《2017_2018学年高中物理第一章机械振动第3讲简谐运动的图像和公式学案教科版选修》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017_2018学年高中物理第一章机械振动第3讲简谐运动的图像和公式学案教科版选修（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第第 3 3 讲讲 简谐运动的图像和公式简谐运动的图像和公式目标定位 1.知道所有简谐运动的图像都是正弦(或余弦)曲线.2.会根据简谐运动的图像找出物体振动的周期和振幅，并能分析有关问题.3.理解简谐运动的表达式，能从该表达式中获取振幅、周期(频率)、相位、初相等相关信息一、简谐运动的图像1坐标系的建立：以横坐标表示时间，纵坐标表示位移，描绘出简谐运动中振动物体离开平衡位置的位移x随时间t变化的图像，称为简谐运动的图像(或称振动图像)2图像形状：严格的理论和实验都证明所有简谐运动的运动图像都是正弦(或余弦)曲线3. 由简谐运动图像，可找出物体振动的周期和振幅想一想 在描述简谐运动图像时，为什
2、么能用薄板移动的距离表示时间？答案 匀速拉动薄板时，薄板的位移与时间成正比，即xvt，因此，一定的位移就对应一定的时间，这样匀速拉动薄板时薄板移动的距离就能表示时间二、简谐运动的表达式振动物体离开平衡位置的位移x与时间t的关系可用正弦函数(或余弦函数)来表示即xAsin(t)其中，f ，综合可得2 T1 TxAsin(t)Asin(2ft)2 T式中A表示振动的振幅，T和f分别表示物体振动的周期和频率物体在不同的初始位置开始振动，值不同三、简谐运动的相位、相位差1相位在式xAsin(2ft)中， “2ft”这个量叫做简谐运动的相位t0 时的相位叫做初相位，简称初相2相位差指两振动的相位之差.一
3、、对简谐运动图像的认识21形状：正(余)弦曲线2物理意义表示振动质点在不同时刻偏离平衡位置的位移，是位移随时间的变化规律3获取信息(1)简谐运动的振幅A和周期T，再根据f 求出频率1 T(2)任意时刻质点的位移的大小和方向如图 1 所示，质点在t1、t2时刻的位移分别为x1和x2.图 1(3)任意时刻质点的振动方向：看下一时刻质点的位置，如图 2 中a点，下一时刻离平衡位置更远，故a点对应的时刻质点向x轴正方向振动图 2(4)判断质点的速度、加速度、位移的变化情况：若远离平衡位置，则速度越来越小，加速度、位移越来越大；若靠近平衡位置，则速度越来越大，加速度、位移越来越小注意：振动图像描述的是振
4、动质点的位移随时间的变化关系，而非质点运动的轨迹比如弹簧振子沿一直线做往复运动，其轨迹为一直线，而它的振动图像却是正弦曲线【例 1】 (多选)如图 3 所示为某物体做简谐运动的图像，下列说法中正确的是( )图 3A由PQ，位移在增大B由PQ，速度在增大C由MN，位移先减小后增大D由MN，加速度先增大后减小解析 由PQ，位置坐标越来越大，质点远离平衡位置运动，位移在增大而速度在减小，选项 A 正确，选项 B 错误；由MN，质点先向平衡位置运动，经平衡位置后又远离平3衡位置，因此位移先减小后增大，由a 可知，加速度先减小后增大，选项 C 正确，F mkx m选项 D 错误答案 AC借题发挥 简谐运
5、动图像的应用(1)可以从图像中直接读出某时刻质点的位移大小和方向、速度方向、加速度方向、质点的最大位移(2)可比较不同时刻质点位移的大小、速度的大小、加速度的大小(3)可以预测一段时间后质点位于平衡位置的正向或负向，质点位移的大小与方向，速度、加速度的大小和方向的变化趋势针对训练 1 一质点做简谐运动的图像如图 4 所示，在前 2 s 内具有最大负方向速度的时刻是( )图 4A0.5 sB1 sC1.5 sD2 s解析 质点经过平衡位置时速度最大，速度方向也可以根据切线斜率的正、负来判断，也可以根据下一时刻位移的变化来判断，还可以根据简谐运动的过程来判断答案 B二、简谐运动的表达式与相位、相位
6、差做简谐运动的物体位移x随时间t变化的表达式xAsin(2ft)1由简谐运动的表达式我们可以直接读出振幅A、频率f和初相.可根据T 求周1 f期，可以求某一时刻质点的位移x.2关于两个相同频率的简谐运动的相位差 21的理解(1)取值范围：.(2)0，表明两振动步调完全相同，称为同相，表明两振动步调完全相反，称为反相(3)0，表示振动 2 比振动 1 超前0，表示振动 2 比振动 1 滞后【例 2】 一个小球和轻质弹簧组成的系统按x15sincm 的规律振动(8t 4)4(1)求该振动的周期、频率、振幅和初相(2)另一简谐运动的表达式为x25sincm，求它们的相位差(8t5 4)解析 (1)已
7、知8 rad/s，由得T s，f 4 Hz.A5 cm，12 T1 41 T. 4(2)由 (t2)(t1)21得， .5 4 4答案 (1) s 4 Hz 5 cm (2)1 4 4针对训练 2 (多选)有两个简谐运动，其表达式分别是x14sincm，x25sincm，下列说法正确的是( )(100t 3)(100t 6)A它们的振幅相同B它们的周期相同C它们的相位差恒定D它们的振动步调一致解析 由简谐运动的公式可看出，振幅分别为 4 cm、5 cm，故不同；都是 100 rad/s，所以周期(T)都是 s；由 (100t)(100t)得相位2 1 50 3 6 6差(为)恒定；0，即振动步
8、调不一致 6答案 BC简谐运动的图像1(多选)如图 5 所示是表示一质点做简谐运动的图像，下列说法正确的是( )图 5At1时刻振子正通过平衡位置向上正方向运动Bt2时刻振子的位移最大Ct3时刻振子正通过平衡位置向上正方向运动D该图像是从平衡位置计时画出的解析 t1时刻振子正通过平衡位置向下负方向运动，选项 A 错误；t2时刻振子运动到5负向最大位移处，选项 B 正确；t3时刻振子正通过平衡位置向上正方向运动，选项 C 正确；该图像是从正向最大位移处计时画出的，选项 D 错误答案 BC2装有砂粒的试管竖直静立于水面，如图 6 所示，将管竖直提起少许，然后由静止释放并开始计时，在一定时间内试管在
9、竖直方向近似做简谐运动若取竖直向上为正方向，则如图所示描述试管振动的图像中可能正确的是( )图 6解析 试管在竖直方向上做简谐运动，平衡位置是在重力与浮力相等的位置，开始时向上提起的距离，就是其偏离平衡位置的位移，为正向最大位移故正确答案为 D.答案 D简谐运动的表达式3(多选)一弹簧振子A的位移x随时间t变化的关系式为x0.1sin 2.5t，位移x的单位为 m，时间t的单位为 s.则( )A弹簧振子的振幅为 0.2 mB弹簧振子的周期为 1.25 sC在t0.2 s 时，振子的运动速度为零D若另一弹簧振子B的位移y随时间变化的关系式为x0.2 sin，则振(2.5t 4)动A滞后B 4解析
10、 由振动方程为x0.1sin 2.5t，可读出振幅A0.1 m，圆频率2.5 rad/s，故周期T s0.8 s，故 A、B 错误；在t0.2 s 时，振子的位移最2 2 2.56大，故速度最小，为零，故 C 正确；两振动的相位差 BA，即B超前 4A，或说A滞后B，选项 D 正确 4 4答案 CD4(多选)物体A做简谐运动的振动方程是xA3sin m，物体B做简谐运动(100t 2)的振动方程是xB5sin m比较A、B的运动( )(100t 6)A振幅是矢量，A的振幅是 6 m，B的振幅是 10 mB周期是标量，A、B周期相等，都为 100 sCA振动的频率fA等于B振动的频率fBDA的相
11、位始终超前B的相位 3解析 振幅是标量，A、B的振动范围分别是 6 m、10 m，但振幅分别为 3 m、5 m，A错；A、B的周期均为T s6.28102 s，B 错；因为TATB，故fAfB，C 对；2 2 100AB，为定值，D 对 3答案 CD题组一 简谐运动的图像1(多选)关于简谐运动的图像，下列说法中正确的是( )A表示质点振动的轨迹是正弦或余弦曲线B由图像可判断任一时刻质点相对平衡位置的位移大小与方向C表示质点的位移随时间变化的规律D由图像可判断任一时刻质点的速度方向解析 振动图像表示位移随时间的变化规律，不是运动轨迹，A 错，C 对；由振动图像可判断质点位移和速度大小及方向，B、
12、D 对答案 BCD2(多选)如图 1 所示是一做简谐运动的物体的振动图像，下列说法正确的是( )7图 1A振动周期是 2102 sB第 2 个 102 s 内物体的位移是10 cmC物体的振动频率为 25 HzD物体的振幅是 10 cm解析 振动周期是完成一次全振动所用的时间，在图像上是两相邻极大值间的距离，所以周期是 4102 s又f ，所以f25 Hz，则 A 项错误，C 项正确；正、负最大值1 T表示物体的振幅，所以振幅A10 cm，则 D 项正确；第 2 个 102 s 的初位置是 10 cm，末位置是 0，根据位移的概念有x10 cm，则 B 项正确答案 BCD3(多选)一质点做简谐
13、运动的振动图像如图 2 所示，则该质点( )图 2A在 00.01 s 内，速度与加速度同向B在 0.010.02 s 内，速度与回复力同向C在 0.025 s 时，速度为正，加速度为正D在 0.04 s 时，速度最大，回复力为零解析 F、a与x始终反向，所以由x的正负就能确定a的正负在xt图像上，图线各点切线的斜率表示该点的速度，由斜率的正负又可确定v的正负，由此判断 A、C 正确答案 AC4如图 3 甲所示为以O点为平衡位置，在A、B两点间做简谐运动的弹簧振子，图乙为这个弹簧振子的振动图像，由图可知下列说法中正确的是( )8图 3A在t0.2 s 时，弹簧振子可能运动到B位置B在t0.1
14、s 与t0.3 s 两个时刻，弹簧振子的速度相同C从t0 到t0.2 s 的时间内，弹簧振子的动能持续地增大D在t0.2 s 与t0.6 s 两个时刻，弹簧振子的加速度相同答案 A5如图 4 所示是用频闪照相的方法获得的弹簧振子的位移时间图像，下列有关该图像的说法不正确的是( )图 4A该图像的坐标原点是建立在弹簧振子小球的平衡位置B从图像可以看出小球在振动过程中是沿x轴方向移动的C为了显示小球在不同时刻偏离平衡位置的位移，让底片沿x轴方向匀速运动D图像中小球的疏密显示出相同时间内小球位置变化快慢不同解析 该图像的坐标原点是建立在弹簧振子的平衡位置，小球的振动过程是沿x轴方向移动的，故选项 A
15、、B 正确；由获得图像的方法知，选项 C 错误；频闪照相是在相同时间内留下的小球的像因此小球的疏密显示了它的位置变化快慢，选项 D 正确答案 C6一个弹簧振子沿x轴做简谐运动，取平衡位置O为x轴坐标原点从某时刻开始计时，经过四分之一周期，振子具有沿x轴正方向的最大加速度能正确反映振子位移x与时间t关系的图像是( )解析 根据Fkx及牛顿第二定律得a x，当振子具有沿x轴正方向的最大F mk m加速度时，具有沿x轴负方向的最大位移，故选项 A 正确，选项 B、C、D 错误答案 A7(多选)图 5 为甲、乙两单摆的振动图像，则( )9图 5A若甲、乙两单摆在同一地点摆动，则甲、乙两单摆的摆长之比l甲l乙21B若甲、乙两单摆在同一地点摆动，则甲、乙两单摆的摆长之比l甲l乙41C若甲、乙两摆摆长相同，且在不同的星球上摆动，则甲、乙两摆所在星球的重力加速度之比g甲g乙41D若甲、乙两摆摆长相同，且在不同的星球上摆动，则甲、乙两摆所在星球的重力加速度之
