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1、第十三章 机械振动和机械波第一节 简谐振动、振动图像基础知识 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，而物体所受的合外力
2、不为零aocb图24-A-43、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；同
3、一装置，振幅越大，振动能量越大。（3）周期和频率：完成一次全振动所用的时间为周期T，每秒钟完成全振动的次数为频率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：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫简谐运动受力特征：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
4、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、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
5、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簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。例1 . 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
6、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x2mgk，故振子振动过程中的振幅为Ax2x1= mgk D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点评：一般说来，弹簧振子在振动过程中的振幅的求法均是先找出其平衡位置，然后找出当振子速度为零时的位置，这两个位置间的距离就是振幅本题侧重在弹簧振子运动的对称性解答本题还可以通过求D物运动过程中的最大加速度，它在最高点具有向下
7、的最大加速度，说明了这个系统有部分失重，从而确定木箱对地面的压力四、振动过程中各物理量的变化情况说明: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的大小均相同但要注意方向。例2 .如图所示，一弹簧振子在振动过程中，经
8、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。
9、 综上所述，本题应选择（B）。五、简谐运动图象1.物理意义：表示振动物体（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。规律方法1、简谐运动的特点例3 .一弹簧振子作简谐振动，周期为T（） A若t时
10、刻和（tt）时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则t一定等于T的整数倍 B若t时刻和（tt）时刻振子运动速度的大小相等、方向相反，则上t一定等于T/2的整数倍 C若t=T，则在 t时刻和（tt）时刻振子运动的加速度一定相等 D若tT/2，则在t时刻和（t十t）时刻弹簧的长度一定相等解析:做简谐运动时，振子由平衡位置到最大位移，再由最大位移回到平衡位置，两次经过同一点时，它们的位移大小相等、方向相同，其时间间隔并不等于周期的整数倍，选项A错误。同理在振子由指向最大位移，到反向最大位移的过程中，速度大小相等、方向相反的位里之间的时间间隔小于T/2，选项B错误。相差T/2的两个时刻，弹黄的长度可能
11、相等，振子从平衡位置开始振动、再回到平衡位置时，弹簧长度相等、也可能不相等、选项D错误。若tT，则根据周期性，该振子所有的物理量应和t时刻都相同，a就一定相等，所以，选项C正确。 本题也可通过振动图像分析出结果，请你自己尝试一下。 例4 .如图所示，一弹簧振子在光滑水平面内做简谐振动，O为平衡位置，A,B为最大位移处，当振子由A点从静止开始振动，测得第二次经过平衡位置所用时间为t秒，在O点上方C处有一个小球，现使振子由A点，小球由C点同时从静止释放，它们恰好到O点处相碰，试求小球所在C点的高度H是多少？解析:由已知振子从A点开始运动，第一次经过O点的时间是1/4周期，第二次经过O点是3/4周期
12、，设其周期T，所以有：t=3T/4,T=4t/3; 振子第一次到O点的时间为；振子第二次到点的时间为；振子第三次到O点的时间为第n次到O点的时间为（n01,2,3）C处小球欲与振子相碰，它和振子运动的时间应该是相等的；小球做自由落体运动，所以有2、弹簧振子模型例5 .如图所示，质量为m的物块A放在木板B上，而B固定在竖直的轻弹簧上。若使 A随 B一起沿竖直方向做简谐运动而始终不脱离，则充当 A的回复力的是 。当A的速度达到最大时，A对B的压力大小为 。解析：根据题意，只要在最高点A、B仍能相对静止，则它们就会始终不脱离。而在最高点，外界对A所提供的最大回复力为mg，即最大加速度amax=g，故
13、A、B不脱离的条件是ag，可见，在振动过程中，是A的重力和B对A的支持力的合力充当回复力。 因为A在系统的平衡位置时，速度最大，此时A所受重力与B对它的支持力的合力为零，由牛顿第三定律可知，a对B的压力大小等于其重力mg。3、利用振动图像分析简谐振动例6 .一弹簧振子沿x轴振动，振幅为4 cm. 振子的平衡位置位于x袖上的0点.图甲中的a ,b,c,d为四个不同的振动状态：黑点表示振子的位置，黑点上箭头表示运动的方向图乙给出的四条振动图线，可用于表示振子的振动图象是（ AD ）A.若规定状态a时t0，则图象为B.若规定状态b时t0，则图象为C.若规定状态c时t0，则图象为D.若规定状态d时t0
14、，则图象为解析:若t0，质点处于a状态，则此时x3 cm运动方向为正方向，只有图对；若t0时质点处于b状态，此时x2 cm，运动方向为负方向，图不对；若取处于C状态时t=0，此时x=2 cm，运动方向为负方向，故图不正确；取状态d为t=0时,图刚好符合，故A,D正确点评: 对振动图象的理解和掌握要密切联系实际，既能根据实际振动画出振动图象；又能根据振动图象还原成一个具体的振动，达到此种境界，就可熟练地用图象分析解决振动 第二节 单摆、振动中的能量基础知识 一、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
15、理想化的模型，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50 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2s的单摆其摆长约为lm.例7 .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
