第二章机械振动知识点复习-2021年高二物理人教版(2019)选择性必修第一册
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1、 第二章第二章 机械振动机械振动 知识点整合知识点整合 (含对应的典型例题及扩展知识点)(含对应的典型例题及扩展知识点) 目目 录录 一、弹簧振子. 2 二、简谐运动. 3 1.简谐运动的位移. 3 2.简谐运动的回复力. 4 3.简谐运动的速度. 5 4.简谐运动的加速度. 5 5.简谐运动的全振动. 6 6.简谐运动的振幅. 6 7.简谐运动周期和频率. 6 8.简谐运动的能量. 8 9.简谐运动的四个特征. 8 10.简谐运动的表达式. 10 三、单摆. 11 1.单摆的回复力. 11 2.摆球的受力. 11 3.单摆的周期. 12 四、受迫振动 共振. 13 1.固有振动. 13 2.
2、阻尼振动. 14 3.受迫振动. 14 4.共振. 14 一、弹簧振子一、弹簧振子 1. .振振子子模型:模型: 如图所示, 如果球与杆之间的摩擦摩擦可以忽略忽略, 且弹簧的质量弹簧的质量与小球的质量相比也可以忽略忽略, 则该装置为弹簧振子。 2.2.平衡位置:平衡位置:振子原来静止时静止时的位置。 3.3.机械振动:机械振动:振子在平衡位置附近所做的往复运动往复运动,简称振动。 简谐运动是简谐运动是最简单、最基本的机械振动机械振动 匀速直线运动是匀速直线运动是最简单、最基本的机械运动机械运动 4.4.振动特点:振动特点:振动是一种往复运动,具有周期性周期性和往复性往复性。 1.下列运动中属于
3、机械振动的是( ) A.小鸟飞走后树枝的运动 B.爆炸声引起窗子上玻璃的运动 C.匀速圆周运动 D.竖直向上抛出的物体的运动 E.人说话时声带的振动 答案:答案:ABEABE 2.如图所示,弹簧下端悬挂一钢球,上端固定组成一个振动系统,用手把钢球向上托起一 段距离,然后释放,下列说法正确的是( ) A钢球运动的最高处为平衡位置 B钢球运动的最低处为平衡位置 C钢球速度为零处为平衡位置 D钢球原来静止时的位置为平衡位置 D D 解析:钢球以平衡位置为中心做往复运动,在平衡位置处速度最大,故解析:钢球以平衡位置为中心做往复运动,在平衡位置处速度最大,故 A A、B B、C C 不正确,不正确,D
4、D 选项正确。选项正确。 二、简谐运动二、简谐运动 如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数正弦函数的规律,即它的振动图象(xt图象)是一条 正弦(或余弦)曲线,这样的振动叫作简谐运动。 1.简谐运动的简谐运动的位移位移 振动位移是从平衡位置指向从平衡位置指向振子某时刻所在位置所在位置的有向线段, 方向为平衡位置指向振子所 在位置,大小为平衡位置到该位置的距离。最大值等于振幅。最大值等于振幅。 无论振子从什么位置开始振动无论振子从什么位置开始振动, ,其位移总是以平衡位置为初位置。其位移总是以平衡位置为初位置。将位移方向与速度方向将位移方向与速度方向 区分开。区分开。 如图所示,在t1时刻振子的
5、位移为x1,2时刻的位移为x2,t4时刻为x4 2.简谐运动的简谐运动的回复力回复力:振动质点受到的总能使其回到平衡位置的力。 方向:方向:指向平衡位置 表达式:表达式:F F- -kxkx 式中的 k 不一定不一定是弹簧的劲度系数, 如图甲所示, 水平方向的弹簧振子, 弹力充当回复力弹力充当回复力; 如图乙所示,竖直方向的弹簧振子,弹力和重力的合力充当回复力合力充当回复力;如图丙所示,m随M一起 振动,m的回复力是静摩擦力。回复力是静摩擦力。乙、丙的 k 不是弹簧的劲度系数。 因此,做简谐运动的物体,其回复力特点为回复力特点为F Fkxkx,这是判断是判断物体是否做简谐运动的依依 据。据。
6、1.如图所示的弹簧振子,O 点为它的平衡位置,当振子离开 O 点,再从 A 点运动到 C 点时, 下列说法正确的是( ) A. 位移大小为 OC B. 位移方向向右 C. 位移大小为 AC D. 位移方向向左 答案答案 ABAB 2.(多选)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振子所受的回复力逐渐增大 B振子的位移逐渐减小 C振子所受的回复力逐渐减小 D弹簧的形变量逐渐减小 BCDBCD 解析解析 该题考查的是回复力、加速度随位移的变化关系,应根据牛顿第二定律进行分析当振子向平衡位置运动时,该题考查的是回复力、加速度随位移的变化关系,应根据牛顿第二定律进行分
7、析当振子向平衡位置运动时, 位移逐渐减小,而回复力与位移成正比,故回复力也减小故正确答案为位移逐渐减小,而回复力与位移成正比,故回复力也减小故正确答案为 B B、D D、E.E. 3. 3.简谐运动的速度简谐运动的速度 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(也称为“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。 4. 4.简谐运动的加速度简谐运动的加速度 根据牛二定律及简谐运动回复力特点:根据牛二定律及简谐运动回复力特点:a aF F m m k k m mx x, ,式中m表示振子的质量,表明振子的 加速度大小与位移大小成正比,加速度方
8、向与位移方向相反,只在平衡位置发生改变。加速度方向与位移方向相反,只在平衡位置发生改变。 1.一水平弹簧振子做简谐运动,则下列说法中正确的是( ) A若位移为负值,则速度一定为正值 B振子通过平衡位置时,速度为零 C振子每次通过平衡位置时,速度一定相同 D振子每次通过同一位置时,其速度不一定相同 D D 解析:解析: 振子做简谐运动时,某时刻位移的方向与速度的方向可能相同,也可能相反,振子做简谐运动时,某时刻位移的方向与速度的方向可能相同,也可能相反,A A、C C 不正确当通过同一位置不正确当通过同一位置 时,速度的方向不一定相同,时,速度的方向不一定相同,D D 正确经过平衡位置速度最大,
9、正确经过平衡位置速度最大,B B 错错 3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 C C 解析:解析:O 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,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 B 错误;振子在错误;振子在 a a、b b 两位置,振动的位两位置,振动的位 移最大,加速度最大,速度为零,故移最大,加速度最大,速度为零,故 A A、D D 错误,
10、错误,C C 正确。正确。 5. 5.简谐运动的全振动简谐运动的全振动 振动物体以相同的速度以相同的速度相继通过同一位置通过同一位置所经历的过程,叫作一次全振动。一次全振动。 正确理解全振动的概念,还应注意把握全振动的四个特征:四个特征: 物理量特征:位移(x)、加速度(a)、速度(v)三者第一次同时与初始状态相同 时间特征:历时一个周期 路程特征:振幅的 4 倍 相位特征:增加 2 6. 6.简谐运动的振幅简谐运动的振幅 所以不是最大位移所以不是最大位移 振动物体离开平衡位置的最大距离最大距离,叫做振动的振幅。标量标量。用A表示,单位为米(m)。 振幅物理意义: 描述振动范围描述振动范围的物
11、理量; 振幅的大小反映振动的强弱和反映振动的强弱和振动系统能量的大能量的大 小。小。 7. 7.简谐运动周期和频率简谐运动周期和频率 内容 周 期 频 率 定义 做简谐运动的物体完成一次全振动 所用的时间 单位时间内完成全振动的次数 单位 秒 S 赫兹 Hz 物理含义 都是表示振动快慢表示振动快慢的物理量 联系 T1 f 1(多选)如图所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在B,C间振动,则( ) A从BOCOB为一次全振动 B从OBOCB为一次全振动 C从COBOC为一次全振动 DOB不一定等于OC EB、C两点是关O点对称的 解析解析 O O 点为平衡位置,点为平衡位置,B B,C C 为两侧最
12、远点,则从为两侧最远点,则从 B B 起经起经 O O,C C,O O,B B 的路程为振幅的的路程为振幅的 4 4 倍,即倍,即 A A 正确;若从正确;若从 O O 起经起经 B B, O O,C C,B B 的路程为振幅的的路程为振幅的 5 5 倍,超过一次全振动,即倍,超过一次全振动,即 B B 错误;若从错误;若从 C C 起经起经 O O,B B,O O,C C 的路程为振幅的的路程为振幅的 4 4 倍,即倍,即 C C 正确;因弹正确;因弹 簧振子的系统摩擦不考虑,所以它的振幅一定,即簧振子的系统摩擦不考虑,所以它的振幅一定,即 D D 错误,错误,E E 正确正确 2(多选)关
13、于振幅的各种说法中,正确的是( ) A振幅是振子离开平衡位置的最大距离 B位移是矢量,振幅是标量,位移的大小等于振幅 C振幅等于振子运动轨迹的长度 D振幅越大,表示振动越强 E振幅的大小与周期无关 ADEADE 解析解析 振幅是振子离开平衡位置的最大距离,是标量,在简谐运动中大小不变,而位移是变化的,故振幅是振子离开平衡位置的最大距离,是标量,在简谐运动中大小不变,而位移是变化的,故 A A 对,对,B B、C C 错;错; 振幅越大,振动越强,但与周期无关,振幅越大,振动越强,但与周期无关,D D、E E 对对 3弹簧振子以O点为平衡位置在B、C两点间做简谐运动,BC相距 20 cm,某时刻
14、振子处 于B点,经过 0.5 s,振子首次到达C点求: (1)振子的振幅; (2)振子的周期和频率; 解析解析 (1)(1)设振幅为设振幅为 A A,则有,则有 2A2ABCBC2020 cmcm,所以,所以 A A10 cm.10 cm. (2)(2)从从 B B 首次到首次到 C C 的时间为周期的一半,因此的时间为周期的一半,因此 T T2t2t 1 s1 s;再根据周期和频率的关系可得;再根据周期和频率的关系可得 f f1 1 T T 1 Hz.1 Hz. 8. 8.简谐运动的能量简谐运动的能量 (1)弹簧振子运动的过程就是动能和势能互相转化的过程 (2)在最大位移处,势能最大,最大位
15、移处,势能最大,动能为零 (3)在平衡位置处,动能最大,平衡位置处,动能最大,势能最小 (4)简谐运动的能量特点:在简谐运动中,振动系统的机械能守恒,而在实际运动中都 有一定的能量损耗,因此简谐运动是一种理想化的模型简谐运动是一种理想化的模型 9. 9.简谐运动的四个特征简谐运动的四个特征 9.1.9.1.动力学特征:动力学特征:F回=-kx,“-”表示回复力的方向与位移方向相反回复力的方向与位移方向相反,k 是比例系数,不一定 是弹簧的劲度系数。F=-kx 是判定一个物体是否做简谐运动的依据。 9.2.9.2.运动学特征:运动学特征:在简谐运动中,位移、回复力、加速度和势能四个四个物理量同时
16、增大或减 小,与速度和动能的变化步调相反。 平衡位置平衡位置是位移、加速度和回复力方向变化的转折点。转折点。 9.3.9.3.运动的周期性特征:运动的周期性特征: 相隔 nT(n 为正整数)的两个时刻振子处于同一位置且振动状态相 同。 9.4.9.4.对称性特征对称性特征 (1)相隔 T/2 或(2n+1)T/2(n 为正整数)的两个时刻,振子位置关于平衡位置对称。位移、 速度、加速度大小相等,方向相反。 (2)质点在距平衡位置相等距离的两个点上具有相等大小的速度、加速度, 在关于平衡位置对称相等距离上的运动时间也是相同的。 (3)经过 1 个周期,质点走过的路程一定为 4 倍振幅;经过半个周
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