山东省专用2018-2019学年高中物理第十一章机械振动第1节简谐运动讲义含解析新人教版选修3 .doc

第1节简谐运动1.平衡位置是振子原来静止的位置，振子在其附近所做的往复运动，是一种机械振动，简称振动。2如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图像(xt图像)是一条正弦曲线，这样的振动叫做简谐运动，它是一种最简单、最基本的振动，是一种周期性运动。3简谐运动的位移一时间图像表示质点离开平衡位置的位移随时间变化的关系，而非质点的运动轨迹。由该图像可以确定质点在任意时刻偏离平衡位置的位移和运动情况。一、弹簧振子1弹簧振子如图所示，如果球与杆或斜面之间的摩擦可以忽略，且弹簧的质量与小球相比也可以忽略，则该装置为弹簧振子。2平衡位置振子原来静止时的位置。3机械振动振子在平衡位置附近所做的往复运动，简称振动。二、弹簧振子的位移时间图像1振动位移从平衡位置指向振子某时刻所在位置的有向线段。2建立坐标系的方法以小球的平衡位置为坐标原点，沿振动方向建立坐标轴。一般规定小球在平衡位置右边(或上边)时，位移为正，在平衡位置左边(或下边)时，位移为负。3图像绘制用频闪照相的方法来显示振子在不同时刻的位置。三、简谐运动及其图像1定义：如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图像(xt图像)是一条正弦曲线，这样的振动叫做简谐运动。2特点：简谐运动是最简单、最基本的振动，其振动过程关于平衡位置对称，是一种往复运动。弹簧振子的运动就是简谐运动。3简谐运动的图像(1)形状：正弦曲线，凡是能写成xAsin(t)的曲线均为正弦曲线。(2)物理意义：表示振动的质点在不同时刻偏离平衡位置的位移，是位移随时间的变化规律。1自主思考判一判(1)平衡位置即速度为零时的位置。()(2)平衡位置为振子能保持静止的位置。()(3)振子的位移5 cm小于1 cm。()(4)简谐运动的轨迹是一条正弦(或余弦)曲线。()(5)简谐运动是一种匀变速直线运动。()2合作探究议一议(1)简谐运动与我们熟悉的匀速运动比较，速度有何不同的特点？如何判断一个物体的运动是不是简谐运动？提示：简谐运动与匀速运动的区别在于其速度大小、方向都不断变化，只要质点的位移随时间按正弦规律变化，则这个质点的运动就是简谐运动。(2)如图所示为振子的位移时间图像，振子的位移时间图像就是振子的运动轨迹吗？提示：图像描述的是振动物体的位移随时间的变化规律，并不是物体的运动轨迹。弹簧振子与简谐运动的特点1实际物体看作弹簧振子的四个条件(1)弹簧的质量比小球的质量小得多，可以认为质量集中于振子(小球)；(2)构成弹簧振子的小球体积足够小，可以认为小球是一个质点；(3)忽略弹簧以及小球与水平杆之间的摩擦力；(4)小球从平衡位置被拉开的位移在弹性限度内。2简谐运动的位移位移的表示方法：以平衡位置为坐标原点，以振动所在的直线为坐标轴，规定正方向，则某时刻振子偏离平衡位置的位移可用该时刻振子所在位置的坐标来表示。3简谐运动的速度(1)物理含义：速度是描述振子在平衡位置附近振动快慢的物理量。在所建立的坐标轴(也称“一维坐标系”)上，速度的正负号表示振子运动方向与坐标轴的正方向相同或相反。(2)特点：如图所示为一简谐运动的模型，振子在O点速度最大，在A、B两点速度为零。4简谐运动的加速度(1)产生：水平弹簧振子的加速度是由弹簧弹力产生的。(2)方向特点：指向平衡位置，总是与位移方向相反。(3)大小变化规律：远离平衡位置运动，振子的加速度增大；向平衡位置运动，振子的加速度减小；平衡位置振子的加速度为零；最大位移处振子的加速度最大。5简谐运动的对称性：如图所示，物体在A与B间运动O点为平衡位置，C和D两点关于O点对称，则有：(1)时间的对称：tOBtBOtOAtAOtODtDOtOCtCO，tDBtBDtACtCA(2)速度的对称：物体连续两次经过同一点(如D点)的速度大小相等，方向相反。物体经过关于O点对称的两点(如C与D两点)的速度大小相等，方向可能相同，也可能相反。典例如图所示，水平方向上有一弹簧振子，O点是其平衡位置，振子在a和b之间做简谐运动，关于振子下列说法正确的是()A在a点时加速度最大，速度最大B在O点时速度最大，位移最大C在b点时位移最大，速度最小D在b点时加速度最大，速度最大解析O为弹簧振子振动的平衡位置，其加速度为零，位移为零，速度最大，B错误；振子在a、b两位置，振动的位移最大，加速度最大，速度为零，故A、D错误，C正确。答案C简谐振动中位移与速度的矢量性(1)应该通过审题确定研究对象及研究对象的运动速度。(2)位移相同时，物体的速度大小相等，但方向可能相反，也可能相同。(3)速度相同时，物体的位移大小相等，位移的方向可能相同，也可能相反。1如图所示的弹簧振子，O点为它的平衡位置，当振子m离开O点，再从A点运动到C点时，振子离开平衡位置的位移是()A大小为OC，方向向左B大小为OC，方向向右C大小为AC，方向向左 D大小为AC，方向向右解析：选B振子离开平衡位置，以O点为起点，C点为终点，位移大小为OC，方向向右。2弹簧振子在光滑水平面上做简谐运动，在振子向平衡位置运动的过程中()A振子所受的弹力逐渐增大B振子的位移逐渐增大C振子的速度逐渐减小D振子的加速度逐渐减小解析：选D在振子向平衡位置运动的过程中，振子的位移逐渐减小，因此，振子所受弹力逐渐减小，加速度逐渐减小，但加速度方向与速度方向相同，故速度逐渐增大。3.弹簧上端固定在O点，下端连接一小球，组成一个振动系统，如图所示，用手向下拉一小段距离后释放小球，小球便上下振动起来，下列说法正确的是()A小球运动的最低点为平衡位置B弹簧原长时的位置为平衡位置C球速为零的位置为平衡位置D小球原来静止时的位置为平衡位置解析：选D平衡位置是小球不振动时静止的位置，此时弹簧处于伸长状态，B错误，D正确；小球在振动过程中速度为零的位置离平衡位置最远，A、C均错误。简谐运动的图像典例如图所示为某质点做简谐运动的图像，则质点在前6 s内通过的路程为_ cm，在68 s内的平均速度大小为_ cm/s，方向_。解析质点在02 s内通过的路程是2 cm，在24 s内通过的路程是2 cm，在46 s内通过的路程是2 cm，故前6 s内通过的路程是6 cm。质点在68 s内位移大小是2 cm，方向指向平衡位置，平均速度大小为1 cm/s，质点在这段时间内由负的最大位移处向平衡位置运动，所以平均速度方向沿x轴正方向。答案61沿x轴正方向简谐运动图像问题的分析方法解此类题时，首先要理解xt图像的意义，其次要把xt图像与质点的实际振动过程联系起来。再次是充分利用图像的直观性，把图像与振动过程联系起来，图像上的一个点表示振动中的一个状态(位置、振动方向等)，图像上的一段图线对应振动的一个过程，关键是判断好平衡位置、最大位移及振动方向。1.如图所示，一个弹簧振子在A、B间做简谐运动，O点是平衡位置，以某时刻作为计时零点(t0)，过周期，振子具有正方向的最大速度。那么下列四幅图像中能够正确反映振子的振动情况的图线是()解析：选D由时刻振子具有最大速度可知，时刻振子的位移为0，故A、C均错误；由时刻振子具有正向的最大速度可知，B错误，D正确。2如图(a)所示，一弹簧振子在AB间做简谐运动，O为平衡位置。图(b)是该振子做简谐运动时的xt图像。则关于振子的加速度随时间的变化规律，下列四个图像中正确的是()解析：选C设弹簧劲度系数为k，位移与加速度方向相反，由牛顿第二定律得a，故C正确。3多选如图所示为某质点做简谐运动的图像，若t0时，质点正经过O点向b点运动，则下列说法正确的是()A质点在0.7 s时，正在背离平衡位置运动B质点在1.5 s时的位移最大C1.21.4 s时间内，质点的位移在增大D1.61.8 s时间内，质点的位移在增大解析：选BC由于位移是由平衡位置指向质点所在位置的有向线段，故质点在0.7 s时的位移方向向右，且正在向平衡位置运动，选项A错误；质点在1.5 s时的位移达到最大，选项B正确；1.21.4 s时间内，质点正在背离平衡位置运动，所以其位移在增大，选项C正确；1.61.8 s时间内，质点正在向平衡位置运动，所以其位移在减小，选项D错误。1多选下列运动中属于机械振动的是()A树枝在风的作用下运动B竖直向上抛出的物体的运动C说话时声带的运动D爆炸声引起窗扇的运动解析：选ACD物体在平衡位置附近所做的往复运动属于机械振动，故A、C、D正确；竖直向上抛出的物体到最高点后返回落地，不具有运动的往复性，因此不属于机械振动，故B错误。2多选关于简谐运动的图像，下列说法中正确的是()A表示质点振动的轨迹，是正弦或余弦曲线B由图像可判断任一时刻质点相对平衡位置的位移方向C表示质点的位移随时间变化的规律D由图像可判断任一时刻质点的速度方向解析：选BCD振动图像表示位移随时间的变化规律，不是运动轨迹，A错，C对；由振动图像可判断质点位移和速度大小及方向，B、D正确。3多选如图所示，弹簧振子在a、b两点间做简谐运动，当振子从最大位移处a向平衡位置O运动过程中()A加速度方向向左，速度方向向右B位移方向向左，速度方向向右C加速度不断增大，速度不断减小D位移不断减小，速度不断增大解析：选BD当振子从最大位移处a向平衡位置O运动时，振子受到的合外力向右且不断减小，加速度向右且不断减小，速度方向向右且不断增大，A、C错误；位移由平衡位置指向振子所处位置，方向向左，位移不断减小，故B、D正确。4多选如图所示是一水平弹簧振子做简谐运动的振动图像(xt图)。由图可推断，振动系统()A在t1和t3时刻具有相同的速度B在t3和t4时刻具有相同的速度C在t4和t6时刻具有相同的位移D在t1和t6时刻具有相同的速度E在t2和t5时刻具有相同的加速度解析：选BCDt1与t3两时刻振子经同一位置向相反方向运动，速度不相同，A错；t3与t4两时刻振子经过关于平衡位置的对称点，速度大小相等、方向相同，B对；t4与t6两时刻振子的位移都是2 cm，C对；t1和t6两时刻振子经过对称点向正方向运动，速度相同，D对；在t2和t5时刻加速度大小相等，方向相反，E错。5质点做简谐运动，其xt关系如图所示。以x轴正向为速度v的正方向，该质点的vt关系是()解析：选B在t0时刻，质点的位移最大，速度为0，则下一时刻质点应向下运动，故选项A、C错误；在t时刻，质点的位移为0，速率最大，故选项B正确，选项D错误。6如图甲所示为一弹簧振子的振动图像，规定向右的方向为正方向，试根据图像分析以下问题：(1)如图乙所示的振子振动的起始位置是_，从初始位置开始，振子向_(填“右”或“左”)运动。(2)在乙图中，找出图像中的O、A、B、C、D各对应振动过程中的位置，即O对应_，A对应_，B对应_，C对应_，D对应_。(3)在t2 s时，振子的速度的方向与t0时速度的方向_。(4)质点在前4 s内的位移等于_。解析：(1)由xt图像知，在t0时，振子在平衡位置，故起始位置为E；从t0时刻开始，振子向正的位移处运动，即向右运动。(2)由xt图像知：O点、B点、D点对应平衡位置的E点，A点在正的最大位移处，对应G点；C点在负的最大位移处，对应F点。(3)由xt图像可知t2 s时，图线斜率为负，即速度方向为负方向；t0时，斜率为正，速度方向为正方向。故两时刻速度方向相反。(4)4 s末振子回到平衡位置，故位移为零。答案：(1)E右(2)EGEFE(3)相反(4)07.多选弹簧振子做简谐运动，振动图像如图所示，则下列说法正确的是()At1、t2时刻振子的速度大小相等，方向相反Bt1、t2时刻振子的位移大小相等，方向相反Ct2、t3时刻振子的速度大小相等，方向相反Dt2、t4时刻振子的位移大小相等，方向相反解析：选AD从图像可看出，t1、t2时刻振子位于同一位置，位移大小相等，方向相同，速度大小相等，方向相反，故A正确，B错误；t2、t3时刻振子位移大小相等，方向相反，速度大小相等，方向相同，故C错误；t2、t4时刻振子分别位于平衡位置两侧且对称，位移大小相等，方向相反，故D正确。8.如图所示，一轻质弹簧上端系于天花板上，一端挂一质量为m的小球，弹簧的劲度系数为k，将小球从弹簧为自由长度时的竖直位置放手后，小球做简谐运动，则：(1)小球从放手运动到最低点，下降的高度为多少？(2)小球运动到最低点时的加速度大小为多少？解析：(1)放手后小球到达平衡位置O点，弹簧伸长了x，则：mgkx，x，x也是振动过程中球离平衡位置的最大距离，所以小球从放手运动到最低点，下降高度为2 x，即。(2)小球在最高点时只受重力，其加速度为g，最低点和最高点对平衡位置的位移大小相等，故加速度大小相等为g。答案：(1)(2)g