2024届高考物理一轮复习（新教材鲁科版）第八章机械振动机械波第1讲机械振动课件

机械振动目标要求1.知道简谐运动的概念，理解简谐运动的表达式和图像.2.知道什么是单摆，熟记单摆的周期公式.3.理解受迫振动和共振的概念，了解产生共振的条件.第1讲 内容索引考点一　简谐运动的基本特征考点二　简谐运动的表达式和图像考点三　单摆及其周期公式课时精练考点四　受迫振动和共振 考点一简谐运动的基本特征 1.简谐运动：如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向，质点的运动就是简谐运动.2.平衡位置：物体在振动过程中为零的位置.3.回复力(1)定义：使物体在附近做往复运动的力.(2)方向：总是指向.(3)来源：属于力，可以是某一个力，也可以是几个力的或某个力的.平衡位置梳理必备知识回复力平衡位置平衡位置效果合力分力 1.简谐运动的平衡位置就是质点所受合力为零的位置.()2.做简谐运动的质点先后通过同一点，回复力、速度、加速度、位移都是相同的.()3.做简谐运动的质点，速度增大时，其加速度一定减小.()4.振动物体经过半个周期，路程等于2倍振幅；经过个周期，路程等于振幅.()××√× 对简谐运动的理解提升关键能力受力特点回复力F＝－kx，F(或a)的大小与x的大小成正比，方向相反运动特点靠近平衡位置时，a、F、x都减小，v增大；远离平衡位置时，a、F、x都增大，v减小能量振幅越大，能量越大.在运动过程中，动能和势能相互转化，系统的机械能守恒周期性做简谐运动的物体的位移、回复力、加速度和速度均随时间做周期性变化，变化周期就是简谐运动的周期T；动能和势能也随时间做周期性变化，其变化周期为 对称性(1)如图所示，做简谐运动的物体经过关于平衡位置O对称的两点P、P′(OP＝OP′)时，速度的大小、动能、势能相等，相对于平衡位置的位移大小相等(2)物体由P到O所用的时间等于由O到P′所用时间，即tPO＝tOP′(3)物体往复过程中通过同一段路程(如OP段)所用时间相等，即tOP＝tPO 对称性(4)相隔(n为正整数)的两个时刻，物体位置关于平衡位置对称，位移、速度、加速度大小相等，方向相反 例1如图所示，小球在BC之间做简谐运动，当小球位于O点时，弹簧处于原长，在小球从C运动到O的过程中A.动能不断增大，加速度不断减小B.回复力不断增大，系统机械能守恒C.弹性势能不断减小，加速度不断增大D.弹性势能不断增大，加速度不断减小考向1简谐运动基本物理量的分析√ 做简谐运动的小球，从C到O的过程中逐渐靠近平衡位置，速度方向指向平衡位置，弹簧弹力充当回复力，也指向平衡位置，故速度方向与受力方向相同，所以合外力做正功，动能增大；同时由于偏离平衡位置的位移减小，由回复力公式F＝－kx可知，回复力逐渐减小，根据牛顿第二定律可知F＝－kx＝ma，故加速度不断减小，故A正确；由上述分析可知回复力不断减小，整个系统只有系统内的弹簧弹力做功，故系统的机械能守恒，故B错误；在小球从C到O的过程中，弹簧形变量逐渐减小，故弹性势能逐渐减小，同时由上述分析可知，加速度也逐渐减小，故C、D错误. 例2(多选)如图所示，一轻质弹簧上端固定在天花板上，下端连接一物块，物块沿竖直方向以O点为中心点，在C、D两点之间做周期为T的简谐运动.已知在t1时刻物块的速度大小为v、方向向下，动能为Ek，下列说法正确的是A.如果在t2时刻物块的速度大小也为v，方向向下，则t2－t1的最小值可能小于B.如果在t2时刻物块的动能也为Ek，则t2－t1的最小值为TC.物块通过O点时动能最大D.当物块通过O点时，其加速度最小√√√ 如果在t2时刻物块的速度大小也为v、方向也向下，则t2－t1的最小值可能小于，故A正确；如果在t2时刻物块的动能也为Ek，则t2－t1的最小值小于，故B错误；当物块通过O点时，其加速度最小，速度最大，动能最大，故C、D正确. 例3(多选)小球做简谐运动，若从平衡位置O开始计时，经过0.5s，小球第一次经过P点，又经过0.2s，小球第二次经过P点，则再过多长时间该小球第三次经过P点A.0.6sB.2.4sC.0.8sD.2.2s考向2简谐运动的周期性与对称性√√ 若小球从O点开始向指向P点的方向振动，作出示意图如图甲所示则小球的振动周期为T1＝(0.5＋0.1)×4s＝2.4s，则该小球再经过时间Δt＝T1－0.2s＝2.2s，第三次经过P点；若小球从O点开始向背离P点的方向振动，作出示意图如图乙所示 考点二简谐运动的表达式和图像 梳理必备知识1.简谐运动的表达式x＝，ωt＋φ0为，φ0为，ω为，ω＝.2.简谐运动的振动图像表示做简谐运动的物体的随时间变化的规律，是一条正弦曲线.Asin(ωt＋φ0)相位初相位圆频率位移 1.简谐运动的图像描述的是振动质点的轨迹.()2.简谐运动的振动图像一定是正弦曲线.()×√ 从振动图像可获取的信息提升关键能力(1)振幅A、周期T(或频率f)和初相位φ0(如图所示).(2)某时刻振动质点离开平衡位置的位移.(3)某时刻质点速度的大小和方向：曲线上各点切线的斜率的大小(即此切点的导数)和正负分别表示各时刻质点的速度大小和方向，速度的方向也可根据下一相邻时刻质点的位移的变化来确定. (4)某时刻质点的回复力和加速度的方向：回复力总是指向平衡位置，回复力和加速度的方向相同.(5)某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能和势能的变化情况. 例4(多选)(2023·福建福州市模拟)一只小鸟从上往下落在细树枝上，随树枝做小幅度上下振动(可视为竖直方向的简谐运动)，某时刻开始计时，其振动位移x随时间t变化规律(振动图像x－t)如图所示.取竖直向上为正方向，已知小鸟只在重力和树枝对小鸟的作用力作用下运动，则下列说法正确的是A.在t2时刻，小鸟速度最大，方向竖直向下B.在t1和t3时刻，树枝对小鸟的作用力大小一样C.在0～t1过程，树枝对小鸟的作用力一定是越来越小D.在t2～t3过程，树枝对小鸟的作用力一定是越来越大√√ 由振动图像可知，在t2时刻，小鸟处于平衡位置向下振动，则此时小鸟的速度达到最大，方向竖直向下，A正确；在t1和t3时刻，小鸟的加速度a大小相等，t1时刻的加速度方向向下，根据牛顿第二定律有mg－F1＝ma，解得F1＝mg－ma,t3时刻的加速度方向向上，根据牛顿第二定律有F3－mg＝ma，解得F3＝mg＋ma，可知在t1和t3时刻，树枝对小鸟的作用力大小不一样，B错误； 在0～t1过程，小鸟的加速度越来越大，加速度方向向下，根据牛顿第二定律有mg－F＝ma，解得F＝mg－ma，若小鸟在t1时刻的最大加速度小于重力加速度，可知随着小鸟加速度的增大，树枝对小鸟的作用力越来越小，若小鸟在t1时刻的最大加速度大于重力加速度，可知随着小鸟加速度的增大，树枝对小鸟的作用力先逐渐减小到零，再反向逐渐增大，C错误；在t2～t3过程，小鸟的加速度越来越大，加速度方向向上，根据牛顿第二定律有F－mg＝ma，解得F＝mg＋ma，可知随着小鸟加速度的增大，树枝对小鸟的作用力一定是越来越大，D正确. 例5(多选)如图所示，水平弹簧振子沿x轴在M、N间做简谐运动，坐标原点O为小球的平衡位置，其振动方程为x＝5sin(10πt＋)cm.下列说法正确的是A.MN间距离为5cmB.小球的运动周期是0.2sC.t＝0时，小球位于N点D.t＝0.05s时，小球具有最大加速度√√ MN间距离为2A＝10cm，故A错误； 考点三单摆及其周期公式 梳理必备知识1.定义：如果细线的长度不可改变，细线的质量与小球相比可以忽略，球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装置叫作单摆.(如图) 2.简谐运动的条件：θ<5°.3.回复力：F＝mgsinθ.4.周期公式：T＝.(1)l为等效摆长，表示从悬点到摆球重心的距离.(2)g为当地重力加速度.5.单摆的等时性：单摆的振动周期取决于和，与振幅和摆球质量.摆长l重力加速度g无关 1.单摆在任何情况下的运动都是简谐运动.()2.单摆的振动周期由摆球的质量和摆角共同决定.()3.当单摆的摆球运动到最低点时，回复力为零，所受合力为零.()××× 单摆的受力特征提升关键能力(3)单摆处于月球上时，重力加速度为g月；单摆在电梯中处于超重或失重状态时，重力加速度为等效重力加速度. 例6(多选)如图所示，房顶上固定一根长2.5m的细线沿竖直墙壁垂到窗沿下，细线下端系了一个小球(可视为质点).打开窗子，让小球在垂直于窗子的竖直平面内小幅度摆动，窗上沿到房顶的高度为1.6m，不计空气阻力，g取10m/s2，则小球从最左端运动到最右端的时间可能为A.0.4πsB.0.6πsC.1.2πsD.2πs√√√ 例7(2023·福建省莆田二中模拟)在历史进程中，我们的祖先在不同的时期发明和制造了不同的计时器.其中有圭表、日晷、漏刻、单摆计时器等.如图甲所示，O是单摆的平衡位置，单摆在竖直平面内左右摆动，M、N是摆球所能到达的最高点.设向右为正方向，图乙是单摆的振动图像.已知当地重力加速度g＝10m/s2，则t＝0时摆球在____(选填“M”“O”或“N”)点，单摆的摆长约为_____m(π≈3，计算结果保留两位有效数字).M0.18 由题图乙可知周期T＝0.8s，t＝0时摆球在负向最大位移处，因向右为正方向，所以开始时摆球在M点；由单摆的周期公式T＝，解得l≈0.18m. 考点四受迫振动和共振 梳理必备知识1.受迫振动(1)概念：系统在作用下的振动.(2)振动特征：物体做受迫振动达到稳定后，物体振动的频率等于______的频率，与物体的固有频率.2.共振(1)概念：当驱动力的频率等于时，物体做受迫振动的振幅达到最大的现象.(2)共振的条件：驱动力的频率等于.(3)共振的特征：共振时最大.驱动力驱动力无关固有频率固有频率振幅 (4)共振曲线(如图所示).f＝f0时，A＝，f与f0差别越大，物体做受迫振动的振幅.Am越小 1.物体做受迫振动时，其振动频率与固有频率有关.()2.物体在发生共振时的振动是受迫振动.()3.驱动力的频率越大，物体做受迫振动的振幅越大.()×√× 简谐运动、受迫振动和共振的比较提升关键能力振动项目简谐运动受迫振动共振受力情况受回复力受驱动力作用受驱动力作用振动周期或频率由系统本身性质决定，即固有周期T0或固有频率f0由驱动力的周期或频率决定，即T＝T驱或f＝f驱T驱＝T0或f驱＝f0 振动能量振动系统的机械能不变由产生驱动力的物体提供振动物体获得的能量最大常见例子弹簧振子或单摆(θ≤5°)机械工作时底座发生的振动共振筛、声音的共鸣等 例8(2023·山东威海市联考)如图所示，曲轴上挂一个弹簧振子，转动摇把，曲轴可带动弹簧振子上下振动.开始时不转动摇把，让振子自由振动，测得其频率为2Hz.现匀速转动摇把，转速为240r/min.则A.当振子稳定振动时，它的振动周期是0.5sB.当振子稳定振动时，它的振动频率是6HzC.当转速增大时，弹簧振子的振幅增大D.当转速减小时，弹簧振子的振幅增大√ 当转速减小时，其频率更接近振子的固有频率，弹簧振子的振幅增大，C错误，D正确. 例9(多选)如图所示为两个单摆做受迫振动的共振曲线，则下列说法正确的是A.若两个受迫振动分别在月球上和地球上进行(g地>g月)，且摆长相等，则图线Ⅰ表示月球上单摆的共振曲线B.若两个单摆的受迫振动是在地球上同一地点进行的，则两个单摆的摆长之比LⅠ∶LⅡ＝25∶4C.若摆长均约为1m，则图线Ⅰ是在地面上完成的D.若两个单摆在同一地点均发生共振，图线Ⅱ表示的单摆的能量一定大于图线Ⅰ表示的单摆的能量√√ 题图所示的图线中振幅最大处对应的频率应与做受迫振动的单摆的固有频率相等，从图线上可以看出，两单摆的固有频率fⅠ＝0.2Hz，fⅡ＝0.5Hz.当两摆在月球和地球上分别做受迫振动且摆长相等时，根据f＝可知，g越大，f越大，所以gⅡ>gⅠ，又因为g地>g月，因此可推知图线Ⅰ表示月球上单摆的共振曲线，A正确； 单摆的能量除了与振幅有关，还与摆球质量有关，由于两摆球质量关系未知，故不能比较两摆的能量，D错误. 五课时精练 123456789101112基础落实练1.如图所示，弹簧振子在A、B之间做简谐运动，O为平衡位置，测得A、B间距为6cm，小球完成30次全振动所用时间为60s，则A.该振子振动周期是2s，振幅是6cmB.该振子振动频率是2HzC.小球完成一次全振动通过的路程是12cmD.小球过O点时开始计时，3s内通过的路程为24cm√ 123456789101112小球完成一次全振动通过的路程为振幅的4倍，即s0＝4×3cm＝12cm，C正确； 1234567891011122.(2023·福建泉州市模拟)如图，一弹簧上端固定，下端拴接一质量为m的物体，物体受到向上推力作用保持静止，弹簧处于压缩状态.现撤去推力，在物体向下运动至最低点的过程中，弹簧始终处于弹性限度内，弹簧的弹力大小F和物体的加速度大小a随物体位移x变化的关系图像可能正确的是√ 123456789101112撤去推力后物体做简谐运动，当物体运动到最低点时，F和a竖直向上且达到最大值，根据简谐运动的对称性可知此时a的大小与释放物体时a的大小相等，A、C错误；F与x为一次函数关系，图线不可能为曲线，B错误；物体从平衡位置向下运动到最低点过程中有F－mg＝ma，即a与F成线性关系，则a与x成线性关系且a在增大，根据对称性可知，D正确. 1234567891011123.(2023·广东省执信中学高三检测)扬声器是语音和音乐的播放装置，在生活中无处不在.如图所示是扬声器纸盆中心做简谐运动的振动图像，下列判断正确的是A.t＝1×10－3s时刻纸盆中心的位移最大B.t＝2×10－3s时刻纸盆中心的加速度最大C.在0～2×10－3s之间纸盆中心的速度方向不变D.纸盆中心做简谐运动的方程为x＝1.0×10－4cos50πt(m)√ 123456789101112t＝1×10－3s时刻纸盆中心的位移最大，故A正确；t＝2×10－3s时刻纸盆中心位于平衡位置，加速度为零，故B错误；在0～2×10－3s之间纸盆中心的速度方向先沿正方向再沿负方向，故C错误； 1234567891011124.(多选)如图所示，单摆在竖直平面内的A、C之间做简谐运动，O点为单摆的固定悬点，B点为运动中的最低位置，则下列说法正确的是A.摆球在A点和C点时，速度为零，故细线拉力为零，但回复力不为零B.摆球由A点向B点摆动过程中，细线拉力增大，但回复力减小C.摆球在B点时，重力势能最小，机械能最小D.摆球在B点时，动能最大，细线拉力也最大√√ 123456789101112假设摆动过程中，细线与竖直方向夹角为θ，重力沿细线方向分力为mgcosθ，垂直于细线方向分力为mgsinθ.摆球在A点和C点时，速度为零，沿细线方向的合力为零，有F＝mgcosθ，F回＝mgsinθ，即细线的拉力与重力沿细线方向分力等大且不为零，回复力与重力沿切向方向的分力等大，也不为零，故A错误； 123456789101112摆球在摆动过程机械能守恒，从最高点摆到B点过程中，重力做正功，其重力势能一直在减小，动能一直在增加，所以摆球在B点时，重力势能最小，动能最大，故C错误； 1234567891011125.(多选)很多高层建筑都会安装减震耗能阻尼器，用来控制强风或地震导致的振动.台北101大楼使用的阻尼器是重达660吨的调谐质量阻尼器，阻尼器相当于一个巨型质量块.简单说就是将阻尼器悬挂在大楼上方，它的摆动会产生一个反作用力，在建筑物摇晃时往反方向摆动，会使大楼摆动的幅度减小.关于调谐质量阻尼器下列说法正确的是A.阻尼器做受迫振动，振动频率与大楼的振动频率相同B.阻尼器与大楼摆动幅度相同C.阻尼器摆动后，摆动方向始终与大楼的振动方向相反D.阻尼器摆动幅度不受风力大小影响√√ 123456789101112由题意可知阻尼器做受迫振动，振动频率与大楼的振动频率相同，故A正确；阻尼器与大楼摆动幅度不相同，故B错误；由题意可知，大楼对阻尼器的力与阻尼器对大楼的力为一对相互作用力，根据回复力F＝－kx，可知阻尼器摆动后，摆动方向始终与大楼的振动方向相反，故C正确；阻尼器的摆动幅度会受到风力的影响，故D错误. 1234567891011126.如图所示，质量为m的物块放置在质量为M的木板上，木板与弹簧相连，它们一起在光滑水平面上做简谐运动，周期为T，振动过程中m、M之间无相对运动，设弹簧的劲度系数为k，物块和木板之间的动摩擦因数为μ，则下列说法正确的是√ 123456789101112设位移为x，对整体受力分析，受重力、支持力和弹簧的弹力，根据牛顿第二定律，有kx＝(m＋M)a①对物块受力分析，受重力、支持力和静摩擦力，静摩擦力提供回复力，根据牛顿第二定律，有f＝ma② 123456789101112若t时刻和(t＋Δt)时刻物块受到的摩擦力大小相等，方向相反，则两个时刻物块的位移大小相等，方向相反，位于相对平衡位置对称的位置上，但Δt不一定等于的整数倍，故A错误；若Δt＝，则在t时刻和(t＋Δt)时刻物块的位移大小相等，方向相反，位于相对平衡位置对称的位置上，弹簧的长度不一定相同，故B错误； 123456789101112由开始时的分析可知，研究木板的运动，弹簧弹力与物块对木板的摩擦力的合力提供回复力，故C错误； 1234567891011127.(多选)甲、乙两弹簧振子的振动图像如图所示，则可知A.两弹簧振子完全相同B.两弹簧振子所受回复力最大值之比F甲∶F乙＝2∶1C.振子甲速度为零时，振子乙速度最大D.两振子的振动频率之比f甲∶f乙＝1∶2√√ 123456789101112从图像中可以看出，两弹簧振子周期之比T甲∶T乙＝2∶1，则频率之比f甲∶f乙＝1∶2，选项D正确；弹簧振子周期与振子质量、弹簧的劲度系数k有关，周期不同，说明两弹簧振子不同，选项A错误；由于弹簧的劲度系数k不一定相同，所以两振子所受回复力(F＝－kx)的最大值之比F甲∶F乙不一定为2∶1，选项B错误；从图像中可以看出，在振子甲到达最大位移处时，速度为零，此时振子乙恰好到达平衡位置，速度最大，选项C正确. 1234567891011128.如图所示，表面光滑、半径为R的圆弧形轨道AP与水平地面平滑连接，AP弧长为s，s≪R.半径为r的小球从A点由静止释放，运动到最低点P时速度大小为v，重力加速度为g，则小球从A运动到P的时间是能力综合练√ 123456789101112 9.(多选)(2023·福建省福州第一中学模拟)如图所示，在水平地面上的物块B用轻质弹簧与物块A相连，均处于静止状态，它们的质量均为m，弹簧的劲度系数为k.现将另一个质量也为m的物体C从A的正上方一定高度处由静止释放，C和A相碰后立即粘在一起，之后在竖直方向做简谐运动.在运动过程中，物体B对地面的最小压力为，g为重力加速度，则以下说法正确的是√√123456789101112 123456789101112C和A相碰前，对A有F弹＝mg，C和A相碰后，由于F弹<2mg，可知A和C相碰后先向下做加速运动，A错误； 123456789101112A、C碰后粘在一起向下运动，速度最大的位置即为A、C处于平衡状态的位置，此时弹力等于A、C的重力之和，即kx0＝2mg，因此若C物体从更高的位置释放，碰后粘在一起向下运动过程中速度最大的位置不变，D正确. 12345678910111210.(多选)(2018·天津卷·8)一振子沿x轴做简谐运动，平衡位置在坐标原点.t＝0时振子的位移为－0.1m，t＝1s时位移为0.1m，则√√ 123456789101112若振幅为0.1m，若振幅为0.2m，振动分两种情况讨论：①振子振动如图甲所示，则振子由C点振动到D点用时至少为，周期最大为2s. 123456789101112②振子振动如图乙中实线所示.由x＝Asin(ωt＋φ)知 123456789101112综上所述，选项C错误，D正确. 12345678910111211.(2023·福建龙岩市模拟)如图，轻质弹簧一端固定，另一端连接套在水平光滑杆上质量为m的小球A，A以O点为平衡位置振动.小球B在竖直平面内以O′为圆心做匀速圆周运动(O与O′在同一竖直线上)，角速度为ω，半径为R.用竖直向下的平行光照射小球B，可以观察到小球B在水平杆上的“影子”和小球A在任何时刻都重合.由此可知：小球A的振动周期为_____，弹簧的劲度系数为_____.mω2 123456789101112小球B在水平杆上的“影子”和小球A在任何时刻都重合， 123456789101112在水平方向上B的加速度水平分量与A的加速度相同，当小球A到达最左端和最右端时的加速度最大，此时B的加速度水平分量恰好等于其向心加速度，即小球A的最大加速度与小球B做匀速圆周运动的向心加速度大小相等，均为Rω2，则弹簧的弹力F弹＝ma＝mRω2＝kR，解得弹簧的劲度系数为k＝mω2. 12345678910111212.(2023·北京海淀区模拟)如图所示，两个摆长均为L的单摆，摆球A、B质量分别为m1、m2，悬点均为O.在O点正下方0.19L处固定一小钉.初始时刻B静止于最低点，其摆线紧贴小钉右侧，从图示位置由静止释放A(θ足够小)，在最低点与B发生弹性正碰.两摆在整个运动过程中均满足简谐运动条件，摆线始终保持绷紧状态且长度不变，摆球可视为质点，不计碰撞时间及空气阻力，重力加速度为g.下列选项正确的是素养提升练 123456789101112A.若m1＝m2，则A、B在摆动过程中最大振幅之比为9∶10B.若m1＝m2，则每经过1.9π时间A回到最高点C.若m1>m2，则A与B第二次碰撞不在最低点D.若m1<m2，则A与B第二次碰撞必在最低点√ 123456789101112 123456789101112若m1<m2，则A与B碰后，A反弹，两球的摆长一样，周期一样，所以各经过半个周期后，在最低点发生第二次碰撞，D正确.