人教版高考物理选修34同步学案 第11章 第2节 简谐运动的描述Word下载.docx
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关系式
T=
4.相位:
表示振动物体不同状态的物理量,用来描述周期性运动在各个时刻所处的不同状态。
[说明]
1.振幅是振子离开平衡位置的最大距离,数值上等于最大位移的绝对值。
2.正确理解全振动,应注意把握全振动的五个特征
(1)振动特征:
一个完整的振动过程。
(2)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。
(3)时间特征:
历时一个周期。
(4)路程特征:
振幅的4倍。
(5)相位特征:
增加2π。
①[判一判]
1.振幅就是指振子的位移(×
)
2.振子从离开某位置到重新回到该位置的过程为一次全振动过程(×
3.振子完成一次全振动的路程等于振幅的4倍(√)
二、简谐运动的表达式┄┄┄┄┄┄┄┄②
简谐运动的一般表达式为:
x=Asin(ωt+φ)。
1.x表示振动物体相对于平衡位置的位移。
2.A表示简谐运动的振幅。
3.ω是一个与频率成正比的量,称做简谐运动的圆频率,表示简谐运动振动的快慢,ω=
=2πf。
4.(ωt+φ)代表简谐运动的相位,φ表示t=0时的相位,叫做初相。
1.相位差是指两个相位之差,在实际应用中经常用到的是两个具有相同频率的简谐运动的相位差,设其初相位分别为φ1和φ2,其相位差Δφ=(ωt+φ2)-(ωt+φ1)=φ2-φ1,它反映出两个简谐运动的步调差异。
(1)同相:
表明两个振动物体步调相同,相差位Δφ=0。
(2)反相:
表明两个振动物体步调完全相反,相位差Δφ=π。
2.简谐运动的位移和时间的关系可用余弦函数表示成:
x=Acos
,注意同一振动用不同函数表示时相位不同,而且相位(ωt+φ)是随时间变化的一个变量。
②[选一选]
如图所示,是某质点做简谐运动的振动图象,下列说法中正确的是( )
A.振幅为0.2cm
B.f=0.2Hz
C.周期为0.2s
D.0.2s时刻的速度方向为正
解析:
选C 由图象可知A=0.2m,A错误;
T=0.2s,f=
=5Hz,B错误,C正确;
t=0.2s时速度方向为负,D错误。
1.简谐运动中振幅和三个常见量的关系
(1)振幅和振动系统的能量关系
对一个确定的振动系统来说,系统能量仅由振幅决定,振幅越大,振动系统的能量越大。
(2)振幅与位移的关系
振动中的位移是矢量,振幅是标量。
在数值上,振幅与振动物体的最大位移的大小相等,但在同一简谐运动中振幅是确定的,而位移随时间做周期性的变化。
(3)振幅与路程的关系
振动中的路程是标量,是随时间不断增大的。
其中常用的定量关系是:
一个周期内的路程为4倍的振幅,半个周期内的路程为2倍的振幅。
2.弹簧振子四分之一周期内的路程
做简谐运动的质点,在向平衡位置运动的过程中,取某一位置开始计时,质点在
时间内通过的路程s>
A;
在远离平衡位置的过程中,取某一位置开始计时,质点在
时间内通过的路程s<
A;
而如果计时起点就选在最大位移处或者平衡位置,那么质点在
时间内通过的路程s=A。
[典型例题]
例1.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20cm,某时刻振子处于B点,经过0.5s,振子首次到达C点,求:
(1)振子的振幅;
(2)振子的周期和频率;
(3)振子在5s内通过的路程及位移大小。
[解析]
(1)振幅设为A,则有2A=BC=20cm
所以A=10cm
(2)从B点首次到达C点的时间为周期的一半,
因此T=2t=1s
再根据周期和频率的关系可得f=
=1Hz
(3)振子一个周期通过的路程为4A=40cm,则振子在5s内通过的路程为
s=
·
4A=5×
40cm=200cm
5s的时间为5个周期,振子又回到原点,位移大小为零。
[答案]
(1)10cm
(2)1s 1Hz (3)200cm 0
[点评] 求振动物体在一段时间内通过路程时的3个注意
(1)振动物体在一个周期内通过的路程一定为四倍振幅,则在n个周期内通过的路程必为n·
4A。
(2)振动物体在半个周期内通过的路程一定为两倍振幅。
(3)振动物体在
内通过的路程可能等于一倍振幅,还可能大于或小于一倍振幅,只有当初始时刻在平衡位置或最大位移处时,
内通过的路程才等于一倍振幅。
[即时巩固]
1.一个质点做简谐运动,振幅是4cm,频率为2.5Hz,该质点从平衡位置起向正方向运动,经2.5s,质点的位移和路程分别是( )
A.4cm、24cm B.-4cm、100cm
C.0、100cmD.4cm、100cm
选D 由f=
得T=
=0.4s,Δt=2.5s=6
T,每个周期质点通过的路程为4×
4cm=16cm,故质点的总路程s=6
×
16cm=100cm,质点初始时刻从平衡位置向位移正方向运动,经过6
周期运动到正向最大位移处,即位移x=4cm,D正确。
1.简谐运动两种描述方法的比较
(1)简谐运动图象即xt图象是直观表示质点振动情况的一种手段,直观表示了质点的位移x随时间t变化的规律。
(2)x=Asin(ωt+φ)是用函数表达式的形式反映质点的振动情况。
(3)两者对同一个简谐运动的描述应该是一致的。
应掌握两个方面:
一是根据振动方程作出振动图象,二是根据振动图象读出振幅、周期、初相,进而写出位移的函数表达式。
2.由简谐运动图象可获取的两种特性
(1)对称性
①速率的对称性:
系统在关于平衡位置对称的两位置具有相等的速率;
②加速度的对称性:
系统在关于平衡位置对称的两位置具有等大反向的加速度和回复力;
③时间的对称性:
系统通过关于平衡位置对称的两段位移的时间相等,正向通过振动过程中任意两点A、B的时间与逆向通过的时间相等。
(2)周期性
做简谐运动的物体经过一个周期或几个周期后,能回复到原来的状态,因此在处理实际问题时,要注意到多解的可能性。
例2.有一弹簧振子在水平方向上的B、C之间做简谐运动,已知B、C间的距离为20cm,振子在2s内完成了10次全振动。
若从某时刻振子经过平衡位置时开始计时(t=0),经过
周期振子有负向最大位移。
(1)求振子的振幅和周期;
(2)画出该振子的位移—时间图象;
(3)写出振子的振动方程。
[解析]
(1)弹簧振子在B、C之间做简谐运动,故振幅A=10cm
振子在2s内完成了10次全振动,振子的周期
=0.2s
(2)振子从平衡位置开始计时,故t=0时刻,位移是零,经
周期振子的位移为负向最大,故其位移—时间图象如图所示。
(3)由函数图象可知振子的位移与时间函数关系式为
x=10sin(10πt+π)cm
[答案]
(1)10cm 0.2s
(2)见解析图
(3)x=10sin(10πt+π)cm
[点评]
(1)为了写出简谐运动的表达式x=Asin(ωt+φ),首先要明确表达式中各物理量的意义,找到各物理量对应的数值,根据ω=
=2πf确定三个描述振动快慢的物理量间的关系,有时还需要画出其振动图象来解决问题。
(2)在给定振动图象条件下,可由图象直接读出振幅A、初相φ0及周期T,从而写出位移与时间的关系式x=Asin(ωt+φ0)。
初相即t=0时由sinφ0的值来判定φ0的取值。
[即时巩固]
2.物体A做简谐运动的振动位移为xA=3cos
m,物体B做简谐运动的振动位移为xB=5cos
m。
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周期相等为100s
C.A振动的频率fA等于B振动的频率fB
D.A振动的频率fA大于B振动的频率fB
选C 振幅是标量,A、B的振动范围分别是6m、10m,但振幅分别是3m、5m,A错误;
周期是标量,A、B的周期T=
=
s≈6.28×
10-2s,B错误;
因为TA=TB,故fA=fB,C正确,D错误。
1.[多选]下列关于简谐运动的振幅、周期和频率的说法哪些是正确的( )
A.振幅是矢量,方向从平衡位置指向最大位移处
B.周期和频率的乘积是一个常数
C.振幅增加,周期必然增加,而频率减小
D.做简谐运动的物体,其频率固定,与振幅无关
选BD 振幅A是标量,A错误;
周期与频率互为倒数,即Tf=1,B正确;
简谐运动的周期与振幅没有关系,周期的长短、频率的大小由系统本身决定,C错误,D正确。
2.如图所示,弹簧振子以O为平衡位置在BC间做简谐运动,则( )
A.从B→O→C为一次全振动
B.从O→B→O→C为一次全振动
C.从C→O→B→O→C为一次全振动
D.从D→C→O→B→O为一次全振动
选C 由全振动的概念可知C→O→B→O→C为一次全振动,C正确,A、B、D错误。
3.[多选](2016·
温州高二检测)一个弹簧振子的振幅是A,若在Δt的时间内物体运动的路程是s,则下列关系中可能正确的是(包括一定正确的)( )
A.Δt=2T,s=8A B.Δt=
,s=2A
C.Δt=
,s=2AD.Δt=
,s>
A
选ABD 简谐运动物体在一个周期内的路程为4A,在半个周期内的路程为2A,在
周期内的路程可能等于A,可能大于A也可能小于A,但不可能是2A,C错误,A、B、D正确。
4.[多选]某质点做简谐运动,其位移随时间变化的关系式为x=Asin
t,则质点( )
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.3s末至5s末的位移方向都相同
D.3s末至5s末的速度方向都相同
选AD 由表达式x=Asin
t知,ω=
,简谐运动的周期T=
=8s。
表达式对应的振动图象如图所示。
质点在第1s末的位移x1=Asin
1=
A,质点在第3s末的位移x3=Asin
3=
A,A正确;
由前面计算可知t=1s和t=3s质点连续通过同一位置,故两时刻质点速度大小相等,但方向相反,B错误;
由xt图象可知,3~4s内质点的位移为正值,4~5s内质点的位移为负值,C错误;
同样由xt图象可知,在3~5s内,质点一直向负方向运动,D正确。
5.如图所示,A、B为两弹簧振子的振动图象,求它们的相位差。
由图象可知这两个振动的周期相同,均为0.4s,因此有确定的相位差。
而相位差为初相之差。
t=0时,xA=AsinφA,xA=0,φA=0
t=0时,xB=AsinφB,xB=-A,φB=-
π
φA-φB=
答案:
[基础练]
一、选择题
1.关于简谐运动的频率,下列说法中正确的是( )
A.频率越高,振动质点运动的速度越大
B.频率越高,单位时间内速度的方向变化的次数越多
C.频率是50Hz时,1s内振动物体速度方向改变25次
D.弹簧振子的振动频率与物体通过平衡位置时的速度大小有关
选B 质点的频率与其