高一物理机械振动.docx
- 文档编号:25533454
- 上传时间:2023-06-09
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:184KB
高一物理机械振动.docx
《高一物理机械振动.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高一物理机械振动.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
高一物理机械振动
高一物理机械振动
【本讲主要内容】
机械振动
什么是机械振动,机械振动的条件,描述机械振动的物理量,什么是简谐运动,简谐运动的特征,简谐运动的理想化模型,简谐运动在一个全过程中位移、回复力、加速度、速度的变化规律。
【知识掌握】
【知识点精析】
通过演示一些实例(提醒学生注意观察这些物体运动的共同特点),建立振动的概念。
[演示]弹簧振子的振动,单摆的摆动,钢锯条、音叉的叉股、摆钟的摆锤等物体的振动。
这些物体都在某一中心位置附近做来回往复运动。
这一中心位置就是物体的平衡位置,这种运动叫做机械振动。
1.机械振动:
物体或物体的一部分,在某一中心位置两侧的往复运动叫做机械振动,简称振动。
机械振动不同于我们以前学过的运动形式,机械振动的特点是:
(1)运动的对称性:
如物体的运动有一中心位置。
(2)运动的重复性:
物体在中心位置两侧往复运动。
2.振动的条件:
(1)物体始终受到一个指向平衡位置的回复力的作用。
注意:
回复力是根据力的效果命名的,是指在振动过程中使振动物体回到平衡位置的力,不同性质的力(如重力、弹力、摩擦力等)或几个力的合力,和某个力的分力,都可起回复力的作用。
(2)摩擦阻力足够小。
3.描述机械振动特征的物理量:
(1)位移:
由平衡位置指向振子所在的位置的有向线段,是矢量。
物体振动时的位移总是相对于平衡位置而言的,即位移的大小是指物体离开平衡位置的距离,位移的方向总是由平衡位置指向振子所在的位置——总是背离平衡位置向外。
(物理意义:
描述振动的范围;单位:
米)
(2)振幅:
振动质点离开平衡位置的最大距离,是标量。
(物理意义:
描述振动的强弱;单位:
米)
(3)周期:
振动质点完成一次全振动所需时间
(物理意义:
描述振动的快慢;单位:
秒)
(4)频率:
1秒内全振动的次数
(物理意义:
描述振动的快慢;单位:
赫兹)
机械振动是物体机械运动的另一种形式,振动现象是很普遍的,也很复杂。
我们主要学习一种最简单、最基本的机械振动——简谐运动
[继续演示]弹簧振子的振动分析、探究它的回复力与位移的关系。
4.简谐运动:
(1)定义:
物体在跟位移的大小成正比,并且总是指向平衡位置的回复力的作用下的运动,叫做简谐运动。
(2)物体做简谐运动的条件:
回复力的大小跟位移的大小成正比,并与位移的方向相反,总是指向平衡位置。
即:
F=-kx
式中F为回复力,x为物体对平衡位置的位移,k是比例常数。
不同的简谐运动的k值不同,对弹簧振子来说k是弹簧的劲度,式中的负号,表示回复力的方向与位移方向相反。
若物体做简谐运动,则必须满足F=-kx,这是判断物体是否做简谐运动的依据。
(3)运动的性质:
变加速度的变速运动。
a=F/m=-kx/m,可见简谐振动是一种变加速运动,加速度的大小与位移的大小成正比,方向与位移方向相反,即始终指向振动的平衡位置。
5.简谐运动的特征:
(1)回复力:
物体在往复运动期间,回复力的大小和方向均做周期性的变化,物体处在最大位移处时的回复力最大,物体处于平衡位置时的回复力最小(为零),物体经平衡位置时,回复力的方向发生改变。
(2)加速度:
由力与加速度的瞬时对应关系可知,回复力产生的加速度也是周期性变化的,且与回复力的变化步调相同。
(3)位移:
物体做简谐运动时,它的位移(大小和方向)也是周期性变化的,为研究问题方便,我们选平衡位置为位移的起点,物体经平衡位置时位移的方向改变。
(4)振动的速度,简谐运动是变加速运动,速度的变化也具有周期性(包括大小和方向),物体经平衡位置时速度最大。
物体在最大位移处的速度为零,且物体的速度方向改变。
6.简谐运动理想化模型
弹簧振子
单摆
理想化条件
轻弹簧、阻力不计
轻绳(质量不计、不可伸长)、
阻力不计、摆角<5°
回复力
弹力
重力的切线分量
规律
能量转化关系
动能与弹性势能相互转化(守恒)
动能与重力势能相互转化(守恒)
7.简谐运动中各物理量的变化
如下图所示,将小球拉至A点释放,小球将以O点为平衡位置在A、A’间作简谐运动,下面我们讨论小球从A→O→A’→O→A的一次全振动过程中,各物理量的变化情况。
总结:
⑴物体向平衡位置运动的过程中,位移、回复力、加速度的大小都减小,速度增大,位移的方向总是离开平衡位置,回复力、加速度的方向总是指向平衡位置,物体作变加速运动,系统的势能转化为物体的动能。
⑵物体远离平衡位置的过程中,位移、回复力、加速度的大小都增大,速度减小;位移的方向总是远离平衡位置,回复力,加速度的方向总是指向平衡位置,物体作变减速运动,物体的动能转化为系统的势能。
⑶位移的方向总是与回复力,加速度的方向相反。
物体向平衡位置运动时,位移的方向与速度方向相反(与回复力,加速度的方向相同),物体远离平衡位置运动时,位移的方向与速度方向相同(与回复力,加速度的方向相反)。
⑷简谐运动是变速运动。
物体所受合外力(回复力)的大小和方向时刻在变。
【解题方法指导】
【例题1】如果下表中给出的是做简谐振动的物体的位移x或速度v与时刻的对应关系,T是振动周期则下列说法中正确的是( )
时间
状态
物理量
0
T/4
T/2
3T/4
T
甲
零
正向最大
零
负向最大
零
乙
零
负向最大
零
正向最大
零
丙
正向最大
零
负向最大
零
正向最大
丁
负向最大
零
正向最大
零
负向最大
A.若甲表示位移x,则丙表示相应的速度v
B.若丁表示位移x,则甲表示相应的速度v
C.若丙表示位移x,则甲表示相应的速度v
D.若乙表示位移x,则丙表示相应的速度v
〖解析〗从平衡位置开始计时,t=0时振子在平衡位置,位移为零,速度最大。
可能是正向最大,也可能是反向最大,但当t=T/4时,位移为正向最大,那么t=0时速度就得正向最大,这就是唯一的了,选项A正确。
如果t=0时振子在负向最大位移,此时速度为零,t=T/4,位移为零,速度必须正向最大,选项B是正确的。
如果t=0时位移正向最大,此时速度为零。
t=T/4时,位移为零,速度应为负向最大,选项C错误。
如果t=0时位移为零,此时速度最大有两个可能。
t=T/4时,位移负向最大,那么t=0时速度应为负向最大,选项D错误。
【例题2】如图所示,一个竖直弹簧连着一个质量M的薄板,板上放着一个木块,木块质量为m。
现使整个装置在竖直方向做简谐运动,振幅为A。
若要求在整个过程中小木块m都不脱离木板,则弹簧劲度系数k应为多大?
〖解析〗木板运动到最高点又不脱离,弹簧可能处于两种状态:
无形变状态和压缩状态。
若恰好脱离,则弹簧此时无形变,
m、M的加速度均为g,此时,系统回复力为
F=(M+m)g
所以弹簧在平衡位置时的弹力为
kA=(M+m)g
k=
g
若弹簧处于压缩状态,则系统在最高点的回复力为
F’<(M+m)g
则弹簧在平衡位置时的弹力为
F’=(M+m)g>kA
则k<
g
所以k≤
g
〖点评〗关键是判断清楚木块与板脱离的临界条件:
相互之间无弹力,且加速度都等于g。
还要注意最高点与平衡位置间的距离就是振幅。
注意事项:
①分析简谐运动问题一定要根据简谐运动的特点,注意应用其对称性、周期性和往复性进行分析,尤其是对称性和周期性。
②在分析简谐运动时要注意区分:
回复力和合外力,平衡位置和平衡状态,物体的位移和弹簧的形变及长度。
③注意位移、加速度、速度的矢量性及其对应的振动状态。
④判断简谐运动各量变化的一般思路:
位移x→回复力F→加速度a→速度v→动能EK→势能EP
⑤单摆周期公式T=2π√l/g的应用
注意:
l——等效摆长,g——等效重力加速度
【考点突破】
【考点指要】
理解简谐运动定义、条件,掌握描述简谐运动的物理量,会定性讨论简谐运动过程中位移、速度、加速度的变化。
考试年份
试卷类型
题号
知识点
分值
题型
所占比重%
20XX年
全国卷
9
单摆
4
选择题
2.6
20XX年
上海物理
9
单摆
5
选择题
3.3
20XX年
江苏物理
9
弹簧振子
4
选择题
2.6
在近几年高考中出现的不多。
一般也是以选择题出现。
解此类问题主要抓住振动的特点:
从对称性和周期性来思考。
【典型例题分析】
【例题3】物体做简谐运动,每当物体到达同一位置时,保持不变的物理量有()
A.速度B.加速度C.动量D.动能
〖解析〗简谐运动运动的特征:
对称性和重复性。
同一位置位移相同,回复力相同,加速度相同,速度等值。
因此本题选B和D。
速度和动量方向是不同的。
【例题4】甲乙两人观察同一单摆的振动,甲每经过2.0s观察一次摆球的位置,发现摆球都在其平衡位置。
乙每经过3.0s观察一次摆球的位置,发现摆球都在平衡位置右侧的最高处,由此可知该单摆的周期可能是()
A.0.5sB.1.0sC.2.0sD.3.0s
〖解析〗甲的观察说明,2.0s是半周期的整数倍,即nt/2=2.0s,T=4/n,所以周期可能是4s、2s、ls、0.5s等等,乙的观察说明3.0s是周期的整数倍,即有T=3/n,周期的可能值有3s、1.5s、1s、0.5s等。
由于两人观察的是同一单摆,在给定的选项中A、B是正确的。
【例题5】如图所示,一原长为l0的轻质弹簧下端固定在水平地面上,其上端与一质量为m的重物连接。
当重物静止时,弹簧保持竖直方向,长度为l1。
现用力缓慢竖直向下将重物压至D点,此时弹簧的长度为l2,外力的大小为F,然后撤去外力F,重物将从静止开始沿竖直方向在D、C之间做简谐运动,B点是D、C的中点。
已知重物运动到D点时弹簧的弹性势能为EpD,运动到B点时物体的动能为EkB,则外力将重物压至D点的过程中所做的功为()
A.EkBB.EpDC.Fl2D.F(l1-l2)
〖解析〗用力缓慢竖直向下将重物压至D点的过程中,F必越来越大,变力做功不能用功的公式求解,选项D错误;至于选项C显然是错误的,以重物为研究对象,选取由B开始第一次回到B点为研究过程,该过程中力F做功为W,重力和弹力做功为零,由动能定理
可得:
WF=EkB,选项A正确,重物由D到B系统机械能守恒,以D点所在水平面为参考平面,则EpD=EpB+EkB+EpB’,EpB’为重物在B处时重力势能,其中EpB为重物在B处时弹簧的弹性势能,显然,选项B错。
故正确答案只有A。
【达标测试】
1.简谐运动是下列哪一种运动()
A.匀变速运动B.匀速直线运动
C.变加速运动D.匀加速直线运动
2.如图所示,振子以O为平衡位置在M、N之间做简谐运动,下列叙述中不正确的是()
A.振子在M点时速度为零
B.振子在O点时的速度最大
C.振子经过O点时加速度改变方向
D.振子经过O点时速度改变方向
3.做简谐运动的物体向平衡位置运动时,速度越来越大的原因是()
A.回复力对物体做了正功
B.物体惯性的作用
C.物体的加速度与速度同向
D.弹簧的势能转变为动能
4.振动物体做一次全振动的是()
A.从某一位置再到这一位置时
B.从某一速度再到这一速度时
C.从某一加速度再到这一加速度时
D.从某一位置再到这一位置及具有与前一次有相同的速度时
5.弹簧振子做简谐振动,当振子位移为负时,下述说法中正确的是()
A.速度一定为正,加速度一定为正
B.速度一定为负,加速度一定为正
C.速度不一定为正,加速度一定为正
D.速度不一定为负,加速度一定为负
6.做简谐振动的质点,下述说法中正确的是()
A.速度增大时,加速度减小
B.速度增大时,加速度增大
C.加速度增大时,速度减小
D.加速度减小时,速度减小
7.做简谐振动的弹簧振子,下述说法中正确的是()
A.简谐运动的平衡位置就是振子所受合力为零的位置
B.振子先后通过同一点时,回复力、速度、加速度都是相同的
C.振子连续两次通过同一位置时,位移相同,加速度相同
D.振子连续两次通过同一位置时,动能相同,动量相同
8.质点做简谐振动,关于其回复力的下述说法中正确的是()
A.一定是物体所受的力的合外力
B.可能是物体所受某些力的合力,也可能是某一个力的分力
C.回复力的方向总指向平衡位置,因而回复力的大小变化而方向不变
D.回复力随时间成正比变化
9.小球做简谐振动,则下述说法中正确的是()
A.小球所受的回复力大小与位移成正比,方向相反
B.小球加速度的大小与位移成正比,方向相反
C.小球速度的大小与位移成正比,方向相反
D.小球速度的大小与位移成正比,方向可能相同也可能相反
10.如图所示,弹簧振子在光滑水平面上做简谐振动,O为平衡位置,A、B为其最大位移处,当振子经过P点时开始计时,即t=0,则下述说法中正确的是()
A.当振子的速度再次与0时刻相同时,则弹簧振子经过的时间一定是一个周期
B.当振子第二次通过P点时,振子的速度一定与0时刻的速度相同
C.当振子经过P点时,其加速度与速度均与0时刻相同
D.当振子经过P点时,其加速度与0时刻相同,而速度不一定相同
11.如图所示,在光滑的水平桌面上有一弹簧振子,弹簧的劲度系数为k,开始时,振子被拉到平衡位置O的右侧A处,此时拉力大小为F,然后轻轻释放振子,振子从初速度为零的状态开始向左运动,经过时间t后第一次到达平衡位置O处,此时振子的速度为v,则在这个过程中振子的平均速度为()
A.0B.v/2
C.F/ktD.不为零的某值,但由题设条件无法求出
12.如图所示,质量为m的物体自光滑斜面上的A点由静止下滑(两斜面在B处以圆弧相连接,物体通过B点处无能量损失)物体将滑到A等高的C点返回,此后在AC间往复运动,这种往复运动是否是简谐运动?
13.一密度均匀的木块,浮在水面处于平衡状态。
现将其按入水中少许后释放,如图所示,木块将在水面处上下振动.不计水的阻力,试证明木块的振动是简谐运动。
【综合测试】
1.在图中能正确反映简谐运动的物体所受回复力与位移关系的图象是()
2.如图所示,一个质量为m的木块放在质量为M的平板小车上,它们之间的最大静摩擦力为f,在劲度系数为k的轻弹簧的作用下,沿光滑水平面做简谐运动。
为使小车能跟木块一起运动,不发生相对滑动,机械运动的振幅不能大于()
A.
B.
C.
D.
3.一升降机在箱底装有若干个弹簧,设在某次事故中,升降机吊索在空中断裂,忽略摩擦力,则升降机在从弹簧下端触地后直到最低点的一段运动过程中,()
A.升降机的速度不断减小
B.升降机的加速度不断变大
C.先是弹力做的负功小于重力做的正功,然后是弹力做的负功大于重力做的正功
D.到最低点时,升降机加速度的值一定大于重力加速度的值
4.将一个力电传感器接到计算机上,就可以测量快速变化的力,用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力F的大小随时间t变化的曲线如图所示。
某同学根据此图线提供的信息做出了下列判断,其中正确的是()
A.摆球摆动的周期T=0.6s
B.t=0.2s时,摆球正经过最低点
C.t=1.1s时,摆球正经过最低点
D.摆球在摆动过程中机械能减小
5.如图所示,某质点做简谐运动,先后以同样的速度通过相距8cm的M、N两点,历时0.6s,过N点后又经过0.5s质点以大小相同、方向相反的速度再次通过N点,则质点振动的周期是多少?
6.一个轻质弹簧悬挂在横梁上,在竖直方向上呈自然状态(原长),现将一个质量为0.2kg的小球轻轻地挂在弹簧下端。
在弹力和重力的共同作用下,小球做振幅为0.1m的简谐运动,设振动的平衡位置处为重力势能的零势面,求:
(1)系统的总机械能;
(2)在整个振动过程中,弹簧的弹性势能的最大值。
7.如图所示,一个劲度系数为k的轻弹簧竖直立在桌面上,下端固定在桌面上,上端与质量为M的金属盘固定连接,金属盘内放一个质量为m的砝码。
先让砝码随金属盘一起在竖直方向做简谐运动。
⑴为使砝码不脱离金属盘,振幅最大不能超过多少?
⑵振动过程中砝码对金属盘的最大压力是多少?
8.如图所示,竖直悬挂的轻弹簧下端挂着A、B两球,其质量mA=0.1kg,mB=0.5kg,静止时弹簧伸长15cm.若剪断A、B间的细线,则A做简谐运动的振幅和最大加速度为多少?
(g取10m/s2)
9.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(m≤M)的A、B两个物体,箱子放在水平地面上,平衡后剪断A、B间的细线,此后A将做简谐运动。
当A运动到最高点时,木箱对地面的压力是多少?
10.如图所示,弹簧振子在光滑水平面上以振幅A做简谐运动,质量为M的滑块上面放一个质量为m的砝码,砝码随滑块一起做简谐运动,已知弹簧的劲度系数为k,试求:
(1)使砝码随滑块一起振动的回复力是什么力?
它跟位移成正比的比例常数
等于多少?
(2)当滑块运动到振幅一半时,砝码所受回复力有多大?
方向如何?
(3)当砝码与滑块的动摩擦因数为
时,要使砝码与滑块不发生相对滑动的最大振幅为多大?
【达标测试答案】
1.C提示:
简谐运动的动力学特征是F=-kx,根据牛顿第二定律:
F=ma,所以加速度时刻随时间变化。
简谐运动是变加速运动。
2.D提示:
简谐运动的质点在平衡位置速度最大,加速度最小。
在最大位移处速度最小,加速度最大。
经过平衡位置加速度变方向,速度不改变方向。
3.AC提示:
速度越来越大是加速运动,一定是合外力对物体做正功,满足加速度方向和速度方向相同。
4.D提示:
振动物体做一次全振动一定是一切量都完成了一次周期性变化,对于矢量不仅是大小,还有方向都要恢复原态。
5.C提示:
弹簧振子做简谐振动,回复力方向与位移方向一定相反,即加速度方向一定与位移方向相反,但速度方向可以和位移方向相同也可以相反。
6.AC提示:
简谐振动的质点速度增大是向平衡位置运动,加速度就减小,反之,加速度增大是背离平衡位置运动,速度就减小。
7.C提示:
简谐运动的质点的平衡位置是回复力为零的位置,所受合力不一定为零。
连续两次通过同一位置,位移相同、回复力相同、加速度相同、动能相同、速度反向、动量反向。
8.B提示:
回复力可能是物体所受某些力的合力,也可能是某一个力的分力,回复力方向总指向平衡位置,回复力的大小、方向都变化。
回复力随位移成正比变化。
随时间不成正比变化。
9.AB提示:
回复力的大小随位移成正比变化。
所以加速度也随位移成正比变化。
速度并不随位移成正比变化。
10.D提示:
当振子再次经过P点时,加速度与0时刻相同,速度与0时刻可能相同也可能相反。
因此用时间也不一定是整周期。
11.C提示:
根据平均速度的定义:
v=s/t=A/t=F/kt
12.〖解析〗小球在两侧斜面上受到的重力沿斜面的分力是振动的回复力,该力为mgsinθ,大小恒定,不满足F=-kx的关系,所以小球的往复运动不是简谐运动。
13.〖解析〗
设木块的质量为m,木块的截面积为s,水的密度为ρ
设木块原来浸在水下的深度为h现在用力下按了x
根据平衡条件:
ρshg=mg
用力下按了x后:
木块受合外力为F:
F=ρs(h+x)g-mg=ρsxg
可见木块受合外力满足大小跟相对平衡位置的位移x成正比,
合外力方向向上,与相对平衡位置的位移x的方向相反。
满足F=-kx的关系,所以木块的振动是简谐运动。
【综合测试答案】
1.B提示:
简谐运动的动力学特征是F=-kx
2.A提示:
小车能跟木块一起运动,不发生相对滑动,小车的最大加速度为am=f/M
小车和木块的最大加速度也只能是am所以弹簧的最大拉力Fm=(M+m)am,所以振幅的最大值为Am=
=(M+m)am/
。
3.CD提示:
升降机在从弹簧下端触地后直到最低点的一段运动过程中先是重力大于弹力,合力向下,后是重力小于弹力,合力向上。
升降机刚触地时加速度为g向下,且有向下的速度,根据振动的对称性,当升降机再次加速度为g方向向上时,还有向下的速度,所以要再下降,所以到最低点时,升降机加速度的值一定大于重力加速度的值
4.ABD提示:
从图象可以看出摆球摆动的周期为0.6s,t=0.2s时,绳中拉力最大,所以摆球正经过最低点,绳中最大拉力逐渐减小说明摆球的振动幅度越来越小,摆球的机械能减小。
5.〖解析〗
根据振动的时间对称性
质点从平衡位置到N点应该用了0.3s
质点从N点到最大位移处应该用了0.25s
所以T/4=0.3+0.25=0.55s.T=2.2s
6.〖解析〗将物体轻挂在呈自然状态的弹簧下端时,物体做简谐运动,悬挂处为振动的最高点,平衡位置在其下方0.1m处,最低点在平衡位置下0.1m处,这时弹簧拉伸最长,弹性势能最大,系统机械能守恒。
(1)在最高点处,动能、弹性势能均为零。
E=mgA=0.2J
(2)在最低点处,E=E弹+(-mgA)
E弹=E+mgA=0.4J
7.〖解析〗
(1)运动到最高点若恰好脱离,则弹簧此时无形变
m、M的加速度均为g,此时,系统回复力为
F=kA=(M+m)g
A=
(2)振动到最低点时砝码对金属盘的最大压力
此时砝码的加速度为g,方向向上。
根据牛顿第二定律N-mg=ma=mg
N=2mg
8.〖解析〗
(1)根据平衡条件:
kx=(mA+mB)
若剪断细线后:
合外力F=mBg
kA=F=mBg
所以A=12.5cm
⑵根据牛顿第二定律
F=mBg=mAam
am=50m/s2
9.〖解析〗平衡后剪断细线:
A物体所受合外力
F=mg方向向上
根据牛顿第二定律F=ma
A物体向上的最大加速度a=g
根据振动的对称性A物体到最高点向下的最大加速度a=g
所以此时弹簧对A物体的弹力等于零
因此当A运动到最高点时木箱只受两个力作用而平衡
地面对木箱的支持力与木箱的重力
N=Mg
所以木箱对地面的压力N’=Mg。
10.〖解析〗
(1)使砝码随滑块一起振动的回复力是滑块对砝码的摩擦力。
它跟位移成正比的比例常数为
kA=(M+m)a
A=ma
=mk/(M+m)
(2)KA/2=(M+m)a’
F’=ma’
F’=mkA/2(M+m)
方向指向平衡位置
(3)kAm=(M+m)am
mg=mam
Am=
g(M+m)/m
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 物理 机械振动