11.1《简谐运动》课件.pptx

想一想 进入高中以来，我们主要学习了哪几种形式的运动?请说出各运动的名称及每种运动所对应的受力情况。1.匀速直线运动 2.匀变速直线运动3.平抛运动 4.匀速圆周运动 平动转动第1页/共57页按运动轨迹分类按运动轨迹分类直线运动直线运动曲线运动曲线运动匀速直线运动匀速直线运动变速直线运动变速直线运动匀变速直线运动匀变速直线运动变加速直线运动变加速直线运动抛体运动抛体运动圆周运动圆周运动平抛运动平抛运动斜抛运动斜抛运动匀速圆周运动匀速圆周运动变速圆周运动变速圆周运动第2页/共57页加速度加速度大小方向都不变大小方向都不变的匀变速直线运动。的匀变速直线运动。（如：自由落体运动）（如：自由落体运动）从受力或加速度变化情况分类从受力或加速度变化情况分类加速度加速度大小方向都不变大小方向都不变的匀变速曲线运动。的匀变速曲线运动。（如：平抛运动）（如：平抛运动）加速度加速度大小不变方向改变大小不变方向改变的变加速曲线运动。的变加速曲线运动。（如：匀速圆周运动）（如：匀速圆周运动）第3页/共57页思考思考2 2：如果加速度大小和方向都改变，那如果加速度大小和方向都改变，那么物体会做什么运动呢？么物体会做什么运动呢？观察 物体在平衡位置附近所做的往复运动叫物体在平衡位置附近所做的往复运动叫做机械振动，简称振动。做机械振动，简称振动。第4页/共57页一、机械振动一、机械振动（2 2）围绕着）围绕着“中心中心”位置，即有平衡位置位置，即有平衡位置（3 3）“往复往复”运动，即有往复性，周期性运动，即有往复性，周期性这些运动的共同特点是什么？这些运动的共同特点是什么？振子原来静振子原来静止时的位置，止时的位置，（一般情况下（一般情况下指物体在没有指物体在没有振动时所处的振动时所处的位置）位置）平衡位置平衡位置（1 1）振动物体的轨迹可）振动物体的轨迹可 能是直线也可能是曲线能是直线也可能是曲线第5页/共57页 小球和弹簧所组成的系统称作弹簧振子，小球和弹簧所组成的系统称作弹簧振子，有时也把这样的小球称做弹簧振子或简称振子。有时也把这样的小球称做弹簧振子或简称振子。2 2、理性化模型：、理性化模型：（1 1）不计阻力，）不计阻力，小球看成质点小球看成质点（2 2）弹簧的质量与小球相比可以忽略。）弹簧的质量与小球相比可以忽略。1 1、概念：、概念：二、弹簧振子二、弹簧振子理想化模型理想化模型O注：弹簧振子不一定只在水平面内运动。注：弹簧振子不一定只在水平面内运动。第6页/共57页一、弹簧振子一、弹簧振子理想化模型理想化模型思考：振子的运动是怎样一种运动呢？第7页/共57页 振子的位移振子的位移x x都是都是相对于平衡位置相对于平衡位置的位移，以平衡位的位移，以平衡位置为坐标原点置为坐标原点O O，沿振动方向建立坐标轴。规定在，沿振动方向建立坐标轴。规定在O O点右点右边时位移为正，在左边时位移为负。边时位移为正，在左边时位移为负。二、弹簧振子的位移二、弹簧振子的位移时间图象时间图象O 研究弹簧振子的运动研究弹簧振子的运动第8页/共57页（1 1）、频闪照相）、频闪照相 图像绘制方法图像绘制方法二、弹簧振子的位移二、弹簧振子的位移时间图象时间图象思考：如何理解这就是振子的位移时间图象?第9页/共57页 上图中画出的小球运动的上图中画出的小球运动的x xt t图象很像正图象很像正弦曲线，是不是这样呢？弦曲线，是不是这样呢？假定是正弦曲线，可用刻度尺测量它的振幅和周假定是正弦曲线，可用刻度尺测量它的振幅和周期，写出对应的表达式，然后在曲线中选小球的若干期，写出对应的表达式，然后在曲线中选小球的若干个位置，用刻度尺在图中测量它们的横坐标和纵坐标，个位置，用刻度尺在图中测量它们的横坐标和纵坐标，代入所写出的正弦函数表达式中进行检验，看一看这代入所写出的正弦函数表达式中进行检验，看一看这条曲线是否真的是一条正弦曲线。条曲线是否真的是一条正弦曲线。方法一方法一 验证法验证法:方法二方法二 拟合法拟合法:在图中，测量小球在各个位置的横坐标和纵坐在图中，测量小球在各个位置的横坐标和纵坐标，把测量值输入计算机中作出这条曲线，然后按标，把测量值输入计算机中作出这条曲线，然后按照计算机提示用一个周期性函数拟合这条曲线，看照计算机提示用一个周期性函数拟合这条曲线，看一看弹簧振子的位移一看弹簧振子的位移时间的关系可以用什么函时间的关系可以用什么函数表示。数表示。第10页/共57页记录法记录法第11页/共57页 在弹簧振子的小球上安装一枝绘图笔，让一在弹簧振子的小球上安装一枝绘图笔，让一条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运动，笔在纸带上画出的就是小球的振动图象。动，笔在纸带上画出的就是小球的振动图象。(3)(3)、描图记录法、描图记录法三、弹簧振子的位移三、弹簧振子的位移时间图象时间图象记录法描图.swf第12页/共57页 这种记录振动的方法在实际中有很多应用。这种记录振动的方法在实际中有很多应用。医院里的心电图及地震仪中绘制的地震曲线等，医院里的心电图及地震仪中绘制的地震曲线等，都是用类似的方法记录振动情况的。都是用类似的方法记录振动情况的。绘制地震曲线的装置绘制地震曲线的装置心电图心电图第13页/共57页体验：体验：一同学匀速拉动一张白纸，另一同学沿与一同学匀速拉动一张白纸，另一同学沿与纸运动方向相垂直方向用笔往复画线段，观察纸运动方向相垂直方向用笔往复画线段，观察得到的图象得到的图象二、弹簧振子的位移二、弹簧振子的位移时间图象时间图象第14页/共57页拓展拓展 旋 转 矢 量 动画演示：简谐与圆周运动等效动画演示：简谐与圆周运动等效第15页/共57页用旋转矢量图画简谐运动的用旋转矢量图画简谐运动的 图图二、弹簧振子的位移二、弹簧振子的位移时间图象时间图象第16页/共57页简谐运动与匀速圆周运动的关系简谐运动与匀速圆周运动的关系第17页/共57页 1、定义：如果质点的位移与时间的关系遵从正弦、定义：如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象（函数的规律，即它的振动图象（xt图象）是一条图象）是一条正弦曲线，这样的振动叫做简谐运动。如：弹簧振正弦曲线，这样的振动叫做简谐运动。如：弹簧振子的运动。子的运动。简谐运动是最简单、最基本的振动。2 2、简谐运动的图象、简谐运动的图象横坐标横坐标时间；纵坐标时间；纵坐标偏离平衡位置的位移偏离平衡位置的位移三、简谐运动及其图象三、简谐运动及其图象txo第18页/共57页思考思考1、简谐运动的图象就是物体的运动轨迹吗？2、由简谐运动的图象判断简谐运动属于下列哪一种运动？A A、匀变速运动、匀变速运动 B B、匀速直线、匀速直线运动运动 C C、变加速运动、变加速运动 D D、匀加速直线运动、匀加速直线运动 txo第19页/共57页简谐运动中位移、加速度、速度、动量、简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律动能、势能的变化规律 （1 1）振动中的位移）振动中的位移x x都是以都是以平衡位平衡位置置为起点的，因此，方向就是从平为起点的，因此，方向就是从平衡位置指向末位置的方向，大小就衡位置指向末位置的方向，大小就是这两位置间的距离，两个是这两位置间的距离，两个“端点端点”位移最大，在平衡位置位移为零。位移最大，在平衡位置位移为零。第20页/共57页（2 2）加速度）加速度a a在两个在两个“端点端点”最大，在最大，在平衡位置为零，方向总指向平衡位置。平衡位置为零，方向总指向平衡位置。简谐运动中位移、加速度、速度、动简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律量、动能、势能的变化规律 （3 3）速度大小）速度大小v v与加速度与加速度a a的变化恰好相反，的变化恰好相反，在两个在两个“端点端点”为零，在平衡位置最大，为零，在平衡位置最大，除两个除两个“端点端点”外任何一个位置的速度方外任何一个位置的速度方向都有两种可能。向都有两种可能。注意：注意：动量的变化与速度的变化规律是一样的动量的变化与速度的变化规律是一样的a=-kx/ma=-kx/m第21页/共57页X能量随时间变化能量随时间变化能量随空间变化能量随空间变化第22页/共57页（6 6）在简谐运动中，完成）在简谐运动中，完成P6P6的表格的表格 （5 5）能量变化：能量变化：机械能守恒，动能和机械能守恒，动能和势能是互余的。势能是互余的。简谐运动中位移、加速度、速度、动量、简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律动能、势能的变化规律 第23页/共57页物理量物理量 变化过程变化过程B OO BB OO B 位移（位移（X）方向方向大小大小加速度（加速度（a）方向方向大小大小速度（速度（V）方向方向大小大小动能大小动能大小势能大小势能大小向右向右减小减小向左向左减小减小向左向左增大增大增大增大减小减小向左向左增大增大向右向右增大增大向左向左减小减小减小减小增大增大向左向左减小减小向右向右减小减小向右向右增大增大增大增大减小减小向右向右增大增大向左向左增大增大向右向右减小减小减小减小增大增大OBB第24页/共57页例例1 1、图所示为一弹簧振子，、图所示为一弹簧振子，O O为平衡位为平衡位置，设向右为正方向，振子在置，设向右为正方向，振子在B B、C C之间之间振动时（振动时（）A AB B至至O O位移为负、速度为正位移为负、速度为正B BO O至至C C位移为正、加速度为负位移为正、加速度为负C CC C至至O O位移为负、加速度为正位移为负、加速度为正D DO O至至B B位移为负、速度为负位移为负、速度为负OCBC第25页/共57页简谐运动的特点简谐运动的特点：1 1、简简谐谐振振动动是是最最简简单单、最最基基本本的的运运动动，简简谐谐振振动是理想化的振动。动是理想化的振动。2 2、加速度与位移方向相反，总是指向平衡位置。、加速度与位移方向相反，总是指向平衡位置。3 3、简简谐谐运运动动是是一一种种理理想想化化的的运运动动，振振动动过过程程中中无阻力，所以振动系统机械能守恒。无阻力，所以振动系统机械能守恒。4 4、简谐运动是一种非匀变速运动。、简谐运动是一种非匀变速运动。5 5、位移随时间变化关系图是、位移随时间变化关系图是正弦或余弦曲线正弦或余弦曲线.第26页/共57页第十一章第十一章 机械运动机械运动第27页/共57页弹弹簧簧振振子子的的再再研研究究弹簧振子的运动特点：弹簧振子的运动特点：“一个中心一个中心,两个基本点两个基本点”1、围绕着、围绕着“一个中心一个中心”位置位置2、偏离、偏离“平衡位置平衡位置”有最大位移有最大位移3、在两点间、在两点间“往复往复”运动运动对称性OBB第28页/共57页弹弹簧簧振振子子的的再再研研究究2、偏离、偏离“平衡位置平衡位置”有最大位移有最大位移描述简谐运动的物理量描述简谐运动的物理量振幅质点离开平衡位置的最大距离叫质点离开平衡位置的最大距离叫振幅振幅2m问题1、该弹簧振子的振幅多大问题2、该弹簧振子到达A点时候离O点的距离第29页/共57页弹弹簧簧振振子子的的再再研研究究描述简谐运动的物理量描述简谐运动的物理量3、在两点间、在两点间“往复往复”运动运动周期（频率）振子进行一次完整的振动（振子进行一次完整的振动（全振动全振动）所）所经历的时间经历的时间问题1、ODBDO是一个周期吗？问题2、若从振子经过C向右起，经过怎样的运动才叫完成一次全振动？第30页/共57页1 1）、一次全振动：A/O A 振子在振子在AAAA/之间振动，之间振动，O O为平衡位置。为平衡位置。如果从如果从A A点开始运动，经点开始运动，经O O点运动到点运动到A A/点，点，再经过再经过O O点回到点回到A A点，就说它完成了点，就说它完成了一次全一次全振动振动，此后振子只是重复这种运动。，此后振子只是重复这种运动。（1 1）从OAOAOAOA/OO也是一次全振动B2 2）、一次全振动的特点：振动路程为振幅的4 4倍全振动全振动（2 2）从BAOABAOA/OBOB也是一次全振动A A/A AO OB B第31页/共57页想一想想一想 一个完整的全振动过程，有什么显著的特点？在一次全振动过程中，一定是振子连续两次以相同速度通过同一点所经历的过程。（强调方向性）第32页/共57页周期的可能影响因素弹弹簧簧振振子子的的再再研研究究第33页/共57页周期的可能影响因素弹弹簧簧振振子子的的再再研研究究如何测时间？如何测时间？在什么位置测时间？在什么位置测时间？结论：结论：周期大小与周期大小与振幅无关！振幅无关！第34页/共57页两个振子的运动快慢有何不同？看一看看一看第35页/共57页3)3)、频率、频率f：单位时间内完成的全振：单位时间内完成的全振动的次数，单位：动的次数，单位：HzHz。1)1)、描述振动快慢的物理量2)2)、周期T T：做简谐运动的物体完成一次全振动所需的时间，单位：s s。s s4)4)、周期和频率之间的关系：2、周期和频率f=1/T5)5)、周期越小，频率越大，运动越快。第36页/共57页试一试试一试 如图所示，为一个竖直方向振如图所示，为一个竖直方向振动的弹簧振子，动的弹簧振子，O O O O为静止时的位置，为静止时的位置，当把振子拉到下方的当把振子拉到下方的B B B B位置后，从位置后，从静止释放，振子将在静止释放，振子将在ABABABAB之间做简谐之间做简谐运动，给你一个秒表，怎样测出振运动，给你一个秒表，怎样测出振子的振动周期子的振动周期T T T T？为了减小测量误差，采用为了减小测量误差，采用累积累积法法测振子的振动周期测振子的振动周期T T，即用秒表，即用秒表测出发生次全振动所用的总时间测出发生次全振动所用的总时间t t，可得周期为，可得周期为T=t/n第37页/共57页实验实验1：探究弹簧振子的探究弹簧振子的T与与A的关系的关系.实验实验2：探究弹簧振子的探究弹簧振子的T与与k的关系的关系.实验实验3：探究弹簧振子的探究弹簧振子的T与与m的关系的关系.进行实验：进行实验：第38页/共57页周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪些周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪些因素有关呢？因素有关呢？与振幅无关。与振幅无关。固有周期和固有频率第39页/共57页周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪些因素有关呢？些因素有关呢？与振幅无关。与振幅无关。与弹簧有关，劲度系数越大，周期越小。与弹簧有关，劲度系数越大，周期越小。固有周期和固有频率第40页/共57页周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪周期和频率都反映振动快慢，那么它们与哪些因素有关呢？些因素有关呢？与振子质量有关，质量越大，周期越大。与振子质量有关，质量越大，周期越大。固有周期和固有频率第41页/共57页结论：弹簧振子的周期由振动系统本身的质量和劲度系数决定，而与振幅无关，所以常把周期和频率叫做固有周期和固有频率。实验结果实验结果3 3 3 3、振动周期与振子的质量有关，质量较小时，、振动周期与振子的质量有关，质量较小时，周期较小。周期较小。2 2 2 2、振动周期与弹簧的劲度系数有关，劲度系数、振动周期与弹簧的劲度系数有关，劲度系数较大时，周期较小。较大时，周期较小。1 1 1 1、振动周期与振幅大小无关。、振动周期与振幅大小无关。第42页/共57页1 1、振幅是一个标量，是指物体偏离平衡位、振幅是一个标量，是指物体偏离平衡位置的最大距离。它没有负值，也无方向，置的最大距离。它没有负值，也无方向，所以振幅不同于最大位移。所以振幅不同于最大位移。2 2、在简谐运动中，振幅跟频率或周期无关。、在简谐运动中，振幅跟频率或周期无关。在一个稳定的振动中，物体的振幅是不变在一个稳定的振动中，物体的振幅是不变的。的。3 3、振动物体在一个全振动过程中通过的路、振动物体在一个全振动过程中通过的路程等于程等于4 4个振幅，在半个周期内通过的路个振幅，在半个周期内通过的路程等于两个振幅，但在四分之一周期内通程等于两个振幅，但在四分之一周期内通过的路程不一定等于一个振幅，与振动的过的路程不一定等于一个振幅，与振动的起始时刻有关。起始时刻有关。几点注意事项几点注意事项第43页/共57页4 4、振幅与振动的能量有关，振幅越、振幅与振动的能量有关，振幅越大，能量越大。大，能量越大。5 5、周期与频率的关系：、周期与频率的关系：T=1/fT=1/f6 6、物体的振动周期与频率，由振动、物体的振动周期与频率，由振动系统系统本身的性质本身的性质决定，与振幅无关，决定，与振幅无关，所以其振动周期称为所以其振动周期称为固有周期固有周期。振动。振动频率称为频率称为固有频率固有频率。几点注意事项几点注意事项第44页/共57页总结：总结：做简谐运动的物体，在通过对称于做简谐运动的物体，在通过对称于平衡位置的平衡位置的AB两个位置时，相对应的各个两个位置时，相对应的各个各个物理量具有怎样的关系？各个物理量具有怎样的关系？1、位移大小相等，方向相反、位移大小相等，方向相反2、速度大小相等，方向可能相同，也可、速度大小相等，方向可能相同，也可能相反能相反3、加速度大小相等，方向相反、加速度大小相等，方向相反4、从平衡位置到达这两个或从这两个点、从平衡位置到达这两个或从这两个点直接到达平衡位置的时间相等直接到达平衡位置的时间相等（对称关系）（对称关系）第45页/共57页简谐运动图像得到的信息简谐运动图像得到的信息1、从图像中可直接读出在不同时刻的位移、从图像中可直接读出在不同时刻的位移值，从而知道位移值，从而知道位移X随时间变化的情况随时间变化的情况2、可以确定振幅、可以确定振幅3、可以确定振动的周期和频率、可以确定振动的周期和频率4、可以用作曲线上某点的切线的办法确定、可以用作曲线上某点的切线的办法确定各时刻的速度大小和方向各时刻的速度大小和方向5、由于简谐运动的加速度和位移大小成正、由于简谐运动的加速度和位移大小成正比，方向相反，可以根据图像上各时刻的比，方向相反，可以根据图像上各时刻的位移变化情况确定质点加速度的变化情况位移变化情况确定质点加速度的变化情况第46页/共57页1.同时释放，运动步调一致。2.先后释放，运动步调不一致。3.为了描述振动物体所处的状态和比较两振动物体的振动步调，引入相位这个物理量第47页/共57页如果两个摆球振动的步调一致，称为同相；步调完全相反，则称为反相。相位表示物体振动步调的物理量，即用相位来描述简谐振动在一个全振动中所处的阶段。第48页/共57页 简谐运动的简谐运动的位移位移-时间关系时间关系 振动振动图象：图象：正弦曲线正弦曲线 振动振动方程：方程：二、简谐运动的表达式二、简谐运动的表达式第49页/共57页二、简谐运动的表达式振幅圆频率相位初相位第50页/共57页1.A叫叫简谐运动简谐运动的的振幅振幅.表示表示简谐运动简谐运动的的强弱强弱.2.叫叫圆频率圆频率.表示表示简谐运动的简谐运动的快慢快慢.它与频率的关系：它与频率的关系：=2 f 3.“t+”叫叫简谐运动的简谐运动的相位相位.它是它是随时随时t t不断变化的物理量不断变化的物理量表示表示简谐运简谐运动动所处的所处的状态状态.叫叫初相初相,即即t=0时的相位时的相位.振动方程振动方程中各量含义：中各量含义：第51页/共57页(1)同相：相位差为零。(2)反相：相位差为 。4.(2-1)叫叫相位差相位差(两个具有相同频率的两个具有相同频率的简谐运动的简谐运动的初相之差初相之差).对频率相同的两个简对频率相同的两个简谐运动有确定的相位差谐运动有确定的相位差第52页/共57页科学漫步科学漫步月相月相1 1 1 1、随着月亮每天在星空、随着月亮每天在星空中自西向东移动，在地球中自西向东移动，在地球上看，它的形状从圆到缺，上看，它的形状从圆到缺，又从缺到圆周期性地变化又从缺到圆周期性地变化着，周期为着，周期为29.529.529.529.5天，这就天，这就是月亮位相的变化，叫做是月亮位相的变化，叫做月相月相。2 2 2 2、随着月亮相对于地球和、随着月亮相对于地球和太阳的位置变化，使它被太阳的位置变化，使它被太阳照亮的一面有时朝向太阳照亮的一面有时朝向地球，有时背向地球；朝地球，有时背向地球；朝向地球的月亮部分有时大向地球的月亮部分有时大一些，有时小一些，这样一些，有时小一些，这样就出现了不同的月相。就出现了不同的月相。第53页/共57页科学漫步科学漫步月相月相1 1 1 1、朔、朔当月球运行到太阳与地球之间，被太阳照亮的当月球运行到太阳与地球之间，被太阳照亮的半球背对着地球，此时地球上的人们就看不到月球，这一半球背对着地球，此时地球上的人们就看不到月球，这一天称为天称为“新月新月”，也叫，也叫“朔日朔日”，即农历初一。，即农历初一。2 2 2 2、上弦、上弦随后，月球自西向东逐渐远离太随后，月球自西向东逐渐远离太阳，到了农历初七、八，半个亮区对着地球，阳，到了农历初七、八，半个亮区对着地球，人们可以看到半个月亮（凸面向西），这一月人们可以看到半个月亮（凸面向西），这一月相叫相叫“上弦月上弦月”。3 3 3 3、望、望当月球运行到地球的背日方向，即当月球运行到地球的背日方向，即农历十五、十六、十七，月球的亮区全部对农历十五、十六、十七，月球的亮区全部对着地球，我们能看到一轮圆月，这一月相称着地球，我们能看到一轮圆月，这一月相称为为“满月满月”，也叫，也叫“望望”。4 4 4 4、下弦、下弦满月过后，月球逐渐向太阳靠拢，满月过后，月球逐渐向太阳靠拢，亮区西侧开始亏缺，到农历二十二、二十三，亮区西侧开始亏缺，到农历二十二、二十三，又能看到半个月亮（凸面向东），这一月相又能看到半个月亮（凸面向东），这一月相叫做叫做“下弦月下弦月”。出现在黄昏出现在黄昏 出现在清晨出现在清晨 第54页/共57页2 2、甲和乙两个简谐运动的相差为、甲和乙两个简谐运动的相差为 ，意味着什么，意味着什么?意味着乙总是比甲滞后意味着乙总是比甲滞后1/41/4个周期或个周期或1/41/4次全振动次全振动 1 1、一个物体运动时其相位变化多少就意味着完成、一个物体运动时其相位变化多少就意味着完成了一次全振动了一次全振动?相位每增加相位每增加2 2就意味着发生了一次全振动就意味着发生了一次全振动思考与讨论思考与讨论第55页/共57页ss写出振动方程写出振动方程.x=10sin(2t+/2)(cm)课堂练习1 1、一弹簧振子的位移随时间变化的图线如下图所示，试写出相应的函数表达式。第56页/共57页感谢您的观看。第57页/共57页