缩2x时，振幅即为2x， 完成一次全振动的路程为8x.由于两种情况下全振动的路程的 差异，第二次是第一次的2倍所以，第二次振动的周期一定 也是第一次的2倍，所以错选B. 事实上，只要是自由振动，其振动的周期只由自身因素决定， 对于弹簧振子而言，就是只由弹簧振子的质量m和弹簧的劲 度系数k决定的，而与形变大小、也就是振幅无关所以只要 弹簧振子这个系统不变(m，k不变)，周期就不会改变，所以 正确答案为A. 【答案

11、】A 第第2节机械波节机械波 一、机械波的传播与图象 1. 产生条件 (1)波源(机械振动) (2)传播振动的介质(相邻质点间存在相互作用力) 2. 分类 (1)横波：质点振动方向和波的传播方向垂直的波，如绳 波、水波等 (2)纵波：质点振动方向和波的传播方向在同一直线上的 波，如弹簧上的疏密波、声波等 3. 传播特点 (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：vf. (2)介质质点的运动是在各自的平衡位置附近的简谐运动， 是变加速运动，介质质点并不随波迁移 (3)机械波传播的是波源的振动形式、能量和信息 (4)机械波的频率由波源决定，而传播速度由介质决定 4

12、. 波的图象 (1)物理意义：波在传播过程中各质点在某时刻的位移情 况 (2)振动图象与波的图象的比较 两种图象 比较内容 振动图象波的图象 研究对象一个振动质点 沿波传播方向上的所 有质点 图象意义 一质点位移随时间变 化规律 某时刻所有质点相对 平衡位置的位移 图象形状 图象信息 振动周期 振幅 各时刻质点位移、 加速度(包括大小和 方向) 波长、振幅 任意质点此刻的位 移 任意质点在该时刻 加速度方向 图象变化 随时间推移图象延续， 但原有形状不变 随时间推移，图象沿 传播方向平移 一完整曲线 对应横坐标 一个周期一个波长 二、简谐波的常见问题 1. 由t时刻波形图画tt时刻的波形图象

13、(1)平移法：先算出经t时间波传播的距离xvt， 再把波形沿波的传播方向平移x.当x，即x nx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：在波形上找特殊点，如过平衡位置的 点、与它相邻的波峰和波谷，判断出这些点经过t后 的位置，画出相应的正弦曲线或余弦曲线即可，这种 方法只适用于tkT/4(k1,2,3)的情况 2. 振动方向和波的传播方向的关系 (1)若波源开始从平衡位置向上振动，则介质中各质点开始 振动的方向也向上 (2)波的传播方向和介质中质点的振动方向可以互判 具体方法有以下几种 微平移法：沿波的传播方向将波的图象进行微小平移， 然后由两条波形曲线来判断 “

14、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” 逆向描迹法：逆着波的传播方向，用笔描波形图，笔头 向上，质点向上振动，笔头向下，质点向下振动 3. 波的多解问题 造成波动问题多解的主要因素： (1)周期性 时间周期性：时间间隔t与周期T的关系不确定 空间周期性：波传播距离x与波长的关系不确定 (2)双向性 传播方向双向性：波的传播方向不确定 振动方向双向性：质点振动方向不确定 如：a.质点达到最大位移处，则有正向和负向最大位移两种可能 b质点由平衡位置开始振动，则起振方向有向上、向下两种可能 c只知道波速不指明波的传播方向应考虑沿两个方向传播的情况

15、d只给出两时刻的波形，则有多次重复出现的可能 解决此类问题时，往往采用从特殊到一般的思维方法，即找到一个周期内 满足条件的特例，在此基础上，如知道时间关系则加nT；如知道空间关系 则加n. (3)波形的隐含性形成多解 在波动问题中，往往只给出完整波形的一部分，或给出几个特殊点，而其 他信息均处于隐含状态这样波形就有多种情况，形成相关波动问题的多 解 三、波特有的现象：干涉、衍射及多普勒效应 1. 波的干涉与衍射 内容 分类 定义现象 可观察到 明显 现象的条 件 相同点 波的衍射 波可以绕过障碍 物继续传播的现 象 波能偏离 直线而传 到直线传 播以外的 空间 缝或障碍 物的尺寸 跟波长相 差

16、不大或 者小于波 长 干涉和衍 射是波特 有的现象 波的干涉 频率相同的两列 波叠加，使某些 区域的振动加强， 某些区域的振动 减弱 振动强弱 区域相间 分布，加 强区减弱 区位置不 变 两列波的 频率相同 简谐波的形成和传播规律 (2009上海物理卷)弹性绳沿x轴放置，左端位于坐 标原点，用手握住绳的左端，当t0时使其开始沿 y轴做振幅为8 cm的简谐振动，在t0.25 s时，绳 上形成如图所示的波形，则该波的波速为 _ cm/s，t_ s时，位于x245 cm的质点N恰好第一次沿y轴正向通过平衡位置 【点拨】(1)根据已知形成的波形计算波长和周期 (2)根据波的传播特点计算波速，进而判断N

17、的振动情 况 1. (高考改编题)下列关于简谐振动和简谐波的说法正确的是() A. 媒质中质点振动的周期一定和相应的波的周期相等 B. 媒质中质点振动的速度一定和相应的波的波速相等 C. 波的传播方向一定和媒质中质点振动的方向一致 D. 横波的波峰与波谷在振动方向上的距离一定等于振幅 【解析】本题考查机械波和机械振动媒质中的质点的振动周 期和相应的波传播周期一致，质点振动一周期，波向前传播一周 期，A正确而各质点做简谐运动的速度随时间周期性变化，但 波在媒质中是匀速向前传播的，所以不相等，B错误对于横波 而言传播方向和振动方向是垂直的，C错误根据波的特点可知 D错误 【答案】A 简谐波的多解问

18、题 已知在t1时刻简谐横波的波形如图中实线所示，在时刻 t2该波的波形如图中虚线所示，t2t1 0.02 s求： (1)该波可能的传播速度 (2)若已知T t2t12T，且图中P质点在t1时刻的瞬时速度方 向向上，求可能的波速 (3)若0.01 sT103 3 1011 衍射能 力减弱直 线传播 能力增 强 红外线热效应 红外线遥 感 10310 7 1011 1015 可见光引起视觉 照明、摄 影 1071015 紫外线 荧光效应、 能杀菌 医用消毒、 防伪 10710 9 1015 1017 X射线贯穿性强 检查零件 缺 陷、医用 透视 10810 11 1016 1019 射线 贯穿本

19、领最强 工业探伤、 医用治疗 1019 5. 质能方程：Emc2 公式中m为物体的质量，E为它具有的能量 6. 广义相对论简介 (1)广义相对论的两个基本原理 广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是相 同的 等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的 参考系等价 (2)广义相对论的几个结论 光线弯曲 时空弯曲 引力红移 电磁场和电磁波 (1)麦克斯韦理论的内容： _. (2)电磁波在传播过程中，每处的电场方向和磁场方 向总是_的，并和该处电磁波的传播方向 _，这就说明电磁波是_波 (3)目前雷达发射的电磁波频率多在200 MHz至 1 000 MHz的范围内请回答下列关于雷达和电磁波

20、 的有关问题 雷达发射电磁波的波长范围是多少 能否根据雷达发出的电磁波确定雷达和目标间的 距离 【点拨】(1)熟记麦克斯韦电磁场理论 (2)应用电磁波的传播公式vf. (3)雷达的相关知识 1. (2010北京宣武区模拟)如图所示，在一个小的圆形区域O内 有一垂直于纸面向内的匀强磁场，当磁场的磁感应强度B增加时， 那么它在该区域的右侧P点感应出的电场强度的方向是() A. 在纸面内向上 B. 在纸面内向下 C. 垂直纸面向里 D. 垂直纸面向外 【解析】根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场将产生电场， 根据右手定则可判断形成的电场线为逆时针方向，所以P点场 强方向在纸面内向上 【答案】A 狭义相

21、对论 (2010北京理综)属于狭义相对论基本假设的是：在不 同的惯性系中_ A. 真空中光速不变 B. 时间间隔具有相对性 C. 物体的质量不变 D. 物体的能量与质量成正比 【点拨】解答本题的关键是牢记狭义相对论基本假 设，要与时间间隔的相对性、相对论质量、质能方程 区分开来 【解析】狭义相对论基本假设为：一是在不同的惯性参考 系中，一切物理规律都是相同的；二是真空中的光速在不同 的惯性参考系中都是相同的，即光速不变原理，由此可知A属 于狭义相对论基本假设，故A正确，B、C、D错误 【 答案】A 2. 某人测得一静止均匀棒长为l、质量为m，于是求得此棒的 线密度为m/l，假定此棒以速度v在棒

22、长方向上运动，此人 再测棒的线密度应为多少，若棒在垂直长度方向上运动，它 的线密度又为多少 【解析】这里包含有两个相对论效应：(1)沿棒长方向 运动时的“长度收缩”效应；(2)运动物体的相对论质 量 本章中常常因为对麦克斯韦电磁场理论理解不到位而造 成错误 按照麦克斯韦的电磁场理论，以下说法中正确的是( ) A. 恒定的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围 产生恒定的电场 B. 电场周围产生磁场，磁场周围产生电场 C. 均匀变化的电场周围产生均匀变化的磁场，均匀变 化的磁场周围产生均匀变化的电场 D. 均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，均匀变化的 磁场周围产生稳定的电场 【错解】B 【正解】根据麦克斯韦电磁场理论，恒定的电场(磁 场)不能产生磁场(电场)；均匀变化的电场(磁场)产生恒 定的磁场(电场)；振荡的电场(磁场)产生振荡的磁场(电 场)故A、B、C错误，D正确 【答案】D 一、方法简介 近似法是在观察物理现象、进行物理实验、建立物理模