2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十四章 機(jī)械振動與機(jī)械波 光 電磁波與相對論 第1講 機(jī)械振動學(xué)案.doc
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第1講 機(jī)械振動 [高考命題解讀] 分析 年份 高考(全國卷)四年命題情況對照分析 1.考查方式 從近幾年高考題來看,對于選修3-4內(nèi)容的考查,形式比較固定,一般第(1)問為選擇題,5個選項.從考查內(nèi)容來看,機(jī)械振動和機(jī)械波、光學(xué)和電磁波的相關(guān)基礎(chǔ)知識和基本方法都曾經(jīng)命題.第(2)問命題主要以幾何光學(xué)命題為主. 2.命題趨勢 從近幾年高考命題來看,命題形式和內(nèi)容比較固定,應(yīng)該延續(xù),但是題目的情景可能向著貼進(jìn)生活的方向發(fā)展. 題號 命題點(diǎn) 2013年 Ⅰ卷34題 第(1)問選擇題,質(zhì)點(diǎn)的振動和波動的關(guān)系 第(2)問計算題,折射定律、全反射和光的直線傳播 Ⅱ卷34題 第(1)問填空題,簡諧運(yùn)動的相關(guān)知識 第(2)問計算題,光經(jīng)過三棱鏡的折射問題 2014年 Ⅰ卷34題 第(1)問選擇題,波動和振動圖象的結(jié)合、波速公式的應(yīng)用 第(2)問計算題,光經(jīng)過半圓柱形玻璃磚的全反射問題 Ⅱ卷34題 第(1)問選擇題,波動和振動圖象的結(jié)合、波速公式的應(yīng)用 第(2)問計算題,光經(jīng)過平板玻璃的折射現(xiàn)象以及折射率的求解 2015年 Ⅰ卷34題 第(1)問填空題,光的雙縫干涉實驗 第(2)問計算題,波的傳播的周期性問題 Ⅱ卷34題 第(1)問選擇題,光的折射、全反射、雙縫干涉的綜合問題 第(2)問計算題,波的傳播,波長、頻率與波速的關(guān)系 2016年 Ⅰ卷34題 第(1)問選擇題,波速公式的應(yīng)用和對波的性質(zhì)的理解 第(2)問計算題,光的折射和全反射,應(yīng)用幾何關(guān)系求解光學(xué)相關(guān)物理量 Ⅱ卷34題 第(1)問選擇題,電磁波的基本特點(diǎn) 第(2)問計算題,質(zhì)點(diǎn)的振動和波動問題,波速公式的應(yīng)用和振動位移函數(shù)式的書寫 Ⅲ卷34題 第(1)問選擇題,波的傳播和質(zhì)點(diǎn)的振動之間的關(guān)系 第(2)問計算題,光的折射現(xiàn)象和光路圖問題 1.簡諧運(yùn)動 (1)定義:如果質(zhì)點(diǎn)所受的力與它偏離平衡位置位移的大小成正比,并且總是指向平衡位置. (2)平衡位置:物體在振動過程中回復(fù)力為零的位置. (3)回復(fù)力 ①定義:使物體返回到平衡位置的力. ②方向:總是指向平衡位置. ③來源:屬于效果力,可以是某一個力,也可以是幾個力的合力或某個力的分力. [深度思考] 簡諧運(yùn)動的平衡位置就是質(zhì)點(diǎn)所受合力為零的位置嗎? 答案 不是,是回復(fù)力為零的位置. 2.簡諧運(yùn)動的兩種模型 模型 彈簧振子 單擺 示意圖 簡諧運(yùn)動條件 ①彈簧質(zhì)量要忽略 ②無摩擦等阻力 ③在彈簧彈性限度內(nèi) ①擺線為不可伸縮的輕細(xì)線 ②無空氣等阻力 ③最大擺角小于5 回復(fù)力 彈簧的彈力提供 擺球重力沿與擺線垂直方向(即切向)的分力 平衡 位置 彈簧處于原長處 最低點(diǎn) 周期 與振幅無關(guān) T=2π 能量 轉(zhuǎn)化 彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒 重力勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒 [深度思考] 做簡諧運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn),速度增大時,其加速度如何變化? 答案 一定減小. 3.簡諧運(yùn)動的公式和圖象 (1)簡諧運(yùn)動的表達(dá)式 ①動力學(xué)表達(dá)式:F=-kx,其中“-”表示回復(fù)力與位移的方向相反. ②運(yùn)動學(xué)表達(dá)式:x=Asin(ωt+φ),其中A代表振幅,ω=2πf表示簡諧運(yùn)動的快慢,ωt+φ代表簡諧運(yùn)動的相位,φ叫做初相. (2)簡諧運(yùn)動的圖象 ①從平衡位置開始計時,函數(shù)表達(dá)式為x=Asinωt,圖象如圖1甲所示. ②從最大位移處開始計時,函數(shù)表達(dá)式為x=Acosωt,圖象如圖乙所示. 圖1 4.受迫振動和共振 (1)受迫振動 系統(tǒng)在驅(qū)動力作用下的振動.做受迫振動的物體,它做受迫振動的周期(或頻率)等于驅(qū)動力的周期(或頻率),而與物體的固有周期(或頻率)無關(guān). (2)共振 做受迫振動的物體,它的驅(qū)動力的頻率與固有頻率越接近,其振幅就越大,當(dāng)二者相等時,振幅達(dá)到最大,這就是共振現(xiàn)象.共振曲線如圖2所示. 圖2 1.如圖3所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz.現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動把手,給彈簧振子以周期性的驅(qū)動力,測得彈簧振子振動達(dá)到穩(wěn)定時的頻率為1Hz,則把手轉(zhuǎn)動的頻率為( ) 圖3 A.1Hz B.3Hz C.4Hz D.5Hz 答案 A 解析 受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率,把手轉(zhuǎn)動的頻率為1Hz,選項A正確. 2.有一彈簧振子,振幅為0.8cm,周期為0.5s,初始時具有負(fù)方向的最大加速度,則它的振動方程是( ) A.x=810-3sinm B.x=810-3sinm C.x=810-1sinm D.x=810-1sinm 答案 A 解析 振幅A=0.8cm=810-3m,ω==4πrad/s.由題知初始時(即t=0時)振子在正向最大位移處,即sinφ0=1,得φ0=,故振子做簡諧運(yùn)動的方程為:x=810-3sinm,選項A正確. 3.(人教版選修3-4P5第3題)如圖4所示,在t=0到t=4s的范圍內(nèi)回答以下問題. 圖4 (1)質(zhì)點(diǎn)相對平衡位置的位移的方向在哪些時間內(nèi)跟它的瞬時速度的方向相同?在哪些時間內(nèi)跟瞬時速度的方向相反? (2)質(zhì)點(diǎn)在第2s末的位移是多少? (3)質(zhì)點(diǎn)在前2s內(nèi)走過的路程是多少? 答案 (1)在0~1s,2~3s內(nèi)位移方向跟它的瞬時速度方向相同;在1~2s,3~4s內(nèi)位移方向跟它的瞬時速度方向相反. (2)0 (3)20cm 4.(人教版選修3-4P12第4題)如圖5所示為某物體做簡諧運(yùn)動的圖象,在所畫曲線的范圍內(nèi)回答下列問題. 圖5 (1)哪些時刻物體的回復(fù)力與0.4s時刻的回復(fù)力相同? (2)哪些時刻物體的速度與0.4s時刻的速度相同? (3)哪些時刻的動能與0.4s時刻的動能相同? (4)哪些時間的加速度在減小? (5)哪些時間的勢能在增大? 答案 (1)0.6s、1.2s、1.4s (2)0.2s、1.0s、1.2s (3)0、0.2s、0.6s、0.8s、1.0s、1.2s和1.4s (4)0.1~0.3s、0.5~0.7s、0.9~1.1s和1.3~1.5s (5)0~0.1s、0.3~0.5s、0.7~0.9s、1.1~1.3s 命題點(diǎn)一 簡諧運(yùn)動的規(guī)律 簡諧運(yùn)動的五大特征 受力特征 回復(fù)力F=-kx,F(xiàn)(或a)的大小與x的大小成正比,方向相反 運(yùn)動特征 靠近平衡位置時,a、F、x都減小,v增大;遠(yuǎn)離平衡位置時,a、F、x都增大,v減小 能量特征 振幅越大,能量越大.在運(yùn)動過程中,系統(tǒng)的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒 周期性特征 質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、加速度和速度隨時間做周期性變化,變化周期就是簡諧運(yùn)動的周期T;動能和勢能也隨時間做周期性變化,其變化周期為 對稱性特征 關(guān)于平衡位置O對稱的兩點(diǎn),速度的大小、動能、勢能相等,相對平衡位置的位移大小相等;由對稱點(diǎn)到平衡位置O用時相等 例1 (2015山東38(1))如圖6所示,輕彈簧上端固定,下端連接一小物塊,物塊沿豎直方向做簡諧運(yùn)動.以豎直向上為正方向,物塊簡諧運(yùn)動的表達(dá)式為y=0.1sin (2.5πt) m.t=0時刻,一小球從距物塊h高處自由落下;t=0.6s時,小球恰好與物塊處于同一高度.取重力加速度的大小g=10m/s2.以下判斷正確的是( ) 圖6 A.h=1.7m B.簡諧運(yùn)動的周期是0.8s C.0.6s內(nèi)物塊運(yùn)動的路程是0.2m D.t=0.4s時,物塊與小球運(yùn)動方向相反 ①物塊沿豎直方向做簡諧運(yùn)動;②小球恰好與物塊處于同一高度. 答案 AB 解析 t=0.6s時,物塊的位移為y=0.1sin(2.5π0.6)m=-0.1m,則對小球h+|y|=gt2,解得h=1.7m,選項A正確;簡諧運(yùn)動的周期是T==s=0.8s,選項B正確;0.6s內(nèi)物塊運(yùn)動的路程是3A=0.3m,選項C錯誤;t=0.4s=時,物塊經(jīng)過平衡位置向下運(yùn)動,則此時物塊與小球運(yùn)動方向相同,選項D錯誤. 1.關(guān)于簡諧運(yùn)動的位移、加速度和速度的關(guān)系,下列說法中正確的是( ) A.位移減小時,加速度減小,速度也減小 B.位移方向總是與加速度方向相反,與速度方向相同 C.物體的運(yùn)動方向指向平衡位置時,速度方向與位移方向相反;背離平衡位置時,速度方向與位移方向相同 D.物體向負(fù)方向運(yùn)動時,加速度方向與速度方向相同;向正方向運(yùn)動時,加速度方向與速度方向相反 答案 C 解析 位移減小時,加速度減小,速度增大,A錯誤;位移方向總是與加速度方向相反,與速度方向有時相同,有時相反,B、D錯誤,C正確. 2.一個做簡諧運(yùn)動的彈簧振子,周期為T,振幅為A,已知振子從平衡位置第一次運(yùn)動到x=處所用的最短時間為t1,從最大的正位移處第一次運(yùn)動到x=處所用的最短時間為t2,那么t1與t2的大小關(guān)系正確的是( ) A.t1=t2 B.t1<t2 C.t1>t2 D.無法判斷 答案 B 解析 根據(jù)振子遠(yuǎn)離平衡位置時速度減小,靠近平衡位置時速度增大可知,振子第一次從平衡位置運(yùn)動到x=A處的平均速度大于第一次從最大正位移處運(yùn)動到x=A處的平均速度,而路程相等,說明t1<t2.故A、C、D錯誤,B正確. 命題點(diǎn)二 簡諧運(yùn)動圖象的理解和應(yīng)用 1.根據(jù)簡諧運(yùn)動圖象可獲取的信息: (1)振幅A、周期T(或頻率f)和初相位φ(如圖7所示). 圖7 (2)某時刻振動質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移. (3)某時刻質(zhì)點(diǎn)速度的大小和方向:曲線上各點(diǎn)切線的斜率的大小和正負(fù)分別表示各時刻質(zhì)點(diǎn)的速度的大小和速度的方向,速度的方向也可根據(jù)下一時刻質(zhì)點(diǎn)的位移的變化來確定. (4)某時刻質(zhì)點(diǎn)的回復(fù)力和加速度的方向:回復(fù)力總是指向平衡位置,回復(fù)力和加速度的方向相同,在圖象上總是指向t軸. (5)某段時間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、加速度、速度、動能和勢能的變化情況. 2.利用簡諧運(yùn)動圖象理解簡諧運(yùn)動的對稱性:(圖8) 圖8 (1)相隔Δt=(n+)T(n=0,1,2,…)的兩個時刻,彈簧振子的位置關(guān)于平衡位置對稱,位移等大反向,速度也等大反向. (2)相隔Δt=nT(n=0,1,2,…)的兩個時刻,彈簧振子在同一位置,位移和速度都相同. 例2 甲、乙兩彈簧振子的振動圖象如圖9所示,則可知( ) 圖9 A.兩彈簧振子完全相同 B.兩彈簧振子所受回復(fù)力最大值之比F甲∶F乙=2∶1 C.振子甲速度為零時,振子乙速度最大 D.兩振子的振動頻率之比f甲∶f乙=2∶1 E.振子乙速度為最大時,振子甲速度不一定為零 答案 CE 解析 從圖象中可以看出,兩彈簧振子周期之比T甲∶T乙=2∶1,則頻率之比f甲∶f乙=1∶2,D錯誤;彈簧振子周期與振子質(zhì)量、彈簧勁度系數(shù)k有關(guān),周期不同,說明兩彈簧振子不同,A錯誤;由于彈簧的勁度系數(shù)k不一定相同,所以兩彈簧振子所受回復(fù)力(F=-kx)的最大值之比F甲∶F乙不一定為2∶1,B錯誤;由簡諧運(yùn)動的特點(diǎn)可知,在振子到達(dá)平衡位置時位移為零,速度最大,在振子到達(dá)最大位移處時,速度為零,從圖象中可以看出,在振子甲到達(dá)最大位移處時,振子乙恰好到達(dá)平衡位置;C正確;當(dāng)振子乙到達(dá)平衡位置時,振子甲有兩個可能的位置,一個是最大位移處,一個是平衡位置,E正確. 3.(2016北京理綜15)如圖10所示,彈簧振子在M、N之間做簡諧運(yùn)動.以平衡位置O為原點(diǎn),建立Ox軸.向右為x軸正方向.若振子位于N點(diǎn)時開始計時,則其振動圖象為( ) 圖10 答案 A 解析 開始計時時振子位于正向最大位移處向負(fù)方向做簡諧運(yùn)動,振動圖象為余弦函數(shù)圖象,A項對. 4.如圖11甲所示,彈簧振子以O(shè)點(diǎn)為平衡位置,在A、B兩點(diǎn)之間做簡諧運(yùn)動.取向右為正方向,振子的位移x隨時間t的變化圖象如圖乙所示,下列說法正確的是( ) 圖11 A.t=0.8s時,振子的速度方向向左 B.t=0.2s時,振子在O點(diǎn)右側(cè)6cm處 C.t=0.4s和t=1.2s時,振子的加速度完全相同 D.t=0.4s到t=0.8s的時間內(nèi),振子的速度逐漸減小 答案 A 解析 從t=0.8s時起,再過一段微小時間,振子的位移為負(fù)值,因為取向右為正方向,故t=0.8s時,速度方向向左,A正確;由題圖乙得振子的位移x=12sintcm,故t=0.2s時,x=6cm,故B錯誤;t=0.4s和t=1.2s時,振子的位移方向相反,加速度方向相反,C錯誤;t=0.4s到t=0.8s的時間內(nèi),振子的位移逐漸變小,故振子逐漸靠近平衡位置,其速度逐漸變大,故D錯誤. 5.如圖12所示為一彈簧振子的振動圖象,試完成以下問題: 圖12 (1)寫出該振子簡諧運(yùn)動的表達(dá)式; (2)在第2s末到第3s末這段時間內(nèi),彈簧振子的加速度、速度、動能和彈性勢能各是怎樣變化的? (3)該振子在前100s的總位移是多少?路程是多少? 答案 見解析 解析 (1)由振動圖象可得A=5cm,T=4s,φ=0 則ω==rad/s 故該振子簡諧運(yùn)動的表達(dá)式為x=5sintcm (2)由題圖可知,在t=2s時,振子恰好通過平衡位置,此時加速度為零,隨著時間的延續(xù),位移不斷變大,加速度也變大,速度不斷變小,動能不斷減小,彈性勢能逐漸增大,當(dāng)t=3s時,加速度達(dá)到最大值,速度等于零,動能等于零,彈性勢能達(dá)到最大值. (3)振子經(jīng)過一個周期位移為零,路程為45cm=20cm,前100s剛好經(jīng)過了25個周期,所以前100s振子的位移x=0,振子的路程s=2520cm=500cm=5m. 命題點(diǎn)三 單擺的周期公式和萬有引力定律的結(jié)合 1.單擺的受力特征 (1)回復(fù)力:擺球重力沿切線方向的分力,F(xiàn)回=-mgsinθ=-x=-kx,負(fù)號表示回復(fù)力F回與位移x的方向相反. (2)向心力:細(xì)線的拉力和重力沿細(xì)線方向分力的合力充當(dāng)向心力,F(xiàn)向=FT-mgcosθ. (3)兩點(diǎn)說明 ①當(dāng)擺球在最高點(diǎn)時,F(xiàn)向==0,F(xiàn)T=mgcosθ. ②當(dāng)擺球在最低點(diǎn)時,F(xiàn)向=,F(xiàn)向最大,F(xiàn)T=mg+m. 2.周期公式T=2π的兩點(diǎn)說明 (1)l為等效擺長,表示從懸點(diǎn)到擺球重心的距離. (2)g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋? 例3 一單擺在地面處的擺動周期與在某礦井底部擺動周期的比值為k.設(shè)地球的半徑為R,地球的密度均勻.已知質(zhì)量均勻分布的球殼對殼內(nèi)物體的引力為零,求礦井的深度d. 質(zhì)量均勻分布的球殼對殼內(nèi)物體的引力為零. 答案 見解析 解析 根據(jù)萬有引力定律,地面處質(zhì)量為m的物體的重力mg=G 式中g(shù)是地面處的重力加速度,M是地球的質(zhì)量.設(shè)ρ是地球的密度,則有M=πρR3 擺長為l的單擺在地面處的擺動周期為T=2π 若該物體位于礦井底部,則其重力為mg′=G 式中g(shù)′是礦井底部的重力加速度,且M′=πρ(R-d)3 在礦井底部此單擺的周期為T′=2π 由題意:T=kT′ 聯(lián)立以上各式得d=R(1-k2) 6.(2014安徽理綜14)在科學(xué)研究中,科學(xué)家常將未知現(xiàn)象同已知現(xiàn)象進(jìn)行比較,找出其共同點(diǎn),進(jìn)一步推測未知現(xiàn)象的特性和規(guī)律.法國物理學(xué)家?guī)靵鲈谘芯慨惙N電荷的吸引力問題時,曾將扭秤的振動周期與電荷間距離的關(guān)系類比單擺的振動周期與擺球到地心距離的關(guān)系.已知單擺擺長為l,引力常量為G,地球質(zhì)量為M,擺球到地心的距離為r,則單擺振動周期T與距離r的關(guān)系式為( ) A.T=2πr B.T=2πr C.T= D.T=2πl(wèi) 答案 B 解析 根據(jù)單擺周期公式T=2π和GM=gr2可得T=2π=2πr,故選項B正確. 命題點(diǎn)四 受迫振動和共振 1.自由振動、受迫振動和共振的關(guān)系比較 振動 項目 自由振動 受迫振動 共振 受力情況 僅受回復(fù)力 受驅(qū)動力作用 受驅(qū)動力作用 振動周期或頻率 由系統(tǒng)本身性質(zhì)決定,即固有周期T0或固有頻率f0 由驅(qū)動力的周期或頻率決定,即T=T驅(qū)或f=f驅(qū) T驅(qū)=T0或f驅(qū)=f0 振動能量 振動物體的機(jī)械能不變 由產(chǎn)生驅(qū)動力的物體提供 振動物體獲得的能量最大 常見例子 彈簧振子或單擺(θ≤5) 機(jī)械工作時底座發(fā)生的振動 共振篩、聲音的共鳴等 2.對共振的理解 (1)共振曲線:如圖13所示,橫坐標(biāo)為驅(qū)動力頻率f,縱坐標(biāo)為振幅A,它直觀地反映了驅(qū)動力頻率對某固有頻率為f0的振動系統(tǒng)受迫振動振幅的影響,由圖可知,f與f0越接近,振幅A越大;當(dāng)f=f0時,振幅A最大. 圖13 (2)受迫振動中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化:做受迫振動的系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進(jìn)行能量交換. 例4 下表記錄了某受迫振動的振幅隨驅(qū)動力頻率變化的關(guān)系,若該振動系統(tǒng)的固有頻率為f固,則( ) 驅(qū)動力頻率/Hz 30 40 50 60 70 80 受迫振動振幅/cm 10.2 16.8 27.2 28.1 16.5 8.3 A.f固=60Hz B.60Hz<f固<70Hz C.50Hz<f固<60Hz D.以上三個都不對 答案 C 解析 從如圖所示的共振曲線可判斷出f驅(qū)與f固相差越大,受迫振動的振幅越小;f驅(qū)與f固越接近,受迫振動的振幅越大.并可以從中看出f驅(qū)越接近f固,振幅的變化越慢.比較各組數(shù) 據(jù)知f驅(qū)在50~60Hz范圍內(nèi)時,振幅變化最小,因此50Hz<f固<60Hz,即C正確. 7.如圖14所示,在一條張緊的繩子上掛幾個擺,其中A、B的擺長相等.當(dāng)A擺振動的時候,通過張緊的繩子給B、C、D擺施加驅(qū)動力,使其余各擺做受迫振動.觀察B、C、D擺的振動發(fā)現(xiàn)( ) 圖14 A.C擺的頻率最小 B.D擺的周期最大 C.B擺的擺角最大 D.B、C、D的擺角相同 答案 C 解析 由A擺擺動從而帶動其它3個單擺做受迫振動,受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率,故其它各擺振動周期跟A擺相同,頻率也相等.故A、B錯誤;受迫振動中,當(dāng)固有頻率等于驅(qū)動力頻率時,出現(xiàn)共振現(xiàn)象,振幅達(dá)到最大,由于B擺的固有頻率與A擺的相同,故B擺發(fā)生共振,振幅最大,故C正確,D錯誤. 8.在實驗室可以做“聲波碎杯”的實驗,用手指輕彈一只玻璃酒杯,可以聽到清脆的聲音,測得這聲音的頻率為500Hz.將這只酒杯放在一個大功率的聲波發(fā)生器前,操作人員通過調(diào)整其發(fā)出的聲波,就能使酒杯碎掉.下列說法中正確的是( ) A.操作人員必須把聲波發(fā)生器輸出的功率調(diào)到很大 B.操作人員必須使聲波發(fā)生器發(fā)出頻率很高的超聲波 C.操作人員必須同時增大聲波發(fā)生器發(fā)出聲波的頻率和功率 D.操作人員必須將聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波頻率調(diào)到500Hz,且適當(dāng)增大其輸出功率 答案 D 解析 由題可知用手指輕彈一只酒杯,測得這聲音的頻率為500Hz,就是酒杯的固有頻率.當(dāng)物體發(fā)生共振時,物體振動的振幅最大,甚至可能造成物體解體.將這只酒杯放在一個大功率的聲波發(fā)生器前,操作人員通過調(diào)整其發(fā)出的聲波,將酒杯碎掉是利用的共振現(xiàn)象,而發(fā)生共振的條件是驅(qū)動力的頻率等于物體的固有頻率,而酒杯的固有頻率為500Hz,故操作人員要將聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波頻率調(diào)到500Hz,使酒杯產(chǎn)生共振,從而能將酒杯碎掉,故D正確. 單擺模型 模型特點(diǎn):單擺模型指符合單擺規(guī)律的模型,需滿足以下三個條件: (1)圓弧運(yùn)動; (2)小角度往復(fù)運(yùn)動; (3)回復(fù)力滿足F=-kx. 典例 如圖15所示,ACB為光滑弧形槽,弧形槽半徑為R,C為弧形槽最低點(diǎn),R?.甲球從弧形槽的球心處自由下落,乙球從A點(diǎn)由靜止釋放,問: 圖15 (1)兩球第1次到達(dá)C點(diǎn)的時間之比; (2)若在圓弧的最低點(diǎn)C的正上方h處由靜止釋放小球甲,讓其自由下落,同時將乙球從圓弧左側(cè)由靜止釋放,欲使甲、乙兩球在圓弧最低點(diǎn)C處相遇,則甲球下落的高度h是多少? 答案 (1) (2)(n=0,1,2…) 解析 (1)甲球做自由落體運(yùn)動 R=gt,所以t1= 乙球沿圓弧做簡諧運(yùn)動(由于?R,可認(rèn)為擺角θ<5).此運(yùn)動與一個擺長為R的單擺運(yùn)動模型相同,故此等效擺長為R,因此乙球第1次到達(dá)C處的時間為 t2=T=2π=, 所以t1∶t2=. (2)甲球從離弧形槽最低點(diǎn)h高處自由下落,到達(dá)C點(diǎn)的時間為t甲= 由于乙球運(yùn)動的周期性,所以乙球到達(dá)C點(diǎn)的時間為 t乙=+n=(2n+1) (n=0,1,2,…) 由于甲、乙在C點(diǎn)相遇,故t甲=t乙 聯(lián)立解得h= (n=0,1,2…). 1.解決該類問題的思路:首先確認(rèn)符合單擺模型的條件,即小球沿光滑圓弧運(yùn)動,小球受重力、軌道支持力(此支持力類似單擺中的擺線拉力);然后尋找等效擺長l及等效加速度g;最后利用公式T=2π或簡諧運(yùn)動規(guī)律分析求解問題. 2.易錯提醒:單擺模型做簡諧運(yùn)動時具有往復(fù)性,解題時要審清題意,防止漏解或多解. 題組1 簡諧運(yùn)動的物理量和表達(dá)式 1.做簡諧運(yùn)動的物體,當(dāng)它每次經(jīng)過同一位置時,可能不同的物理量是( ) A.位移B.速度C.加速度D.回復(fù)力 答案 B 2.某質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動,其位移隨時間變化的關(guān)系式為x=Asint,則質(zhì)點(diǎn)( ) A.第1s末與第3s末的位移相同 B.第1s末與第3s末的速度相同 C.第3s末至第5s末的位移方向都相同 D.第3s末至第5s末的速度方向都相同 答案 AD 解析 由關(guān)系式可知ω= rad/s,T==8 s,將t=1 s和t=3 s代入關(guān)系式中求得兩時刻位移相同,A對;作出質(zhì)點(diǎn)的振動圖象,由圖象可以看出,第1 s末和第3 s末的速度方向不同,B錯;由圖象可知,第3 s末至第4 s末質(zhì)點(diǎn)的位移方向與第4 s末至第5 s末質(zhì)點(diǎn)的位移方向相反,而速度的方向相同,故C錯,D對. 3.做簡諧振動的單擺擺長不變,若擺球質(zhì)量增加為原來的4倍,擺球經(jīng)過平衡位置時速度減小為原來的,則單擺振動的( ) A.頻率、振幅都不變 B.頻率、振幅都改變 C.頻率不變、振幅改變 D.頻率改變、振幅不變 答案 C 解析 單擺的周期由擺長和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葲Q定.由單擺的周期公式T=2π,可知,單擺擺長不變,則周期不變,頻率不變;振幅A是反映單擺運(yùn)動過程中的能量大小的物理量,由Ek=mv2結(jié)合題意可知,擺球經(jīng)過平衡位置時的動能不變,因質(zhì)量增大,故振幅減小,所以C正確. 題組2 簡諧運(yùn)動的圖象 4.如圖1甲所示,水平的光滑桿上有一彈簧振子,振子以O(shè)點(diǎn)為平衡位置,在a、b兩點(diǎn)之間做簡諧運(yùn)動,其振動圖象如圖乙所示.由振動圖象可以得知( ) 圖1 A.振子的振動周期等于t1 B.在t=0時刻,振子的位置在a點(diǎn) C.在t=t1時刻,振子的速度為零 D.從t1到t2,振子正從O點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)動 答案 D 解析 彈簧振子先后經(jīng)歷最短時間到達(dá)同一位置時,若速度相同,則這段時間間隔就等于彈簧振子的振動周期,從振動圖象可以看出振子的振動周期為2t1,選項A錯誤;在t=0時刻,振子的位移為零,所以振子應(yīng)該在平衡位置O,選項B錯誤;在t=t1時刻,振子在平衡位置O,該時刻振子速度最大,選項C錯誤;從t1到t2,振子的位移在增加,所以振子正從O點(diǎn)向b點(diǎn)運(yùn)動,選項D正確. 5.一質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動的圖象如圖2所示,下列說法正確的是( ) 圖2 A.質(zhì)點(diǎn)振動頻率是4Hz B.在10s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過的路程是20cm C.第4s末質(zhì)點(diǎn)的速度是零 D.在t=1s和t=3s兩時刻,質(zhì)點(diǎn)位移大小相等、方向相同 答案 B 解析 由題圖可知,該簡諧運(yùn)動的周期為4 s,頻率為0.25 Hz,在10 s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過的路程是2.54A=20 cm.第4 s末質(zhì)點(diǎn)的速度最大.在t=1 s和t=3 s兩時刻,質(zhì)點(diǎn)位移大小相等、方向相反.故B正確. 6.如圖3所示為同一地點(diǎn)的兩單擺甲、乙的振動圖象,則下列說法中正確的是( ) 圖3 A.甲、乙兩單擺的擺長相等 B.甲擺的振幅比乙擺大 C.甲擺的機(jī)械能比乙擺大 D.在t=0.5s時有正向最大加速度的是乙擺 E.由圖象可以求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? 答案 ABD 解析 由振動圖象可以看出,甲擺的振幅比乙擺的大,兩單擺的振動周期相同,根據(jù)單擺周期公式T=2π可得,甲、乙兩單擺的擺長相等,但不知道擺長是多少,不能計算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭,故A、B正確,E錯誤;兩單擺的質(zhì)量未知,所以兩單擺的機(jī)械能無法比較,故C錯誤;在t=0.5s時,乙擺有負(fù)向最大位移,即有正向最大加速度,而甲擺的位移為零,加速度為零,故D正確. 7.一個單擺在地面上做受迫振動,其共振曲線(振幅A與驅(qū)動力頻率f的關(guān)系)如圖4所示,則( ) 圖4 A.此單擺的固有周期約為0.5s B.此單擺的擺長約為1m C.若擺長增大,單擺的固有頻率增大 D.若擺長增大,共振曲線的峰將向右移動 答案 B 解析 由共振曲線知此單擺的固有頻率為0.5Hz,固有周期為2s;再由T=2π,得此單擺的擺長約為1m;若擺長增大,單擺的固有周期增大,固有頻率減小,則共振曲線的峰將向左移動. 8.簡諧運(yùn)動的振動圖線可用下述方法畫出:如圖5甲所示,在彈簧振子的小球上安裝一支繪圖筆P,讓一條紙帶在與小球振動方向垂直的方向上勻速運(yùn)動,筆P在紙帶上畫出的就是小球的振動圖象.取振子水平向右的方向為振子離開平衡位置的位移正方向,紙帶運(yùn)動的距離代表時間,得到的振動圖線如圖乙所示.則下列說法中正確的是( ) 圖5 A.彈簧振子的周期為4s B.彈簧振子的振幅為10cm C.t=17s時振子相對平衡位置的位移是10cm D.若紙帶運(yùn)動的速度為2cm/s,振動圖線上1、3兩點(diǎn)間的距離是4cm E.2.5s時振子正在向x軸正方向運(yùn)動 答案 ABD 解析 周期是振子完成一次全振動的時間,由圖知,彈簧振子的周期為T=4 s,故A正確;振幅是振子離開平衡位置的最大距離,由圖知,彈簧振子的振幅為10 cm,故B正確;振子的周期為4 s,由周期性知,t=17 s時振子相對平衡位置的位移與t=1 s時振子相對平衡位置的位移相同,為0.故C錯誤;若紙帶運(yùn)動的速度為2 cm/s,振動圖線上1、3兩點(diǎn)間的距離是s=vt=2 cm/s2 s=4 cm,故D正確;圖象的斜率表示速度,斜率正負(fù)表示速度的方向,則知2.5 s時振子的速度為負(fù),正在向x軸負(fù)方向運(yùn)動,故E錯誤. 題組3 簡諧運(yùn)動的綜合問題 9.如圖6所示為一個豎直放置的彈簧振子,物體沿豎直方向在A、B之間做簡諧運(yùn)動,O點(diǎn)為平衡位置,A點(diǎn)位置恰好為彈簧的原長.物體由C點(diǎn)運(yùn)動到D點(diǎn)(C、D兩點(diǎn)未在圖上標(biāo)出)的過程中,彈簧的彈性勢能增加了3.0J,重力勢能減少了2.0J.對于這段過程說法正確的是( ) 圖6 A.物體的動能增加1.0J B.C點(diǎn)的位置可能在平衡位置以上 C.D點(diǎn)的位置可能在平衡位置以上 D.物體經(jīng)過D點(diǎn)的運(yùn)動方向可能指向平衡位置 答案 BD 10.一質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動,其位移與時間的關(guān)系如圖7所示. 圖7 (1)求t=0.2510-2s時質(zhì)點(diǎn)的位移; (2)在t=1.510-2s到t=210-2s的振動過程中,質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、速度、動能、勢能如何變化? (3)在t=0到t=8.510-2s時間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)的路程、位移各多大? 答案 (1)-cm (2)變大 變大 變小 變小 變大 (3)34cm 2cm 解析 (1)由題圖可知A=2cm,T=210-2s,振動方程為x=Asin (ωt-)=-Acosωt=-2cos (t) cm=-2cos100πtcm 當(dāng)t=0.2510-2s時,x=-2coscm=-cm. (2)由題圖可知在t=1.510-2s到t=210-2s的振動過程中,質(zhì)點(diǎn)的位移變大,回復(fù)力變大,速度變小,動能變小,勢能變大. (3)在t=0到t=8.510-2s時間內(nèi)經(jīng)歷個周期,質(zhì)點(diǎn)的路程為s=17A=34cm,位移為2cm.- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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