物理第八章 機械振動和機械波 第1講 機械振動

第1講機械振動知識梳理知識梳理一、簡諧運動一、簡諧運動1.五個概念五個概念物理量定義意義回復力F回促使振動物體返回平衡位置平衡位置的力來源:振動物體在振動方向振動方向受到的合力位移x由平衡位置平衡位置指向質點所在位置的有向線段描述質點振動中某時刻的位置相對于平衡位置平衡位置的位移,是矢量振幅A振動物體離開平衡位置的最大距離最大距離描述振動的強弱強弱和能量,是標量周期T振動物體完成一次全振動全振動所需時間描述振動的快慢快慢,兩者關系:T=頻率f振動物體在單位時間單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)1f2.三個特征及表達式三個特征及表達式(1)受力特征:F回=-kx。(2)運動特征:a=-x。x、v、a均按正弦或余弦正弦或余弦規(guī)律發(fā)生周期性變化(注意v、a的變化趨勢相反)。(3)能量特征:系統(tǒng)機械能守恒,振幅A不變。km3.簡諧運動的表達式與圖像簡諧運動的表達式與圖像(1)表達式x=Asin(t+0),其中t+0為相位。(2)圖像a.從平衡位置開始計時,函數(shù)表達式為x=Asint,圖像如圖甲所示。甲乙b.從最大位移處開始計時,函數(shù)表達式為x=Acost,圖像如圖乙所示。4.簡諧運動的兩種模型簡諧運動的兩種模型彈簧振子單擺示意圖特點(1)忽略彈簧的質量質量和摩擦力(2)彈簧對小球的彈力提供回復力回復力(1)忽略細線的質量且細線不可伸縮伸縮(2)小球的直徑和擺角要足夠小足夠小公式回復力F=-kx回復力F= - x周期T= 2 mgllg1.自由振動、受迫振動和共振自由振動、受迫振動和共振自由振動受迫振動共振受力情況系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用力驅動力作用驅動力作用振動周期或頻率由系統(tǒng)本身性質決定,即固有周期或固有頻率由驅動力的周期或頻率決定,即T=T驅或f=f驅T驅=T固或f驅=f固振動能量振動物體的機械能不變由產(chǎn)生驅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(5)機械工作時底座發(fā)生的振動 共振篩等二、受迫振動和共振二、受迫振動和共振2.共振曲線共振曲線由圖可知當f驅=f0時振幅最大最大。1.簡諧運動的平衡位置是指()A.速度為零的位置B.回復力為零的位置C.加速度為零的位置D.位移最大的位置B答案答案B簡諧運動的物體,平衡位置是回復力為零的位置,而合外力是否為零,不同的系統(tǒng)是不同的,因此加速度不一定為零,比如單擺在平衡位置時存在向心加速度。簡諧運動的物體經(jīng)過平衡位置時速度最大,位移為零。2.懸掛在豎直方向上的彈簧振子,周期為2s,從最低點的位置向上運動時開始計時,它的振動圖像如圖所示,由圖可知()A.t=1.25s時振子的加速度為正,速度為正B.t=1.7s時振子的加速度為負,速度為負C.t=1.0s時振子的速度為零,加速度為負的最大值D.t=1.5s時振子的速度為零,加速度為負的最大值C答案答案C彈簧振子振動時,加速度的方向總是指向平衡位置,且在最大位移處,加速度值最大,在平衡位置處加速度的值為0,由圖可知,A、B、D均錯誤,只有C正確。3.彈簧振子在光滑的水平面上做簡諧運動,在振子向著平衡位置運動的過程中()A.振子所受的回復力逐漸增大B.振子離開平衡位置的位移逐漸增大C.振子的速度逐漸增大D.振子的加速度逐漸增大C答案答案C由F=-kx知,振子向著平衡位置運動過程中,位移x逐漸減小,回復力減小,加速度逐漸減小,速度逐漸增大,只有C對。4.如圖所示,一單擺懸于O點,擺長為L,若在過O點的豎直線上的O點釘一個釘子,使OO=L/2,將單擺拉至A處釋放,小球將在A、B、C間來回振動,若振動中擺線與豎直方向夾角小于5,則此擺的周期是()A.2B.2C.+D.Lg2LgLg2Lg2LLgg答案答案DT=+=+,故選D。12T22TLg2LgD深化拓展深化拓展考點一考點一簡諧運動的簡諧運動的“五個五個”特征特征考點二考點二簡諧運動的圖像簡諧運動的圖像考點三考點三單擺的周期公式的應用單擺的周期公式的應用考點四考點四受迫振動和共振受迫振動和共振深化拓展深化拓展考點一簡諧運動的考點一簡諧運動的“五個五個”特征特征1.受力特征受力特征:回復力滿足F=-kx,即回復力大小與位移的大小成正比,方向與位移的方向相反。2.運動特征運動特征:簡諧運動是變速運動,位移x、速度v、加速度a都隨時間按正弦或余弦規(guī)律周期性變化。當振子靠近平衡位置時,a、F、x都減小,v增大;當振子遠離平衡位置時,a、F、x都增大,v減小。3.能量特征能量特征:振幅越大,能量越大。在運動過程中,動能和勢能相互轉化,機械能守恒。4.周期性特征周期性特征相隔T或nT的兩個時刻振子處于同一位置且振動狀態(tài)相同。5.對稱性特征對稱性特征(1)如圖所示,振子經(jīng)過關于平衡位置O對稱(OP=OP)的兩點P、P時,速度的大小、動能、勢能相等,相對于平衡位置的位移大小相等。(2)振子由P到O所用時間等于由O到P所用時間,即tPO=tOP。(3)振子往復運動過程中通過同一段路程(如OP段)所用時間相等即tOP=tPO。【情景素材【情景素材教師備用】教師備用】1-1一彈簧振子的位移y隨時間t變化的關系式為y=0.1sin2.5tm,時間t的單位為s。則()A.彈簧振子的振幅為0.2mB.彈簧振子的周期為1.25sC.在t=0.2s時,振子的運動速度為零D.在任意0.2s時間內(nèi),振子的位移均為0.1mC答案答案C由y=Asint和y=0.1sin2.5tm,可知A=0.1m,=2.5rad/s;又有T=,得T=0.8s,則A、B均錯誤。當t=0.2s時,彈簧振子位于最大位移處,此時振子的運動速度為零,C正確。0.2s是四分之一周期,而四分之一周期內(nèi)振子的位移是不確定的,故D錯誤。21-2如圖所示,彈簧振子在B、C間振動,O為平衡位置,BO=OC=5cm,若振子從B到C的運動時間是1s,則下列說法正確的是()A.振子從B經(jīng)O到C完成一次全振動B.振動周期是1s,振幅是10cmC.經(jīng)過兩次全振動,振子通過的路程是20cmD.從B開始經(jīng)過3s,振子通過的路程是30cmD答案答案D振子從BOC僅完成了半次全振動,所以周期T=21s=2s,振幅A=BO=5cm。振子在一次全振動中通過的路程為4A=20cm,所以兩次全振動中通過的路程為40cm。3s的時間為1.5T,所以振子從B開始經(jīng)過3s,振子通過的路程為30cm?？键c二簡諧運動的圖像考點二簡諧運動的圖像1.圖像的物理意義圖像的物理意義圖像描述的是振動物體對平衡位置的位移隨時間的變化情況,不是物體的運動軌跡。2.從簡諧運動的圖像上獲得的信息從簡諧運動的圖像上獲得的信息(1)確定振動物體在任一時刻的位移;(2)確定振動的振幅;(3)確定振動的周期和頻率;(4)確定各質點的振動方向;(5)比較各時刻質點加速度的大小和方向。【情景素材【情景素材教師備用】教師備用】2-1(2016北京理綜,15,6分)如圖所示,彈簧振子在M、N之間做簡諧運動。以平衡位置O為原點,建立Ox軸。向右為x軸正方向。若振子位于N點時開始計時,則其振動圖像為()答案答案A振子在N點時開始計時,其位移為正向最大,并按正弦規(guī)律變化,故選項A正確。2-2如圖是一彈簧振子在水平面內(nèi)做簡諧運動的x-t圖像,則下列說法正確的是()A.t1時刻和t2時刻具有相同的動能和動量B.t2到1.0s時間內(nèi)加速度變小,速度減小C.彈簧振子的振動方程是x=0.10sint(m)D.t2等于3倍的t1C答案答案C由x-t圖像知,t1時刻和t2時刻振子的速度大小相等、方向相反,彈簧振子具有相同的動能,動量大小相等,方向則相反,A錯誤;由題圖知t2到1.0s時間內(nèi)位移變小,則加速度變小,速度增大,B錯誤;由題圖知彈簧振子振動周期T=2.0s,則=rad/s,故振動方程為x=Asint=0.10sint(m),即C正確;由三角函數(shù)知識可知,t2應為t1的5倍,D錯誤。2T考點三單擺的周期公式的應用考點三單擺的周期公式的應用1.單擺的周期公式T=2,該公式提供了一種測定重力加速度g的方法。lg2.l為等效擺長,表示從懸點到擺球重心的距離。3.g為當?shù)刂亓铀俣取?.T=2只與l及g有關,而與振子的質量及振幅無關。lg【情景素材情景素材教師備用教師備用】3-1如圖甲所示是用沙擺演示振動圖像的實驗裝置,此裝置可視為擺長為L的單擺,沙擺的運動可看做簡諧運動,實驗時在木板上留下圖甲所示的結果。若用手拉木板做勻速運動,速度大小是v。圖乙所示的一段長度是s。下列說法正確的是()A.可估算出這次實驗所用沙擺對應的擺長B.若增大手拉木板的速度,則沙擺的周期將變大C.若減小沙擺擺動時的最大擺角,則沙擺的周期將變小D.若增大沙擺的擺長,保持拉動木板的速度不變,則仍將得到與圖乙完全相同的圖樣答案答案A由圖乙知=,T=2,得L=,選項A正確。沙擺的周期T=2,由擺長和重力加速度決定,與手拉木板的速度和沙擺擺動時的最大擺角無關,選項B、C錯。增大沙擺的擺長,拉動木板的速度不變,由=vT及T=2知,將變長,選項D錯。2sv2svLg22216gsvLgLg3-2宇航員在某星球表面以初速度v0豎直上拋一小球,經(jīng)過時間t小球落回原處。若他用發(fā)射裝置在該星球表面以速度v水平射出一個小球,小球恰好不落回星球表面。星球表面沒有空氣。不考慮星球的自轉。引力常量為G。求:(1)宇航員質量為m時,他在該星球表面的重力為多大?(2)擺長為L的單擺,在該星球表面的固有周期是多少?(3)該星球的平均密度。答案答案(1)(2)(3)02mvt02Ltv2234vGR解析解析(1)由豎直上拋運動知v0=gg=G重=mg=(2)單擺周期T=2=2=(3)以速度v水平發(fā)射一個小球,小球恰好不落回星球表面則知=m,=,V=R3得=2t02vt02mvtLg02Ltv02Ltv2GMmR2vRMV432234vGR考點四受迫振動和共振考點四受迫振動和共振1.受迫振動受迫振動(1)概念:系統(tǒng)在驅動力作用下的振動。(2)振動特征:受迫振動的頻率等于驅動力的頻率,與系統(tǒng)的固有頻率無關。(3)受迫振動中系統(tǒng)能量的轉化:受迫振動系統(tǒng)的機械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進行能量交換。2.共振共振(1)概念:驅動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時,受迫振動的振幅最大的現(xiàn)象。(2)共振條件:驅動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率。(3)特征:共振時振幅最大。(4)共振曲線:如圖所示。4-1(多選)某振動系統(tǒng)的固有頻率為f0,在驅動力的作用下做受迫振動,驅動力的頻率為f。若驅動力的振幅保持不變,下列說法正確的是()A.當ff0時,該振動系統(tǒng)的振幅隨f減小而增大C.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f0D.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于fBD答案答案BD受迫振動的振幅A隨驅動力的頻率變化規(guī)律如圖所示,當驅動力的頻率f接近固有頻率f0時,振幅增大,A項錯誤,B項正確;穩(wěn)定時系統(tǒng)的頻率等于驅動力的頻率,C項錯誤,D項正確。4-2(多選)如圖所示為受迫振動的演示裝置,當單擺A振動起來后,通過水平懸繩迫使單擺B、C振動,則下列說法正確的是()A.只有A、C擺振動周期相等B.C擺的振幅比B擺小C.C擺的振幅比B擺大D.A、B、C三擺的振動周期相等CD答案答案CD當單擺A振動起來后,單擺B、C做受迫振動,做受迫振動的物體的周期(或頻率)等于驅動力的周期(或頻率),選項A錯誤、D正確;當物體的固有頻率等于驅動力的頻率時,發(fā)生共振現(xiàn)象,再結合T=2及f=分析可知,選項C正確、B錯誤。Lg1T4-3(多選)如圖所示,曲軸上掛一個彈簧振子,轉動搖把,曲軸可帶動彈簧振子上下振動。開始時不轉動搖把,讓振子自由振動,測得其頻率為2Hz。現(xiàn)勻速轉動搖把,轉速為240r/min。則()A.當振子穩(wěn)定振動時,它的振動周期是0.5sB.當振子穩(wěn)定振動時,它的振動頻率是4HzC.當轉速增大時,彈簧振子的振幅增大D.當轉速減小時,彈簧振子的振幅增大BD答案答案BD搖把勻速轉動的頻率f=n=Hz=4Hz,周期T=0.25s,當振子穩(wěn)定振動時,它的振動周期及頻率均與驅動力的周期及頻率相等,A錯誤,B正確。當轉速減小時,其頻率將更接近彈簧振子的固有頻率2Hz,彈簧振子的振幅將增大,C錯誤,D正確。240601f