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    1.3简谐运动的图像和公式 学案(2020年教科版高中物理选修3-4)

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    1.3简谐运动的图像和公式 学案(2020年教科版高中物理选修3-4)

    1、3 简谐运动的图像和公式简谐运动的图像和公式 学科素养与目标要求 物理观念:1.知道所有简谐运动的图像都是正弦(或余弦)曲线.2.知道简谐运动的数学表达式. 科学思维:1.会根据简谐运动的图像找出物体振动的周期和振幅,并能分析有关问题.2.能从 简谐运动的图像和表达式中获取振幅、周期(频率)、相位、初相等相关信息. 一、简谐运动的图像 1.图像的建立 以横轴表示做简谐运动的物体的运动时间 t,纵轴表示做简谐运动的物体运动过程中相对平 衡位置的位移 x. 2.图像的特点:简谐运动的图像是一条正弦(或余弦)曲线. 3.由简谐运动的图像,可找出物体振动的周期和振幅. 二、简谐运动的表达式及相位 简谐

    2、运动的表达式 xAsin (t). (1)式中 x 表示振动质点相对于平衡位置的位移;t 表示振动的时间. (2)A 表示振幅. (3) 称做简谐运动的圆频率,它也表示简谐运动振动的快慢,与周期 T 及频率 f 的关系: 2 T 2f. 所以表达式也可写成: xAsin 2 T t 或 xAsin (2ft). (4)2ft 代表简谐运动的相位;其中 是 t0 时的相位,称为初相位或初相. 1.一质点做简谐运动,其位移 x 与时间 t 的关系曲线如图 1 所示,根据图像,判断下列说法的 正误. 图 1 (1)质点振动的频率是 4 Hz.( ) (2)质点振动的振幅是 2 cm.( ) (3)在

    3、 t3 s 时,质点的速度最大.( ) (4)在 t4 s 时,质点所受的合外力为零.( ) 2.有一弹簧振子,振幅为 0.8 cm,周期为 0.5 s,初始时(t0)具有正的最大位移,则它的振动 方程是 x m. 答案 0.008sin (4t 2) 一、简谐运动的图像 1.甲、乙两同学合作模拟弹簧振子的 xt 图像: 如图所示,取一张白纸,在正中间画一条直线 OO,将白纸平铺在桌面上,甲同学用手使 铅笔尖从 O 点沿垂直于 OO方向振动画线,乙同学沿 OO 方向水平向右匀速拖动白纸. (1)白纸不动时,甲同学画出的轨迹是怎样的? (2)乙同学匀速向右慢慢拖动白纸时,甲同学画出的轨迹又是怎样

    4、的? (3)分析白纸慢慢拖动时画出的曲线,沿 OO与垂直 OO方向分别建立坐标轴,说说两坐 标轴可表示什么物理量?图线上点的坐标表示什么物理意义? 答案 (1)是一条垂直于 OO的线段. (2)轨迹如图所示,类似于正弦曲线. (3)垂直 OO 方向的轴为位置坐标轴 x(如果以平衡位置为出发点,也可以说是位移坐标轴), 沿OO方向的轴为时间轴t.图线上点的坐标表示某时刻铅笔尖的位移(以平衡位置为出发点) 或位置. 2.绘制简谐运动的 xt 图像 如图所示,使漏斗在竖直平面内做小角度摆动,并垂直于摆动平面匀速拉动薄板,则细沙在 薄板上形成曲线.若以漏斗的平衡位置为坐标原点,沿着振动方向建立 x 轴

    5、,垂直于振动方向 建立 t 轴,则这条曲线就是漏斗的位移时间图像.为什么这条曲线能描述漏斗的位移随时间 变化的规律? 答案 当单摆(漏斗)摆动时,薄板从左向右匀速运动,所以薄板运动的距离与时间成正比, 因此可用薄板运动的距离代表时间轴,图像上每一个点的位置反映了不同时刻摆球(漏斗)离 开平衡位置的位移,即位移随时间变化的规律. 1.对 xt 图像的理解 xt 图像上的 x 坐标表示振子相对平衡位置的位移,也表示振子的位置坐标.它反映了振子位 移随时间变化的规律,不是振子的运动轨迹. 2.图像的应用 (1)确定振动物体在任一时刻的位移.如图 2 所示,对应 t1、t2时刻的位移分别为 x17 c

    6、m,x2 5 cm. 图 2 (2)确定振动的振幅.由图可知,振动的振幅是 10 cm. (3)确定振动的周期和频率.由图可知,T0.2 s,频率 f1 T5 Hz. (4)确定各质点的振动方向.例如图中的 t1时刻, 质点正远离平衡位置向正方向运动; 在 t3时刻, 质点正从负方向向着平衡位置运动. (5)比较各时刻质点加速度的大小和方向.例如在图中 t1时刻质点位移 x1为正,则加速度 a1为 负,t2时刻质点位移 x2为负,则加速度 a2为正,又因为|x1|x2|,所以|a1|a2|. 例 1 如图 3 所示为某一弹簧振子做简谐运动的图像,则( ) 图 3 A.振动的振幅为 6 m B.

    7、振动的周期为 6 s C.t1.5 s 时和 t2.5 s 时,振子的速度相同 D.t2.5 s 时,振子的加速度正在减小,沿 x 轴的负方向 答案 C 解析 由题图知,振子运动的周期为 T4 s,振幅是振子离开平衡位置的最大距离,由题图 知,振幅 A3 cm,故 A、B 错误;在 t1.5 s 时和 t2.5 s 时,据题图可知,振子关于平衡 位置对称,所以两时刻速度大小相等,方向相同,沿 x 轴的负方向,故 C 正确;t2.5 s 时, 振子正远离平衡位置,位移增大,其加速度增大,故 D 错误. 针对训练 如图 4 甲所示,水平的光滑杆上有一弹簧振子,振子以 O 点为平衡位置,在 a、b

    8、两点之间做简谐运动(以向右为正方向),其振动图像如图乙所示.由振动图像可知( ) 图 4 A.振子的振动周期等于 t1 B.在 t0 时刻,振子的位置在 a 点 C.在 tt1时刻,振子的速度为零 D.从 t1到 t2,振子正从 O 点向 b 点运动 答案 D 解析 振子的振动周期是振子完成一个周期性变化所用的时间,由题图乙可直接读出其周期 T2t1,故 A 错误;由题图乙知在 t0 时刻,振子的位移为零,正通过平衡位置,所以振子 的位置在 O 点,故 B 错误;在 tt1时刻,振子的位移为零,正通过平衡位置,速度最大, 故 C 错误;从 t1到 t2,振子的位移从 0 变化到正向最大,说明振

    9、子正从 O 点向 b 点运动,故 D 正确. 二、简谐运动的表达式及相位差 1.将两个相同的单摆向同一方向拉开相同的角度,然后同时静止释放.两个单摆的振动有什么 特点?它们的相位差是多大? 答案 它们同时到达同侧的最大位移处,也同时到达平衡位置,它们总是“步调一致”,相 位相同,相位差为 0. 2.将两个摆长相同的单摆向相反方向拉开相同的角度,然后同时静止释放,观察两个单摆的 振动有什么特点?它们的相位差是多大? 答案 它们各时刻的位移总是相反,相位差为 . 3.如图所示是弹簧振子做简谐运动的 xt 图像,它是一条正弦曲线,请根据数学知识写出此 图像的函数表达式,并说明各量的物理意义. 答案

    10、表达式 xAsin (2 T t),式中 A 表示振幅,T 表示周期, 表示初相位.图中 0,故 此图像表达式为 xAsin 2 T t. 1.简谐运动的表达式的理解 2.从表达式 xAsin (2ft)体会简谐运动的周期性.当 (2ft2)(2ft1)2n 时, t2n 2fnT,振子位移相同,每经过周期 T 完成一次全振动. 3.从表达式 xAsin (2ft)体会特殊点的值.当(2ft)等于 2n 2(n0,1,2)时,sin (2ft )1,即 xA;当(2ft)等于 2n3 2 (n0,1,2)时,sin (2ft)1,即 xA; 当(2ft)等于 n(n0,1,2)时,sin (2

    11、ft)0,即 x0. 例 2 (多选)一弹簧振子 A 的位移 x 随时间 t 变化的关系式为 x0.1sin 2.5t,位移 x 的单位 为 m,时间 t 的单位为 s.则( ) A.弹簧振子的振幅为 0.2 m B.弹簧振子的周期为 1.25 s C.在 t0.2 s 时,振子的运动速度为零 D.若另一弹簧振子 B 的位移 x 随时间 t 变化的关系式为 x0.2sin 2.5t 4 ,则 A 滞后 B 4 答案 CD 解析 由振动方程 x0.1sin 2.5t, 可读出振幅为 0.1 m, 圆频率 2.5 rad/s, 故周期 T2 2 2.5 s0.8 s,故 A、B 错误;在 t0.2

    12、 s 时,振子的位移最大,速度最小,为零,故 C 正 确;两振动的相位差 4,即 B 超前 A 4,或者说 A 滞后 B 4,D 正确. 学科素养 例 2 考查了对简谐运动表达式的理解.应用简谐运动的表达式解决相关问题时, 首先应明确振幅 A,周期 T、频率 f 的对应关系,然后把确定的物理量与所要解决的问题相对 应,找到关系.在解题过程中,回顾了物理概念和规律,锻炼了学生从物理学视角对客观事物的 本质属性、内在规律及相互关系认识的能力,体现了“物理观念”与“科学思维”学科素养. 例 3 如图 5 所示,一弹簧振子在 M、N 间沿光滑水平杆做简谐运动,坐标原点 O 为平衡位 置,MN8 cm.

    13、从小球经过图中 N 点时开始计时,到第一次经过 O 点的时间为 0.2 s,则小球 的振动周期为 s,振动方程为 x cm. 图 5 答案 0.8 4cos 5 2 t 解析 从 N 点到 O 点刚好为T 4,则有 T 40.2 s, 故 T0.8 s;由于 2 T 5 2 rad/s,而振幅为 4 cm, 从最大位移处开始振动,所以振动方程为 x4cos 5 2 t cm. 三、简谐运动的周期性和对称性 如图 6 所示 图 6 (1)时间的对称 物体来回通过相同两点间的时间相等,即 tDBtBD. 物体经过关于平衡位置对称的等长的两线段的时间相等, 图中 tOBtBOtOAtAO,tODtD

    14、O tOCtCO. (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)时,速度大小相等,方向可能相同,也可能相反. (3)位移的对称 物体经过同一点(如 C 点)时,位移相同. 物体经过关于 O 点对称的两点(如 C 与 D)时,位移大小相等、方向相反. 例 4 如图 7 所示, 弹簧振子以 O 点为平衡位置, 在 B、 C 两点间做简谐运动, 在 t0 时刻, 振子从 O、B 间的 P 点以速度 v 向 B 点运动;在 t0.2 s 时,振子速度第一次变为v;在 t 0.5 s 时,振子速度第二次变为v,已知 B

    15、、C 之间的距离为 25 cm. 图 7 (1)求弹簧振子的振幅 A; (2)求弹簧振子的振动周期 T 和频率 f. 答案 (1)12.5 cm (2)1 s 1 Hz 解析 (1)弹簧振子以 O 点为平衡位置,在 B、C 两点间做简谐运动,所以振幅是 B、C 之间 距离的1 2,所以 A 25 2 cm12.5 cm. (2)由简谐运动的对称性可知从P 到B 的时间与从B 返回到P 的时间是相等的,所以tBP0.2 2 s 0.1 s 同理可知:tPO0.3 2 s0.15 s 又 tPOtBPT 4 联立得:T1 s,所以 f1 T1 Hz. 1.(简谐运动的图像)(多选)(2018 嘉兴

    16、市高二第一学期期末)如图 8 所示为一质点的振动图像, 曲线满足正弦变化规律,则下列说法中正确的是( ) 图 8 A.该振动为简谐运动 B.该振动的振幅为 10 cm C.质点在前 0.12 s 内通过的路程为 20 cm D.0.04 s 末,质点的振动方向沿 x 轴负方向 答案 AD 解析 该图像表示质点的位移随时间周期性变化的规律,是简谐运动,故 A 正确;由题图可 知该振动的振幅为 5 cm,故 B 错误;由题图可知质点振动的周期为 0.08 s,0.12 s11 2T,质点 通过的路程为 6A30 cm,故 C 错误;根据振动规律可知,0.04 s 末质点的振动方向沿 x 轴 负方向

    17、,故 D 正确. 2.(简谐运动的表达式)一个小球和轻质弹簧组成的系统, 按 x15sin (8t1 4) cm 的规律振动. (1)求该振动的周期、频率、振幅和初相; (2)另一简谐运动表达式为 x25sin (8t5 4) cm,求它们的相位差. 答案 (1)1 4 s 4 Hz 5 cm 4 (2) 解析 (1)已知 8 rad/s,由 2 T 得 T1 4 s, f1 T4 Hz. 由 x15sin (8t1 4) cm 知 A5 cm, 1 4. (2)由 (t2)(t1)21 得 5 4 4. 3.(简谐运动的表达式)如图 9 所示为 A、B 两个简谐运动的位移时间图像.请根据图像

    18、回答: 图 9 (1)A 的振幅是 cm,周期是 s;B 的振幅是 cm,周期是 s. (2)写出这两个简谐运动的位移随时间变化的关系式; (3)在 t0.05 s 时两质点的位移分别是多少? 答案 (1)0.5 0.4 0.2 0.8 (2)xA0.5sin (5t) cm,xB0.2sin 2.5t 2 cm (3)xA 2 4 cm,xB0.2sin 5 8 cm 解析 (1)由题图知:A 的振幅是 0.5 cm,周期是 0.4 s;B 的振幅是 0.2 cm,周期是 0.8 s. (2)t0 时刻 A 中振动的质点从平衡位置开始沿负方向振动,A,由 TA0.4 s,得 A2 TA 5

    19、rad/s.则 A 简谐运动的表达式为 xA0.5sin (5t) cm.t0 时刻 B 中振动的质点从平衡 位置沿正方向已振动了1 4周期,B 2,由 TB0.8 s 得 B 2 TB2.5 rad/s,则 B 简谐运动的 表达式为 xB0.2sin 2.5t 2 cm. (3)将 t0.05 s 分别代入两个表达式中得:xA0.5sin (50.05) cm0.5 2 2 cm 2 4 cm,xB0.2sin 2.50.05 2 cm0.2sin 5 8 cm. 4.(简谐运动的周期性和对称性)如图 10 所示,一质点沿水平直线做简谐运动,先后以相同速 度通过 a、b 两点,经历时间 ta

    20、b1 s,过 b 点后再经 t1 s 质点第一次反向通过 b 点.O 点 为平衡位置,若在这两秒内质点所通过的路程是 8 cm,试求该质点的振动周期和振幅. 图 10 答案 4 s 4 cm 解析 简谐运动是以平衡位置为中心的对称运动,因为通过 a、b 两点时的速度相同,根据简 谐运动的对称性,可知质点从 b 点返回 a 点所用的时间必与从 a 点到 b 点所用的时间相同, 即 tbatab1 s,质点从 a 点经最左端位置 d 再返回 a 点所用的时间 tada必与质点从 b 点经最 右端位置 c 再返回 b 点所用的时间 tbcb相等,即 tadatbcbt1 s. 综上所述,质点的振动周期为 Ttabtbcbtbatada4 s.由题图和简谐运动的对称性可知, 质点在一个周期内通过的路程为 s2 ab 2 bc 2 ad 2( ab 2 bc )28 cm16 cm. 所以质点的振幅为 As 44 cm.


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