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11《机械振动》章末复习学习任务单
课题 机械振动章末复习 年级 高二
知识点来源 人教版高中物理选修3-4第十一章《机械振动》
学习目标 1. 简谐运动．2.简谐运动的公式和图象3.受迫振动和共振
学习重难点 1. 简谐运动的规律2. 简谐运动图象的理解和应用 3.单摆及其周期公式 4.受迫振动和共振
【基础知识】 一、简谐运动 1.简谐运动 (1)定义：如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向 ，质点的运动就是简谐运动. (2)平衡位置：物体在振动过程中 为零的位置. (3)回复力 ①定义：使物体返回到 的力. ②方向：总是指向 . ③来源：属于 力，可以是某一个力，也可以是几个力的 或某个力的 . 2.简谐运动的两种模型 模型弹簧振子单摆示意图简谐 运动 条件①弹簧质量要忽略 ②无摩擦等阻力 ③在弹簧弹性限度内①摆线为不可伸缩的轻细线 ②无空气阻力等 ③最大摆角小于等于5°回复力弹簧的弹力提供摆球重力沿与摆线垂直方向(即切向)的分力平衡 位置弹簧处于原长处最低点周期与振幅无关T＝2π能量 转化弹性势能与动能的相互转化，系统的机械能守恒重力势能与动能的相互转化，机械能守恒
自测1　(多选)关于简谐运动的理解，下列说法中正确的是(　　) A.简谐运动是匀变速运动 B.周期、频率是表征物体做简谐运动快慢程度的物理量 C.简谐运动的回复力可以是恒力 D.弹簧振子每次经过平衡位置时，位移为零、动能最大 E.单摆在任何情况下的运动都是简谐运动 二、简谐运动的公式和图象 1.表达式 (1)动力学表达式：F＝　　　，其中“－”表示回复力与位移的方向相反. (2)运动学表达式：x＝　　　　　　　，其中A代表振幅，ω＝2πf代表简谐运动的快慢，ωt＋φ0代表简谐运动的相位，φ0叫做　　　. 2.图象　 (1)从　　　开始计时，函数表达式为x＝Asin ωt，图象如图1甲所示. (2)从　　　处开始计时，函数表达式为x＝Acos ωt，图象如图乙所示. 图1 自测2　有一弹簧振子，振幅为0.8 cm，周期为0.5 s，初始时具有负方向的最大加速度，则它的振动方程是(　　) A.x＝8×10－3sin m B.x＝8×10－3sin m C.x＝8×10－1sin m D.x＝8×10－1sin m 三、受迫振动和共振 1.受迫振动 系统在　　　作用下的振动.做受迫振动的物体，它做受迫振动的周期(或频率)等于　　　的周期(或频率)，而与物体的固有周期(或频率) 　　　. 2.共振 做受迫振动的物体，它的驱动力的频率与固有频率越接近，其振幅就越大，当二者　　　时，振幅达到最大，这就是共振现象.共振曲线如图2所示. 图2 自测3　(多选)如图3所示，A球振动后，通过水平细绳迫使B、C振动，振动达到稳定时，下列说法中正确的是(　　) 图3 A.只有A、C的振动周期相等 B.C的振幅比B的振幅小 C.C的振幅比B的振幅大 D.A、B、C的振动周期相等 【研透命题点】 命题点一　简谐运动的规律 受力 特征回复力F＝－kx，F(或a)的大小与x的大小成正比，方向相反运动 特征衡位置时，a、F、x都减小，v增大；远离平衡位置时，a、F、x都增大，v减小能量 特征振幅越大，能量越大.在运动过程中，动能和势能相互转化，系统的机械能守恒周期 性特征质点的位移、回复力、加速度和速度随时间做周期性变化，变化周期就是简谐运动的周期T；动能和势能也随时间做周期性变化，其变化周期为对称 性特征关于平衡位置O对称的两点，加速度的大小、速度的大小、动能、势能相等，相对平衡位置的位移大小相等
例1　(多选)(2018·山西省重点中学协作体期末)下列关于简谐运动以及做简谐运动的物体完成一次全振动的意义，以下说法正确的是(　　) A.位移减小时，加速度减小，速度增大 B.位移的方向总跟加速度的方向相反，跟速度的方向相同 C.动能或势能第一次恢复为原来的大小所经历的过程 D.速度和加速度第一次同时恢复为原来的大小和方向所经历的过程 E.物体运动方向指向平衡位置时，速度的方向与位移的方向相反；背离平衡位置时，速度方向与位移方向相同 变式1　如图4所示，弹簧振子B上放一个物块A，在A与B一起做简谐运动的过程中，下列关于A受力的说法中正确的是(　　) 图4 A.物块A受重力、支持力及弹簧对它的恒定的弹力 B.物块A受重力、支持力及弹簧对它的大小和方向都随时间变化的弹力 C.物块A受重力、支持力及B对它的恒定的摩擦力 D.物块A受重力、支持力及B对它的大小和方向都随时间变化的摩擦力 命题点二　简谐运动图象的理解和应用 1.可获取的信息： (1)振幅A、周期T(或频率f)和初相位φ0(如图5所示). 图5 (2)某时刻振动质点离开平衡位置的位移. (3)某时刻质点速度的大小和方向：曲线上各点切线的斜率的大小和正负分别表示各时刻质点的速度的大小和速度的方向，速度的方向也可根据下一时刻质点的位移的变化来确定. (4)某时刻质点的回复力和加速度的方向：回复力总是指向平衡位置，回复力和加速度的方向相同，在图象上总是指向t轴. (5)某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能和势能的变化情况. 2.简谐运动的对称性：(图6) (1)相隔Δt＝(n＋)T(n＝0,1,2，…)的两个时刻，弹簧振子的位置关于平衡位置对称，位移等大反向，速度也等大反向. 图6 (2)相隔Δt＝nT(n＝1,2,3，…)的两个时刻，弹簧振子在同一位置，位移和速度都相同. 例2　(2017·北京理综·15)某弹簧振子沿x轴的简谐运动图象如图7所示，下列描述正确的是(　　) 图7 A.t＝1 s时，振子的速度为零，加速度为负的最大值 B.t＝2 s时，振子的速度为负，加速度为正的最大值 C.t＝3 s时，振子的速度为负的最大值，加速度为零 D.t＝4 s时，振子的速度为正，加速度为负的最大值
变式2　质点做简谐运动，其位移x与时间t的关系曲线如图8所示，由图可知(　　) 图8 A.振幅为4 cm，频率为0.25 Hz B.t＝1 s时速度为零，但质点所受合外力最大 C.t＝2 s时质点具有正方向最大加速度 D.该质点的振动方程为x＝2sin t(cm) 变式3　(2018·山西省重点中学协作体期末)如图9所示的弹簧振子，放在光滑水平桌面上，O是平衡位置，振幅A＝2 cm，周期T＝0.4 s. 图9 (1)若以向右为位移的正方向，当振子运动到O点右侧最大位移处开始计时，试画出其一个周期的振动图象； (2)若从振子经过平衡位置开始计时，求经过2.6 s小球通过的路程？ 命题点三　单摆及其周期公式 1.单摆的受力特征 (1)回复力：摆球重力沿与摆线垂直方向的分力，F回＝－mgsin θ＝－x＝－kx，负号表示回复力F回与位移x的方向相反. (2)向心力：细线的拉力和摆球重力沿细线方向分力的合力充当向心力，F向＝FT－mgcos θ. (3)两点说明 ①当摆球在最高点时，F向＝＝0，FT＝mgcos θ. ②当摆球在最低点时，F向＝，F向最大，FT＝mg＋m. 2.周期公式T＝2π的两点说明 (1)l为等效摆长，表示从悬点到摆球重心的距离. (2)g为当地重力加速度. 例3　如图10甲是一个单摆振动的情形，O是它的平衡位置，B、C是摆球所能到达的最远位置.设向右为正方向.图乙是这个单摆的振动图象.根据图象回答： 图10 (1)单摆振动的频率是多大？ (2)开始时摆球在何位置？ (3)若当地的重力加速度为10 m/s2，试求这个单摆的摆长是多少？(计算结果保留两位有效数字) 变式4　(2017·上海单科·10)做简谐运动的单摆，其摆长不变，若摆球的质量增加为原来的倍，摆球经过平衡位置的速度减为原来的，则单摆振动的(　　) A.周期不变，振幅不变 B.周期不变，振幅变小 C.周期改变，振幅不变 D.周期改变，振幅变大 命题点四　受迫振动和共振 1.简谐运动、受迫振动和共振的关系比较 振动 项目简谐运动受迫振动共振受力情况仅受回复力受驱动力作用受驱动力作用振动周期 或频率由系统本身性质决定，即固有周期T0或固有频率f0由驱动力的周期或频率决定，即T＝T驱或f＝f驱T驱＝T0或f驱＝f0振动能量振动物体的机械能不变由产生驱动力的物体提供振动物体获得的能量最大常见例子弹簧振子或单摆(θ≤5°)机械工作时底座发生的振动共振筛、声音的共鸣等
2.对共振的理解 (1)共振曲线：如图11所示，横坐标为驱动力频率f，纵坐标为振幅A，它直观地反映了驱动力频率对某固有频率为f0的振动系统受迫振动振幅的影响，由图可知，f与f0越接近，振幅A越大；当f＝f0时，振幅A最大. 图11 (2)受迫振动中系统能量的转化：做受迫振动的系统的机械能不守恒，系统与外界时刻进行能量交换. 例4　下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则(　　) 驱动力频率/Hz304050607080受迫振动振幅/cm10.216.827.228.116.58.3
A.f固＝60 Hz B.60 Hz＜f固＜70 Hz C.50 Hz＜f固≤60 Hz D.以上三个都不对 变式5　如图12所示，在一条张紧的绳子上挂几个摆，其中A、B的摆长相等.当A摆振动的时候，通过张紧的绳子给B、C、D摆施加驱动力，使其余各摆做受迫振动.观察B、C、D摆的振动发现(　　) 图12 A.C摆的频率最小 B.D摆的周期最大 C.B摆的摆角最大 D.B、C、D的摆角相同 【巩固练习】 题组1　简谐运动的物理量和表达式 1．做简谐运动的物体，当它每次经过同一位置时，可能不同的物理量是(　　) A．位移 B．速度 C．加速度 D．回复力 2．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(　　) A．第1 s末与第3 s末的位移相同 B．第1 s末与第3 s末的速度相同 C．第3 s末至第5 s末的位移方向都相同 D．第3 s末至第5 s末的速度方向都相同 3．做简谐振动的单摆摆长不变，若摆球质量增加为原来的4倍，摆球经过平衡位置时速度减小为原来的，则单摆振动的(　　) A．频率、振幅都不变 B．频率、振幅都改变 C．频率不变、振幅改变 D．频率改变、振幅不变 题组2　简谐运动的图像 4．如图1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，其振动图像如图乙所示．由振动图像可以得知(　　) 图1 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 5．一质点做简谐运动的图像如图2所示，下列说法正确的是(　　) 图2 A．质点振动频率是4 Hz B．在10 s内质点经过的路程是20 cm C．第4 s末质点的速度是零 D．在t＝1 s和t＝3 s两时刻，质点位移大小相等、方向相同 6．如图3所示为同一地点的两单摆甲、乙的振动图像，则下列说法中正确的是(　　) 图3 A．甲、乙两单摆的摆长相等 B．甲摆的振幅比乙摆大 C．甲摆的机械能比乙摆大 D．在t＝0.5 s时有正向最大加速度的是乙摆 E．由图像可以求出当地的重力加速度 7．一个单摆在地面上做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系)如图4所示，则(　　) 图4 A．此单摆的固有周期约为0.5 s B．此单摆的摆长约为1 m C．若摆长增大，单摆的固有频率增大 D．若摆长增大，共振曲线的峰将向右移动 8．简谐运动的振动图线可用下述方法画出：如图5甲所示，在弹簧振子的小球上安装一支绘图笔P，让一条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运动，笔P在纸带上画出的就是小球的振动图像．取振子水平向右的方向为振子离开平衡位置的位移正方向，纸带运动的距离代表时间，得到的振动图线如图乙所示．则下列说法中正确的是(　　) 图5 A．弹簧振子的周期为4 s B．弹簧振子的振幅为10 cm C．t＝17 s时振子相对平衡位置的位移是10 cm D．若纸带运动的速度为2 cm/s，振动图线上1、3两点间的距离是4 cm E．2.5 s时振子正在向x轴正方向运动 题组3　简谐运动的综合问题 9.如图6所示为一个竖直放置的弹簧振子，物体沿竖直方向在A、B之间做简谐运动，O点为平衡位置，A点位置恰好为弹簧的原长．物体由C点运动到D点(C、D两点未在图上标出)的过程中，弹簧的弹性势能增加了3.0 J，重力势能减少了2.0 J．对于这段过程说法正确的是(　　) 图6 A．物体的动能增加1.0 J B．C点的位置可能在平衡位置以上 C．D点的位置可能在平衡位置以上 D．物体经过D点的运动方向可能指向平衡位置 10．一质点做简谐运动，其位移与时间的关系如图7所示． 图7 (1)求t＝0.25×10－2 s时质点的位移； (2)在t＝1.5×10－2 s到t＝2×10－2 s的振动过程中，质点的位移、回复力、速度、动能、势能如何变化？ (3)在t＝0到t＝8.5×10－2 s时间内，质点的路程、位移各多大？ 【参考答案】 基础知识 一、简谐运动 平衡位置　回复力　平衡位置　平衡位置　效果　合力　分力 自测1　BD 二、简谐运动的公式和图象 －kx　 Asin(ωt＋φ0)　 初相　平衡位置　最大位移　 自测2A解析　振幅A＝0.8 cm＝8×10－3 m，ω＝＝4π rad/s.由题知初始时(即t＝0时)振子在正向最大位移处，即sin φ0＝1，得φ0＝，故振子做简谐运动的振动方程为：x＝8×10－3sin m，选项A正确. 三、受迫振动和共振 驱动力　驱动力　无关　相等 自测3　CD 例1　ADE解析　当位移减小时，回复力减小，则加速度减小，物体向平衡位置运动，速度在增大，故A正确；回复力与位移方向相反，故加速度和位移方向相反，但速度可以与位移方向相同，也可以方向相反；物体运动方向指向平衡位置时，速度的方向与位移的方向相反；背离平衡位置时，速度方向与位移方向相同，故B错误，E正确；一次全振动时，动能和势能均会有多次恢复为原来的大小，故C错误；速度和加速度第一次同时恢复为原来的大小和方向所经历的过程为一次全振动，故D正确. 变式1　 D 例2　A解析　t＝1 s时，振子位于正向位移最大处，速度为零，加速度为负向最大，故A正确；t＝2 s时，振子位于平衡位置并向x轴负方向运动，速度为负向最大，加速度为零，故B错误；t＝3 s时，振子位于负向位移最大处，速度为零，加速度为正向最大，故C错误；t＝4 s时，振子位于平衡位置并向x轴正方向运动，速度为正向最大，加速度为零，故D错误.
变式2　C 变式3　 (1)见解析图　(2)0.52 m解析　(1)当振子在O点右侧最大位移处时，位移最大为2 cm，周期为0.4 s，一个周期的振动图象为 (2)振子经过一个周期路程为4个振幅，故2.6 s经过的路程为×4×0.02 m＝0.52 m. 例3　(1)1.25 Hz　(2)B点　(3)0.16 m解析　(1)由题图乙知周期T＝0.8 s，则频率f＝＝1.25 Hz. (2)由题图乙知，t＝0时摆球在负向最大位移处，因向右为正方向，所以开始时摆球在B点. (3)由T＝2π，得l＝≈0.16 m. 变式4　B解析　由单摆的周期公式T＝2π可知，当摆长l不变时，周期不变，故C、D错误；由能量守恒定律可知mv2＝mgh，其摆动的高度与质量无关，因摆球经过平衡位置的速度减小，则最大高度减小，故振幅减小，选项B正确，A错误. 例4　 C解析　从如图所示的共振曲线可判断出f驱与f固相差越大，受迫振动的振幅越小；f驱与f固越接近，受迫振动的振幅越大.并可以从中看出f驱越接近f固，振幅的变化越慢.比较各组数据知f驱在50～60 Hz范围内时，振幅变化最小，因此50 Hz＜f固≤60 Hz，即C正确. 变式5　C解析　由A摆摆动从而带动其他3个单摆做受迫振动，受迫振动的频率等于驱动力的频率，故其他各摆振动周期跟A摆相同，频率也相等，故A、B错误；受迫振动中，当固有频率等于驱动力频率时，出现共振现象，振幅达到最大，由于B摆的固有频率与A摆的频率相同，故B摆发生共振，振幅最大，故C正确，D错误. 【巩固练习】 1．B 2．AD　[由关系式可知ω＝ rad/s，T＝＝8 s，将t＝1 s和t＝3 s代入关系式中求得两时刻位移相同，A对；作出质点的振动图像，由图像可以看出，第1 s末和第3 s末的速度方向不同，B错；由图像可知，第3 s末至第4 s末质点的位移方向与第4 s末至第5 s末质点的位移方向相反，而速度的方向相同，故C错，D对．] 3．C　[单摆的周期由摆长和当地的重力加速度决定．由单摆的周期公式T＝2π，可知，单摆摆长不变，则周期不变，频率不变；振幅A是反映单摆运动过程中的能量大小的物理量，由Ek＝mv2结合题意可知，摆球经过平衡位置时的动能不变，因质量增大，故振幅减小，所以C正确．] 4．D　[弹簧振子先后经历最短时间到达同一位置时，若速度相同，则这段时间间隔就等于弹簧振子的振动周期，从振动图像可以看出振子的振动周期为2t1，选项A错误；在t＝0时刻，振子的位移为零，所以振子应该在平衡位置O，选项B错误；在t＝t1时刻，振子在平衡位置O，该时刻振子速度最大，选项C错误；从t1到t2，振子的位移在增加，所以振子正从O点向b点运动，选项D正确．] 5．B　[由题图可知，该简谐运动的周期为4 s，频率为0.25 Hz，在10 s内质点经过的路程是2.5×4A＝20 cm.第4 s末质点的速度最大．在t＝1 s和t＝3 s两时刻，质点位移大小相等、方向相反．故B正确．] 6．ABD　[由振动图像可以看出，甲摆的振幅比乙摆的大，两单摆的振动周期相同，根据单摆周期公式T＝2π可得，甲、乙两单摆的摆长相等，但不知道摆长是多少，不能计算出当地的重力加速度g，故A、B正确，E错误；两单摆的质量未知，所以两单摆的机械能无法比较，故C错误；在t＝0.5 s时，乙摆有负向最大位移，即有正向最大加速度，而甲摆的位移为零，加速度为零，故D正确．] 7．B　[由共振曲线知此单摆的固有频率为0.5 Hz，固有周期为2 s；再由T＝2π，得此单摆的摆长约为1 m；若摆长增大，单摆的固有周期增大，固有频率减小，则共振曲线的峰将向左移动．] 8．ABD　[周期是振子完成一次全振动的时间，由图知，弹簧振子的周期为T＝4 s，故A正确；振幅是振子离开平衡位置的最大距离，由图知，弹簧振子的振幅为10 cm，故B正确；振子的周期为4 s，由周期性知，t＝17 s时振子相对平衡位置的位移与t＝1 s时振子相对平衡位置的位移相同，为0.故C错误；若纸带运动的速度为2 cm/s，振动图线上1、3两点间的距离是s＝vt＝2 cm/s×2 s＝4 cm，故D正确；图像的斜率表示速度，斜率正负表示速度的方向，则知2.5 s时振子的速度为负，正在向x轴负方向运动，故E错误．] 9．BD 10．(1)－ cm　(2)变大　变大　变小　变小　变大　(3)34 cm　2 cm 解析　(1)由题图可知A＝2 cm，T＝2×10－2 s，振动方程为x＝Asin (ωt－)＝－Acos ωt＝－2cos (t) cm＝－2cos 100πt cm 当t＝0.25×10－2 s时， x＝－2cos cm＝－ cm. (2)由题图可知在t＝1.5×10－2 s到t＝2×10－2 s的振动过程中，质点的位移变大，回复力变大，速度变小，动能变小，势能变大． (3)在t＝0到t＝8.5×10－2 s时间内经历个周期，质点的路程为 s＝17A＝34 cm，位移为2 cm.
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