2022年高考物理机械振动和机械波.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载机械振动和机械波 学问网络:机械振动物理量:振幅、周期、频率弹簧振子: F= - kxxL运动规律简谐运动图象简谐运动受力特点回复力: F= - kx单摆:Fmg受迫振动共振TL在 介 质 中的 传 播阻尼振动无阻尼振动周期 :2g形成和传播特点类型横波纵波机械波描述方法波的图象vTx=vt 波的公式:单元切块:实例波的叠加干涉 衍射多普勒效应特性声波,超声波及其应用依据考纲的要求,本章内容可以分成两部分,即:机械振动;机械波;其中重点是简 谐运动和波的传播的规律;难点是对振动图象和波动图象的懂得及应用;机械振动教学目标:1把
2、握简谐运动的动力学特点和描述简谐运动的物理量;把握两种典型的简谐运动 模型弹簧振子和单摆;把握单摆的周期公式;明白受迫振动、共振及常见的应用 2懂得简谐运动图象的物理意义并会利用简谐运动图象求振动的振幅、周期及任意 时刻的位移;3会利用振动图象确定振动质点任意时刻的速度、加速度、位移及回复力的方向;教学重点: 简谐运动的特点和规律 教学难点: 谐运动的动力学特点、振动图象 教学方法: 讲练结合,运算机帮助教学 教学过程:一、简谐运动的基本概念 1定义名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载物体在跟偏离平
3、稳位置的位移大小成正比,振动,叫简谐运动;表达式为:F= -kx并且总指向平稳位置的回复力的作用下的(1)简谐运动的位移必需是指偏离平稳位置的位移;也就是说,在争论简谐运动时 所说的位移的起点都必需在平稳位置处;(2)回复力是一种成效力;是振动物体在沿振动方向上所受的合力;(3)“ 平稳位置” 不等于“ 平稳状态”;平稳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肯定为零;(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,所以并不处于平稳状态)(4)F=-kx 是判定一个振动是不是简谐运动的充分必要条件;凡是简谐运动沿振动方向的合力必需满意该条件;反之,只
4、要沿振动方向的合力满意该条件,那么该振动肯定是简谐运动;2几个重要的物理量间的关系要娴熟把握做简谐运动的物体在某一时刻(或某一位置)的位移x、回复力F、加速度 a、速度 v 这四个矢量的相互关系;(1)由定义知: Fx,方向相反;(2)由牛顿其次定律知:Fa,方向相同;(3)由以上两条可知:ax,方向相反;(4)v 和 x、F、a 之间的关系最复杂:当 v、a 同向(即 v、 F 同向,也就是 v、x反向)时 v 肯定增大;当 v、a 反向(即 v、 F 反向,也就是 v、x 同向)时, v 肯定减小;3从总体上描述简谐运动的物理量振动的最大特点是往复性或者说是周期性;因此振动物体在空间的运动
5、有肯定的范围,用振幅 A 来描述;在时间上就用周期 T 来描述完成一次全振动所须的时间;(1)振幅 A 是描述振动强弱的物理量;(肯定要将振幅跟位移相区分,在简谐运动的振动过程中,振幅是不变的而位移是时刻在转变的)(2)周期 T 是描述振动快慢的物理量;(频率 f=1/ T 也是描述振动快慢的物理量)周期由振动系统本身的因素打算,叫固有周期;任何简谐运动都有共同的周期公式:T2m(其中 m 是振动物体的质量,k 是回复力系数,即简谐运动的判定式F=-kx 中k的比例系数,对于弹簧振子 了);二、典型的简谐运动1弹簧振子k 就是弹簧的劲度,对其它简谐运动它就不再是弹簧的劲度名师归纳总结 - -
6、- - - - -第 2 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载T2m;(1)周期T2m,与振幅无关,只由振子质量和弹簧的劲度打算;k(2)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k这个结论可以直接使用;(3)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】 有一弹簧振子做简谐运动,就()A加速度最大时,速度最大 B速度最大时,位移最大C位移最大时,回复力最大D回复力最大时,加速度最大解析: 振子加速度最大时,处在最大位移处,此时振子的速度为零,由 F=- kx
7、 知道,此时振子所受回复力最大,所以选项A 错, C、D 对振子速度最大时,是经过平稳位置时,此时位移为零,所以选项 B 错故正确选项为 C、D 点评:分析振动过程中各物理量如何变化时,肯定要以位移为桥梁理清各物理量间的 关系:位移增大时,回复力、加速度、势能均增大,速度、动量、动能均减小;位移减小 时,回复力、加速度、势能均减小,速度、动量、动能均增大各矢量均在其值为零时改 变方向,如速度、动量均在最大位移处转变方向,位移、回复力、加速度均在平稳位置改 变方向【例 2】试证明竖直方向的弹簧振子的振动是简谐运动0x,解析:如下列图, 设振子的平稳位置为O,向下方向为正方向, 此时弹簧的形变为依
8、据胡克定律及平稳条件有mgkx 00当振子向下偏离平稳位置为x 时,回复力(即合外力)为F 回mgk xx0kxx将代人得:F 回,可见,重物振动时的受力符合简谐运动的条件点评:(1)分析一个振动是否为简谐运动,关键是判定它的回复力是否满意其大小名师归纳总结 与位移成正比, 方向总与位移方向相反证明思路为: 确定物体静止时的位置即为平第 3 页,共 30 页衡位置,考查振动物体在任一点受到回复力的特点是否满意Fkx;( 2)仍要知道Fkx中的 k 是个比例系数, 是由振动系统本身打算的,不仅仅是指弹簧的劲度系数关- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必
9、备 欢迎下载于这点, 在这里应懂得为是简谐运动回复力的定义式而且产生简谐运动的回复力可以是一个力,也可以是某个力的分力或几个力的合力此题中的回复力为弹力和重力的合力【例 3】 如下列图,质量为m 的小球放在劲度为k 的轻弹簧上,使小球上下振动而又始终未脱离弹簧; (1)最大振幅 Fm是多大?A 是多大?( 2)在这个振幅下弹簧对小球的最大弹力解析: 该振动的回复力是弹簧弹力和重力的合力;在平稳位置弹力和重力等大反向,合力为零;在平稳位置以下,弹力大于重力,F- mg=ma,越往下弹力越大;在平稳位置以上,弹力小于重力,mg-F=ma,越往上弹力越小;平稳位置和振动的振幅大小无关;因此振幅越大,
10、 在最高点处小球所受的弹力越小;极端情形是在最高点处小球刚好未离开弹簧,弹力为零,合力就是重力;这时弹簧恰好为原长;(1)最大振幅应满意kA=mg,A=mgk(2)小球在最高点和最低点所受回复力大小相同,所以有:Fm-mg=mg ,Fm=2mg 【例 4】弹簧振子以 O 点为平稳位置在 B、C两点之间做简谐运动 B、C 相距 20 cm某时刻振子处于 B 点经过 0.5 s,振子首次到达 C点求:(1)振动的周期和频率;(2)振子在 5 s内通过的路程及位移大小;(3)振子在 B 点的加速度大小跟它距O 点 4 cm 处 P 点的加速度大小的比值解析:(1)设振幅为 A,由题意 BC 2A10
11、 cm,所以 A 10 cm振子从 B到 C所用时间 t05s为周期 T 的一半,所以T10s;f1/ T10Hz(2)振子在 1 个周期内通过的路程为 4A;故在 t5s5T 内通过的路程 st/T 4A200cm5 s 内振子振动了 5 个周期, 5s 末振子仍处在 B 点,所以它偏离平稳位置的位移大小为 10cm(3)振子加速度 a k xax,所以 aB:aP xB: xp 10:45:2m【例 5】一弹簧振子做简谐运动周期为 TA如 t 时刻和( t+ t)时刻振子运动速度的大小相等、方向相反,就 t 肯定等于T/2 的整数倍D如 t 时刻和( t+ t)时刻振子运动位移的大小相等、
12、方向相同,就 t 肯定等于 T的整数倍名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载C如 tT2,就在 t 时刻和( t t)时刻弹簧的长度肯定相等D如 tT,就在 t 时刻和( t t)时刻振子运动的加速度肯定相同解析: 如 tT2 或 tnTT/2,(n1,2,3),就在 t 和( t t)两时刻振子必在关于干衡位置对称的两位置(包括平稳位置) ,这两时刻 振子的位移、 回复力、加速度、 速度等均大小相等,方向相反 但在这两时刻弹簧的长度并不肯定相等(只有当振子在 t 和( t t)两时刻均在平稳位置时,
13、弹簧长度才相等)反过来如在 t 和( t t),两时刻振子的位移(回复力、加速度)和速度(动量)均大小相等方向相反,就 t 肯定等于 tT2 的奇数倍即 t( 2n 1)T/2(n 1,2,3 )假如仅仅是振子的速度在t 和( t t),两时刻大小相等方向相反,那么不能得出 t( 2n 一 1)T/2,更不能得出 tnT/2(n1,2,3 )依据以上分析如 t 和( t t)时刻,振子的位移(回复力、加速度)A、C 选项均错、速度(动量)等均相同,就 t nT(n 1,2,3 ),但仅仅依据两时刻振子的位移相同,不能得出 t nT所 以 B 这项错如 t T,在 t 和( t t)两时刻,振子
14、的位移、回复力、加速度、速度等均大小相等方向相同,D 选项正确;2单摆;(1)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;在平稳 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;(2)当单摆的摆角很小时(小于5 )时,单摆的周期T2l,与g摆球质量 m、振幅 A 都无关;其中 要区分摆长和摆线长;l 为摆长,表示从悬点到摆球质心的距离,(3)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 应当是圆弧半径R和小球半径r 的差;(4)摆钟问题;单摆的一个重要应用就是利用单摆振动的等时性制成摆钟;在运算摆钟类的问题时,
15、利用以下方法比较简洁:在肯定时间内,摆钟走过的格子数 n 与频率 f成正比( n 可以是分钟数,也可以是秒数、小时数 )nf1g12ll,再由频率公式可以得到:【例 6】 已知单摆摆长为L,悬点正下方3L/4 处有一个钉子;让摆球做小角度摇摆,其周期将是多大?解析: 该摆在通过悬点的竖直线两边的运动都可以看作简谐运动,周期分别为名师归纳总结 T 12l和T2l,因此该摆的周期为:TT 1T 23l第 5 页,共 30 页gg222g- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 【例 7】 固定圆弧轨道弧学习必备欢迎下载a、AB 所含度数小于5 , 末端切线水平;
16、两个相同的小球b 分别从轨道的顶端和正中由静止开头下滑,比较它们到达轨道底端所用的时间和动能:t a tb,Ea 2Eb;解析: 两小球的运动都可看作简谐运动的一部分,时间都等于四分之一周期,而周期与振幅无关, 所以 ta= tb;从图中可以看出b 小球的下落高度小于a 小球下落高度的一半,所以 Ea2Eb;【例 8】 将一个力电传感器接到运算机上,可以测量 F/N 快速变化的力; 用这种方法测得的某单摆摇摆过程中悬线 2.1 2.0 上拉力大小随时间变化的曲线如右图所示;由此图线供应1.9 的信息做出以下判定:t 02s 时刻摆球正经过最低点;1.8 t11s 时摆球正处于最高点;摆球摇摆过
17、程中机械 1.7 能时而增大时而减小;摆球摇摆的周期约是 T06s;1.6 上述判定中正确选项 1.5 t/s 1.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 A B C D解析: 留意这是悬线上的拉力图象,而不是振动图象;当摆球到达最高点时,悬线上的拉力最小; 当摆球到达最低点时,悬线上的拉力最大;因此正确; 从图象中看出摆球到达最低点时的拉力一次比一次小,说明速率一次比一次小,反映出振动过程摆球肯定受到阻力作用, 因此机械能应当始终减小;在一个周期内, 摆球应当经过两次最高点,两次最低点,因此周期应当约是 T12s;因此答案错误;此题应选 C;三、简谐运动的图象1简谐运动的图象:以横轴
18、表示时间t,以纵轴表示位移x,建立坐标系,画出的简谐运动的位移时间图象都是正弦或余弦曲线2振动图象的含义:振动图象表示了振动物体的位移随时间变化的规律3图象的用途:从图象中可以知道:(1)任一个时刻质点的位移(2)振幅 A(3)周期 T(4)速度方向:由图线随时间的延长就可以直接看出(5)加速度:加速度与位移的大小成正比,而方向总与位移方向相反只要从振动图象中认清位移 (大小和方向) 随时间变化的规律,了点评: 关于振动图象的争论加速度随时间变化的情形就迎刃而解(1)简谐运动的图象不是振动质点的轨迹做简谐运动质点的轨迹是质点往复运动名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 30
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