(浙江專用)2022-2023學年高中物理 第十一章 機械振動 第1課時 簡諧運動學案 新人教版選修3-4
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1、(浙江專用)2022-2023學年高中物理 第十一章 機械振動 第1課時 簡諧運動學案 新人教版選修3-4 [研究選考·把握考情] 知識內(nèi)容 簡諧運動 考試要求 加試b 教學要求 1.知道機械振動是一種周期性的往復(fù)運動 2.知道彈簧振子是理想化模型 3.知道彈簧振子的位移隨時間的變化規(guī)律 4.知道簡諧運動是最簡單、最基本的振動 5.知道簡諧運動圖象是正弦曲線,會根據(jù)圖象特點判斷物體是否做簡諧運動 6.會用實驗方法(包括傳感器)得到振動圖象 7.理解簡諧運動圖象的意義和特點,知道簡諧運動的圖象并不表示質(zhì)點的運動軌跡 8.了解振動圖象是記錄振動的常用方法 知識點一
2、 彈簧振子 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.平衡位置 小球原來靜止時的位置。 2.機械振動 小球在平衡位置附近的往復(fù)運動,是一種機械振動,簡稱振動。 3.彈簧振子 如圖1所示,把一個有孔的小球裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球穿在光滑的桿上,能夠自由滑動,兩者之間的摩擦可以忽略,彈簧的質(zhì)量與小球的質(zhì)量相比也可以忽略,這樣的系統(tǒng)稱為彈簧振子。 圖1 易錯警示 (1)彈簧振子不一定水平放置,例如:豎直懸掛的彈簧振子、光滑斜面上的彈簧振子,如圖2所示。 圖2 (2)振動是一種往復(fù)運動,具有周期性和往復(fù)性。 [即 學 即 練] (多選)下列運動屬于機械振動的是( )
3、 A.乒乓球在地面上的自由來回上下運動 B.彈簧振子在豎直方向的上下運動 C.秋千在空中的來回運動 D.豎立于水面上的圓柱形玻璃瓶的上下運動 答案 BCD 知識點二 彈簧振子的位移—時間圖象 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.建立坐標系 如圖3所示,以小球的平衡位置為坐標原點,沿著它的振動方向建立坐標軸。小球在平衡位置右邊時它對平衡位置的位移為正,在左邊時為負。 圖3 2.振子位置的確定 用頻閃照相機拍攝時,底片從下向上勻速運動,因此在底片上留下了小球和彈簧的一系列的像,對應(yīng)小球在各個時刻的位置,得到如圖3所示的圖象。 [要 點 精 講] 1.振子的位移x的意義 振子的位
4、移通常以平衡位置為參考點,是由平衡位置指向振子所在位置的有向線段(不同于一般運動的位移)。在x-t圖象中,振子位置在t軸上方,表示位移為正(如圖4中t1、t4時刻的位移),位置在t軸下方表示位移為負(如圖4中t2時刻的位移)。 圖4 2.圖象的物理意義:反映了振子位置隨時間變化的規(guī)律,它不是振子的運動軌跡。 【例1】 如圖5所示是用頻閃照相的方法獲得的彈簧振子的位移—時間圖象,下列有關(guān)該圖象的說法正確的是( ) 圖5 A.該圖象的坐標原點是建立在彈簧振子的平衡位置 B.從圖象可以看出小球在振動過程中是沿橫軸方向移動的 C.為了顯示小球在不同時刻偏離平衡位置的位移讓底片沿
5、垂直x軸方向勻速運動 D.圖象中小球的疏密顯示出相同時間內(nèi)小球位置變化快慢不同 解析 該圖象的坐標原點是建立在彈簧振子的平衡位置,小球的振動過程是在垂直于橫軸方向的,故A對B錯;由獲得圖象的方法知C對;頻閃照相是相同時間內(nèi)留下的小球的像,因此小球的疏密顯示了它的位置變化快慢,D對。 答案 ACD 名師點睛 (1)彈簧振子位于關(guān)于平衡位置對稱的兩點時,振子的位移大小相等,方向相反;振子的速度大小相等,方向可能相同,也可能相反。 (2)振動圖象描述的是振動質(zhì)點的位移隨時間的變化關(guān)系,而非質(zhì)點運動的軌跡。比如彈簧振子的運動,其軌跡為一條線段,而它的振動圖象卻是正弦曲線。 【例2】 如圖6
6、甲所示為一彈簧振子的位移-時間圖象,在乙圖中,規(guī)定振子向右的方向為正方向,則( ) 甲 乙 圖6 A.圖甲中振子振動的起始位置是O點 B.從初始位置開始,振子向右運動 C.甲圖中的O、A、B、C、D分別與乙圖中的E、G、E、F、E對應(yīng) D.在t=2 s時,振子的速度的方向與t=0時速度的方向相同 解析 由甲圖可知,起始位置位移為零,而位移是指由平衡位置指向振子所在位置的有向線段的長度,故起始位置應(yīng)在平衡位置,選項A正確;從初始位置開始,振子的位移為正,故振子向右運動,選項B正確;O、B、D點位移為零,對應(yīng)平衡位置E,A點為正向最大位移,對應(yīng)位置為G,C點為負
7、向最大位移,對應(yīng)位置為F,選項C正確;t=0時,切線斜率為正,說明振子向正方向運動,t=2 s時,切線斜率為負,說明振子向負方向運動,則兩時刻速度方向相反,選項D錯誤。 答案 ABC 知識點三 簡諧運動及其圖象 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.如果質(zhì)點的位移與時間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律,即它的振動圖象(x-t圖象)是一條正弦曲線,這樣的振動叫做簡諧運動。 2.簡諧運動是最簡單、最基本的振動,彈簧振子的運動就是簡諧運動。 [要 點 精 講] 1.簡諧運動的位移和一般運動中的位移有很大區(qū)別,一般運動中的位移都是由初位置指向末位置。而簡諧運動的位移都是由平衡位置指向振動質(zhì)點所在位置。 2.
8、簡諧運動中質(zhì)點原來靜止的位置是平衡位置。振動質(zhì)點振動過程中經(jīng)過平衡位置時位移是零,而速度最大。離開平衡位置時,位移變大,速度變小。速度為零處是最大位移處。 【例3】 如圖7所示為某質(zhì)點做簡諧運動的圖象,下列說法中正確的是( ) 圖7 A.由P→Q,位移在增大 B.由P→Q,速度在增大 C.由M→N,位移先減小后增大 D.由M→N,位移始終減小 解析 由P→Q,質(zhì)點遠離平衡位置運動,位移在增大而速度在減小,選項A正確,B錯誤;由M→N,質(zhì)點先向平衡位置運動,經(jīng)平衡位置后又遠離平衡位置,因而位移先減小后增大,選項C正確,D錯誤。 答案 AC 名師點睛 圖象的應(yīng)用 (1)確
9、定位移及變化 從簡諧運動圖象可直接讀出不同時刻t的位移值,從最大位移處向平衡位置運動過程中位移減小,從平衡位置向最大位移處運動過程中位移增大。 (2)確定各時刻速度的大小和方向 ①速度的方向結(jié)合質(zhì)點的實際運動方向判斷。 ②速度的大小根據(jù)位移情況判斷:在平衡位置,質(zhì)點速度最大;在最大位移處,質(zhì)點速度為0。在從平衡位置向最大位移處運動的過程中,速度減??;在從最大位移處向平衡位置運動的過程中,速度增大。 1.如圖8所示的彈簧振子,O點為它的平衡位置,當振子從A點運動到C點時,振子離開平衡位置的位移是( ) 圖8 A.大小為OC,方向向左 B.大小為OC,方向向右 C.大小
10、為AC,方向向左 D.大小為AC,方向向右 解析 振子離開平衡位置的位移,以O(shè)點為起點,C點為終點,位移大小為OC,方向向右,選項B正確。 答案 B 2.對于做簡諧運動的彈簧振子,下述說法中正確的是( ) A.振子通過平衡位置時,速度最大 B.振子在最大位移處時,速度最大 C.振子在連續(xù)兩次通過同一位置時,位移相同 D.振子連續(xù)兩次通過同一位置時,速度相同 解析 振子經(jīng)過平衡位置時速度最大,A正確;振子在最大位移處時速度最小,B錯誤;同一位置相對于平衡位置的位移相同,C正確;速度是矢量,振子經(jīng)過同一位置時速度的大小相同,方向不一定相同,D錯誤。 答案 AC 3.一個質(zhì)點
11、做簡諧運動的振動圖象如圖9所示,質(zhì)點在哪段時間內(nèi)的速度方向和位移的方向相同( ) 圖9 A.0~0.3 s和0.3~0.6 s B.0.6~0.9 s和0.9~1.2 s C.0~0.3 s和0.6~0.9 s D.0.3~0.6 s和0.9~1.2 s 解析 遠離平衡位置的過程是速度和位移方向相同的過程,所以C正確。 答案 C 4.一質(zhì)點做簡諧運動的圖象如圖10所示,下列說法正確的是( ) 圖10 A.0~1 s速度在增大 B.0~1 s位移在增大 C.2~3 s速度在增大 D.2~3 s位移在增大 解析 0~1 s質(zhì)點從正向最大位移處向平衡位置運動,
12、速度增大,位移減??;2~3 s質(zhì)點從負向最大位移處向平衡位置運動,速度增大,但相對于平衡位置的位移減小。故A、C正確。 答案 AC 一、選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.關(guān)于機械振動的位移和平衡位置,以下說法中正確的是( ) A.平衡位置就是物體振動范圍的中心位置 B.機械振動的位移總是以平衡位置為起點的位移 C.機械振動的物體運動的路程越大,發(fā)生的位移也就越大 D.機械振動的位移是指振動物體偏離平衡位置最遠時的位移 解析 平衡位置是物體原來靜止的位置,所以應(yīng)與受力有關(guān),與是否為振動范圍的中心位置無關(guān),所以A錯誤;振動位移是以平衡位置為
13、初始點,到振動物體所在位置的有向線段,振動位移隨時間而變化,振動物體偏離平衡位置最遠時,振動位移最大,選項B正確,D錯誤;振動物體的位移與運動的路程沒有關(guān)系,C錯誤。 答案 B 2.如圖1所示,彈簧下端懸掛一鋼球,上端固定,它們組成一個振動系統(tǒng)。用手把鋼球向上托起一段距離,然后釋放,鋼球便上下振動起來,若以豎直向下為正方向,下列說法正確的是( ) 圖1 A.鋼球的最低處為平衡位置 B.鋼球原來靜止時的位置為平衡位置 C.鋼球振動到平衡位置下方3 cm處時位移為3 cm D.鋼球振動到平衡位置上方2 cm處時位移為2 cm 解析 振子的平衡位置為振子靜止時的位置,故A錯誤,
14、B正確;振動中的位移為從平衡位置指向振子所在位置的有向線段,據(jù)題意可判斷C正確,D錯誤。 答案 BC 3.如圖2所示,彈簧振子在a、b兩點間做簡諧運動,在振子從最大位移處a向平衡位置O運動過程中( ) 圖2 A.位移方向向左,速度方向向左 B.位移方向向左,速度方向向右 C.位移不斷增大,速度不斷減小 D.位移不斷減小,速度不斷增大 解析 在振子從最大位移處a向平衡位置O運動的過程中,振子受到的合外力向右且不斷減小,速度方向向右且不斷增大,A、C錯誤;位移由平衡位置指向振子所處位置,方向向左,位移不斷減小,故B、D正確。 答案 BD 4.做簡諧運動的彈簧振子在某段時間
15、內(nèi)速度越來越大,則這段時間內(nèi)( ) A.振子的位移越來越大 B.振子正向平衡位置運動 C.振子速度與位移同向 D.振子速度與位移方向相反 解析 彈簧振子在某段時間內(nèi)速度越來越大,說明它正向平衡位置運動,故位移越來越小,A錯誤,B正確;位移方向是從平衡位置指向振子,故二者方向相反,C錯誤,D正確。 答案 BD 5.如圖3所示為某質(zhì)點在0~4 s內(nèi)的振動圖象,則( ) 圖3 A.質(zhì)點在3 s末的位移為2 m B.質(zhì)點在4 s末的位移為8 m C.質(zhì)點在4 s內(nèi)的路程為8 m D.質(zhì)點在4 s內(nèi)的路程為零 解析 振動質(zhì)點的位移指的是質(zhì)點離開平衡位置的位移,因
16、此3 s末的位移為-2 m,4 s末位移為零。路程是指質(zhì)點運動的路徑的長度,在4 s內(nèi)應(yīng)該是從平衡位置到最大位置這段距離的4倍,即為8 m,C正確。 答案 C 6.關(guān)于簡諧運動的圖象,下列說法中正確的是( ) A.表示質(zhì)點振動的軌跡是正弦或余弦曲線 B.由圖象可判斷任一時刻質(zhì)點相對平衡位置的位移大小與方向 C.表示質(zhì)點的位移隨時間變化的規(guī)律 D.由圖象可判斷任一時刻質(zhì)點的速度方向 解析 振動圖象表示位移隨時間的變化規(guī)律,不是運動軌跡,A錯誤,C正確;由振動圖象可判斷質(zhì)點位移和速度的大小及方向,B、D正確。 答案 BCD 7.如圖4所示是表示某彈簧振子運動的x-t圖象,下列說
17、法正確的是( ) 圖4 A.t1時刻振子正通過平衡位置向正方向運動 B.t2時刻振子的位移最大 C.t3時刻振子正通過平衡位置向正方向運動 D.該圖象是從振子在平衡位置時開始計時畫出的 解析 從題圖可以看出,t=0時刻,振子在正的最大位移處,因此是從正的最大位移處開始計時畫出的圖象,選項D錯誤;t1時刻以后振子的位移為負,因此t1時刻振子正通過平衡位置向負方向運動,選項A錯誤;t2時刻振子在負的最大位移處,因此可以說是振子的位移最大,選項B正確;t3時刻以后,振子的位移為正,所以該時刻振子正通過平衡位置向正方向運動,選項C正確。 答案 BC 8.一質(zhì)點做簡諧運動的圖象如圖
18、5所示,在4 s內(nèi)具有最大負方向速度和具有最大負方向位移的時刻分別是( ) 圖5 A.1 s 4 s B.3 s 2 s C.1 s 2 s D.3 s 4s 解析 質(zhì)點具有最大速度處在平衡位置,由圖中看是1 s處和3 s處,在1 s處振子將向負的最大位移處移動,所以此處速度為負,而3 s處速度為正向最大,在2 s和4 s處都有最大位移,2 s處位移為負方向,4 s處位移為正方向,選項C正確。 答案 C 9.如圖6所示為某質(zhì)點做簡諧運動的圖象,則下列說法正確的是( ) 圖6 A.質(zhì)點在0.7 s時,正在遠離平衡位置運動 B.質(zhì)點在1.5 s時的位移最大 C.
19、1.2 s到1.4 s,質(zhì)點的位移在增大 D.1.6 s到1.8 s,質(zhì)點的位移在增大 解析 由于位移是指由平衡位置指向質(zhì)點所在位置的有向線段,故質(zhì)點在0.7 s時正在向平衡位置運動,所以A項錯誤;質(zhì)點在1.5 s時的位移到達最大,B項正確;1.2 s到1.4 s,質(zhì)點正在遠離平衡位置,所以其位移在增加,C項正確;1.6 s到1.8 s,質(zhì)點正向平衡位置運動,所以其位移正在減小,故D項錯誤。 答案 BC 10.某彈簧振子的振動圖象如圖7所示。根據(jù)圖象判斷,下列說法正確的是( ) 圖7 A.第1 s內(nèi)振子相對于平衡位置的位移與速度方向相反 B.第2 s末振子相對于平衡位置的位
20、移為-20 cm C.第2 s末和第3 s末振子相對于平衡位置的位移不相同,但瞬時速度方向相反 D.第1 s內(nèi)和第2 s內(nèi)振子相對于平衡位置的位移方向相同,瞬時速度方向相反 解析 第1 s內(nèi)振子相對于平衡位置的位移為正方向,速度方向也為正方向,A錯誤;第2 s末振子在平衡位置,位移為零,B錯誤;第3 s末振子相對于平衡位置的位移為-20 cm,第2 s末振子恰好過平衡位置,且正向x軸負方向運動,而第3 s末振子瞬時速度剛好為零,所以C錯誤;第1 s內(nèi)和第2 s內(nèi)振子相對平衡位置的位移方向相同,瞬時速度方向相反,所以D正確。 答案 D 二、非選擇題 11.如圖8所示,簡諧運動的圖象上
21、有a、b、c、d、e、f六個點,其中: 圖8 (1)與a點位移相同的點有哪些? (2)與a點速度相同的點有哪些? 解析 根據(jù)簡諧運動的周期性、對稱性,以及位移、速度均是矢量,要同時考慮大小和方向。與a點位移相同的點有b、e、f;與a點速度相同的點有d、e。 答案 (1)b、e、f (2)d、e 12.在心電圖儀、地震儀等儀器工作過程中,要進行振動記錄。如圖9甲所示是一個常用的記錄方法,在彈簧振子的小球上安裝一支記錄用筆P,在下面放一條白紙帶。當小球振動時,勻速拉動紙帶(紙帶速度與振子振動方向垂直),筆就在紙帶上畫出一條曲線,如圖乙所示。若勻速拉動紙帶的速度為1 m/s,作出P的振動圖象。 圖9 解析 題中乙圖中運動的位移值可以對應(yīng)不同的時刻,由x=vt可知,當x=20 cm時,對應(yīng)時間t==0.2 s,作出圖象如圖所示。 答案 見解析圖
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