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  • 2021-05-27 发布

2020版高中物理 第一章 机械振动 3 简谐运动的图像和公式学案 教科版选修3-4

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‎3 简谐运动的图像和公式 ‎[学习目标] 1.知道所有简谐运动的图像都是正弦(或余弦)曲线.2.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.3.理解简谐运动的表达式,能从该表达式中获取振幅、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 简谐运动的表达式x=Asin(ωt+φ).‎ ‎(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)ω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:ω==2πf.‎ 所以表达式也可写成:‎ x=Asin或x=Asin (2πft+φ).‎ ‎(4)2πft+φ代表简谐运动的相位;其中φ是t=0时的相位,称为初相位或初相.‎ ‎[即学即用]‎ ‎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.‎ 16‎ 图1‎ ‎(1)质点振动的频率是4Hz.(  )‎ ‎(2)质点振动的振幅是‎2cm.(  )‎ ‎(3)在t=3s时,质点的速度最大.(  )‎ ‎(4)在t=4s时,质点所受的合外力为零.(  )‎ 答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)×‎ ‎2.有一弹簧振子,振幅为‎0.8cm,周期为0.5s,初始时(t=0)具有正的最大位移,则它的振动方程是x=m.‎ 答案 0.008sin (4πt+)‎ 一、简谐运动的图像 ‎[导学探究]‎ ‎1.甲、乙两同学合作模拟弹簧振子的x-t图像:‎ 如图2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O′O方向水平向右匀速拖动白纸.‎ 图2‎ ‎(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′的直线.‎ ‎(2)轨迹如图所示,类似于正弦曲线.‎ 16‎ ‎(3)垂直O′O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x-t图像 图3‎ 如图3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,垂直于振动方向建立t轴,则这些曲线就是漏斗的位移—时间图像.为什么这些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.‎ ‎[知识深化]‎ ‎1.对x-t图像的理解 x-t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4所示,对应t1、t2时刻的位移分别为x1=‎7cm,x2=-‎5cm.‎ 图4‎ ‎(2)确定振动的振幅.由图可知,振动的振幅是‎10cm.‎ ‎(3)确定振动的周期和频率.由图可知,T=0.2s,频率f==5Hz.‎ ‎(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 16‎ 时刻,质点正向着平衡位置运动.‎ ‎(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5所示为某一弹簧振子做简谐运动的图像,则(  )‎ 图5‎ A.振动的振幅为‎6m B.振动的周期为6s C.t=1.5s时和t=2.5s时,振子的速度相同 D.t=2.5s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T=4s;振幅是振子离开平衡位置的最大距离,由题图知,振幅A=‎3cm,故A、B错误;在t=1.5s时和t=2.5s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;t=2.5s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6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.由振动图像可以得知(  )‎ 图6‎ A.振子的振动周期等于t1‎ B.在t=0时刻,振子的位置在a点 C.在t=t1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 16‎ 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,由题图乙直接读出其周期T=2t1,故A错误;由题图乙知在t=0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t=t1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 ‎[导学探究]‎ ‎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π.‎ ‎3.图7是弹簧振子做简谐运动的x-t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.‎ 图7‎ 答案 表达式x=Asin (t+φ),式中A表示振幅,T表示周期,φ表示初相位.φ=0,x=Asint.‎ ‎[知识深化]‎ ‎1.简谐运动的表达式的理解 ‎2.从表达式x=Asin (ωt+φ)体会简谐运动的周期性.当Δφ=(ωt2+φ)-(ωt1+φ)‎ 16‎ ‎=2nπ时,Δt==nT,振子位移相同,每经过周期T完成一次全振动.‎ ‎3.从表达式x=Asin (ωt+φ)体会特殊点的值.当(ωt+φ)等于2nπ+时,sin (ωt+φ)=1,即x=A;当(ωt+φ)等于2nπ+时,sin (ωt+φ)=-1,即x=-A;当(ωt+φ)等于nπ时,sin (ωt+φ)=0,即x=0.‎ 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x=0.1sin2.5πt,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‎0.2m B.弹簧振子的周期为1.25s C.在t=0.2s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x=0.2sin,则A滞后B 答案 CD 解析 由振动方程x=0.1sin2.5πt,可读出振幅为‎0.1m,圆频率ω=2.5πrad/s,故周期T==s=0.8s,故A、B错误;在t=0.2s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Δφ=,即B超前A,或者说A滞后B,D正确.‎ 应用简谐运动的表达式解决相关问题,首先应明确振幅A、周期T、频率f的对应关系,其中T=,f=,然后把确定的物理量与所要解决的问题相对应,找到关系.‎ 例3 如图8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,MN=‎8cm.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0.2s,‎ 则小球的振动周期为s,振动方程为x=cm.‎ 图8‎ 答案 0.8 4cost 解析 从N点到O点刚好为,则有=0.2s,‎ 16‎ 故T=0.8s;‎ 由于ω==rad/s,而振幅为‎4cm,‎ 从最大位移处开始振动,所以振动方程为x=4costcm.‎ ‎1.(简谐运动的图像)一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系图像如图9所示,由图可知(  )‎ 图9‎ A.质点振动的频率是4Hz,振幅是‎2cm B.质点经过1s通过的路程总是‎2cm C.0~3s内,质点通过的路程为‎6cm D.t=2s时,质点的振幅为零 答案 C 解析 由题图可以直接看出振幅为‎2cm,周期为4s,所以频率为0.25Hz,所以A错误;质点在1s即个周期内通过的路程不一定等于一个振幅,所以B错误;因为t=0时质点在平衡位置处,0~3s为T,质点通过的路程为‎3A=‎6cm,所以C正确;振幅等于质点偏离平衡位置的最大距离,与质点的位移有着本质的区别,t=2s时,质点的位移为零,但振幅仍为‎2cm,所以D错误.‎ ‎2.(简谐运动的图像)(多选)甲、乙两弹簧振子的振动图像如图10所示,则可知(  )‎ 图10‎ A.两弹簧振子完全相同 B.振子的振动频率之比f甲∶f乙=1∶2‎ 16‎ C.振子甲速度为零时,振子乙速度最大 D.两弹簧振子所受回复力最大值之比F甲∶F乙=2∶1‎ 答案 BC 解析 由振动图像读出两弹簧振子的振幅和周期不同,则两弹簧振子一定不完全相同,故A错误;‎ 两弹簧振子振动周期之比T甲∶T乙=2∶1,频率之比是f甲∶f乙=1∶2,故B正确;‎ 由题图看出,甲在最大位移处时,乙在平衡位置,即振子甲速度为零时,振子乙速度最大,故C正确;‎ 由振动图像读出两振子位移最大值之比x甲∶x乙=2∶1,根据简谐运动的特征F=-kx,由于弹簧的劲度系数k可能不等,回复力最大值之比F甲∶F乙不一定等于2∶1,故D错误.‎ ‎3.(简谐运动的表达式)一个小球和轻质弹簧组成的系统,按x1=5sin (8πt+π) 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x2=5sin (8πt+π) cm,求它们的相位差.‎ 答案 (1)s 4Hz ‎5cm  (2)π 解析 (1)已知ω=8π rad/s,由ω=得T= s,‎ f==4 Hz.由x1=5sin (8πt+π) cm知A=‎5 cm,‎ φ1= ‎(2)由Δφ=(ωt+φ2)-(ωt+φ1)=φ2-φ1‎ 得Δφ=π-=π.‎ 16‎ ‎4.(简谐运动的表达式)如图11所示为A、B两个简谐运动的位移—时间图像.请根据图像回答:‎ 图11‎ ‎(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t=0.05s时两质点的位移分别是多少?‎ 答案 (1)0.5 0.4 0.2 0.8‎ ‎(2)xA=0.5sin (5πt+π) cm,xB=0.2sincm ‎(3)xA′=-cm,xB′=0.2sinπcm 解析 (1)由题图知:A的振幅是‎0.5cm,周期是0.4s;B的振幅是‎0.2cm,周期是0.8s.‎ ‎(2)t=0时刻A中振动的质点从平衡位置开始沿负方向振动,φA=π,由TA=0.4s,得ωA==5πrad/s.则A简谐运动的表达式为xA=0.5sin (5πt+π) cm.t=0时刻B中振动的质点从平衡位置沿正方向已振动了周期,φB=,由TB=0.8s得ωB==2.5πrad/s,则B简谐运动的表达式为xB=0.2sincm.‎ ‎(3)将t=0.05s分别代入两个表达式中得:xA′=0.5sin (5π×0.05+π) cm=-0.5×cm=-cm,xB′=0.2sincm=0.2sinπcm.‎ 一、选择题 考点一 简谐运动的图像 ‎1.如图1所示是某振子做简谐运动的图像,以下说法中正确的是(  )‎ 16‎ 图1‎ A.因为振动图像可由实验直接得到,所以图像就是振子实际运动的轨迹 B.振动图像反映的是振子的位移随时间变化的规律,并不是振子运动的实际轨迹 C.振子在B位置的位移就是曲线BC的长度 D.振子运动到B点时的速度方向即为该点的切线方向 答案 B ‎2.(多选)如图2表示某质点简谐运动的图像,以下说法正确的是(  )‎ 图2‎ 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时刻的回复力方向相反 答案 BC 解析 t1时刻质点速度最大,t2时刻质点速度为零,故A错误;t1到t2这段时间内,质点远离平衡位置,故速度方向、位移方向均背离平衡位置,所以二者方向相同,则B正确;在t2到t3这段时间内,质点向平衡位置运动,速度在增大,而位移在减小,故C正确;t1和t3时刻质点在平衡位置,回复力为零,故D错误.‎ ‎3.(多选)一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系图像如图3所示,由图可知(  )‎ 图3‎ A.质点振动的频率是4Hz B.质点振动的振幅是‎2cm 16‎ C.t=3s时,质点的速度最大 D.t=3s时,质点振动的振幅为零 E.t=3s时,质点的动能最大 答案 BCE 解析 由题图可以直接看出质点振动的振幅为‎2cm,周期为4s,所以频率为0.25Hz,所以选项A错误,B正确.t=3s时,质点经过平衡位置,速度最大,动能最大,所以选项C、E正确.振幅等于质点偏离平衡位置的最大位移的大小,与质点的位移有着本质的区别,t=3s时,质点的位移为零,但振幅仍为‎2cm,所以选项D错误.‎ ‎4.如图4所示,装有砂粒的试管竖直静浮于水面,将试管竖直提起少许,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,则以下描述试管振动的图像中可能正确的是(  )‎ 图4‎ 答案 D 解析 试管在竖直方向上做简谐运动,平衡位置是在重力与浮力相等的位置,开始计时时向上提起的距离,就是其偏离平衡位置的位移,为正向最大位移,因此应选D.‎ ‎5.(多选)一个质点经过平衡位置O,在A、B间做简谐运动,如图5甲所示,它的振动图像如图乙所示,设向右为正方向,下列说法正确的是(  )‎ 16‎ 图5‎ A.OB=‎‎5cm B.第0.2s末质点的速度方向是A→O C.第0.4s末质点的加速度方向是A→O D.第0.7s末质点的位置在O点与A点之间 E.在4s内完成5次全振动 答案 ACE 解析 由题图乙可知振幅为‎5cm,则OB=OA=‎5cm,A项正确;由题图可知0~0.2s内质点从B向O运动,第0.2s末质点的速度方向是B→O,B项错误;由题图可知第0.4s末质点运动到A点处,则此时质点的加速度方向是A→O,C项正确;由题图可知第0.7s末质点位置在O点与B点之间,D项错误;由题图乙可知周期T=0.8s,则在4s内完成全振动的次数为=5,E项正确.‎ ‎6.(多选)如图6所示为甲、乙两单摆的振动图像,则(  )‎ 图6‎ A.若甲、乙两单摆在同一地点摆动,则甲、乙两单摆的摆长之比为l甲∶l乙=2∶1‎ B.若甲、乙两单摆在同一地点摆动,则甲、乙两单摆的摆长之比为l甲∶l乙=4∶1‎ C.若甲、乙两单摆摆长相同,且在不同的星球上摆动,则甲、乙两单摆所在星球的重力加速度之比为g甲∶g乙=4∶1‎ D.若甲、乙两单摆摆长相同,且在不同的星球上摆动,则甲、乙两单摆所在星球的重力加速度之比为g甲∶g乙=1∶4‎ 答案 BD 解析 由题图可知T甲∶T乙=2∶1,由公式T=2π可知:若两单摆在同一地点,则两单摆摆长之比为l甲∶l乙=4∶1,故A错误,B正确;若两单摆摆长相等,则所在星球的重力加速度之比为g甲∶g乙=1∶4,故C错误,D正确.‎ 考点二 简谐运动的表达式 ‎7.(多选)某质点做简谐运动,其位移随时间变化的关系式为x=Asint,则质点(  )‎ 16‎ A.第1s末与第3s末的位移相同 B.第1s末与第3s末的速度相同 C.第3s末与第5s末的位移方向相同 D.第3s末与第5s末的速度方向相同 答案 AD 解析 根据x=Asint可求得该质点振动周期为T=8s,则该质点振动图像如图所示,图像的斜率为正表示速度为正,反之为负,由图可以看出第1s末和第3s末的位移相同,但斜率一正一负,故速度方向相反,选项A正确,B错误;第3s末和第5s末的位移方向相反,但两点的斜率均为负,故速度方向相同,选项C错误,D正确.‎ ‎8.(多选)物体A做简谐运动的振动方程是xA=3sinm,物体B做简谐运动的振动方程是xB=5sinm.比较A、B的运动(  )‎ A.振幅是矢量,A的振幅是‎6m,B的振幅是‎10m B.周期是标量,A、B周期相等,都为100s C.A振动的频率fA等于B振动的频率fB D.A的相位始终超前B的相位 答案 CD 解析 振幅是标量,A、B的振动范围分别是‎6m、‎10m,但振幅分别为‎3m、‎5m,A错;A、B的周期均为T==s=6.28×10-2s,B错;因为TA=TB,故fA=fB,C对;Δφ=φA-φB=,为定值,D对.‎ ‎9.(多选)一个质点做简谐运动的图像如图7所示,下列叙述中正确的是(  )‎ 图7‎ A.质点的振动频率为4Hz 16‎ B.在10s内质点经过的路程为‎20cm C.在5s末,质点做简谐运动的相位为π D.t=1.5s和t=4.5s两时刻质点的位移大小相等,都是cm 答案 BD 解析 由题图可直接得到周期T=4 s,频率f==0.25 Hz,故选项A错误;做简谐运动的质点一个周期内经过的路程是‎4A=‎8 cm.10 s为2.5个周期,故质点经过的路程为‎20 cm,选项B正确;由题图可知位移与时间的关系为x=0.02sin (t) m.当t=5 s时,其相位为×5=π,故C错误;在1.5 s和4.5 s两时刻,质点位移相同,x′=2sin (×1.5) cm= cm,故D正确.‎ ‎10.(多选)如图8所示,轻弹簧上端固定,下端连接一小物块,物块沿竖直方向做简谐运动.以竖直向上为正方向,物块做简谐运动的表达式为x=0.1sin (2.5πt) m.t=0时刻,一小球从距物块h高处自由落下;t=0.6s时,小球恰好与物块处于同一高度.取重力加速度的大小g=‎10m/s2.以下判断正确的是(  )‎ 图8‎ A.h=‎‎1.7m B.简谐运动的周期是0.8s C.0.6s内物块运动的路程是‎0.2m D.t=0.4s时,物块与小球运动方向相反 答案 AB 解析 t=0.6s时,物块的位移为x=0.1sin (2.5π×0.6) m=-‎0.1m,则对小球h+|x|=gt2,解得h=‎1.7m,选项A正确;简谐运动的周期是T==s=0.8s,选项B正确;0.6s内物块运动的路程是‎3A=‎0.3m,选项C错误;t=0.4s=,此时物块在平衡位置向下振动,则此时物块与小球运动方向相同,选项D错误.‎ 二、非选择题 16‎ ‎11.(简谐运动的图像)某单摆及其振动图像如图9所示,取g=‎9.8m/s2,π2=9.8,根据图给信息可计算得摆长约为;t=5s时间内摆球运动的路程为;若在悬点正下方O′处有一光滑水平细钉可挡住摆线,且=,则摆球从F点释放到第一次返回F点所需时间为s.‎ 图9‎ 答案 ‎1m ‎30cm 1.5‎ 解析 从题图可知完成一个全振动的时间即周期为T=2s,根据T=2π,解得摆长为:L==‎1m,由题图可知振幅为‎3cm,摆球一个周期内的路程是振幅的4倍,所以t=5s时间内摆球运动的路程为‎30cm;碰钉后改变了摆长,因此单摆周期应分为钉左侧的半个周期和钉右侧的半个周期,前面求出摆长为‎1m,根据周期公式可得:T左=π=1s,T右=π=0.5s,所以周期为T′=T左+T右=1.5s.‎ ‎12.(简谐运动的表达式)某个质点的简谐运动图像如图10所示.‎ 图10‎ ‎(1)求振动的振幅和周期;‎ ‎(2)写出简谐运动的表达式.‎ 答案 (1)‎10cm 8s (2)x=10sin (t) cm 解析 (1)由题图读出振幅A=‎‎10cm 简谐运动方程x=Asin 代入数据得-10=10sin 得T=8s.‎ ‎(2)x=Asin (t)=10sin (t) cm.‎ ‎13.(简谐运动的表达式)一物体沿x轴做简谐运动,振幅为‎8cm,频率为0.5Hz,在t=0‎ 16‎ 时,位移是‎4cm,且向x轴负方向运动.‎ ‎(1)试写出用正弦函数表示的振动方程.‎ ‎(2)10s内通过的路程是多少?‎ 答案 (1)x=0.08sin (πt+π) m (2)‎‎1.6m 解析 (1)简谐运动振动方程的一般表达式为x=Asin (ωt+φ).根据题给条件有:A=‎0.08m,ω=2πf=πrad/s.所以x=0.08sin (πt+φ) m.将t=0,x=‎0.04m代入得0.04=0.08sinφ,‎ 解得初相位φ=或φ=π,‎ 因为t=0时,速度方向沿x轴负方向,即位移在减小,‎ 所以取φ=π.‎ 故所求的振动方程为x=0.08sin (πt+π) m.‎ ‎(2)周期T==2s,所以10s=5T,因一个周期内通过的路程是‎4A,则10s内通过的路程s=5×‎4A=20×‎8cm=‎160cm=‎1.6m.‎ 16‎