机械波-知识点-例题详解(共36页)

精选优质文档-倾情为你奉上第八章 机械振机械波目的要求：理解简谐振动和波的传播过程中各量变化的规律特点,掌握单摆模型的有关计算横波的传播规律和利用波的图象进行综合分析二、简谐振动及其描述物理量1、振动描述的物理量（1）位移：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段 是矢量，其最大值等于振幅；始点是平衡位置，所以跟回复力方向永远相反；位移随时间的变化图线就是振动图象（2）振幅：离开平衡位置的最大距离是标量； 表示振动的强弱；（3）周期和频率：完成一次全变化所用的时间为周期T，每秒钟完成全变化的次数为频率f二者都表示振动的快慢；二者互为倒数；T=1/f；当T和f由振动系统本身的性质决定时（非受迫振动），则叫固有频率与固有周期是定值，固有周期和固有频率与物体所处的状态无关2、简谐振动：物体所受的回复力跟位移大小成正比时，物体的振动是简偕振动受力特征：回复力F=KX。运动特征：加速度a=一kxm，方向与位移方向相反，总指向平衡位置。简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零；在最大位移处，速度为零，加速度最大。说明：判断一个振动是否为简谐运动的依据是看该振动中是否满足上述受力特征或运动特征。第一单元 简谐振动、振动图像一、机械振动1、机械振动：物体（或物体的一部分）在某一中心位置两侧做的往复运动振动的特点:存在某一中心位置;往复运动,这是判断物体运动是否是机械振动的条件.产生振动的条件:振动物体受到回复力作用;阻尼足够小;2、回复力：振动物体所受到的总是指向平衡位置的合外力回复力时刻指向平衡位置;回复力是按效果命名的, 可由任意性质的力提供可以是几个力的合力也可以是一个力的分力; 合外力：指振动方向上的合外力，而不一定是物体受到的合外力在平衡位置处：回复力为零，而物体所受合外力不一定为零如单摆运动，当小球在最低点处，回复力为零，而物体所受的合外力不为零3、平衡位置：是振动物体受回复力等于零的位置；也是振动停止后，振动物体所在位置；平衡位置通常在振动轨迹的中点。“平衡位置”不等于“平衡状态”。平衡位置是指回复力为零的位置，物体在该位置所受的合外力不一定为零。（如单摆摆到最低点时，沿振动方向的合力为零，但在指向悬点方向上的合力却不等于零，所以并不处于平衡状态）简谐运动中涉及的位移、速率、加速度的参考点，都是平衡位置.【例1】如图，轻质弹簧上端固定，下端连结一小球，平衡时小球处于O位置，现将小球由O位置再下拉一小段距离后释放（在弹性限度内），试证明释放后小球的上下振动是简谐振动，证明：设小球的质量为m，弹簧的劲度系数为k，小球处在O位置有：mgkx=0式中x为小球处在O位置时弹簧的伸长量再设小球离开O点的位移x（比如在O点的下方），并取x为矢量正方向，此时小球受到的合外力Fx为：Fx =mgk（xx）由两式可得：Fx =kx, 所以小球的振动是简谐振动，O点即其振动的平衡位置 点评：这里的F=kx，不是弹簧的弹力，而是弹力与重力的合力，即振动物体的回复力此时弹力为k（xx）；所以求回复力时Fkx，x是相对平衡位置的位移，而不是相对弹簧原长的位移三弹簧振子：1、一个可作为质点的小球与一根弹性很好且不计质量的弹簧相连组成一个弹簧振子一般来讲，弹簧振子的回复力是弹力（水平的弹簧振子）或弹力和重力的合力（竖直的弹簧振子）提供的弹簧振子与质点一样，是一个理想的物理模型2、弹簧振子振动周期：T=2，只由振子质量和弹簧的劲度决定，与振幅无关，也与弹簧振动情况（如水平方向振动或竖直方向振动或在光滑的斜面上振动或在地球上或在月球上或在绕地球运转的人造卫星上）无关。3、可以证明，竖直放置的弹簧振子的振动也是简谐运动，周期公式也是。这个结论可以直接使用。4、在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力；在竖直方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。【例2】如图所示，在质量为M的无下底的木箱顶部用一轻弹簧悬挂质量均为m（Mm）的D、B两物体箱子放在水平地面上，平衡后剪断D、B间的连线，此后D将做简谐运动当D运动到最高点时，木箱对地压力为（ ） A、Mg； B（Mm）g； C、（Mm）g ； D、（M2m）g【解析】当剪断D、B间的连线后，物体D与弹簧一起可当作弹簧振子，它们将作简谐运动，其平衡位置就是当弹力与D的重力相平衡时的位置初始运动时D的速度为零，故剪断D、B连线瞬间D相对以后的平衡位置的距离就是它的振幅，弹簧在没有剪断D、B连线时的伸长量为x12 mgk，在振动过程中的平衡位置时的伸长量为x2mgk，故振子振动过程中的振幅为 Ax2x1= mgkD物在运动过程中，能上升到的最大高度是离其平衡位移为A的高度，由于D振动过程中的平衡位置在弹簧自由长度以下mgk处，刚好弹簧的自由长度处就是物D运动的最高点，说明了当D运动到最高点时，D对弹簧无作用力，故木箱对地的压力为木箱的重力Mg点评：一般说来，弹簧振子在振动过程中的振幅的求法均是先找出其平衡位置，然后找出当振子速度为零时的位置，这两个位置间的距离就是振幅本题侧重在弹簧振子运动的对称性解答本题还可以通过求D物运动过程中的最大加速度，它在最高点具有向下的最大加速度，说明了这个系统有部分失重，从而确定木箱对地面的压力四、振动过程中各物理量的变化情况振动体位置位移X回复力F加速度a速度v势能动能方向大小方向大小方向大小方向大小平衡位置O000最大最小最大最大位移处A指向A最大指向O最大指向O0最大0最大最小平衡位置O最大位移处A指向A0最大指向O0最大指向O最大OA最大0最小最大最大最小最大位移处A平衡位置O指向A最大0指向O最大0指向O最大0AO0最大最大最小最小最大说明:简谐运动的位移、回复力、加速度、速度都随时间做周期性变化（正弦或余弦函数），变化周期为T，振子的动能、势能也做周期性变化，周期为 T2。凡离开平衡位置的过程，v、Ek均减小，x、F、a、EP均增大；凡向平衡位置移动时，v、Ek均增大, x、F、a、EP均减小.振子运动至平衡位置时，x、F、a为零，EP最小，v、Ek最大；当在最大位移时，x、F、a、EP最大，v、Ek最为零；在平衡位置两侧的对称点上,x、F、a、v、Ek、EP的大小均相同【例3】如图所示，一弹簧振子在振动过程中，经a、b两点的速度相同，若它从a到b历时02s，从b再回到a的最短时间为04s，则该振子的振动频率为（ ）。 （A）1Hz；（B）1.25Hz （C）2Hz；（D） 25Hz 解析：振子经a、b两点速度相同，根据弹簧振子的运动特点，不难判断a、b两点对平衡位置（O点）一定是对称的，振子由b经O到a所用的时间也是02s，由于“从b再回到a的最短时间是04s，”说明振子运动到b后是第一次回到a点，且Ob不是振子的最大位移。设图中的c、d为最大位移处，则振子从bcb历时02s，同理，振子从ada，也历时02s，故该振子的周期T08s，根据周期和频率互为倒数的关系，不难确定该振子的振动频率为125Hz。 综上所述，本题应选择（B）。五、简谐运动图象1.物理意义：表示振动物体（或质点）的位移随时间变化的规律2.坐标系：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得3.特点：简谐运动的图象是正弦（或余弦）曲线4.应用：可直观地读取振幅A、周期T以及各时刻的位移x；判定各时刻的回复力、速度、加速度方向；判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能、等物理量的变化情况注意：振动图象不是质点的运动轨迹计时点一旦确定，形状不变，仅随时间向后延伸。简谐运动图像的具体形状跟计时起点及正方向的规定有关。规律方法1、简谐运动的特点【例4】（1995年全国）一弹簧振子作简谐振动，周期为T（ ） A若t时刻和（tt）时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则t一定等于T的整数倍 B若t时刻和（tt）时刻振子运动速度的大小相等、方向相反，则上t一定等于T/2的整数倍 C若t=T，则在 t时刻和（tt）时刻振子运动的加速度一定相等 D若tT/2，则在t时刻和（t十t）时刻弹簧的长度一定相等解析:做简谐运动时，振子由平衡位置到最大位移，再由最大位移回到平衡位置，两次经过同一点时，它们的位移大小相等、方向相同，其时间间隔并不等于周期的整数倍，选项A错误。同理在振子由指向最大位移，到反向最大位移的过程中，速度大小相等、方向相反的位里之间的时间间隔小于T/2，选项B错误。相差T/2的两个时刻，弹黄的长度可能相等，振子从平衡位置开始振动、再回到平衡位置时，弹簧长度相等、也可能不相等、选项D错误。若tT，则根据周期性，该振子所有的物理量应和t时刻都相同，a就一定相等，所以，选项C正确。 本题也可通过振动图像分析出结果，请你自己尝试一下。 【例5】如图所示，一弹簧振子在光滑水平面内做简谐振动，O为平衡位置，A,B为最大位移处，当振子由A点从静止开始振动，测得第二次经过平衡位置所用时间为t秒，在O点上方C处有一个小球，现使振子由A点，小球由C点同时从静止释放，它们恰好到O点处相碰，试求小球所在C点的高度H是多少？解析:由已知振子从A点开始运动，第一次经过O点的时间是1/4周期，第二次经过O点是3/4周期，设其周期T，所以有：t=3T/4,T=4t/3;振子第一次到O点的时间为；振子第二次到点的时间为；振子第三次到O点的时间为第n次到O点的时间为（n01,2,3）C处小球欲与振子相碰，它和振子运动的时间应该是相等的；小球做自由落体运动，所以有2、弹簧振子模型【例5】如图所示，质量为m的物块A放在木板B上，而B固定在竖直的轻弹簧上。若使 A随 B一起沿竖直方向做简谐运动而始终不脱离，则充当 A的回复力的是 。当A的速度达到最大时，A对B的压力大小为 。解析：根据题意，只要在最高点A、B仍能相对静止，则它们就会始终不脱离。而在最高点，外界对A所提供的最大回复力为mg，即最大加速度amax=g，故A、B不脱离的条件是ag，可见，在振动过程中，是A的重力和B对A的支持力的合力充当回复力。 因为A在系统的平衡位置时，速度最大，此时A所受重力与B对它的支持力的合力为零，由牛顿第三定律可知，a对B的压力大小等于其重力mg。拓展：要使不脱离B,其最大振幅为多少?可仍以最高点为例，设弹簧的劲度系数为k，B的质量为mB，因为mg=mamax，振幅最大时，a才有最大值，是由kAmax=（m+mB）g，得Amax= m+mB）g/k。运动至最低点时A对B的最大压力是多少?若让A从离静止的B上方h处自由下落与B相碰一起运动,则在最低点的加速度一定满足ag,为什么?【例6】在光滑的水平面上停放着一辆质量为M的小车，质量为m的物体与劲度系数为k的一轻弹簧固定相连弹簧的另一端与小车左端固定连接，将弹簧压缩x0后用细绳将m 栓住，m静止在小车上的A点，如图所示，m与M 间的动摩擦因数为，O 点为弹簧原长位置，将细绳烧断后，m、M开始运动求：当m位于O点左侧还是右侧且跟O点多远时，小车的速度最大？并简要说明速度为最大的理由判断m与M的最终运动状态是静止、匀速运动还是相对往复的运动？【解析】在细线烧断时，小球受水平向左的弹力F与水平向右的摩擦力f作用，开始时F必大于fm相对小车右移过程中，弹簧弹力减小，而小车所受摩擦力却不变，故小车做加速度减小的加速运动当F=f时车速达到最大值，此时m必在O点左侧。设此时物体在O点左侧x处，则kx=mg。所以，当xmgk时，小车达最大速度 小车向左运动达最大速度的时刻，物体向右运动也达最大速度，这时物体还会继续向右运动，但它的运动速度将减小，即小车和物体都在做振动由于摩擦力的存在，小车和物体的振动幅度必定不断减小，设两物体最终有一共同速度v，因两物体组成的系统动量守恒，且初始状态的总动量为零，故v=0，即m与M的最终运动状态是静止的 3、利用振动图像分析简谐振动【例7】一弹簧振子沿x轴振动，振幅为4 cm. 振子的平衡位置位于x袖上的0点.图甲中的a ,b,c,d为四个不同的振动状态：黑点表示振子的位置，黑点上箭头表示运动的方向图乙给出的四条振动图线，可用于表示振子的振动图象是（ AD ）A.若规定状态a时t0，则图象为B.若规定状态b时t0，则图象为C.若规定状态c时t0，则图象为D.若规定状态d时t0，则图象为解析:若t0，质点处于a状态，则此时x3 cm运动方向为正方向，只有图对；若t0时质点处于b状态，此时x2 cm，运动方向为负方向，图不对；若取处于C状态时t=0，此时x=2 cm，运动方向为负方向，故图不正确；取状态d为t=0时,图刚好符合，故A,D正确点评: 对振动图象的理解和掌握要密切联系实际，既能根据实际振动画出振动图象；又能根据振动图象还原成一个具体的振动，达到此种境界，就可熟练地用图象分析解决振动试题展示1、某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4km/s和9km/s.一种简易地震仪由竖直弹簧振子P和水平弹簧振子H组成（题20图）.在一次地震中，震源地地震仪下方，观察到两振子相差5s开始振动，则A. P先开始振动，震源距地震仪约36kmB. P先开始振动，震源距地震仪约25kmC. H先开始振动，震源距地震仪约36kmD. H先开始振动，震源距地震仪约25km答案：A解析：本题考查地震波有关的知识，本题为中等难度题目。由于纵波的传播速度快些，所以纵波先到达地震仪处，所以P先开始振动。设地震仪距震源为x,则有解得： x=36km.habO2、如图所示的单摆，摆球a向右摆动到最低点时，恰好与一沿水平方向向左运动的粘性小球b发生碰撞，并粘在一起，且摆动平面不变。已知碰撞前a球摆动的最高点与最低点的高度差为h，摆动的周期为T，a球质量是b球质量的5倍，碰撞前a球在最低点的速度是b球速度的一半。则碰撞后DA摆动的周期为B摆动的周期为C摆球最高点与最低点的高度差为0.3hD摆球最高点与最低点的高度差为0.25h3、一列简谐横波沿x轴负方向传播，图1是t = 1s时的波形图，图2是波中某振动质元位移随时间变化的振动图线(两图用同同一时间起点)，则图2可能是图1中哪个质元的振动图线？（ A ）x/m图1Oy/m1 2 3 4 5 6图2Ot/sy/m1 2 3 4 5 6Ax = 0处的质元； Bx = 1m处的质元；Cx = 2m处的质元； Dx = 3m处的质元。4、简谐机械波在给定的媒质中传播时，下列说法中正确的是（D）A振幅越大，则波传播的速度越快B振幅越大，则波传播的速度越慢C在一个周期内，振动质元走过的路程等于一个波长D振动的频率越高，则波传播一个波长的距离所用的时间越短5、公路上匀速行驶的货车受一扰动，车上货物随车厢底板上下振动但不脱离底板。一段时间内货物在坚直方向的振动可视为简谐运动，周期为T。取竖直向上为正方向，以某时刻作为计时起点，即，其振动图象如图所示，则（ C ）A 时，货物对车厢底板的压力最大B 时，货物对车厢底板的压力最小 C 时，货物对车厢底板的压力最大 D 时，货物对车厢底板的压力最小 6、一砝码和一轻弹簧构成弹簧振子，图1所示的装置可用于研究该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，振动图线如图2所示.当把手以某一速度匀速转动，受迫振动达到稳定时，砝码的振动图线如图3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，Y表示受迫振动达到稳定后砝码振动的振幅，则ACA.由图线可知T0=4sB.由图线可知T0=8sC.当T在4s附近时，Y显著增大;当T比4s小得多或大得多时，Y很小D.当T在8s附近时，Y显著增大;当T比8s小得多或大得多时，Y很小7、 某同学看到一只鸟落在树枝上的P处，树枝在10 s内上下振动了6次，鸟飞走后，他把50 g的砝码挂在P处，发现树枝在10 s内上下振动了12次.将50 g的砝码换成500 g砝码后，他发现树枝在15 s内上下振动了6次，你估计鸟的质量最接近B A.50 g B.200 g C.500 g D.550 g8、一单摆做小角度摆动，其振动图象如图，以下说法正确的是（D ）A. 时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最小B. 时刻摆球速度为零，悬线对它的拉力最小C. 时刻摆球速度为零，悬线对它的拉力最大D. 时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最大第二单元 单摆、振动中的能量一、单摆1、单摆：在细线的一端挂上一个小球，另一端固定在悬点上，如果线的伸缩和质量可以忽略，球的直径比线长短得多，这样的装置叫做单摆这是一种理想化的模型，一般情况下细线（杆）下接一个小球的装置都可作为单摆2、单摆振动可看做简谐运动的条件是：在同一竖直面内摆动,摆角100 3、单摆振动的回复力是重力的切向分力，不能说成是重力和拉力的合力。在平衡位置振子所受回复力是零，但合力是向心力，指向悬点，不为零。4、单摆的周期：当 l、g一定，则周期为定值 T=2，与小球是否运动无关与摆球质量m、振幅A都无关。其中摆长l指悬点到小球重心的距离，重力加速度为单摆所在处的测量值。要区分摆长和摆线长。5、小球在光滑圆弧上的往复滚动，和单摆完全等同。只要摆角足够小，这个振动就是简谐运动。这时周期公式中的l应该是圆弧半径R和小球半径r的差。6、秒摆：周期为2s的单摆其摆长约为lm.【例1】如图为一单摆及其振动图象，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 解析：由纵坐标的最大位移可直接读取振幅为3crn横坐标可直接读取完成一个全振动即一个完整的正弦曲线所占据的时间轴长度就是周期 T=2s，进而算出频率f=1/T=0.5Hz，算出摆长l=gT2/42=1m 从图中看出纵坐标有最大值的时刻为05 s末和15s末（2）若摆球从E指向G为正方向，为最大摆角，则图象中O、A、B、C点分别对应单摆中的 点一周期内加速度为正且减小，并与速度同方向的时间范围是 。势能增加且速度为正的时间范围是 解析：图象中O点位移为零，O到A的过程位移为正且增大A处最大，历时1/4周期，显然摆球是从平衡位置E起振并向G方向运动的，所以O对应E，A对应GA到B的过程分析方法相同，因而O、A、B、C对应E、G、E、F点 摆动中EF间加速度为正，且靠近平衡位置过程中加速度逐渐减小，所以是从F向E的运动过程，在图象中为C到D的过程，时间范围是1520s间 摆球远离平衡位置势能增加，即从E向两侧摆动，而速度为正，显然是从 E向G的过程在图象中为从O到A，时间范围是005 s间（3）单摆摆球多次通过同一位置时，下述物理量变化的是（） A位移；B速度；C加速度； D动量；E动能；F摆线张力解析：过同一位置，位移、回复力和加速度不变；由机械能守恒知，动能不变，速率也不变，摆线张力mgcosm v2/L也不变；由运动分析，相邻两次过同一点，速度方向改变，从而动量方向也改变，故选B、D 如果有兴趣的话，可以分析一下，当回复力由小变大时，上述哪些物理量的数值是变小的？ 从（1）、（2）、（3）看出，解决此类问题的关键是把图象和实际的振动一对应起来（4）当在悬点正下方O/处有一光滑水平细钉可挡住摆线，且则单摆周期为 s比较钉挡绳前后瞬间摆线的张力 解析：放钉后改变了摆长，因此单摆周期应分成钉左侧的半个周期，前已求出摆线长为lm，所以T左=1s：钉右侧的半个周期T右=05s，所以TT左十T右=15s 由受力分析，张力T=mgmv2/L，因为钉挡绳前后瞬间摆球速度不变，球重力不变，挡后摆线长为挡前的1/4所以挡后绳张力变大（5）若单摆摆球在最大位移处摆线断了，此后球做什么运动？若在摆球过平衡位置时摆线断了，摆球又做什么运动？解析：问题的关键要分析在线断的时间，摆球所处的运动状态和受力情况在最大位移处线断，此时球速度为零，只受重力作用，所以球做自由落体运动在平衡位置线断，此时球有最大水平速度，又只受重力，所以做平抛运动【例2】有一个单摆，其摆长l=102m，摆球的质量m01kg，从和竖直方向成摆角= 40的位置无初速度开始运动（如图所示），问：（1）已知振动的次数n30次，用了时间t608 s，重力加速度g多大？（2）摆球的最大回复力多大？（3）摆球经过最低点时速度多大？（4）此时悬线拉力为多大？（5）如果将这个摆改为秒摆，摆长应怎样改变？为什么？（取sin4000698，cos40 09976，314）【解析】（1）50，单摆做简谐运动，其周期T=t/n=608/30 s2027 s，根据T=2得，g=4102/20272=9791 m/s2。（2）最大回复力为 F1mgsin4o=01979100698 N0068 N（3）单摆振动过程中，重力势能与动能互相转化，不考虑阻力，机械能守恒，其总机械能E等于摆球在最高处的重力势能E，或在最低处的速度 v=0219 m/s。（4）由Tmg=mv2/L得 悬线拉力为T=mg十mv2/L=0l10十0l02l92/102052 N（5）秒摆的周期T=2 s，设其摆长为L0，根据T=2得，g不变，则T即TT0=故L0= T02L/T2=22 l02/ 20272=0993m，其摆长要缩短LLL0l02 m0993 m=0027m二、振动的能量1、对于给定的振动系统，振动的动能由振动的速度决定，振动的势能由振动的位移决定，振动的能量就是振动系统在某个状态下的动能和势能的总和2、振动系统的机械能大小由振幅大小决定，同一系统振幅越大，机械能就越大若无能量损失，简谐运动过程中机械能守恒，做等幅振动3、阻尼振动与无阻尼振动（1)振幅逐渐减小的振动叫做阻尼振动（2)振幅不变的振动为等幅振动，也叫做无阻尼振动注意：等幅振动、阻尼振动是从振幅是否变化的角度来区分的，等幅振动不一定不受阻力作用4.受迫振动（1)振动系统在周期性驱动力作用下的振动叫做受迫振动（2)受迫振动稳定时，系统振动的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关5.共振（1)当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，物体的振幅最大的现象叫做共振 (2）条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率（3)共振曲线如图所示【例3】行驶着的火车车轮，每接触到两根钢轨相接处的缝隙时，就受到一次撞击使车厢在支着它的弹簧上面振动起来已知车厢的固有同期是058s，每根钢轨的长是126 m，当车厢上、下振动得最厉害时，火车的车速等于 ms 解析：该题应用共振的条件来求解火车行驶时，每当通过铁轨的接缝处就会受到一次冲击力，该力即为策动力当策动周期T策和弹簧与车厢的国有周期相等时，即发生共振，即 T策T固 058 s T策=t=L/v 将代入解得v=L/058=217 ms 答案：217ms规律方法1、单摆的等效问题等效摆长：如图所示，当小球垂直纸面方向运动时，摆长为CO等效重力加速度：当单摆在某装置内向上运动加速度为a时，T2；当向上减速时T=2，影响回复力的等效加速度可以这样求，摆球在平衡位置静止时，摆线的张力T与摆球质量的比值【例4】如图所示，在光滑导轨上有一个滚轮A，质量为2m，轴上系一根长为L的线，下端悬挂一个摆球B，质量为m，设B摆小球作小幅度振动，求振动周期。【分析】将2m的A球和m的B球组成系统为研究对象，系统的重心O点可视为单摆的悬点，利用水平方向动量守恒可求出等效摆长。【解析】A和B两物体组成的系统由于内力的作用，在水平方向上动量守恒，因此A和B速度之比跟质量成反比，即vA/vB=mB/mA=1/2因此A和B 运动过程中平均速度/=1/2，亦即位移 SA/SB1/2。，因为OAA/OBB/，则OB/OA2/1。300BACO对B球来说，其摆长应为2/3 L，因此B球的周期T2。说明：据动量守恒条件，2m在A位置时，m在 B位置，当2 m运动到A/时，m运动到B/。【例5】如图所示，三根细线OA, OB,OC结于O点，A,B端固定在同一水平面上且相距为L，使AOB成一直角三角形，BAO = 300，已知OC绳长也为L，下端C点系一个可视为质点的小球，下面说法中正确的是A、当小球在纸面内做小角度振动时,周期为：B.当小球在垂直纸面方向做小角度振动时，周期为C.当小球在纸面内做小角度振动时，周期为D.当小球在垂直纸面内做小角度振动时，周期为解析:当小球在纸面内做简谐振动时，是以0点为圆心,OC长L为半径做变速圆周运动，OA和OB绳没有松弛，其摆长为L,所以周期是；当小球在垂直于纸面的方向上做简谐振动时，摆球是以OC的延长线与AB交点为圆心做振动,其等效的摆长为L十Lsin600/2=L十L/4 ,其周期为,故选A. 拓展:若将上题中的小球改为装满沙子的漏斗，在漏斗摆动的过程中，让沙子匀速的从漏斗底部漏出，则单摆的周期如何变化?(因沙子遂渐漏出，其重心的位置先下移后上升，等效摆长先增加后减小，所以周期先变长后减小）。【例5】在图中的几个相同的单摆在不同的条件下，关于它们的周期关系，判断正确的是（ ） A、T1T2T3T4； B、T1T2=T3T4 C、T1T2=T3T4、； 、 D、T1T2T3T4【解析】单摆的周期与重力加速度有关这是因为是重力的分力提供回复力当单摆处于（1）图所示的条件下，当摆球偏离平衡位置后，是重力平行斜面的分量（mgsin）沿切向分量提供回复力，回复力相对竖直放置的单摆是减小的，则运动中的加速度减小，回到平衡位置的时间变长，周期T1T3对于（2）图所示的条件，带正电的摆球在振动过程中要受到天花板上带正电小球的斥力，但是两球间的斥力与运动的方向总是垂直，不影响回复力，故单摆的周期不变，T2=T3在（4）图所示的条件下，单摆与升降机一起作加速上升的运动，也就是摆球在该升降机中是超重的，相当于摆球的重力增大，沿摆动的切向分量也增大，也就是回复力在增大，摆球回到相对平衡的位置时间变短，故周期变小，T4T3综上所述，只有C选项正确 点评：对于单摆的周期公式，在摆长不变的条件下，能影响单摆振动的周期的因素就是运动过程中的回复力发生的变化，回复力增大，周期变小，回复力变小，周期变大这是判断在摆长不变时单摆周期变化的唯一2、摆钟问题单摆的一个重要应用就是利用单摆振动的等时性制成摆钟。在计算摆钟类的问题时，利用以下方法比较简单：在一定时间内，摆钟走过的格子数n与频率f成正比（n可以是分钟数，也可以是秒数、小时数），再由频率公式可以得到：【例6】有一摆钟的摆长为ll时，在某一标准时间内快amin。若摆长为l2时，在同一标准时间内慢bmin。，求为使其准确，摆长应为多长？（可把钟摆视为摆角很小的单摆）。【解析】设该标准时间为ts，准确摆钟摆长为lm，走时快的钟周期为T1s，走慢时的周期为T2s，准确的钟周期为T3。不管走时准确与否，钟摆每完成一次全振动，钟面上显示时间都是Ts。（法一）由各摆钟在ts内钟面上显示的时间求解， 对快钟： t60a=T； 对慢钟： t 60a=T 联立解，可得= 最后可得L=。（法二）由各摆钟在ts内的振动次数关系求解：设快钟的 t s内全振动次数为 nl，慢钟为 n2，准确的钟为n。显然，快钟比准确的钟多振动了60a/T次，慢钟比准确的钟少振动60b/T次，故： 对快钟：nlt/T1n60a/Tt/T+60a/T 对慢钟：n2t/T2n60b/Tt/T60b/T联解式，并利用单摆周期公式T2同样可得L=点窍：对走时不准的摆钟问题，解题时应抓住：由于摆钟的机械构造所决定，钟摆每完成一次全振动，摆钟所显示的时间为一定值，也就是走时准确的摆钟的周期T。3、单摆的综合应用【例7】图中两单摆摆长相同，平衡时两摆球刚好触现将摆球A在两摆线所在平面向左拉开一小角度后释放，碰撞后，两球分开各自做简谐运动以mA、mB分别表示摆球A、B的质量，则（ ） A如果mAmB，下一次碰撞将发生在平衡位置右侧 B如果mAmB，下一次碰撞将发生在平衡位置左侧 C无论两摆球的质量之比是多少，下一次碰撞都不可能在平衡位置右侧 D无论两摆球的质量之比是多少，下一次碰撞都不可能在平衡位置左侧解析：由于两球线长相等,所以两球做单摆运动的周期必然相等.两球相碰后有这几种可能:碰后两球速度方向相反,这样两球各自到达最高点再返回到平衡位置所用的时间相等,故两球只能在平衡位置相遇;碰后两球向同一方向运动,则每个球都先到达最大位移处然后返回平衡位置,所用的时间也都是半个周期,两球仍只能在平衡位置相遇;碰后一球静止,而另一球运动,则该球先到最大位移又返回到平衡位置,所用时间还是半个周期,在平衡位置相遇. 因此，不管mAmB，还是mAmB 还是mAmB ，无论摆球质量之比为多少，下一次碰撞都只能发生在平衡位置，也就是说不可能发生在平衡位置的右侧或左侧，所以选项C、D正确拓展:两球的碰撞是否是弹性碰撞?【例8】如图所示，两个完全相同的弹性小球1,2，分别挂在长L和L/4的细线上，重心在同一水平面上且小球恰好互相接触，把第一个小球向右拉开一个不大的距离后由静止释放，经过多长时间两球发生第10次碰撞？解析:因将第1个小球拉开一个不大的距离，故摆动过程应符合单摆的周期公式有，,系统振动周期为，在同一个T内共发生两次碰撞，球1从最大位移处由静止释放后经发生10次碰撞，且第10次碰后球1又摆支最大位移处. 【例9】如图所示，AB为半径R=7.50 m的光滑的圆弧形导轨，BC为长s0.90m的光滑水平导轨，在B点与圆弧导轨相切,BC离地高度h1.80 m，一质量m10.10 kg的小球置于边缘C点，另一质量m20. 20 kg的小球置于B点，现给小球m1一个瞬时冲量使它获得大小为0.90 m/s的水平向右速度，当m1运动到B时与m2发生弹性正碰，g取10 m/s2，求：（1)两球落地的时间差t； (2)两球落地点之间的距离s 解析:(1 )m1与m2发生弹性正碰，则设碰后m1和m2速度分别为v1/和v2/，有得v1一0.3 m/s,v2=0. 6 m/s可见m1以0. 3 m/s速度反弹，从B到C,t=s/v1/=3s, m2以0. 6 m/s速度冲上圆弧轨道，可证明m2运动可近似为简谐运动，在圆弧上运动时间为2.72 s,再从B到C, t2 =s/v2/=1.5s则tt2T/2一t1=1.22 s. (2）利用平抛运动知识不难求得s0.18 m.【例10】在长方形桌面上放有：秒表、细绳、铁架台、天平、弹簧秤、钩码，怎样从中选取器材可较为准确地测出桌面面积S？并写出面积表达式【解析】用细绳量桌面长，并用此绳（包括到钩码重心）、钩码、铁架台做成单摆，由秒表测出其振动周期T1；同理量桌面宽，做单摆，测出周期T2 答案：S=试题展示1、一单摆的摆长为L，摆球的质量为m，原来静止，在一个水平冲量I作用下开始摆动此后，每当摆球经过平衡位置时，便给它一个与其速度方向一致的冲量I，求摆球经过多长时间后其摆线与竖直方向间的夹角可以达到？（50，不计阻力，所施冲量时间极短）解析：设摆球经过平衡位置的次数为n，则摆球达最大偏角时需用时间t=（nl）十 由动量定理和机械能守恒定律得：nImv mv2=mgl（1cos）单摆周期 联立式得：2、如图所示，a、b、Co 质量相等的三个弹性小球（可视为质点），a、b分别悬挂在L1=1.0m，L2=0.25 m的轻质细线上，它们刚好与光滑水平面接触而不互相挤压，ab相距10cm。若c从a和b的连线中点处以v0=5 cm/s的速度向右运动，则c将与b和a反复碰撞而往复运动。已知碰撞前后小球c均沿同一直线运动，碰撞时间极短，且碰撞过程中没有机械能损失，碰撞后a和b的摆动均可视为简谐振动。以c球开始运动作为时间零点，以向右为正方向，试在图中画在l0s内C、b两球运动的位移时间图像，两图像均以各自的初位置为坐标原点。（运算中可认为）【答案】如图3、有几个登山运动员登上一无名高峰，但不知此峰的高度，他们想迅速估测出高峰的海拔高度，但是他们只带了一些轻质绳子、小刀、小钢卷尺、可当作秒表用的手表和一些食品，附近还有石子、树木等，其中一个人根据物理知识很快就测出了海拔高度，请写出测量方法，需记录的数据，推导出计算高峰的海拔高度的计算式解析:用细线和小石块做一个单摆，量出摆线长L1，并测出单摆周期T1.设小石块重心到细线与小石块的连接处的距离为d，则改变摆线长为L2,测出周期T2，则可得当地重力加速度为又由，得第三单元 波的性质与波的图像一、机械波 1、定义：机械振动在介质中传播就形成机械波2、产生条件:(1)有作机械振动的物体作为波源(2)有能传播机械振动的介质3、分类:横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直凸起部分叫波峰，凹下部分叫波谷纵波：质点的振动方向与波的传播方向在一直线上质点分布密的叫密部，疏的部分叫疏部，液体和气体不能传播横波。4.机械波的传播过程(1)机械波传播的是振动形式和能量质点只在各自的平衡位置附近做振动，并不随波迁移后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动。(2）介质中各质点的振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同(3)由波源向远处的各质点都依次重复波源的振动二、描述机械波的物理量1波长：两个相邻的，在振动过程中相对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长在横波中，两个相邻的波峰或相邻的波谷之间的距离在纵波中两相邻的的密部（或疏部）中央间的距离，振动在一个周期内在介质中传播的距离等于波长2周期与频率波的频率由振源决定，在任何介质中传播波的频率不变。波从一种介质进入另一种介质时，唯一不变的是频率（或周期），波速与波长都发生变化3波速：单位时间内波向外传播的距离。v=s/t=/T=f，波速的大小由介质决定。三、说明:波的频率是介质中各质点的振动频率，质点的振动是一种受迫振动，驱动力来源于波源，所以波的频率由波源决定，是波源的频率. 波速是介质对波的传播速度介质能传播波是因为介质中各质点间有弹力的作用，弹力越大，相互对运动的反应越灵教，则对波的传播速度越大通常情况下，固体对机械波的传摇速度校大，气体对机械波的传播速度较小对纵波和横波，质点间的相互作用的性质有区别，那么同一物质对纵波和对横波的传播速度不相同所以，介质对波的传播速度由介质决定，与振动频率无关 波长是质点完成一次全振动所传播的距离,所以波长的长度与波速v和周期T有关即波长由波源和介质共同决定 由以上分析知，波从一种介质进入另一种介质，频率不会发生变化，速度和波长将发生改变 振源的振动在介质中由近及远传播，离振源较远些的质点的振动要滞后一些，这样各质点的振动虽然频率相同，但步调不一致，离振源越远越滞后沿波的传播方向上，离波源一个波长的质点的振动要滞后一个周期，相距一个波长的两质点振动步调是一致的反之，相距1/2个波长的两质点的振动步调是相反的所以与波源相距波长的整数倍的质点与波源的振动同步（同相振动）；与波源相距为1/2波长的奇数倍的质点与波源派的振动步调相反（反相振动）【例1】一简谐横波的波源的振动周期为1s，振幅为1crn，波速为1ms，若振源质点从平衡位置开始振动，且从振源质点开始振动计时，当 t05s时（ ）A距振源处的质点的位移处于最大值 B距振源处的质点的速度处于最大值C距振源处的质点的位移处于最大值 D距振源处的质点的速度处于最大值 解析：根据题意，在05s 内波传播的距离 xvt05m即x=也就是说，振动刚好传播到处，因此该处的质点刚要开始振动，速度和位移都是零，所以选项C、D都是不对的，振源的振动传播到距振源位置需要的时间为T/4=0。25s，所以在振源开始振动05 s后处的质点，振动了025 s，即1/4个周期，此时该质点应处于最大位移处，速度为零 答案：A四、波的图象（1）波的图象坐标轴：取质点平衡位置的连线作为x轴，表示质点分布的顺序；取过波源质点的振动方向作为Y轴表示质点位移意义：在波的传播方向上，介质中质点在某一时刻相对各自平衡位置的位移形状：正弦（或余弦）图线因而画波的图象要画出波的图象通常需要知道波长、振幅A、波的传播方向（或波源的方位）、横轴上某质点在该时刻的振动状态（包括位移和振动方向）这四个要素（2）简谐波图象的应用从图象上直接读出波长和振幅可确定任一质点在该时刻的位移可确定任一质点在该时刻的加速度的方向若已知波的传播方向，可确定各质点在该时刻的振动方向若已知某质点的振动方向，可确定波的传播方向若已知波的传播方向，可画出在t前后的波形沿传播方向平移s=vt.规律方法 1、机械波的理解【例2】地震震动以波的形式传播，地震波有纵波和横波之分。（1）图中是某一地震波的传播图，其振幅为A，波长为，某一时刻某质点的坐标为（，0）经1/4周期该质点的坐标是多少？该波是纵波还是横波。A纵波（5/40） B横波（，A）C纵波（，A） D横波（5/4A）（2）若 a、b两处与c地分别相距300 km和200 km。当 C处地下15 km处发生地震，则AC处居民会感到先上下颠簸，后水平摇动 B地震波是横波C地震波传到a地时，方向均垂直地面 Da、b两处烈度可能不同解析:（1）由题图知，该地震波为横波，即传播方向与振动方向垂直。某质点的坐标（，0）即为图中a点，经1/4周期，a点回到平衡位置下面的最大位移处，即位移大小等于振幅，坐标为（，A），（水平方向质点并不随波逐流）。 故答案为B（2）由于地震波有横波、纵波之分，二者同时发生，传播速度不同而异，传到a、b两处，由于距离，烈度也当然不同。 故答案为A、D。【例3】1999年9月台湾南投地区发生了里氏74级大地震，已知地震中的纵彼和横波在地表附近的传播速度为 91kms和37kms，在某地的观测站中，记录了南投地震的纵波和横渡到达该地的时间差54S（1）求这个观测站距南投的距离（2）观测站首先观察到的是上下振动还是左右晃动？解析：（1）设观测站距南投的距离为S，则 =t， s=t=34km（2）因为纵波先到观测点，因而先观察到的是左右晃动。2、质点振动方向和波的传播方向的判定（1）在波形图中，由波的传播方向确定媒质中某个质点（设为质点A）的振动方向（即振动时的速度方向）：逆着波的传播方向，在质点 A的附近找一个相邻的质点B若质点B的位置在质点A的负方向处，则A质点应向负方向运动，反之。则向正方向运动如图中所示，图中的质点A应向y轴的正方向运动（质点B先于质点A振动A要跟随B振动）（2）在波形图中由质点的振动方向确定波的传播方向，若质点C是沿Y轴负方向运动，在C质点位置的负方向附近找一相邻的质点D若质点D在质点C位置X轴的正方向，则波由X轴的正方向向负方向传播：反之则向X轴的正方向传播如图所示，这列波应向X轴的正方向传播（质点c要跟随先振动的质点D的振动）具体方法为：带动法：根据波的形成，利用靠近波源的点带动它邻近的离波源稍远的点的道理，在被判定振动方向的点P附近（不超过/4）图象上靠近波源一方找另一点P/，若P/在P上方，则P/带动P向上运动如图，若P/在P的下方，则P/带动P向下运动上下坡法：沿着波的传播方向走波形状“山路”，从“谷”到“峰”的上坡阶段上各点都是向下运动的，从“峰”到“谷”的下坡阶段上各点都是向上运动的，即“上坡下，下坡上”微平移法：将波形沿波的传播方向做微小移动xvt/4，则可判定P点沿y方向的运动方向了 反过来已知波形和波形上一点P的振动方向也可判定波的传播方向【例4】如图所示，a、b是一列横波上的两个质点，它们在X轴上的距离s=30m，波沿x轴正方向传播，当a振动到最高点时b恰好经过平衡位置，经过3s，波传播了30m，并且a经过平衡位置，b恰好到达最高点，那么A这列波的速度一定是10 ms B这列波的周期可能是08sC这列波的周期可能是3s D这列波的波长可能是 24 m 解析：因波向外传播是匀速推进的，故vSt=10m/s，设这列波的振动周期为T，由题意知经3s，a质点由波峰回到平衡位置，可得T/4十nT/23（n=1，2） 另由v=/T得波长=，（n0，1，2） 在n2时，对应的波长24 m；在n7时，T08s故选项A、B、D正确答案：ABD 点评：本题在写出周期T的通式时即应用了“特殊点法”，对a质点，同波峰回到平衡位置需T4 时间，再经T/2又回到平衡位置，这样即可写出T的通式当然，若考虑质点b，也能写出这样的通式（同时须注意到开始时b恰好经过平衡位置，包括向上通过平衡位置和向下通过平衡位置这两种情况）【例5】一列波在媒质中向某一方向传播，图所示的为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发生在M、N之间此列波的周期为T，Q质点速度方向在波形图中是向下的，下列判断正确的是 （ ）A 波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为T；B波源是N，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为3 T4C波源是N，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为T4。D波源是M，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为T4解析:若波源是M，则由于Q点的速度方向向下，在 Q点的下向找一相邻的质点，这样的质点在Q的右侧，说明了振动是由右向左传播，N点是波源，图示时刻的振动传到M点，P与M点相距4，则P点已经振动了T4故C选项正确。点评：本题关键是由质点的运动方向确定波的传播方向，从而确定波源的位置【例6】如图所示，O为上下振动的波源，振动频率为100Hz，它P所产生的横波同时向左、向在传播波速为80 ms，M、N两质点距波源的距离分别为OM174m，ON162m，当波源通过平衡位置向上振动时，M、N两质点的位置分别为（ ）AM点在波峰，N点在波谷； BM、N两点均在波峰CN点在波峰，M点在波谷； DM、N两点均在波谷解析:由题意可知该列波的波长为vf80100m08mM、N两点与波源的距离分别为OM17.4（2134）， ON=16.2（20l4）A这说明 M、N两点为反相点，当波源 O在平衡位置向上振动时波形图如图所示，图中的P点与M点是同相点，Q点与N点是同相点，所以M在波峰，N点在波谷，A选项正确点评：本题关键有两点：当波源O由平衡位置向上运动时，波源两侧的质点的波形图的形状，也就是确定如图的波形图（O两侧相邻的质点均追随O点向上运动且在O点的下方）；在O点的附近寻找M、N两点的同相点P、Q。3已知波速V和波形，画出再经t时间波形图的方法（1）平移法：先算出经t时间波传播