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- 2021-05-25 发布
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11.1 简谐运动
[目标定位] 1.认识弹簧振子,理解振子的平衡位置和位移.2.理解简谐运动的位移—时间图象是一条正弦曲线.3.经历对简谐运动运动学特征的探究过程,加深领悟用图象描绘运动的方法.
一、弹簧振子
1.平衡位置
小球原来 时的位置.
2.机械振动
小球在 附近的 运动,是一种 ,简称振动.
3.弹簧振子
如图11-1-1所示,把一个有孔的小球装在弹簧的一端,弹簧的另一端固定,小球穿在光滑的杆上,能够自由滑动,两者之间的摩擦可以 ,弹簧的质量与小球相比也可以 ,这样的系统称为弹簧振子.
图11-1-1
想一想 弹簧振子是一种理想化模型,以前我们还学过哪些理想化模型?
二、弹簧振子的位移—时间图象
图11-1-2
1.建立坐标系
如图11-1-2,以小球的 为坐标原点,沿着它的 方向建立坐标轴.小球在平衡位置 边时它对平衡位置的位移为正,在 边时为负.
2.振子位置的确定
用频闪照相机拍摄时,底片从下向上 运动,因此在底片上留下了小球和弹簧的一系列的像,对应小球在各个时刻的位置,得到如图11-1-2所示的图象.
三、简谐运动及其图象
1.如果质点的位移与时间的关系遵从 的规律,即它的振动图象(x-t图象)是一条 曲线,这样的振动叫做简谐运动.
2.简谐运动是最简单、最基本的 ,弹簧振子的运动就是 .
想一想 简谐运动的图象描述的是小球的运动轨迹吗?
一、对简谐运动的理解
1.简谐运动的位移
简谐运动的位移是矢量,是从平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段.
注意:简谐运动的位移和一般运动中的位移有很大区别,一般运动中的位移都是由初位置指向末位置.而简谐运动的位移都是由平衡位置指向振动质点所在位置.
2.简谐运动的运动规律
简谐运动中质点原来静止的位置是平衡位置.振动质点振动过程中经过平衡位置时位移是零,而速度最大.离开平衡位置时,位移变大,速度变小.速度为零处是最大位移处.
【例1】 以弹簧振子为例,振子做简谐运动的过程中,有两点A、A′关于平衡位置对称,则振子( )
A.在A点和A′点的位移相同
B.在A点和A′点的位移大小相同
C.在两点处的速度可能相同
D.在两点处的速度一定相同
借题发挥 弹簧振子位于关于平衡位置对称的两点时,振子的位移大小相等,方向相反;振子的速度大小相等,方向可能相同,也可能相反.
图11-1-3
针对训练1 如图11-1-3所示,弹簧下端悬挂一钢球,上端固定,它们组成一个振动的系统.用手把钢球向上托起一段距离,然后释放,钢球便上下振动起来,若以竖直向下为正方向,下列说法正确的是( )
A.钢球的最低处为平衡位置
B.钢球原来静止时的位置为平衡位置
C.钢球振动到距原静止位置下方3 cm处时位移为3 cm
D.钢球振动到距原静止位置上方2 cm处时位移为2 cm
二、对简谐运动图象(x-t图象)的认识
1.形状:正(余)弦曲线
2.物理意义
表示振动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.
3.获取信息
(1)任意时刻质点的位移的大小和方向.如图11-1-4所示,质点在t1、t2时刻的位移分别为x1和-x2.
图11-1-4
图11-1-5
(2)任意时刻质点的振动方向:看下一时刻质点的位置,如图11-1-5中a点,下一时刻离平衡位置更远,故a此刻质点向x轴正方向振动.
(3)任意时刻质点的速度、位移的变化情况及大小比较:看下一时刻质点的位置,判断是远离还是靠近平衡位置,若远离平衡位置,则速度越来越小,位移越来越大,若靠
近平衡位置,则速度越来越大,位移越来越小,如图中b,从正位移向着平衡位置运动,则速度为负且增大,位移正在减小,c从负位移远离平衡位置运动,则速度为负且减小,位移正在增大.
注意:振动图象描述的是振动质点的位移随时间的变化关系,而非质点运动的轨迹.比如弹簧振子沿一直线做往复运动,其轨迹为一直线,而它的振动图象却是正弦曲线.
图11-1-6
【例2】 如图11-1-6所示为某物体做简谐运动的图象,下列说法中正确的是( )
A.由P→Q,位移在增大
B.由P→Q,速度在增大
C.由M→N,位移先减小后增大
D.由M→N,位移始终减小
借题发挥 应用简谐运动的图象
(1)可以从图象中直接读出某时刻质点的位移大小和方向、速度方向、质点的最大位移;
(2)也可比较不同时刻质点位移的大小、速度的大小;
(3)还可以预测一段时间后质点位于平衡位置的正向或负向,质点位移的大小与方向,速度的方向和大小的变化趋势.
图11-1-7
针对训练2 如图11-1-7所示为某质点在0~4 s内的振动图象,则( )
A.质点在3 s末的位移为2 m
B.质点在4 s末的位移为8 m
C.质点在4 s内的路程为8 m
D.质点在4 s内的路程为零
对简谐运动的理解
图11-1-8
1.如图11-1-8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
2.对于做简谐运动的弹簧振子,下述说法中不正确的是( )
A.振子通过平衡位置时,速度最大
B.振子在最大位移处时,速度最大
C.振子在连续两次通过同一位置时,位移相同
D.振子连续两次通过同一位置时,动能相同
简谐运动的图象
图11-1-9
3.如图11-1-9表示某质点简谐运动的图象,以下说法正确的是( )
A.t1、t2时刻的速度相同
B.从t1到t2这段时间内,速度与位移同向
C.从t2到t3这段时间内,速度变大,位移变小
D.t1、t3时刻的速度相同
图11-1-10
4.装有砂粒的试管竖直静立于水面,如图11-1-10所示,将管竖直提起少许,然后由静止释放并开始计时,在一定时间内试管在竖直方向近似做简谐运动.若取竖直向上为正方向,则如图所示描述试管振动的图象中可能正确的是( )
题组一 对振动的理解
1.下列几种运动中属于机械振动的是( )
A.乒乓球在地面上的上下运动
B.弹簧振子在竖直方向的上下运动
C.秋千在空中来回运动
D.浮于水面上的圆柱形玻璃瓶上下振动
2.关于机械振动的位移和平衡位置,以下说法中正确的是( )
A.平衡位置就是物体振动范围的中心位置
B.机械振动的位移总是以平衡位置为起点的位移
C.机械振动的物体运动的路程越大,发生的位移也就越大
D.机械振动的位移是指振动物体偏离平衡位置最远时的位移
题组二 对简谐运动的理解
3.关于简谐运动,下列说法正确的是( )
A.简谐运动一定是水平方向的运动
B.所有的振动都可以看作是简谐运动
C.物体做简谐运动时的轨迹线一定是正弦曲线
D.只要振动图象是正弦曲线,物体一定做简谐运动
4.一弹簧振子做简谐运动,下列说法正确的是( )
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,速度相同
D.振子每次通过同一位置时,速度不一定相同
5.做简谐运动的弹簧振子在某段时间内速度越来越大,则这段时间内( )
A.振子的位移越来越大
B.振子正向平衡位置运动
C.振子速度与位移同向
D.振子速度与位移方向相反
题组三 简谐运动的图象
6.关于简谐运动的图象,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.由图象可判断任一时刻质点相对平衡位置的位移大小与方向
C.表示质点的位移随时间变化的规律
D.由图象可判断任一时刻质点的速度方向
7.一质点做简谐运动的图象如图11-1-11所示,下列说法正确的是( )
图11-1-11
A.0~1 s速度在增大 B.0~1 s位移在增大
C.2~3 s速度在增大 D.2~3 s位移在增大
图11-1-12
8.一质点做简谐运动的图象如图11-1-12所示,在前2 s内具有最大负方向速度的时刻是( )
A.0.5 s B.1 s
C.1.5 s D.2 s
9.如图11-1-13所示为某简谐运动的图象,若t=0时,质点正经过O点向b运动,则下列说法正确的是( )
图11-1-13
A.质点在0.7 s时,正在远离平衡位置运动
B.质点在1.5 s时的位移最大
C.1.2 s到1.4 s,质点的位移在增大
D.1.6 s到1.8 s,质点的位移在增大
10.一弹簧振子沿x轴振动,离开平衡位置的最大距离为4 cm,振子的平衡位置位于x轴上的O点,如图11-1-14所示,a、b、c、d为4
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11-1-15中给出的①、②、③、④四条振动图象,可用于表示振子的振动图象的是( )
图11-1-14
图11-1-15
A.若规定状态a时t=0,则图象为①
B.若规定状态b时t=0,则图象为②
C.若规定状态c时t=0,则图象为③
D.若规定状态d时t=0,则图象为④
11.如图11-1-16甲所示,李辉、张伟两人合作,模拟振动曲线的记录.先在白纸中央画一条直线OO1,使它平行于纸的长边,作为图象的横坐标轴.李辉用铅笔尖在白纸上沿垂直于OO1的方向振动,张伟沿OO1的方向匀速拖动白纸,纸上就画出了一条描绘笔尖振动情况的曲线,如图乙所示.李辉保持铅笔尖的振动情况不变,张伟改变拖动白纸的速度,在纸上画出了另一条振动曲线,如图丙所示.乙、丙两条曲线相比,拖动白纸速度较大的是________.
图11-1-16
12.如图11-1-17所示,简谐运动的图象上有a、b、c、d、e、f六个点,其中:
图11-1-17
(1)与a点位移相同的点有哪些?
(2)与a点速度相同的点有哪些?
图11-1-18
13.如图11-1-18所示是某质点做简谐运动的图象,根据图象中的信息,回答下列问题:(1)质点在第3秒末的位移是多少?质点振动过程中的最大位移为多少?
(2)在前4 s内,质点经过的路程为多少?
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