2020高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十四章 第1講 機(jī)械振動學(xué)案(含解析).doc
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第1講 機(jī)械振動 主干梳理 對點激活 知識點 簡諧運(yùn)動?、? 1.簡諧運(yùn)動的概念 質(zhì)點的位移與時間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律,即它的振動圖象(x-t圖象)是一條正弦曲線。 2.平衡位置 物體在振動過程中回復(fù)力為零的位置。 3.回復(fù)力 (1)定義:使物體返回到平衡位置的力。 (2)方向:總是指向平衡位置。 (3)來源:屬于效果力,可以是某一個力,也可以是幾個力的合力或某個力的分力。 4.描述簡諧運(yùn)動的物理量 知識點 簡諧運(yùn)動的公式和圖象?、? 1.表達(dá)式 (1)動力學(xué)表達(dá)式:F=-kx,其中“-”表示回復(fù)力與位移的方向相反。 (2)運(yùn)動學(xué)表達(dá)式:x=Asin(ωt+φ0),其中A代表振幅,ω==2πf表示簡諧運(yùn)動的快慢,ωt+φ0代表簡諧運(yùn)動的相位,φ0叫做初相。 2.簡諧運(yùn)動的圖象 (1)如圖所示: (2)物理意義:表示振動質(zhì)點的位移隨時間的變化規(guī)律。 知識點 彈簧振子、單擺及其周期公式?、? 簡諧運(yùn)動的兩種模型 知識點 受迫振動和共振?、? 1.受迫振動 系統(tǒng)在驅(qū)動力作用下的振動叫做受迫振動。做受迫振動物體的周期(或頻率)等于驅(qū)動力的周期(或頻率),而與物體的固有周期(或頻率)無關(guān)。 2.共振曲線 如圖所示的共振曲線,表示某振動系統(tǒng)受迫振動的振幅A(縱坐標(biāo))隨驅(qū)動力頻率f(橫坐標(biāo))變化的關(guān)系。驅(qū)動力的頻率f跟振動系統(tǒng)的固有頻率f0相差越小,振幅越大;驅(qū)動力的頻率f等于振動系統(tǒng)的固有頻率f0時,振幅最大。 知識點 實驗:用單擺測定重力加速度 1.實驗原理 由單擺的周期公式T=2π ,可得出g=l,測出單擺的擺長l和振動周期T,就可求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭。 2.實驗器材 帶中心孔的小鋼球、約1 m長的細(xì)線、帶有鐵夾的鐵架臺、游標(biāo)卡尺、毫米刻度尺、停表。 3.實驗步驟 (1)做單擺 取約1 m長的細(xì)線穿過帶中心孔的小鋼球,并打一個比小孔大一些的結(jié),然后把線的另一端用鐵夾固定在鐵架臺上,讓擺球自然下垂,在單擺平衡位置處做上標(biāo)記,如圖甲所示。 (2)測擺長 用毫米刻度尺量出擺線長L(精確到毫米),用游標(biāo)卡尺測出小球直徑D,則單擺的擺長l=L+。 (3)測周期 將單擺從平衡位置拉開一個角度(不超過5),然后釋放小球,記下單擺擺動30次或50次全振動的總時間,算出平均每擺動一次全振動的時間,即為單擺的振動周期T。 (4)改變擺長,重做幾次實驗。 (5)數(shù)據(jù)處理 ①公式法:g=。 ②圖象法:畫l-T2圖象,如圖乙所示。 g=4π2k,k==。 4.注意事項 (1)懸線頂端不能晃動,需用夾子夾住,保證懸點固定。 (2)單擺必須在同一平面內(nèi)振動,且擺角小于5。 (3)選擇在擺球擺到平衡位置處時開始計時,并數(shù)準(zhǔn)全振動的次數(shù)。 (4)小球自然下垂時,用毫米刻度尺量出懸線長L,用游標(biāo)卡尺測量小球的直徑,然后算出擺球的半徑r,則擺長l=L+r。 (5)選用1 m左右難以伸縮的細(xì)線。 一 思維辨析 1.簡諧運(yùn)動是勻變速運(yùn)動。( ) 2.振幅等于振子運(yùn)動軌跡的長度。( ) 3.簡諧運(yùn)動的回復(fù)力肯定不是恒力。( ) 4.彈簧振子每次經(jīng)過平衡位置時,位移為零、動能為零。( ) 5.單擺無論擺角多大都是簡諧運(yùn)動。( ) 6.物體做受迫振動時,其振動頻率與固有頻率無關(guān)。( ) 7.簡諧運(yùn)動的圖象描述的是振動質(zhì)點的軌跡。( ) 答案 1. 2. 3.√ 4. 5. 6.√ 7. 二 對點激活 1.一個彈簧振子沿x軸做簡諧運(yùn)動,取平衡位置O為x軸坐標(biāo)原點。從某時刻開始計時,經(jīng)過四分之一周期,振子具有沿x軸正方向的最大加速度。能正確反映振子位移x與時間t關(guān)系的圖象是( ) 答案 A 解析 振子的最大加速度與振子的回復(fù)力成正比,方向與位移方向相反,具有正向的最大加速度,就應(yīng)該具有最大的反方向的位移,振子從平衡位置開始計,并向負(fù)方向移動時,經(jīng)四分之一周期振子具有沿x軸正方向的最大加速度,只有A正確,B、C、D都不符合題意。 2.(人教版選修3-4P17T3改編)(多選)如圖是兩個單擺的振動圖象,以下說法正確的是( ) A.甲、乙兩個擺的振幅之比為2∶1 B.甲、乙兩個擺的頻率之比為1∶2 C.甲、乙兩個擺的擺長之比為1∶2 D.以向右的方向作為擺球偏離平衡位置的位移的正方向,從t=0起,乙第一次到達(dá)右方最大位移時,甲振動到了平衡位置,且向左運(yùn)動 答案 AD 解析 由振動圖象知A甲=2 cm,A乙=1 cm,所以甲、乙兩個擺的振幅之比為2∶1,故A正確;T甲=4 s,T乙=8 s,所以==,故B錯誤;由T=2π得,==,故C錯誤;由圖象知乙第一次到達(dá)右方最大位移時為t=2 s時,此時x甲=0,且向左運(yùn)動,故D正確。 3.(人教版選修3-4P21T4改編)一個單擺在地面上做受迫振動,其共振曲線(振幅A與驅(qū)動力頻率f的關(guān)系)如圖所示,則( ) A.此單擺的固有周期約為0.5 s B.此單擺的擺長約為1 m C.若擺長增大,單擺的固有頻率增大 D.若擺長增大,共振曲線的峰將向右移動 答案 B 解析 由共振曲線知此單擺的固有頻率為0.5 Hz,固有周期為2 s,A錯誤;由T=2π ,得此單擺的擺長約為1 m,B正確;若擺長增大,單擺的固有周期增大,固有頻率減小,則共振曲線的峰將向左移動,C、D錯誤。 4.(人教版選修3-4P5T3)如下圖所示,在t=0到t=4 s的范圍內(nèi)回答以下問題。 (1)質(zhì)點相對平衡位置的位移的方向在哪些時間內(nèi)跟它的瞬時速度的方向相同?在哪些時間內(nèi)跟瞬時速度的方向相反? (2)質(zhì)點在第2 s末的位移是多少? (3)質(zhì)點在前2 s內(nèi)走過的路程是多少? 答案 (1)在0~1 s,2~3 s內(nèi)位移方向跟它的瞬時速度方向相同 在1~2 s,3~4 s內(nèi)位移方向跟它的瞬時速度方向相反 (2)0 (3)20 cm 解析 (1)位移—時間圖線的某點的切線的斜率即是某時刻的速度,可知,質(zhì)點相對平衡位置的位移的方向在0~1 s和2~3 s內(nèi)跟它的瞬時速度的方向相同,在1~2 s和3~4 s內(nèi)跟瞬時速度的方向相反。 (2)質(zhì)點在第2 s末的位移是0。 (3)質(zhì)點在前2 s內(nèi)走過的路程是s=210 cm=20 cm。 考點細(xì)研 悟法培優(yōu) 考點1 簡諧運(yùn)動的特征 1.動力學(xué)特征 F=-kx,“-”表示回復(fù)力的方向與位移方向相反,k是比例系數(shù),不一定是彈簧的勁度系數(shù)。 2.運(yùn)動學(xué)特征 做簡諧運(yùn)動的物體加速度與物體偏離平衡位置的位移大小成正比而方向相反,為變加速運(yùn)動,遠(yuǎn)離平衡位置時,x、F、a、Ep均增大,v、Ek均減小,靠近平衡位置時則相反。 3.運(yùn)動的周期性特征 相隔nT(n為正整數(shù))的兩個時刻,物體處于同一位置且振動狀態(tài)相同。 4.對稱性特征 (1)時間對稱性:相隔或(n為正整數(shù))的兩個時刻,物體位置關(guān)于平衡位置對稱,位移、速度、加速度大小相等、方向相反。如圖甲所示: O為平衡位置,A、B為振子偏離平衡位置最大位移處,振子t時刻在C點,t+時刻運(yùn)動到D點,則位移xD=-xC,速度vD=-vC,aD=-aC。 (2)空間對稱性:如圖乙所示,振子經(jīng)過關(guān)于平衡位置O對稱的兩點P、P′(OP=OP′)時,速度的大小、動能、勢能相等,相對于平衡位置的位移大小相等。 此外,振子由P到O所用時間等于由O到P′所用時間,即tPO=tOP′。振子往復(fù)過程中通過同一段路程(如OP段)所用時間相等,即tOP=tPO。 5.能量特征 振動的能量包括動能Ek和勢能Ep,簡諧運(yùn)動過程中,系統(tǒng)動能與勢能相互轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。 例1 (2018遼寧鞍山模擬)(多選)彈簧振子做簡諧運(yùn)動,O為平衡位置,當(dāng)它經(jīng)過點O時開始計時,經(jīng)過0.3 s,第一次到達(dá)點M,再經(jīng)過0.2 s第二次到達(dá)點M,則彈簧振子的周期不可能為( ) A.0.53 s B.1.4 s C.1.6 s D.2 s E.3 s 解題探究 (1)從O點出發(fā)第一次到達(dá)M點時用時0.3 s有幾種情形? 提示:兩種。 (2)簡諧運(yùn)動中振子往復(fù)運(yùn)動過程中通過同一段路程,用時相等嗎? 提示:相等。 嘗試解答 選BDE。 如圖甲所示,設(shè)O為平衡位置,OB(OC)代表振幅,振子從O→C所需時間為。因為簡諧運(yùn)動具有對稱性,所以振子從M→C所用時間和從C→M所用時間相等,故=0.3 s+ s=0.4 s,解得T=1.6 s;如圖乙所示,若振子一開始從平衡位置向點B運(yùn)動,設(shè)點M′與點M關(guān)于點O對稱,則振子從點M′經(jīng)過點B到點M′所用的時間與振子從點M經(jīng)過點C到點M所需時間相等,即0.2 s。振子從點O到點M′、從點M′到點O及從點O到點M所需時間相等,為= s,故周期為T=0.5 s+ s≈0.53 s,所以周期不可能為選項B、D、E。 總結(jié)升華 分析簡諧運(yùn)動的技巧 (1)分析簡諧運(yùn)動中各物理量的變化情況時,要以位移為橋梁,位移增大時,振動質(zhì)點的回復(fù)力、加速度、勢能均增大,速度、動能均減??;反之,則產(chǎn)生相反的變化。另外,各矢量均在其值為零時改變方向。 (2)分析過程中要特別注意簡諧運(yùn)動的周期性和對稱性。 (3)如例1,若沒有給出開始時刻質(zhì)點的振動方向,還須分情況討論,以防丟解。 [變式1-1] (多選)關(guān)于水平放置的彈簧振子所做的簡諧運(yùn)動,下列說法正確的是( ) A.位移的方向是由振子所在處指向平衡位置 B.加速度的方向總是由振子所在處指向平衡位置 C.經(jīng)過半個周期振子經(jīng)過的路程一定是振幅的2倍 D.若兩時刻相差半個周期,彈簧在這兩個時刻的形變量一定相等 E.經(jīng)過半個周期,彈簧振子完成一次全振動 答案 BCD 解析 位移的方向始終是由平衡位置指向振子所在處,A錯誤;加速度的方向始終是由振子所在處指向平衡位置,B正確;經(jīng)過半個周期,振子經(jīng)過的路程是振幅的2倍,若兩時刻相差半個周期,兩時刻彈簧的形變量一定相等,C、D正確;經(jīng)過一個周期,彈簧振子完成一次全振動,E錯誤。 [變式1-2] 如圖所示,一輕彈簧一端固定,另一端連接一物塊構(gòu)成彈簧振子,該物塊是由a、b兩個小物塊粘在一起組成的。物塊在光滑水平面上左右振動,振幅為A0,周期為T0。當(dāng)物塊向右通過平衡位置時,a、b之間的粘膠脫開;以后小物塊a振動的振幅和周期分別為A和T,則A________A0,T________T0。(填“>”“<”或“=”) 答案 < < 解析 當(dāng)物塊向右通過平衡位置時,脫離前振子的動能Ek1=(ma+mb)v,脫離后振子的動能Ek2=mav,由機(jī)械能守恒可知,平衡位置處的動能等于最大位移處的彈性勢能,因此脫離后振子振幅變?。挥捎趶椈烧褡拥馁|(zhì)量減小,根據(jù)a=-可知,在同一個位置物塊a的加速度變大,即速度變化更快,故脫離后周期變小。 考點2 簡諧運(yùn)動的圖象 1.圖象特征 (1)簡諧運(yùn)動的圖象是一條正弦或余弦曲線,是正弦曲線還是余弦曲線取決于質(zhì)點初始時刻的位置。 (2)圖象反映的是位移隨時間的變化規(guī)律,隨時間的增加而延伸,圖象不代表質(zhì)點運(yùn)動的軌跡。 (3)任一時刻在圖線上對應(yīng)點的切線的斜率,大小表示該時刻振子的速度大小,正負(fù)表示速度的方向,為正時,表示振子的速度沿x軸正方向;為負(fù)時,表示振子的速度沿x軸負(fù)方向。 2.圖象信息 (1)由圖象可以看出質(zhì)點振動的振幅、周期。 (2)可以確定某時刻質(zhì)點離開平衡位置的位移。 (3)可以確定某時刻質(zhì)點的回復(fù)力、加速度和速度的方向。 ①回復(fù)力和加速度的方向:因回復(fù)力總是指向平衡位置,故回復(fù)力和加速度的方向在圖象上總是指向t軸。 ②速度的方向:某時刻速度的方向既可以通過該時刻在圖象上對應(yīng)點的切線的斜率來判斷,還可以通過下一時刻位移的變化來判斷,若下一時刻位移增加,速度方向就是遠(yuǎn)離t軸;若下一時刻位移減小,速度方向就是指向t軸。 (4)可以確定某段時間質(zhì)點的位移、回復(fù)力、加速度、速度、動能、勢能等的變化情況。 例2 (2019雅禮中學(xué)月考)(多選)如圖甲所示為以O(shè)點為平衡位置,在A、B兩點間做簡諧運(yùn)動的彈簧振子,圖乙為這個彈簧振子的振動圖象,由圖可知下列說法中正確的是( ) A.在t=0.2 s時,彈簧振子的加速度為正向最大 B.在t=0.1 s與t=0.3 s兩個時刻,彈簧振子在同一位置 C.從t=0到t=0.2 s時間內(nèi),彈簧振子做加速度增大的減速運(yùn)動 D.在t=0.6 s時,彈簧振子有最小的彈性勢能 E.在t=0.2 s與t=0.6 s兩個時刻,彈簧振子速度都為零 解題探究 (1)彈簧振子的加速度方向與位移方向相同還是相反? 提示:相反。 (2)在最大位移處,速度和彈性勢能有何特點? 提示:速度為零,彈性勢能最大。 嘗試解答 選BCE。 t=0.2 s時,彈簧振子的位移為正向最大值,而彈簧振子的加速度與位移大小成正比,方向與位移方向相反,A錯誤;在t=0.1 s與t=0.3 s兩個時刻,彈簧振子的位移相同,B正確;從t=0到t=0.2 s時間內(nèi),彈簧振子從平衡位置向最大位移處運(yùn)動,位移逐漸增大,加速度逐漸增大,加速度方向與速度方向相反,彈簧振子做加速度增大的減速運(yùn)動,C正確;在t=0.6 s時,彈簧振子的位移為負(fù)向最大值,即彈簧的形變量最大,彈簧振子的彈性勢能最大,D錯誤;t=0.2 s與t=0.6 s,彈簧振子都在最大位移處,速度都為零,E正確。 總結(jié)升華 對振動圖象的理解 (1)可確定振動質(zhì)點在任一時刻的位移。如圖所示,t1、t2時刻質(zhì)點偏離平衡位置的位移分別為x1=7 cm,x2=-5 cm。 (2)可確定質(zhì)點振動的振幅,圖象中最大位移的絕對值就是質(zhì)點振動的振幅。如圖所示,質(zhì)點振動的振幅是10 cm。 (3)可確定質(zhì)點振動的周期和頻率,振動圖象上一個完整的正弦(或余弦)圖形在時間軸上拉開的“長度”表示周期,頻率的大小等于周期的倒數(shù)。如圖所示,OD、AE、BF的間隔都等于質(zhì)點振動的周期,T=0.2 s,頻率f==5 Hz。 (4)可確定質(zhì)點的振動方向。如圖所示,在t1時刻,質(zhì)點正遠(yuǎn)離平衡位置向正方向運(yùn)動;在t3時刻,質(zhì)點正朝向平衡位置運(yùn)動。 (5)可比較各時刻質(zhì)點加速度的大小和方向。例如在圖中t1時刻,質(zhì)點偏離平衡位置的位移x1為正,則加速度a1為負(fù);在t2時刻,質(zhì)點偏離平衡位置的位移x2為負(fù),則加速度a2為正,因為|x1|>|x2|,所以|a1|>|a2|。 [變式2] (多選)一個質(zhì)點經(jīng)過平衡位置O,在A、B間做簡諧運(yùn)動,如圖a所示,它的振動圖象如圖b所示,設(shè)向右為正方向,下列說法正確的是( ) A.OB=5 cm B.第0.2 s末質(zhì)點的速度方向是A→O C.第0.4 s末質(zhì)點的加速度方向是A→O D.第0.7 s末時質(zhì)點位置在O點與A點之間 E.在4 s內(nèi)完成5次全振動 答案 ACE 解析 由圖b可知振幅為5 cm,則OB=OA=5 cm,A項正確;由圖可知0~0.2 s內(nèi)質(zhì)點從B向O運(yùn)動,第0.2 s末質(zhì)點的速度方向是O→A,B項錯誤;由圖可知第0.4 s末質(zhì)點運(yùn)動到A點處,則此時質(zhì)點的加速度方向是A→O,C項正確;由圖可知第0.7 s末時質(zhì)點位置在O點與B點之間,D項錯誤;由圖b可知周期T=0.8 s,則在4 s內(nèi)完成全振動的次數(shù)為=5,E項正確。 考點3 受迫振動與共振 自由振動、受迫振動和共振的比較 例3 (2018唐山期末) 如圖所示,一豎直圓盤轉(zhuǎn)動時,固定在圓盤上的小圓柱帶動一T形支架在豎直方向振動,T形支架的下面系著一彈簧和小球組成的振動系統(tǒng),小球浸沒在水中。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動一會兒靜止后,小球做________(填“阻尼”“自由”或“受迫”)振動。若彈簧和小球構(gòu)成的系統(tǒng)振動頻率約為3 Hz, 現(xiàn)使圓盤以4 s的周期勻速轉(zhuǎn)動,經(jīng)過一段時間后,小球振動達(dá)到穩(wěn)定,小球的振動頻率為________ Hz。逐漸改變圓盤的轉(zhuǎn)動周期,當(dāng)小球振動的振幅達(dá)到最大時,此時圓盤的周期為________ s。 解題探究 (1)在阻力作用下,振幅逐漸變小的振動稱為________振動。 提示:阻尼 (2)當(dāng)小球振動的振幅達(dá)到最大時,圓盤的周期________系統(tǒng)的固有周期。 提示:等于 嘗試解答 阻尼 0.25 。 由于水對小球有阻力的作用,因此圓盤停止轉(zhuǎn)動后,小球做阻尼振動;圓盤轉(zhuǎn)動時帶動小球做受迫振動,因此小球振動穩(wěn)定時的振動頻率等于驅(qū)動力的頻率,即小球的振動頻率為 Hz=0.25 Hz;當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于小球的固有頻率時小球的振幅最大,即圓盤的轉(zhuǎn)動頻率應(yīng)為3 Hz,則圓盤的周期應(yīng)為 s。 總結(jié)升華 對共振的理解 (1)共振曲線:如圖所示,橫坐標(biāo)為驅(qū)動力頻率f,縱坐標(biāo)為振幅A。它直觀地反映了驅(qū)動力頻率對某固有頻率為f0的振動系統(tǒng)受迫振動振幅的影響,由圖可知,f與f0越接近,振幅A越大;當(dāng)f=f0時,振幅A最大。 (2)受迫振動中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化:做受迫振動的系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進(jìn)行能量交換。 [變式3-1] 關(guān)于固有頻率,以下說法正確的是( ) A.固有頻率是由物體本身決定的 B.物體不振動時固有頻率為零 C.振幅越大,固有頻率越小 D.所有物體固有頻率都相同 答案 A 解析 物體做自由振動時,振動的頻率與初始條件無關(guān),僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)(如質(zhì)量、材質(zhì)等),稱為固有頻率,故A正確,B、C、D錯誤。 [變式3-2] (多選)某簡諧振子,自由振動時的振動圖象如圖甲中實線所示,而在某驅(qū)動力作用下做受迫振動時,穩(wěn)定后的振動圖象如圖甲中虛線所示,那么,此受迫振動對應(yīng)的狀態(tài)可能是圖乙中的( ) A.a(chǎn)點 B.b點 C.c點 D.一定不是c點 答案 AD 解析 簡諧振子自由振動時,設(shè)周期為T1;而在某驅(qū)動力作用下做受迫振動時,設(shè)周期為T2;顯然T1- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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