- 2021-05-26 发布 |
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文档介绍
高一物理教案:第05讲 简谐振动及单摆
辅导教案 学员姓名: 学科教师: 年 级:高一 辅导科目:物理 授课日期 ××年××月××日 时 间 A / B / C / D / E / F段 主 题 简谐振动及单摆 教学内容 1、掌握简谐振动的周期性、往复性、以及对称性 2、掌握水平方向和竖直方向的简谐振动的模型 3、理解并运用简谐振动图像分析运动情况 4、掌握单摆周期公式及解决相关题目 教法指导:本环节采用提问抢答的进行,如果学生的抢答不积极,可以适当采用轮换回答的方式进行。建议时间10分钟。 一、机械振动 物体(质点)在某一中心位置两侧所做的往复运动就叫做机械振动,物体能够围绕着平衡位置做往复运动,必然受到使它能够回到平衡位置的力即回复力。回复力是以 命名的力,它可以是一个力或一个力的分力,也可以是几个力的合力。(效果) 问题:回复力和向心力有什么联系呢?(同样是按效果命名的力,具有效果力的共性) 产生振动的必要条件是: (a、物体离开平衡位置后要受到回复力作用。b、阻力足够小) 二、简谐振动 1. 定义:物体在跟位移成正比,并且总是指向平衡位置的回复力作用下的振动叫简谐振动。简谐振动也可说是物体在跟位移大小成正比,方向跟位移 的回复力作用下的振动,即F=-kx,其中“-”号表示力方向跟位移方向相反。(相反) 2. 简谐振动的条件: (物体必须受到大小跟离开平衡位置的位移成正比,方向跟位移方向相反的回复力作用) 3. 简谐振动是一种机械运动,有关机械运动的概念和规律都适用,简谐振动的特点在于它是一种周期性运动,它的位移、回复力、速度、加速度以及动能和势能(重力势能和弹性势能)都随时间做周期性变化。 三、描述振动的物理量 简谐振动是一种周期性运动,描述系统的整体的振动情况常引入下面几个物理量。 1. 振幅:振幅是 ,常用字母“A”表示,它是标量,为正值,振幅是表示 的物理量,振幅的大小表示了振动系统总机械能的大小,简谐振动在振动过程中,动能和势能相互转化而总机械能守恒。(振动物体离开平衡位置的最大距离、振动强弱) 2. 周期和频率:周期是 ,频率是 振动的周期T跟频率f之间是倒数关系,即T=1/f。振动的周期和频率都是描述 的物理量,简谐振动的周期和频率是由振动物体本身性质决定的,与振幅无关,所以又叫固有周期和固有频率。(振子完成一次全振动的时间、 一秒钟内振子完成全振动的次数、振动快慢) 3.几个物理量之间的相互关系: 由定义知:F∝x,方向相反。 由牛顿第二定律知:F∝a,方向相同。 由以上两条可知:a∝x,方向相反。 v与x、F、a之间的关系复杂:当v、a同向(即 v、 F同向,也就是v、x反向)时v一定增大; 当v、a反向(即 v、 F反向,也就是v、x同向)时,v一定减小。 四、 振动图象 简谐振动的图象是振子振动的位移随时间变化的函数图象。所建坐标系中横轴表示时间,纵轴表示位移。图象是正弦或余弦函数图象,它直观地反映出简谐振动的位移随时间作周期性变化的规律。要把质点的振动过程和振动图象联系起来,从图象可以得到振子在不同时刻或不同位置时位移、速度、加速度,回复力等的变化情况。 五、两种常见振动 (a)单摆: 摆角小于 的单摆是典型的简谐振动。(5°) 细线的一端固定在悬点,另一端拴一个小球,忽略 ,球的直径远 悬线长度的装置叫单摆。单摆做简谐振动的条件是:最大摆角小于5°,单摆的回复力F是 。单摆的周期公式是 。由公式可知单摆做简谐振动的固有周期与振幅,摆球质量无关,只与L和g有关,其中L是摆长,是 的距离。g是单摆所在处的重力加速度,在有加速度的系统中(如悬挂在升降机中的单摆)其g应为等效加速度。(线的伸缩和质量、小于、重力在圆弧切线方向的分力、、悬点到摆球球心) (b)弹簧振子: 1、定义:一根轻质弹簧一端固定,另一端系一质量为m的小球就构成一弹簧振子。 2、回复力:水平方向振动的弹簧振子,其回复力由弹簧弹力提供;竖直方向振动的弹簧振子,其回复力由重力和弹簧弹力的合力提供。 3、弹簧振子的周期: ① 振动周期由振动系统本身的性质决定。 ② 弹簧振子的周期和频率只取决于弹簧的劲度系数和振子的质量,与其放置的环境和放置的方式无任何关系。如某一弹簧振子做简谐运动时的周期为T,不管把它放在地球上、月球上还是卫星中;是水平放置、倾斜放置还是竖直放置;振幅是大还是小,只要还是该振子,那它的周期就还是T。 一、对简谐运动的概念及对称性的考查 教法指导:对一个全振动的速度、回复力、加速度、位移等理解清晰,变式训练由学生限时独立完成,对答案后有老师讲解。 例1 简谐运动的平衡位置是指 ( ) A.速度为零的位置 B.回复力为零的位置 C.加速度为零的位置 D.位移最大的位置 【解析】 简谐运动的平衡位置是回复力为零的位置,而物体在平衡位置时加速度不一定为零,例如单摆在平衡位置时存在向心加速度.简谐运动的物体经过平衡位置时速度最大,位移为零. 【答案】 B 变式训练1 如图1所示,弹簧振子在振动过程中,振子从a到b历时0.2 s,振子经a、b两点时速度相同,若它从b再回到a的最短时间为0.4 s,则该振子的振动频率为 ( ) A.1 Hz B.1.25 Hz C.2 Hz D.2.5 Hz 图1 【解析】 由简谐运动的对称性可知,tOb=0.1 s,tbc=0.1 s,故=0.2 s,解得T=0.8 s,f==1.25 Hz,选项B正确. 【答案】 B 二、 对简谐运动的图象的考查 教法指导:理解X-t图像的意义非常重要,理解它是做简谐运动的问题的位移随时间的变化图像,不是轨迹。 例1 悬挂在竖直方向上的弹簧振子,周期为2 s,从最低点的位置向上运动时开始计时,它的振动图象如图2所示,由图可知 ( ) 图2 A.t=1.25 s时振子的加速度为正,速度为正 B.t=1.7 s时振子的加速度为负,速度为负 C.t=1.0 s时振子的速度为零,加速度为负的最大值 D.t=1.5 s时振子的速度为零,加速度为负的最大值 【解析】 弹簧振子振动时,加速度的方向总是指向平衡位置,且在最大位移处,加速度的值最大,在平衡位置处加速度的值为0,由图可知,t=1.25 s时,振子的加速度为负;t=1.7 s时,振子的加速度为正;t=1.5 s时,振子的加速度为零,故A、B、D均错误,只有C正确. 【答案】 C 变式训练1 一质点做简谐运动的图象如图3所示,下列说法正确的是( ) 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末质点的速度为零 D.在t=1 s和t=3 s两时刻,质点位移大小相等,方向相同 【解析】 振动图象表示质点在不同时刻相对平衡位置的位移,由题图可看出,质点运动的周期T=4 s,其频率f==0.25 Hz,A错误;10 s内质点运动了T,其运动路程为s=×4A=×4×2 cm=20 cm,B正确;第4 s末质点在平衡位置,其速度最大,C错;t=1 s和t=3 s两时刻,由题图可看出,位移大小相等,方向相反,D错.由以上分析可知,只有B项正确. 【答案】 B 变式训练2 有一个在y方向上做简谐运动的物体,其振动图象如图4所示.下列关于图5中(1)~(4)的判断正确的是(选项中v、F、a分别表示物体的速度、受到的回复力和加速度) ( ) 图4 图5 A.图(1)可作为该物体的速度—时间图象 B.图(2)可作为该物体的回复力—时间图象 C.图(3)可作为该物体的回复力—时间图象 D.图(4)可作为该物体的回复加速度—时间图象 【答案】 C 三、对单摆的考查 例1 图6甲是利用沙摆演示简谐运动图象的装置.当盛沙的漏斗下面的薄木板被水平匀速拉出时,做简谐运动的漏斗漏出的沙会在板上显示出沙摆的振动位移随时间变化的关系曲线.已知木板被水平拉动的速度为0.20 m/s,图乙所示的一段木板的长度为0.60 m,则这次实验沙摆的摆长大约为(取g=π2) ( ) 甲 乙 图6 A.0.56 m B.0.65 m C.1.00 m D.2.25 m 【解析】 由于木板匀速拉动,据x=vt,则t== s=3 s,显然t=2T,则T=1.5 s,据T=2π ,可计算出摆长l大约为0.56 m.故A正确. 【答案】 A 变式训练1(1)将一个电动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的大小随时间变化的曲线如图7所示.某同学由此图象提供的信息做出的下列判断中,正确的是________. A. t=0.2 s时摆球正经过最低点 B.t=1.1 s时摆球正经过最低点 C.摆球摆动过程中机械能减小 D.摆球摆动的周期是T=1.4 s 图7 (2)图8为同一地点的两单摆甲、乙的振动图象,下列说法中正确的是________. 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时有最大正向加速度的是乙摆 图8 【答案】 (1)AC (2)ABD 变式训练2摆长为l的单摆做简谐运动,若从某时刻开始计时(取t=0),当振动至t= 时,摆球具有负向最大速度,则单摆的振动图象是下列图中的 ( ) 【答案】 D 四、简谐运动的多解性 例1一个质点在平衡位置O点附近做简谐运动,若从O点开始计时,经过3s质点第一次经过M点,再继续运动,又经过2s,它第二次经过M点;则该质点第三次经过M点所需要的时间是 。 【解析】本题要注意运动对称性,还要注意振动方向不确定造成的多解,利用振动图像解比较方便,可能的周期是4s或是s。 【答案】14s 或 s 变式训练1一弹簧振子做简谐运动,周期为T,下列说法正确的是 ( ) A.若t时刻和(t+△t)时刻振子对平衡位置的位移大小相等,方向相同,则△t一定等于T的整数倍 B.若t时刻和(t+△t)时刻振子运动速度大小相等,方向相反,则△t一定等于T/2的整数倍 C.若△t=T/4,则t和(t+△t)两时刻,振子的位移大小之和一定等于振幅 D.若△t=T/2,则在t时刻和(t+△t)时刻振子速度的大小一定相等 【答案】D (时间30分钟,满分100分,附加题20分) 【A组】 一、不定项选择题 1.弹簧振子作简谐运动时,以下说法正确的是 ( ) A.振子通过平衡位置时,回复力一定为零 B.振子向平衡位置运动时,加速度和速度一定都增大 C.振子向平衡位置运动时,加速度一定与速度方向一致 D.在平衡位置两侧,振子速率相同的两个位置是相对平衡位置对称的 2.一个做简谐运动的质点,它的振幅为4cm,频率为2.5Hz.该质点从平衡位置开始经过0.5s后,位移的大小和所通过的路程分别为 ( ) A.4cm,10cm B.4cm,20cm C.0,24cm D.100cm,100cm 3.对于作简谐运动的物体,其回复力和位移的关系可用图7—1—1中哪个图象表示 ( ) 4.下列关于简谐运动周期、频率、振幅说法正确的是 ( ) A. 振幅是矢量,方向是由平衡位置指向极端位置 B. 周期和频率的乘积为一常数 C. 振幅增大,周期随之增大,频率减小 D. 做简谐运动系统一定,其振动频率使一定,与振幅无关 5.如图7—1—2所示,质量为m的物体A放置在质量为M的物体B上,B与轻弹簧相连,它们一起在光滑水平面上作简谐运动,运动过程中A、B间无相对运动.设弹簧的劲度系数为k,则当物体离开平衡位置的位移为x时,A、B问的摩擦力的大小等于 ( ) 6.如图7—1—3所示为质点P在0~4s内的振动图像,下列叙述正确的是 ( ) A.再过ls,该质点的位移达正向的最大 B.再过ls,该质点的速度方向向上 C.再过1s,该质点的加速度方向向上 D.再过ls,该质点加速度最大 7.一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系曲线如图7—1—4所示.由 图可知 ( ) A.质点振动的频率为0.25Hz B.质点的振幅为2cm C.t=3s时,质点的速度最大 D.t=4s时,质点所受的合力为零 8.一个弹簧振子在A、B问做简谐运动,O为平衡位置,如图7—1—5所示,以某一时刻作计时点(t为零), 经 周期,振子具有正方向最大的加速度,那么在下述几个振动图像中,能正确反映振子振动情况的是(以 向右为正方向) 二、填空题. 9.有一单摆,当它的摆长增加2m时,周期变为原来的2倍。则它原来的周期是_______ 10.甲、乙两个弹簧振子,甲完成了12次全振动,在相同时间内乙恰好完成了8次全振动,甲、乙振动周期之比 ,甲、乙振动频率之比为 . 三、计算题. 11.如图7—1—7所示是一个质点的振动图像,根据图像回答下列问题: (1)在t=0.1s,0.3s,0.5s,0.7s时质点的振动方向; (2)质点速度首次具有最大负值的时刻和位置; (3)质点运动的加速度首次具有最大负值的时刻和位置; (4)在0.6s到0.8s这段时间内质点的运动情况. 【答案】 1. ACD 2.B 3.C 4.BD 5.D 6.AD 7.ABC 8.D 9.14s或3.33s 10.3:2 11.(1)t=0.1s,0.7s时,质点的振动方向向上,t=0.3s,0.5s时,质点的振动方向下;(2)t=0.4s时,首次具有速度的最大的负值,此时质点在平衡位置处;(3)t=0.2s时,首次具有加速度的最大负值,此时质点在正的最大位移处;(4)在0.6~0.8s这段时间内,质点做加速运动 【B组】 1.弹簧振子振动过程中的某段时间内其加速度数值越来越大,在这段时间内 [ ] A.振子的速度越来越大 B.振子正在向平衡位置运动 C.振子的速度方向与加速度方向一致 D.以上说法都不正确 2.质点做简谐运动,先后以相同的速度依次通过A、B两点,历时1s,质点通过B点后再经过1s又第2次通过B点,在这两秒钟内,质点通过的总路程为12cm,则质点的振动周期和振幅是 [ ] A.3s,6cm B.4s,6cm C.4s,9cm D.2s,8cm 3.质点沿直线以O为平衡位置做简谐运动,A、B两点分别为正最大位移处与负最大位移处的点,A、B相距10cm,质点从A到B的时间为0.1s,从质点到O点时开始计时,经0.5s,则下述说法正确的是[ ] A.振幅为5cm B.振幅为10cm C.通过路程50cm D.质点位移为50 cm 4.做简谐运动的物体,当物体的位移为负值时,下面说法正确的是 [ ] A.速度一定为正值,加速度一定为负值 B.速度一定为负值,加速度一定为正值 C.速度不一定为正值,加速度一定为正 D.速度不一定为负值,加速度一定为正 5.小球做简谐运动,则下述说法正确的是 [ ] A.回复力大小与位移成正比,方向相反 B.加速度大小与位移成正比,方向相反 C.速度大小与位移成正比,方向相反 D.速度的大小与位移成正比,方向不定 6.做简谐运动的弹簧振子,下述说法中正确的是 [ ] A.振子通过平衡位置时,速度最大 B.振子在最大位移处时,加速度最大 C.振子在连续两次通过同一位置时,位移相同 D.振子连续两次通过同一位置时,动能相同,速度相同 7.一个弹簧振子,第一次用力把弹簧压缩x后开始振动,第二次把弹簧压缩2x后开始振动,则两次振动的周期之比和最大加速度的大小之比分别为 [ ] A.1∶2,1∶2 B.1∶1,1∶1 C.1∶1,1∶2 D.1∶2,1∶1 8.对简谐运动下述说法中正确的是 [ ] A.物体振动的最大位移等于振幅 B.物体离开平衡位置的最大距离叫振幅 C.振幅随时间做周期性变化 D.物体两次通过平衡位置的时间叫周期 9.简谐运动如图,在0.2s到0.3s这段时间内质点的运动情况是 [ ] A.沿负方向运动速度不断增大 B.沿负方向运动位移不断增大 C.沿正方向运动速度不断增大 D.沿正方向的加速度不断减小 10.关于简谐运动的周期,频率,振幅,下列说法中哪些是正确的( ) 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,周期也必然增加,而频率减小[来源:学科网ZXXK] D.频率与振幅有关 t/s 0 t1 t2 t3 t4 y/cm 2 -2 11.如图所示的是某质点做简谐运动的振动图象,从图中可以知道( ) A.t1和t3时刻,质点的速度相同 B.t1到t2时间内,速度与加速度方向相同 C.t2到t3时间内,速度变大,而加速度变小 D.t1和t3时刻, 质点的加速度相同 12.如图的是一个质点做简谐运动的振动图象,从图中可以知道( ) t/s 0 1 2 3 4 5 -5 y/cm A.在t=0时,质点位移为零,速度和加速度也零 B.在t=4s时,质点的速度最大,方向沿y轴的负方向 C.在t=3s时,质点振幅为-5cm,周期为4s D.无论何时,质点的振幅都是5cm, 周期都是4s 13.如图所示是一弹簧振子在水平面内做简谐运动 t/s 0 t1 t2 t33 t4 3 -3 y/cm t5 6 -6 的振动图象,则振动系统在( ) A.t3和t4时刻,振子具有不同的动能和速度 B.t3和t5时刻,振子具有相同的动能和不同的速度 C.t1和t4时刻,振子具有相同的加速度 D.t2和t5时刻,振子所受的回复力大小之比为2:1 14.一个弹簧振子做简谐运动的周期是0.025S,当振子从平衡位置开始向右运动,经过0.17s时,振子的运动情况是( ) A.正在向右做减速运动 B.正在向右做加速运动 C.正在向左做减速运动 D.正在向左做加速运动[来源:Zxxk.Com] 15. 甲,乙两 物体做简谐运动,甲振动20次时,乙振动了40次,则甲,乙振动周期之比是 _________ ,若甲的振幅减小了2倍而乙的振幅不变,则甲,乙周期之比是___________ 16.一个质点经过平衡位置O,在A、B间做简谐运动如图(1),设向右为正方向 ,它的振动图象如图(2),则OB_________ ,第0.2s末质点的速度方向________,加速度大小为 _________,第0.4s末质点的加速度方向 _______,质点从O运动到B再到A需时间t= ________,在第4s内完成__________次全振动. 0 0.4 0.8 t/s x/cm -2 2 图(2) · · · O B A 正 图(1) 17.某一弹簧振子做简谐运动,若从振子经过某一位置A开始计时,则( ) A.当振子再次与零时刻的速度相同时,经过的时间一定是半周期 B.当振子再次经过A时,经过的时间一定是半周期 C.当振子的加速度再次与零时刻的加速度相同时,一定又到达位置A D.一定还有另一个位置跟位置A有相同的位移 【答案】 1.D 2.B 3.AC 4.CD 5.AB 6.ABC 7.C 8.B 9.CD 10.B 11.CD 12.D 13.BD 14.B 15.2:1 2:1 16.2cm 向左 0 向右 0.6 5 17.C (时间30分钟) (1. 包含预习和复习两部分内容; 2. 建议作业量不宜过多,最好控制在学生30分钟内能够完成) 1.关于简谐运动的有关物理量,下列说法中错误的是 ( ) A.回复力方向总是指向平衡位置. B.向平衡位置运动时,加速度越来越小,速度也越来越小. C.加速度和速度方向总是跟位移方向相反. D.速度方向有时跟位移方向相同,有时相反. 2.作简谐运动的物体每次通过同一位置时,都具有相同的 ( ) A.加速度. B.动量. C.动能. D.位移. E.回复力. F.速度. 3.简谐运动是一种: ( ) A.匀速运动 B.变速运动 C.匀加速运动 D.变加速运动 E.匀减速运动 4.如图所示,弹簧振子以O点为平衡位置作简谐振动,当它从C向O点运动的过程中,位移方向及其大小的变化是 ( ) A.向右,逐渐增大 B.向右,逐渐减小 C.向左,逐渐增大 D.向左,逐渐减小 5.如图所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在A、B间做简谐振动,下列说法正确的是 ( ) A.振子在A、B处的加速度和速度均为零 B.振子通过O点后,加速度方向改变 C.振子通过O点后,速度方向改变 D.振子从O→B或从O→A的运动都是匀减速运动 6.做简谐运动的弹簧振子,下述说法中正确的是 ( ) A.振子通过平衡位置时,速度最大 B.振子在最大位移处时,加速度最大 C.振子在连续两次通过同一位置时,位移相同 D.振子连续两次通过同一位置时,动能相同, 机械能相等 7.一弹簧振子在一条直线上做简谐运动,第一次先后经过M、N两点时速度v(v≠0)相同,那么,下列说法正确的是( ) A.振子在M、N两点受回复力相同 B.振子在M、N两点对平衡位置的位移相同 C.振子在M、N两点加速度大小相等 D.从M点到N点,振子先做匀加速运动,后做匀减速运动 8.物体做机械振动的回复力( ) A.是区别于重力、弹力、摩擦力的另一种力 B.必定是物体所受的合力 C.可以是物体受力中的一个力 D.可以是物体所受力中的一个力的分力 9.物体做简谐运动时,根据简谐运动的图象下列判断中正确的是( ) A.在平衡位置加速度最大. B.在平衡位置速度最大. C.在运动路径两端速度最大. D.在两端加速度最小 10.一质点做简谐运动时,其振动图象如图。由图可知,在t1和t2 时刻,质点运动的( ) A.位移相同 B.回复力相同 C.速度相同 D.加速度相同 11.一个弹簧振子的振动周期为0.4s,当振子从平衡位置开始向右运动,经1.26s时振子做的是( ) A.振子正向右做加速运动 B.振子正向右做减速运动 C.振子正向左做加速运动 D.振子正向左做减速运动 12.一个弹簧振子,第一次用力把弹簧压缩x后开始振动,第二次把弹簧压缩2x后开始振动,则两次振动的周期之比和最大加速度的大小之比分别为( ) A.1∶2,1∶2 B.1∶1,1∶1 C.1∶1,1∶2 D.1∶2,1∶1 13.回复力的作用是能使物体 平衡位置,它是大小 ,方向 的力(填不变或变化)。 14.弹簧振子振动的振幅是1cm,则完成一次全振动振子通过的路程是 cm。 15.一物体做简谐振动,根据物体受回复力和速度的大小的变化及方向可判定物体的运动性质,当物体指向平衡位置运动时,物体做 运动,当物体背离平衡位置运动时,物体做 运动。 16.质点以O为平衡位置做简谐运动,它离开平衡位置向最大位移处运动的过程中,经0.15s第一次通过A点,再经0.1s第二次通过A点,再经___________s第三次通过A点,此质点振动的周期等于_________s,频率等于___________Hz. 17.一个在水平方向做简谐运动的弹簧振子的振动周期是0.025s,当振子从平衡位置开始向右运动,在0.17s时刻,振子的运动情况是( ) A.正在向左做减速运动 B.正在向右做加速运动 C.加速度正在减小 D.动能正在减小 18.做简谐运动的物体,每次经过同一位置时,都具有相同的( ) A.加速度 B.速度 C.位移 D.动能 【答案】 1.BC 2.ACDE 3.BD 4.D 5.B 6.ABCD 7.C 8.CD 9.B 10.C 11.A 12.C 13.返回,变化,变化; 14.4; 15.加速度减小的;加速度增加的; 16. 0.7, 0.8 1.25 【预习内容】查看更多