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- 2021-05-27 发布
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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.
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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
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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( )
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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
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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.
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