
1 知識(shí)梳理·雙基自測(cè)
1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律:質(zhì)點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系遵從___________規(guī)律,質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像(x-t圖像)是一條___________。
2.平衡位置:(1)如圖所示,平衡位置是物體在振動(dòng)過(guò)程中_______為零的位置,并不一定是______為零的位置。(2)回復(fù)力:使振動(dòng)物體返回到___________的力,其方向總是指向平衡位置。屬于_________,可以是某一個(gè)力,也可以是幾個(gè)力的合力或某個(gè)力的分力。
3.描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量:
1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式(1)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式:F=_______,其中“-”表示回復(fù)力與位移的方向相反。(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式:x=______________,其中A代表振幅,ω=2πf表示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的快慢。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式和圖像
Asin(ωt+φ)
2.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像(1)從___________開(kāi)始計(jì)時(shí),函數(shù)表達(dá)式為x=Asin ωt,圖像如圖甲所示。(2)從_____________開(kāi)始計(jì)時(shí),函數(shù)表達(dá)式為x=Acs ωt,圖像如圖乙所示。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的兩種模型的比較
自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振的比較
一、堵點(diǎn)疏通1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)。( )2.周期、頻率是表征物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)快慢程度的物理量。( )3.振幅等于振子運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度。( )4.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力可以是恒力。( )5.彈簧振子每次經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí),位移為零、動(dòng)能最大。( )6.單擺在任何情況下的運(yùn)動(dòng)都是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。( )7.物體做受迫振動(dòng)時(shí),其振動(dòng)頻率與固有頻率無(wú)關(guān)。( )8.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像描述的是振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的軌跡。( )
× √ × × √ × √ ×
二、對(duì)點(diǎn)激活1.(多選)下列說(shuō)法正確的是( )A.在同一地點(diǎn),單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期的二次方與其擺長(zhǎng)成正比B.彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),振動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)能與動(dòng)能之和保持不變C.在同一地點(diǎn),當(dāng)擺長(zhǎng)不變時(shí),擺球質(zhì)量越大,單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期越小D.已知彈簧振子初始時(shí)刻的位置及其振動(dòng)周期,就可知振子在任意時(shí)刻運(yùn)動(dòng)速度的方向
2.如圖所示為某質(zhì)點(diǎn)在0~4 s內(nèi)的振動(dòng)圖像,則( )A.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅是2 m,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率為4 HzB.質(zhì)點(diǎn)在4 s末的位移為8 mC.質(zhì)點(diǎn)在4 s內(nèi)的路程為8 mD.質(zhì)點(diǎn)在t=1 s到t=3 s的時(shí)間內(nèi),速度先沿x軸正方向后沿x軸負(fù)方向,且速度先增大后減小
3.(多選)某振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為f0,在周期性驅(qū)動(dòng)力的作用下做受迫振動(dòng),驅(qū)動(dòng)力的頻率為f。若驅(qū)動(dòng)力的振幅保持不變,則下列說(shuō)法正確的是( )A.當(dāng)f f0時(shí),該振動(dòng)系統(tǒng)的振幅隨f減小而增大C.該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定后,振動(dòng)的頻率等于f0D.該振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定后,振動(dòng)的頻率等于fE.當(dāng)f=f0時(shí),該振動(dòng)系統(tǒng)一定發(fā)生共振
[解析] 受迫振動(dòng)的振幅A隨驅(qū)動(dòng)力的頻率變化的規(guī)律如圖所示,當(dāng)f< f0,且f增大時(shí),受迫振動(dòng)的振幅增大;當(dāng)f>f0且f減小時(shí),受迫振動(dòng)的振幅增大,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率,即選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確;根據(jù)共振產(chǎn)生的條件可知,當(dāng)f=f0時(shí),該振動(dòng)系統(tǒng)一定發(fā)生共振,選項(xiàng)E正確。
2 核心考點(diǎn)·重點(diǎn)突破
1.動(dòng)力學(xué)特征F=-kx,“-”表示回復(fù)力的方向與位移方向相反,k是比例系數(shù),不一定是彈簧的勁度系數(shù)。2.運(yùn)動(dòng)學(xué)特征簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的加速度與物體偏離平衡位置的位移成正比,但加速度方向與位移方向相反,為變加速運(yùn)動(dòng),遠(yuǎn)離平衡位置時(shí),x、F、a、Ep均增大,v、Ek均減小,靠近平衡位置時(shí)則相反。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本特征及應(yīng)用
(3)振子由P到O所用時(shí)間等于由O到P′所用時(shí)間,即tPO=tOP′。(4)振子往復(fù)過(guò)程中通過(guò)同一段路程(如OP段)所用時(shí)間相等,即tOP=tPO。5.能量特征振動(dòng)的能量包括動(dòng)能Ek和勢(shì)能Ep,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,系統(tǒng)動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。
(多選)彈簧振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),O為平衡位置,當(dāng)它經(jīng)過(guò)點(diǎn)O時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),經(jīng)過(guò)0.3 s,第一次到達(dá)點(diǎn)M,再經(jīng)過(guò)0.2 s第二次到達(dá)點(diǎn)M,則彈簧振子的周期不可能為( )A.0.53 s B.1.4 sC.1.6 s D.2 s
(1)分析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中各物理量的變化情況時(shí),一定要以位移為橋梁。位移增大時(shí),振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的回復(fù)力、加速度、勢(shì)能均增大,速度、動(dòng)能均減小;反之則產(chǎn)生相反的變化。另外,各矢量均在其值為零時(shí)改變方向。(2)分析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過(guò)程時(shí),要特別注意其周期性和對(duì)稱性。
〔變式訓(xùn)練1〕(多選)如圖所示,輕彈簧上端固定,下端連接一小物塊,物塊沿豎直方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。以豎直向上為正方向,物塊簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式為y=0.1 sin(2.5πt)m。t=0時(shí)刻,一小球從距物塊h高處自由落下;t=0.6 s時(shí),小球恰好與物塊處于同一高度。取重力加速度g=10 m/s2。以下判斷正確的是( )A.h=1.7 mB.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期是0.8 sC.0.6 s內(nèi)物塊運(yùn)動(dòng)的路程是0.2 mD.t=0.4 s時(shí),物塊與小球運(yùn)動(dòng)方向相同E.t=0.6 s時(shí),物塊與小球的加速度方向相同
1.圖像特征(1)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像是一條正弦或余弦曲線,是正弦曲線還是余弦曲線取決于質(zhì)點(diǎn)初始時(shí)刻的位置。(2)圖像反映的是位移隨時(shí)間的變化規(guī)律,隨時(shí)間的增加而延伸,圖像不代表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡。(3)任一時(shí)刻圖線上過(guò)該點(diǎn)切線的斜率數(shù)值表示該時(shí)刻振子的速度大小,正負(fù)表示速度的方向,正時(shí)沿x軸正方向,負(fù)時(shí)沿x軸負(fù)方向。
2.圖像信息(1)由圖像可以看出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅、周期。(2)可以確定某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移。(3)可以確定某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的回復(fù)力、加速度和速度的方向。①回復(fù)力和加速度的方向:因回復(fù)力總是指向平衡位置,故回復(fù)力和加速度的方向在圖像上總是指向t軸。
②速度的方向:速度的方向可以通過(guò)下一時(shí)刻位移的變化來(lái)判定,若下一時(shí)刻位移增加,速度方向就是遠(yuǎn)離t軸;若下一時(shí)刻位移減小,速度方向就是指向t軸。(4)可以確定某段時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、加速度、速度、動(dòng)能、勢(shì)能等的變化情況。
(2021·北京海淀區(qū)模擬)如圖甲所示,彈簧振子在豎直方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。以其平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn),豎直向上為正方向建立坐標(biāo)軸,振子的位移x隨時(shí)間t的變化如圖乙所示,下列說(shuō)法正確的是( )A.振子的振幅為4 cmB.振子的振動(dòng)周期為1 sC.t=1 s時(shí),振子的速度為正的最大值D.t=1 s時(shí),振子的加速度為正的最大值
[解析] 本題考查機(jī)械振動(dòng)圖像。由振動(dòng)圖像可知,該彈簧振子的振幅為2 cm,周期為2 s,故A、B錯(cuò)誤;t=1 s時(shí),振子在平衡位置,速度為正的最大值,振子在平衡位置時(shí)加速度為零,故C正確,D錯(cuò)誤。
〔變式訓(xùn)練2〕(多選)甲、乙兩彈簧振子振動(dòng)圖像如圖所示,則可知( )A.甲速度為零時(shí),乙速度最大B.甲加速度最小時(shí),乙速度最小C.兩個(gè)振子的振動(dòng)頻率之比f(wàn)甲︰f乙=1︰2D.任一時(shí)刻兩個(gè)振子受到的回復(fù)力都不相同E.任意2 s內(nèi),甲、乙兩振子運(yùn)動(dòng)的路程相等
[解析] 本題根據(jù)振動(dòng)圖像考查兩振子相關(guān)物理量的比較。t=0.5 s時(shí),甲位于最大位移處,圖像的斜率表示速度,速度為零,而此時(shí)乙位于平衡位置,圖像的斜率最大,速度最大,故A正確;在t=1.0 s或t=2.0 s時(shí),甲的加速度最小,位于平衡位置,回復(fù)力為零,此時(shí),乙也位于平衡位置,回復(fù)力為零,速度最大,故B、D錯(cuò)誤;頻率與周期互為倒數(shù),頻率之比為周期之比的反比,由圖像可知,甲、乙的周期之比為2︰1,故頻率之比為1︰2,故C正確;在位置2 s內(nèi),甲的路程為4A甲=40 cm,乙的路程為8A乙=40 cm,故E正確。
1.共振曲線:如圖所示的共振曲線,曲線表示受迫振動(dòng)的振幅A(縱坐標(biāo))隨驅(qū)動(dòng)力頻率f(橫坐標(biāo))的變化而變化。驅(qū)動(dòng)力的頻率f跟振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率f0相差越小,振幅越大;驅(qū)動(dòng)力的頻率f等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率f0時(shí),振幅最大。2.受迫振動(dòng)中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化:做受迫振動(dòng)的系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒,系統(tǒng)與外界時(shí)刻進(jìn)行能量交換。
(多選)一個(gè)單擺在地面上做受迫振動(dòng),其共振曲線(振幅A與驅(qū)動(dòng)力頻率f的關(guān)系)如圖所示,則下列說(shuō)法正確的是( )A.此單擺的固有周期約為0.5 sB.此單擺的擺長(zhǎng)約為1 mC.若擺長(zhǎng)增大,單擺的固有頻率減小D.若擺長(zhǎng)增大,共振曲線的峰將向右移動(dòng)E.若擺長(zhǎng)增大,共振曲線的峰將向左移動(dòng)
〔變式訓(xùn)練3〕(多選)關(guān)于受迫振動(dòng)和共振,下列說(shuō)法正確的是( )A.火車(chē)過(guò)橋時(shí)限制速度是為了防止火車(chē)發(fā)生共振B.若驅(qū)動(dòng)力的頻率為5 Hz,則受迫振動(dòng)穩(wěn)定后的振動(dòng)頻率一定為5 HzC.當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí),受迫振動(dòng)的振幅最大D.一個(gè)受迫振動(dòng)系統(tǒng)在非共振狀態(tài)時(shí),同一振幅對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力頻率一定有兩個(gè)E.在連續(xù)均勻的海浪沖擊下停在海面的小船上下振動(dòng)是共振現(xiàn)象
[解析] 火車(chē)過(guò)橋時(shí)限制速度是為了防止橋發(fā)生共振,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;對(duì)于一個(gè)受迫振動(dòng)系統(tǒng),若驅(qū)動(dòng)力的頻率為5 Hz,則振動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定后的振動(dòng)頻率也一定為5 Hz,選項(xiàng)B正確;由共振的定義可知,選項(xiàng)C正確;根據(jù)共振曲線可知,選項(xiàng)D正確;停在海面的小船上下振動(dòng),是受迫振動(dòng),選項(xiàng)E錯(cuò)誤。
2.等效擺長(zhǎng)及等效重力加速度(1)l′——等效擺長(zhǎng):擺動(dòng)圓弧的圓心到擺球重心的距離。如圖甲所示的雙線擺的擺長(zhǎng)l′=r+Lcsα。乙圖中小球(可看做質(zhì)點(diǎn))在半徑為R的光滑圓槽中靠近A點(diǎn)的附近振動(dòng),其等效擺長(zhǎng)為l′=R。
[解析] 擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒,所以A,B在同一高度,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;擺球在B點(diǎn)不受洛倫茲力,與擺球在A點(diǎn)時(shí)受拉力大小相等,選項(xiàng)C正確;擺球在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)雖然受洛倫茲力,但洛倫茲力總與速度方向垂直,不能提供回復(fù)力,所以不改變振動(dòng)的周期,選項(xiàng)D正確;單擺向右或向左擺過(guò)D點(diǎn)時(shí),速度大小相等,但洛倫茲力的方向相反,所以線上的拉力不相等,選項(xiàng)E錯(cuò)誤。
3 2年高考·1年模擬
2.(2019·江蘇13B)(多選)一單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),在偏角增大的過(guò)程中,擺球的( )A.位移增大 B.速度增大C.回復(fù)力增大 D.機(jī)械能增大[解析] 在單擺的偏角增大的過(guò)程中,擺球遠(yuǎn)離平衡位置,故位移變大,速度變小,回復(fù)力變大,機(jī)械能保持不變,選項(xiàng)A、C正確。
3.(2020·寧夏大學(xué)附中模擬)(多選)有時(shí)候當(dāng)我們打開(kāi)鐵質(zhì)的水龍頭時(shí),它就會(huì)發(fā)出很大、很刺耳的響聲,稍微開(kāi)大或開(kāi)小一點(diǎn)它就不響了,下面的解釋或者說(shuō)法中正確的是( )A.水龍頭的振動(dòng)是自由振動(dòng),振動(dòng)頻率是固有頻率B.水龍頭的振動(dòng)是受迫振動(dòng),振動(dòng)頻率是驅(qū)動(dòng)力的頻率C.這是共振現(xiàn)象,稍微開(kāi)大或開(kāi)小改變了驅(qū)動(dòng)力的頻率D.換用塑料水龍頭,可能就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象了
[解析] 根據(jù)題干中的“稍微開(kāi)大或開(kāi)小一點(diǎn)它就不響了”,可知這是改變了振動(dòng)頻率,所以可以確定發(fā)出響聲是因?yàn)榘l(fā)生了共振,水龍頭的振動(dòng)是受迫振動(dòng),所以A錯(cuò),B、C對(duì);換用別的材質(zhì)的水龍頭,改變了固有頻率,可能遠(yuǎn)離了驅(qū)動(dòng)力的頻率,就不會(huì)發(fā)生共振了,所以D也對(duì)。
4.(2020·全國(guó)Ⅱ理綜,34(1))用一個(gè)擺長(zhǎng)為80.0 cm的單擺做實(shí)驗(yàn),要求擺動(dòng)的最大角度小于5°,則開(kāi)始時(shí)將擺球拉離平衡位置的距離應(yīng)不超過(guò)______ cm(保留1位小數(shù))。(提示:?jiǎn)螖[被拉開(kāi)小角度的情況下,所求的距離約等于擺球沿圓弧移動(dòng)的路程)某同學(xué)想設(shè)計(jì)一個(gè)新單擺,要求新單擺擺動(dòng)10個(gè)周期的時(shí)間與原單擺擺動(dòng)11個(gè)周期的時(shí)間相等。新單擺的擺長(zhǎng)應(yīng)該取為_(kāi)______ cm。
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