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1、高中物理34机械运动机械波部分知识点及习题机械运动与机械波.基础巩固一、机械振动1、机械振动：物体（或物体的一部分）在某一中心位置两侧做的往复运动振动的特点:存在某一中心位置;往复运动,这是判断物体运动是否是机械振动的条件.产生振动的条件:振动物体受到回复力作用;阻尼足够小;2、回复力：振动物体所受到的总是指向平衡位置的合外力回复力时刻指向平衡位置;回复力是按效果命名的, 可由任意性质的力提供可以是几个力的合力也可以是一个力的分力; 合外力：指振动方向上的合外力，而不一定是物体受到的合外力在平衡位置处：回复力为零，而物体所受合外力不一定为零如单摆运动，当小球在最低点处，回复力为零，而物体所受的

2、合外力不为零3、平衡位置：是振动物体受回复力等于零的位置；也是振动停止后，振动物体所在位置；平衡位置通常在振动轨迹的中点。“平衡位置”不等于“平衡状态”。平衡位置是指回复力为零的位置，物体在该位置所受的合外力不一定为零。（如单摆摆到最低点时，沿振动方向的合力为零，但在指向悬点方向上的合力却不等于零，所以并不处于平衡状态）二、简谐振动及其描述物理量1、振动描述的物理量（1）位移：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段 是矢量，其最大值等于振幅；始点是平衡位置，所以跟回复力方向永远相反；位移随时间的变化图线就是振动图象（2）振幅：离开平衡位置的最大距离是标量； 表示振动的强弱；（3）周期和频率：

3、完成一次全变化所用的时间为周期T，每秒钟完成全变化的次数为频率f二者都表示振动的快慢；二者互为倒数；T=1/f；当T和f由振动系统本身的性质决定时（非受迫振动），则叫固有频率与固有周期是定值，固有周期和固有频率与物体所处的状态无关2、简谐振动：物体所受的回复力跟位移大小成正比时，物体的振动是简偕振动受力特征：回复力F=KX。运动特征：加速度a=一kxm，方向与位移方向相反，总指向平衡位置。简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零；在最大位移处，速度为零，加速度最大。说明：判断一个振动是否为简谐运动的依据是看该振动中是否满足上述受力特征或运动特征。简谐运动中涉及的位移、速率、

4、加速度的参考点，都是平衡位置.三弹簧振子：1、一个可作为质点的小球与一根弹性很好且不计质量的弹簧相连组成一个弹簧振子一般来讲，弹簧振子的回复力是弹力（水平的弹簧振子）或弹力和重力的合力（竖直的弹簧振子）提供的弹簧振子与质点一样，是一个理想的物理模型2、弹簧振子振动周期：T=2，只由振子质量和弹簧的劲度决定，与振幅无关，也与弹簧振动情况（如水平方向振动或竖直方向振动或在光滑的斜面上振动或在地球上或在月球上或在绕地球运转的人造卫星上）无关。3、可以证明，竖直放置的弹簧振子的振动也是简谐运动，周期公式也是。这个结论可以直接使用。4、在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力；在竖直方向上振动的弹

5、簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。【例2】如图所示，在质量为M的无下底的木箱顶部用一轻弹簧悬挂质量均为m（Mm）的D、B两物体箱子放在水平地面上，平衡后剪断D、B间的连线，此后D将做简谐运动当D运动到最高点时，木箱对地压力为（ ） A、Mg； B（Mm）g； C、（Mm）g ； D、（M2m）g【解析】当剪断D、B间的连线后，物体D与弹簧一起可当作弹簧振子，它们将作简谐运动，其平衡位置就是当弹力与D的重力相平衡时的位置初始运动时D的速度为零，故剪断D、B连线瞬间D相对以后的平衡位置的距离就是它的振幅，弹簧在没有剪断D、B连线时的伸长量为x12 mgk，在振动过程中的平衡位置时的伸长量为x2

6、mgk，故振子振动过程中的振幅为 Ax2x1= mgkD物在运动过程中，能上升到的最大高度是离其平衡位移为A的高度，由于D振动过程中的平衡位置在弹簧自由长度以下mgk处，刚好弹簧的自由长度处就是物D运动的最高点，说明了当D运动到最高点时，D对弹簧无作用力，故木箱对地的压力为木箱的重力Mg四、振动过程中各物理量的变化情况振动体位置位移X回复力F加速度a速度v势能动能方向大小方向大小方向大小方向大小平衡位置O000最大最小最大最大位移处A指向A最大指向O最大指向O0最大0最大最小平衡位置O最大位移处A指向A0最大指向O0最大指向O最大OA最大0最小最大最大最小最大位移处A平衡位置O指向A最大0指向

7、O最大0指向O最大0AO0最大最大最小最小最大说明:简谐运动的位移、回复力、加速度、速度都随时间做周期性变化（正弦或余弦函数），变化周期为T，振子的动能、势能也做周期性变化，周期为 T2。凡离开平衡位置的过程，v、Ek均减小，x、F、a、EP均增大；凡向平衡位置移动时，v、Ek均增大, x、F、a、EP均减小.振子运动至平衡位置时，x、F、a为零，EP最小，v、Ek最大；当在最大位移时，x、F、a、EP最大，v、Ek最为零；在平衡位置两侧的对称点上,x、F、a、v、Ek、EP的大小均相同【例3】如图所示，一弹簧振子在振动过程中，经a、b两点的速度相同，若它从a到b历时02s，从b再回到a的最短

8、时间为04s，则该振子的振动频率为（ ）。 （A）1Hz；（B）1.25Hz （C）2Hz；（D） 25Hz 解析：振子经a、b两点速度相同，根据弹簧振子的运动特点，不难判断a、b两点对平衡位置（O点）一定是对称的，振子由b经O到a所用的时间也是02s，由于“从b再回到a的最短时间是04s，”说明振子运动到b后是第一次回到a点，且Ob不是振子的最大位移。设图中的c、d为最大位移处，则振子从bcb历时02s，同理，振子从ada，也历时02s，故该振子的周期T08s，根据周期和频率互为倒数的关系，不难确定该振子的振动频率为125Hz。 综上所述，本题应选择（B）。五、简谐运动图象1.物理意义：表示

9、振动物体（或质点）的位移随时间变化的规律2.坐标系：以横轴表示时间，纵轴表示位移，用平滑曲线连接各时刻对应的位移末端即得3.特点：简谐运动的图象是正弦（或余弦）曲线4.应用：可直观地读取振幅A、周期T以及各时刻的位移x；判定各时刻的回复力、速度、加速度方向；判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能、等物理量的变化情况注意：振动图象不是质点的运动轨迹计时点一旦确定，形状不变，仅随时间向后延伸。简谐运动图像的具体形状跟计时起点及正方向的规定有关。六、单摆1、单摆：在细线的一端挂上一个小球，另一端固定在悬点上，如果线的伸缩和质量可以忽略，球的直径比线长短得多，这样的装置叫做单摆这是一种理

10、想化的模型，一般情况下细线（杆）下接一个小球的装置都可作为单摆2、单摆振动可看做简谐运动的条件是：在同一竖直面内摆动,摆角100 3、单摆振动的回复力是重力的切向分力，不能说成是重力和拉力的合力。在平衡位置振子所受回复力是零，但合力是向心力，指向悬点，不为零。4、单摆的周期：当 l、g一定，则周期为定值 T=2，与小球是否运动无关与摆球质量m、振幅A都无关。其中摆长l指悬点到小球重心的距离，重力加速度为单摆所在处的测量值。要区分摆长和摆线长。5、小球在光滑圆弧上的往复滚动，和单摆完全等同。只要摆角足够小，这个振动就是简谐运动。这时周期公式中的l应该是圆弧半径R和小球半径r的差。6、秒摆：周期为

11、2s的单摆其摆长约为lm.【例4】如图为一单摆及其振动图象，回答：（1）单摆的振幅为 ，频率为 ，摆长为 ，一周期内位移x（F回、a、Ep）最大的时刻为 解析：由纵坐标的最大位移可直接读取振幅为3crn横坐标可直接读取完成一个全振动即一个完整的正弦曲线所占据的时间轴长度就是周期 T=2s，进而算出频率f=1/T=0.5Hz，算出摆长l=gT2/42=1m 从图中看出纵坐标有最大值的时刻为05 s末和15s末【例5】若摆球从E指向G为正方向，为最大摆角，则图象中O、A、B、C点分别对应单摆中的 点一周期内加速度为正且减小，并与速度同方向的时间范围是 。势能增加且速度为正的时间范围是 解析：图象中

12、O点位移为零，O到A的过程位移为正且增大A处最大，历时1/4周期，显然摆球是从平衡位置E起振并向G方向运动的，所以O对应E，A对应GA到B的过程分析方法相同，因而O、A、B、C对应E、G、E、F点 摆动中EF间加速度为正，且靠近平衡位置过程中加速度逐渐减小，所以是从F向E的运动过程，在图象中为C到D的过程，时间范围是1520s间 摆球远离平衡位置势能增加，即从E向两侧摆动，而速度为正，显然是从 E向G的过程在图象中为从O到A，时间范围是005 s间七、振动的能量1、对于给定的振动系统，振动的动能由振动的速度决定，振动的势能由振动的位移决定，振动的能量就是振动系统在某个状态下的动能和势能的总和2

13、、振动系统的机械能大小由振幅大小决定，同一系统振幅越大，机械能就越大若无能量损失，简谐运动过程中机械能守恒，做等幅振动3、阻尼振动与无阻尼振动（1)振幅逐渐减小的振动叫做阻尼振动（2)振幅不变的振动为等幅振动，也叫做无阻尼振动注意：等幅振动、阻尼振动是从振幅是否变化的角度来区分的，等幅振动不一定不受阻力作用4.受迫振动（1)振动系统在周期性驱动力作用下的振动叫做受迫振动（2)受迫振动稳定时，系统振动的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关5.共振（1)当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，物体的振幅最大的现象叫做共振 (2）条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率（3)共振曲线如图所示【

14、例6】行驶着的火车车轮，每接触到两根钢轨相接处的缝隙时，就受到一次撞击使车厢在支着它的弹簧上面振动起来已知车厢的固有同期是058s，每根钢轨的长是126 m，当车厢上、下振动得最厉害时，火车的车速等于 ms解析：该题应用共振的条件来求解火车行驶时，每当通过铁轨的接缝处就会受到一次冲击力，该力即为策动力当策动周期T策和弹簧与车厢的国有周期相等时，即发生共振，即 T策T固 058 s T策=t=L/v 将代入解得v=L/058=217 ms 答案：217ms八、机械波1、定义：机械振动在介质中传播就形成机械波2、产生条件:(1)有作机械振动的物体作为波源(2)有能传播机械振动的介质3、分类:横波：

15、质点的振动方向与波的传播方向垂直凸起部分叫波峰，凹下部分叫波谷纵波：质点的振动方向与波的传播方向在一直线上质点分布密的叫密部，疏的部分叫疏部，液体和气体不能传播横波。4.机械波的传播过程(1)机械波传播的是振动形式和能量质点只在各自的平衡位置附近做振动，并不随波迁移后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动。(2）介质中各质点的振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同(3)由波源向远处的各质点都依次重复波源的振动【描述机械波的物理量】1波长：两个相邻的，在振动过程中相对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长在横波中，两个相邻的波峰或相邻的波谷之间的距离在纵波中两相邻的的密部（或疏部）

16、中央间的距离，振动在一个周期内在介质中传播的距离等于波长2周期与频率波的频率由振源决定，在任何介质中传播波的频率不变。波从一种介质进入另一种介质时，唯一不变的是频率（或周期），波速与波长都发生变化3波速：单位时间内波向外传播的距离。v=s/t=/T=f，波速的大小由介质决定。【说明】波的频率是介质中各质点的振动频率，质点的振动是一种受迫振动，驱动力来源于波源，所以波的频率由波源决定，是波源的频率. 波速是介质对波的传播速度介质能传播波是因为介质中各质点间有弹力的作用，弹力越大，相互对运动的反应越灵教，则对波的传播速度越大通常情况下，固体对机械波的传摇速度校大，气体对机械波的传播速度较小对纵波和

17、横波，质点间的相互作用的性质有区别，那么同一物质对纵波和对横波的传播速度不相同所以，介质对波的传播速度由介质决定，与振动频率无关 波长是质点完成一次全振动所传播的距离,所以波长的长度与波速v和周期T有关即波长由波源和介质共同决定 由以上分析知，波从一种介质进入另一种介质，频率不会发生变化，速度和波长将发生改变 振源的振动在介质中由近及远传播，离振源较远些的质点的振动要滞后一些，这样各质点的振动虽然频率相同，但步调不一致，离振源越远越滞后沿波的传播方向上，离波源一个波长的质点的振动要滞后一个周期，相距一个波长的两质点振动步调是一致的反之，相距1/2个波长的两质点的振动步调是相反的所以与波源相距波

18、长的整数倍的质点与波源的振动同步（同相振动）；与波源相距为1/2波长的奇数倍的质点与波源派的振动步调相反（反相振动）【例7】一简谐横波的波源的振动周期为1s，振幅为1crn，波速为1ms，若振源质点从平衡位置开始振动，且从振源质点开始振动计时，当 t05s时（ ）A距振源处的质点的位移处于最大值 B距振源处的质点的速度处于最大值C距振源处的质点的位移处于最大值 D距振源处的质点的速度处于最大值解析：根据题意，在05s 内波传播的距离 xvt05m即x=也就是说，振动刚好传播到处，因此该处的质点刚要开始振动，速度和位移都是零，所以选项C、D都是不对的，振源的振动传播到距振源位置需要的时间为T/4

19、=0。25s，所以在振源开始振动05 s后处的质点，振动了025 s，即1/4个周期，此时该质点应处于最大位移处，速度为零 答案：A【波的图象】（1）波的图象坐标轴：取质点平衡位置的连线作为x轴，表示质点分布的顺序；取过波源质点的振动方向作为Y轴表示质点位移意义：在波的传播方向上，介质中质点在某一时刻相对各自平衡位置的位移形状：正弦（或余弦）图线因而画波的图象要画出波的图象通常需要知道波长、振幅A、波的传播方向（或波源的方位）、横轴上某质点在该时刻的振动状态（包括位移和振动方向）这四个要素（2）简谐波图象的应用从图象上直接读出波长和振幅可确定任一质点在该时刻的位移可确定任一质点在该时刻的加速度

20、的方向若已知波的传播方向，可确定各质点在该时刻的振动方向若已知某质点的振动方向，可确定波的传播方向若已知波的传播方向，可画出在t前后的波形沿传播方向平移s=vt.九、机械波解题方法1.质点振动方向和波的传播方向的判定（1）在波形图中，由波的传播方向确定媒质中某个质点（设为质点A）的振动方向（即振动时的速度方向）：逆着波的传播方向，在质点 A的附近找一个相邻的质点B若质点B的位置在质点A的负方向处，则A质点应向负方向运动，反之。则向正方向运动如图中所示，图中的质点A应向y轴的正方向运动（质点B先于质点A振动A要跟随B振动）（2）在波形图中由质点的振动方向确定波的传播方向，若质点C是沿Y轴负方向运

21、动，在C质点位置的负方向附近找一相邻的质点D若质点D在质点C位置X轴的正方向，则波由X轴的正方向向负方向传播：反之则向X轴的正方向传播如图所示，这列波应向X轴的正方向传播（质点c要跟随先振动的质点D的振动）具体方法为：带动法：根据波的形成，利用靠近波源的点带动它邻近的离波源稍远的点的道理，在被判定振动方向的点P附近（不超过/4）图象上靠近波源一方找另一点P/，若P/在P上方，则P/带动P向上运动如图，若P/在P的下方，则P/带动P向下运动上下坡法：沿着波的传播方向走波形状“山路”，从“谷”到“峰”的上坡阶段上各点都是向下运动的，从“峰”到“谷”的下坡阶段上各点都是向上运动的，即“上坡下，下坡上

22、”微平移法：将波形沿波的传播方向做微小移动xvt/4，则可判定P点沿y方向的运动方向了 反过来已知波形和波形上一点P的振动方向也可判定波的传播方向【补充】单侧法【例8】一列波在媒质中向某一方向传播，图所示的为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发生在M、N之间此列波的周期为T，Q质点速度方向在波形图中是向下的，下列判断正确的是 （ ）A.波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为T；B波源是N，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为3 T4C波源是N，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为T4。D波源是M，由波源起振开始计时，P点已经振动的时间为T4解析:若波源是M，则由于Q

23、点的速度方向向下，在 Q点的下向找一相邻的质点，这样的质点在Q的右侧，说明了振动是由右向左传播，N点是波源，图示时刻的振动传到M点，P与M点相距4，则P点已经振动了T4故C选项正确。2.已知波速V和波形，画出再经t时间波形图的方法（1）平移法：先算出经t时间波传播的距离上xVt，再把波形沿波的传播方向平移动x即可因为波动图象的重复性，若知波长，则波形平移n时波形不变，当x=n十x时，可采取去整n留零x的方法，只需平移x即可（2）特殊点法：（若知周期T则更简单）在波形上找两特殊点，如过平衡位置的点和与它相邻的峰（谷）点，先确定这两点的振动方向，再看tnTt，由于经nT波形不变，所以也采取去整nT

24、留零t的方法，分别做出两特殊点经 t后的位置，然后按正弦规律画出新波形【例9】一质点以坐标原点0为中心位置在y轴上振动，其振幅为5m，周期为0.4s，振动在介质中产生的简谐波沿x轴的正向传播，其速度为1.0m/s，计时开始时该质点在坐标原点0，速度方向为y轴正方向，0.2s后此质点立即停止运动，则再经过0.2s后的波形是（ ）答案：B【例10】图是某时刻一列横波在空间传播的波形图线。已知波是沿x轴正方向传播，波速为4m/s，试计算并画出经过此时之后1.25s的空间波形图。解析:由波形图已知=0.08m,由T=/v=0.08/4=0.02s,经过t=1.25s,即相当于1.25/0.02=62.

25、5个周期,而每经过一个周期,波就向前传播一个波长。经过62.5个周期，波向前传播了62.5个波长。据波的周期性，当经过振动周期的整数倍时，波只是向前传播了整数倍个波长，而原有波形不会发生改变,所以可以先画出经过1/2周期后的波形，如图。再将此图向前扩展62个波长即为题目要求，波形如图。3已知振幅A和周期T，求振动质点在t时间内的路程和位移求振动质点在t时间内的路程和位移，由于牵涉质点的初始状态，需用正弦函数较复杂但t若为半周期T/2的整数倍则很容易在半周期内质点的路程为 2A若t= nT/2， n 1、2、3，则路程s=2An，其中n=当质点的初始位移（相对平衡位置）为x1x0时，经T/2的奇

26、数倍时x2=x0，经T/2的偶数倍时x2x0【例11】如图所示,在xOy平面内有一沿x轴正方向传播的简谐振动横波,波速为1m/s,振幅为4cm,频率为2.5Hz,在t=0时刻,P点位于其平衡位置上方最大位移处,则距P点为0.2m的Q点A、在0.1s时的位移是4cm;B、在0.1s时的速度最大;C、在0.1s时的速度向下;D、在0到0.1s的时间内路程是4cm;解析:,P与Q相距/2,先画出若干个波长的波形,经过0.1s也就是T/4后,Q点将回到平衡位置,且向上运动,B项正确;在0到0.1s时间内通过的路程为振幅,即4cm,D项正确拓展:若求经t=2.5s时Q的路程和Q的位移,如何求?十、振动与

27、波的图像多解问题二者图像对比 振动是一个质点随时间的推移而呈现的现象，波动是全部质点联合起来共同呈现的现象简谐运动和其引起的简谐波的振幅、频率相同，二者的图象有相同的正弦（余弦）曲线形状，但二图象是有本质区别的见表：振动图象波动图象研究对象一振动质点沿波传播方向所有质点研究内容一质点的位移随时间的变化规律某时刻所有质点的空间分布规律图线物理意义表示一质点在各时刻的位移表示某时刻各质点的位移图线变化随时间推移图延续，但已有形状不变随时间推移，图象沿传播方向平移一完整曲线占横坐标距离表示一个周期表示一个波长波动图象的多解涉及 (1)波的空间的周期性；(2)波的时间的周期性；(3)波的双向性；(4)

28、介质中两质点间距离与波长关系未定；(5)介质中质点的振动方向未定1.波的空间的周期性 沿波的传播方向，在x轴上任取一点P（x)，如图所示，P点的振动完全重复波源O的振动，只是时间上比O点要落后t，且t =x/v=xT0/.在同一波线上，凡坐标与P点坐标x之差为波长整数倍的许多质点，在同一时刻t的位移都与坐标为的质点的振动位移相同，其振动速度、加速度也与之相同，或者说它们的振动“相貌”完全相同因此，在同一波线上，某一振动“相貌”势必会不断重复出现，这就是机械波的空间的周期性 空间周期性说明，相距为波长整数倍的多个质点振动情况完全相同2.波的时间的周期性 在x轴上同一个给定的质点，在t+nT时刻的

29、振动情况与它在t时刻的振动情况（位移、速度、加速度等）相同因此，在t时刻的波形，在t+nT时刻会多次重复出现这就是机械波的时间的周期性波的时间的周期性，表明波在传播过程中，经过整数倍周期时，其波的图象相同3.波的双向性 双向性是指波沿正负方向传播时，若正、负两方向的传播时间之和等于周期的整数倍，则沿正负两方向传播的某一时刻波形相同4.介质中两质点间的距离与波长关系未定 在波的传播方向上，如果两个质点间的距离不确定，就会形成多解，解题时若不能联想到所有可能情况，易出现漏解5.介质中质点的振动方向未定 在波的传播过程中，质点振动方向与传播方向联系，若某一质点振动方向未确定，则波的传播方向有两种，这

30、样形成多解【例12】一列在x轴上传播的简谐波，在xl= 10cm和x2=110cm处的两个质点的振动图象如图所示，则质点振动的周期为 s，这列简谐波的波长为 cm 【解析】由两质点振动图象直接读出质点振动周期为 4s由于没有说明波的传播方向，本题就有两种可能性：（1）波沿x轴的正方向传播在t0时，x1在正最大位移处，x2在平衡位置并向y轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，也就x2一 x1（n十1/4），=400/（1十4n）cm（2）波沿x轴负方向传播在t0时x1在正最大位移处，x2在平衡位置并向y轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，x2一 x1（n十3/4），=400（3 4n）cm 十一、波的现象1.波的