2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理选择性必修1 第2章机械振动第1节简谐运动课件

第一章机械振动1.简谐运动一、机械振动一、机械振动1.1.弹簧机械振动弹簧机械振动:物体物体(或物体的某一部分或物体的某一部分)在在_两侧所做的两侧所做的_运动运动,简称简称_,_,这个位置称为平衡位这个位置称为平衡位置置.2.2.振动特点振动特点:(1)(1)普遍存在的运动形式普遍存在的运动形式.(2)(2)振动是一种往复运动振动是一种往复运动,具有具有_和和_._.某一位置某一位置往复往复振动振动周期性周期性往复性往复性【想一想想一想】平衡位置是否为合外力为零的位置平衡位置是否为合外力为零的位置?提示提示:平衡位置是回复力为零的位置平衡位置是回复力为零的位置,合外力不一定为合外力不一定为零零.二、简谐运动二、简谐运动1.1.弹簧振子模型弹簧振子模型:如图所示如图所示,如果小球与杆之间的摩擦如果小球与杆之间的摩擦_,_,弹簧的质量比小球的质量弹簧的质量比小球的质量小得多小得多,也可以也可以_,_,则该装置为弹簧振子则该装置为弹簧振子.其中其中的小球常称为的小球常称为_._.忽略不计忽略不计忽略不计忽略不计振子振子2.2.回复力回复力:(1)(1)定义定义:振动的物体偏离平衡位置时振动的物体偏离平衡位置时,都会受到的一个都会受到的一个指向指向_的力的力.(2)(2)回复力与位移的关系回复力与位移的关系:F=_.:F=_.3.3.简谐运动简谐运动:如果物体所受的力与它偏离平衡位置的位如果物体所受的力与它偏离平衡位置的位移大小成移大小成_,_,并且总指向并且总指向_,_,则物体所做的运则物体所做的运动叫作简谐运动动叫作简谐运动.做简谐运动的振子称为做简谐运动的振子称为_._.平衡位置平衡位置-kx-kx正比正比平衡位置平衡位置谐振子谐振子【判一判判一判】(1)(1)弹簧振子通过平衡位置时弹簧的弹力一定为弹簧振子通过平衡位置时弹簧的弹力一定为零零.()(2)(2)弹簧振子是一种理想化模型弹簧振子是一种理想化模型.()(3)(3)水平和竖直方向的弹簧振子提供回复力的方式不同水平和竖直方向的弹簧振子提供回复力的方式不同.(.()提示提示:(1):(1).水平方向的弹簧振子通过平衡位置时弹簧水平方向的弹簧振子通过平衡位置时弹簧的弹力为零的弹力为零,竖直方向的弹簧振子通过平衡位置时弹簧竖直方向的弹簧振子通过平衡位置时弹簧的弹力等于重力的弹力等于重力.(2).(2).弹簧振子中弹簧的质量和摩擦忽略弹簧振子中弹簧的质量和摩擦忽略,把振子把振子(小小球球)看作质点看作质点,弹簧振子是一种理想化模型弹簧振子是一种理想化模型.(3).(3).水平方向弹簧振子的回复力由弹簧的弹力提供水平方向弹簧振子的回复力由弹簧的弹力提供,竖直方向弹簧振子的回复力由弹簧弹力与振子竖直方向弹簧振子的回复力由弹簧弹力与振子(小球小球)重力的合力提供重力的合力提供.三、描述振动的物理量三、描述振动的物理量1.1.振幅振幅(A):(A):(1)(1)定义定义:振动物体离开平衡位置的振动物体离开平衡位置的_,_,用用A A表示表示,国际单位为米国际单位为米(m).(m).(2)(2)物理意义物理意义:描述振动描述振动_的物理量的物理量.最大距离最大距离强弱强弱2.2.周期周期(T)(T)和频率和频率(f):(f):内容内容周期周期频频率率定定义义做做简谐简谐运运动动的物体的物体完成一次完成一次_所用的所用的时间时间单单位位时间时间内完成内完成_的次数的次数单单位位_物理含物理含义义都是表示都是表示_的物理量的物理量联联系系T=_T=_全振动全振动全振动全振动秒秒(s)(s)赫兹赫兹(Hz)(Hz)振动快慢振动快慢【判一判判一判】(1)(1)振幅就是指振子的位移振幅就是指振子的位移.()(2)(2)振幅就是指振子的路程振幅就是指振子的路程.()(3)(3)振子从离开某位置到重新回到该位置的过程不一定振子从离开某位置到重新回到该位置的过程不一定是一次全振动过程是一次全振动过程.()提示提示:(1):(1).振幅是振子离开平衡位置的最大距离振幅是振子离开平衡位置的最大距离,数数值上等于最大位移的绝对值值上等于最大位移的绝对值.(2)(2).振幅是振子离开平衡位置的最大距离振幅是振子离开平衡位置的最大距离,路程是振路程是振子振动过程中走过的总距离子振动过程中走过的总距离,二者意义不同二者意义不同.(3).(3).振子以相同的速度相继通过同一位置时振子以相同的速度相继通过同一位置时,所经历所经历的过程才是一次全振动的过程才是一次全振动.四、简谐运动的能量四、简谐运动的能量1.1.振动系统的状态与能量的关系振动系统的状态与能量的关系:一般指振动系统的一般指振动系统的_,_,振动的过程就是振动的过程就是_和和_互相转化的过程互相转化的过程.(1)(1)在最大位移处在最大位移处,_,_最大最大,_,_为零为零.(2)(2)在平衡位置处在平衡位置处,_,_最大最大,_,_最小最小.(3)(3)在简谐运动中在简谐运动中,振动系统的机械能振动系统的机械能_,_,因此简谐运因此简谐运动是一种理想化模型动是一种理想化模型.机机械能械能动能动能势能势能势能势能动能动能动能动能势能势能守恒守恒2.2.决定能量大小的因素决定能量大小的因素:振动系统的机械能跟振动系统的机械能跟_有有关关,_,_越大越大,机械能就越大机械能就越大,振动越强振动越强.对于一个确对于一个确定的简谐运动来说它是定的简谐运动来说它是_振动振动.振幅振幅振幅振幅等幅等幅【想一想想一想】在弹簧振子的运动过程中在弹簧振子的运动过程中,弹性势能最大的弹性势能最大的位置有几个位置有几个?动能最大的位置有几个动能最大的位置有几个?提示提示:在弹簧振子的运动过程中在弹簧振子的运动过程中,弹性势能最大的位置弹性势能最大的位置有两个有两个,分别对应于振子运动的最左端和最右端分别对应于振子运动的最左端和最右端.动能动能最大的位置只有一个最大的位置只有一个,就是弹簧振子运动到平衡位置的就是弹簧振子运动到平衡位置的时候时候.知识点一简谐运动的位移、速度和加速度知识点一简谐运动的位移、速度和加速度思考探究思考探究:如图所示如图所示,弹簧一端固定弹簧一端固定,另一端同物体相连接另一端同物体相连接.物体放物体放在光滑的水平面上能够自由滑动在光滑的水平面上能够自由滑动,静止时物体处于静止时物体处于O O点点.现把物体从现把物体从O O点右侧的点右侧的A A点由静止释放点由静止释放,物体将做往复运物体将做往复运动动.(1)(1)物体的位移怎样变化物体的位移怎样变化?(2)(2)物体受到的弹力、加速度怎样变化物体受到的弹力、加速度怎样变化?提示提示:(1):(1)物体在向物体在向O O点靠近的过程中位移减小点靠近的过程中位移减小,在远离在远离O O点的过程中位移增大点的过程中位移增大,在平衡位置在平衡位置O O点附近做周期性变点附近做周期性变化化.(2)(2)弹力和加速度都与位移的大小成正比弹力和加速度都与位移的大小成正比,也在平衡位也在平衡位置附近做周期性变化置附近做周期性变化.【归纳总结归纳总结】1.1.对三个概念的理解对三个概念的理解:(1)(1)位移位移:以平衡位置为坐标原点以平衡位置为坐标原点,以振动所在的直线为以振动所在的直线为坐标轴坐标轴,规定正方向规定正方向,则某一时刻振子的位移用该时刻则某一时刻振子的位移用该时刻振子所在位置的坐标来表示振子所在位置的坐标来表示.(2)(2)速度速度:速度是描述振子在平衡位置附近振动快慢的速度是描述振子在平衡位置附近振动快慢的物理量物理量.在所建立的坐标轴在所建立的坐标轴(也称为也称为 一维坐标系一维坐标系)上上,速度的正负表示振子运动方向与坐标轴的正方向相速度的正负表示振子运动方向与坐标轴的正方向相同或相反同或相反.(3)(3)加速度加速度:做简谐运动的物体的加速度做简谐运动的物体的加速度a=a=由于弹由于弹簧振子的形变量簧振子的形变量x x不断变化不断变化,所以简谐运动是变加速运所以简谐运动是变加速运动动.振子在通过平衡位置处时振子在通过平衡位置处时,加速度的大小为零加速度的大小为零,方方向改变向改变.2.2.各物理量的变化规律各物理量的变化规律:(1)(1)变化规律变化规律:当物体做简谐运动时当物体做简谐运动时,它偏离平衡位置的它偏离平衡位置的位移位移x x、回复力、回复力F F、加速度、加速度a a、速度、速度v v、动能、动能EkEk、势能、势能EpEp及振动能量及振动能量E E遵循一定的变化规律遵循一定的变化规律,可列表如下可列表如下:物理量物理量过程过程x xF Fa av vE Ek kE Ep pE E远离平衡远离平衡位置运动位置运动增大增大 增大增大 增大增大 减小减小 减小减小 增大增大 不变不变最大位移处最大位移处最大最大 最大最大 最大最大零零零零最大最大 不变不变靠近平衡靠近平衡位置运动位置运动减小减小 减小减小 减小减小 增大增大 增大增大 减小减小 不变不变平衡位置平衡位置零零零零零零最大最大 最大最大 最小最小 不变不变(2)(2)两个转折点两个转折点:平衡位置是位移方向、回复力方向和加速度方向变平衡位置是位移方向、回复力方向和加速度方向变化的转折点化的转折点.最大位移处是速度方向变化的转折点最大位移处是速度方向变化的转折点.(3)(3)一个守恒一个守恒:简谐运动过程中动能和势能之间相互转简谐运动过程中动能和势能之间相互转化化,但系统的机械能守恒但系统的机械能守恒.【特别提醒特别提醒】(1)(1)简谐运动的位移总是以平衡位置为起点简谐运动的位移总是以平衡位置为起点,大小等于大小等于由平衡位置到物体所在位置的距离由平衡位置到物体所在位置的距离,方向由平衡位置指方向由平衡位置指向物体所在的位置向物体所在的位置.(2)(2)弹簧振子的回复力不一定是弹簧的弹力弹簧振子的回复力不一定是弹簧的弹力:水平方向水平方向的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力,竖直方向的弹簧振竖直方向的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和振子所受重力的合力子的回复力是弹簧弹力和振子所受重力的合力.【典例示范典例示范】弹簧振子在做简谐运动时弹簧振子在做简谐运动时,若某一过程中若某一过程中振子的速率在减小振子的速率在减小,则此时振子的运动则此时振子的运动()A.A.速度与位移方向一定相反速度与位移方向一定相反B.B.加速度与速度方向可能相同加速度与速度方向可能相同C.C.位移可能在减小位移可能在减小D.D.回复力一定在增大回复力一定在增大【解题探究解题探究】(1)(1)振子速率减小时振子速率减小时,质点运动的方向与位移方向有什质点运动的方向与位移方向有什么联系么联系?提示提示:振子速率减小时振子速率减小时,说明质点在远离平衡位置说明质点在远离平衡位置,速度速度与位移方向一定相同与位移方向一定相同.(2)(2)回复力、加速度与位移有什么关系回复力、加速度与位移有什么关系?提示提示:做简谐运动的物体所受的回复力与位移成正比做简谐运动的物体所受的回复力与位移成正比,方向相反方向相反,再根据牛顿第二定律可知回复力、加速度与再根据牛顿第二定律可知回复力、加速度与位移的大小成正比位移的大小成正比,方向相反方向相反.【解析解析】选选D.D.当振子速率减小时当振子速率减小时,说明质点在远离平衡说明质点在远离平衡位置位置,速度与位移方向一定相同速度与位移方向一定相同,选项选项A A错误错误;对于减速对于减速运动来说运动来说,加速度必定与速度方向相反加速度必定与速度方向相反,选项选项B B错误错误;由由于正在远离平衡位置于正在远离平衡位置,故位移必定变大故位移必定变大,选项选项C C错误错误;由由F=kxF=kx可知位移变大可知位移变大,回复力必定增大回复力必定增大,选项选项D D正确正确.【过关训练过关训练】1.(1.(多选多选)关于简谐运动的认识关于简谐运动的认识,下列说法正确的下列说法正确的是是()A.A.简谐运动不一定是水平方向的运动简谐运动不一定是水平方向的运动B.B.所有的振动都可以看作是简谐运动所有的振