2020版高考物理大一轮复习第十一章机械振动机械波第1讲机械振动学案.docx

第1讲机械振动考试标准知识内容考试要求说明简谐运动b1.不要求理解“相位”的概念2.不要求定量讨论速度和加速度的变化3.不要求根据简谐运动回复力的表达式证明物体做简谐运动4.不要求掌握证明单摆在摆角很小的情况下做简谐运动的方法5.不要求解决钟表快慢的调整问题.简谐运动的描述c简谐运动的回复力和能量b单摆c外力作用下的振动b一、简谐运动的描述描述简谐运动的物理量物理量定义意义位移由平衡位置指向质点所在位置的有向线段描述质点振动中某时刻的位置相对于平衡位置的位移振幅振动物体离开平衡位置的最大距离描述振动的强弱和能量周期振动物体完成一次全振动所需时间描述振动的快慢，两者互为倒数：T频率振动物体单位时间内完成全振动的次数二、简谐运动的回复力和能量1回复力(1)方向：总是指向平衡位置(2)来源：属于效果力，可以是某一个力，也可以是几个力的合力或某个力的分力2能量特点弹簧振子运动的过程就是动能和势能相互转化的过程(1)在最大位移处，势能最大，动能为零(2)在平衡位置处，动能最大，势能最小(3)在简谐运动中，振动系统的机械能守恒.自测1(多选)关于简谐运动的理解，下列说法中正确的是()A简谐运动是匀变速运动B周期、频率是表征物体做简谐运动快慢程度的物理量C简谐运动的回复力可以是恒力D弹簧振子每次经过平衡位置时，位移为零、动能最大答案BD三、简谐运动的两种模型模型弹簧振子单摆示意图简谐运动条件(1)弹簧质量可忽略(2)无摩擦等阻力(3)在弹簧弹性限度内(1)摆线为不可伸缩的轻细线(2)无空气阻力(3)最大摆角小于等于5回复力弹簧的弹力提供摆球重力沿圆弧切线方向的分力平衡位置弹簧处于原长处最低点周期与振幅无关T2能量转化弹性势能与动能的相互转化，机械能守恒重力势能与动能的相互转化，机械能守恒自测2下列有关回复力的说法中正确的是()A回复力是指物体受到的指向平衡位置的恒力B回复力是指物体受到的合力C回复力是从力的作用效果命名的，可以是某个力的分力，也可以是几个力的合力D回复力实质上是向心力答案C四、简谐运动的公式和图象1运动学表达式：xAsin(t0)，其中A代表振幅，2f代表简谐运动的快慢，t0代表简谐运动的相位，0叫做初相2图象(1)从平衡位置开始计时，函数表达式为xAsint，图象如图1甲所示(2)从最大位移处开始计时，函数表达式为xAcost，图象如图乙所示图1自测3如图2所示，弹簧振子在M、N之间做简谐运动以平衡位置O为原点，建立Ox轴向右为x轴正方向若振子位于N点时开始计时，则其振动图象为()图2答案A解析开始计时时振子位于正向最大位移处向负方向做简谐运动，振动图象为余弦函数图象，A项对五、自由振动、受迫振动和共振的关系比较振动项目自由振动受迫振动共振受力情况指向平衡位置的合力提供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TT驱或ff驱T驱T0或f驱f0振动能量振动物体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自测4(多选)如图3所示，A球振动后，通过水平细绳迫使B、C振动，振动达到稳定时，下列说法中正确的是()图3A只有A、C的振动周期相等BC的振幅比B的振幅小CC的振幅比B的振幅大DA、B、C的振动周期相等答案CD命题点一简谐运动的规律1运动学特征：简谐运动的加速度与物体偏离平衡位置的位移成正比，而方向相反，简谐运动为变加速运动，远离平衡位置时，x、F、a、Ep均增大，v、Ek均减小，靠近平衡位置时则相反2对称性特征：(1)如图4所示，振子经过关于平衡位置O对称的两点P、P(OPOP)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图4(2)振子由P到O所用时间等于由O到P所用时间，即tOPtOP.3能量特征：振动的能量包括动能Ek和势能Ep，简谐运动过程中，系统动能与势能相互转化，系统的机械能守恒例1(多选)如图5所示的弹簧振子水平放置，忽略空气阻力时，它将在COB之间来回往复的做简谐振动，其中O点为平衡位置，简谐振动的振幅为A，弹簧的劲度系数为k，原长为L，弹簧振子的周期为T，小球质量为m，且规定向右为位移的正方向由此判断下列说法正确的是()图5A振子在O点，动能最大，势能最小B从C到O，速度为负并且增大，从O到B，速度为正并且减小C从B到O，回复力为负并且减小，从O到C，回复力为正并且增大D若t0时刻，小球在O点且向右运动，则小球的位移时间关系为xAsin(t)答案ACD解析从C到O时，速度为正且增大，从O到B速度为正，并且减小，故B错误变式1一个弹簧振子做简谐振动，若从平衡位置开始计时，经过3s时，振子第一次到达P点，又经过2s第二次经过P点，则该弹簧振子的振动周期可能为()A32sB16sC8sD4s答案B解析如图所示，a、b为最大位移处弹簧振子离开O点后，若向着P点运动，即OP历时3s，之后PbP历时2s，由对称性可知，Pb历时1s，故有OPb历时4s，所以T16s，B正确；若弹簧振子离开O点先向a运动，然后到P，即OaOP历时3s，Pb历时1s，故T4s，所以Ts，A、C、D错误变式2(多选)如图6所示，弹簧振子在B、C间振动，O为平衡位置，BOOC5cm，若振子从B到C的运动时间是1s，则下列说法中正确的是()图6A振子从B经O到C完成一次全振动B振动周期是2s，振幅是5cmC经过两次全振动，振子通过的路程是20cmD从B开始经过3s，振子通过的路程是30cm答案BD解析振子从BOC仅完成了半次全振动，所以周期T21s2s，振幅ABO5cm，故A错误，B正确；振子在一次全振动中通过的路程为4A20cm，所以两次全振动中通过的路程为40cm,3s的时间为1.5T，所以振子通过的路程为30cm，故C错误，D正确变式3(多选)某质点做简谐运动，其位移随时间变化的关系式为x10sin (t) cm，则下列关于质点运动的说法中正确的是()A质点做简谐运动的振幅为10cmB质点做简谐运动的周期为4sC在t4s时质点的速度最大D在t4s时质点的位移最大答案AC解析由x10sin (t) cm知振幅为10cm，又rad/s，则周期T8s，故A正确，B错误；t4s时，x0，速度最大，故C正确，D错误命题点二简谐运动的图象1振动图象提供的信息(1)由图象可以看出质点振动的振幅、周期(2)可以确定某时刻质点离开平衡位置的位移(3)可以确定各时刻质点的振动方向(4)可以确定某时刻质点的回复力、加速度和速度的方向(5)能够比较不同时刻质点的速度、加速度的大小2振动图象的分析方法(1)首先，要理解位移时间图象的意义，明确切线斜率的大小等于速度的大小，切线斜率的正负表示速度的方向(2)其次，要把位移时间图象与质点的实际振动过程联系起来，图象上的一个点表示振动中的一个状态(位置、振动方向等)，图象上的一段对应振动的一个过程(3)解题关键是判断好平衡位置、最大位移及振动方向，读出振幅、周期，算出简谐运动的路程和位移例2(多选)(2016浙江4月选考15)摆球质量相等的甲、乙两单摆悬挂点高度相同，其振动图象如图7所示选悬挂点所在水平面为重力势能的参考面，由图可知()图7A甲、乙两单摆的摆长之比是Bta时刻甲、乙两单摆的摆角相等Ctb时刻甲、乙两单摆的势能差最大Dtc时刻甲、乙两单摆的速率相等答案AC变式4(多选)(2018嘉兴市期末)如图8所示为一质点的振动图象，曲线满足正弦变化规律，则下列说法中正确的是()图8A该振动为简谐运动B该振动的振幅为10cmC前0.08s内，质点发生的位移为20cmD0.04s末，质点的振动方向沿x轴负方向答案AD解析题图图象表示质点的位移随时间变化的规律，是简谐运动，故A正确；由题图知，振幅为5cm，故B错误；由题图知周期T0.08s，故在0.08s末，质点又回到平衡位置前0.08s内，质点发生的位移为0cm，故C错误；由振动规律知，0.04s末质点的振动方向沿x轴负方向，故D正确变式5(多选)如图9是用频闪照相的方法获得的弹簧振子的位移时间图象(水平方向为x轴，竖直方向为t轴)，下列关于该图象的说法正确的是()图9A该图象的坐标原点是建立在弹簧振子小球的平衡位置B从图象可以看出小球在振动过程中是沿t轴方向移动的C为了显示小球在不同时刻偏离平衡位置的位移，让底片沿垂直x轴方向匀速运动D图象随时间的推移而发生平移答案AC解析由题图看出，弹簧振子在x轴方向做简谐运动，小球并不是沿t轴方向移动，由对称性可知，该图象的坐标原点是建立在弹簧振子小球的平衡位置，故A正确，B错误；类似于沙摆实验，为了显示小球在不同时刻偏离平衡位置的位移，让底片沿垂直x轴方向匀速运动，故C正确；图象反映了小球的位移随时间变化的情况，图象不随时间的推移而发生平移，故D错误变式6(多选)小明在实验室做单摆实验时得到如图10甲所示的单摆振动情形，O是它的平衡位置，B、C是摆球所能到达的左右最远位置小明根据实验情况绘制了单摆的振动图象如图乙所示，若图中单摆向右摆动为正方向，g2m/s2，则下列选项正确的是()图10A此单摆的振动频率是0.5HzB根据图乙可知开始计时时摆球在C点C图中P点向正方向振动D根据已知数据可以求得此单摆的摆长为1.0m答案AD解析由题图乙知周期T2.0s，则频率f0.5Hz，所以A正确；由题图乙可知，t0时刻摆球在负向最大位移处，所以开始时摆球在B点，所以B错误；根据振动图象可知P点应该向负方向振动，所以C错误；由T2，得l1.0m，D正确命题点三外力作用下的振动1共振曲线如图11所示，横坐标为驱动力频率f，纵坐标为振幅A，它直观地反映了驱动力频率对某固有频率为f0的振动系统受迫振动振幅的影响，由图可知，f与f0越接近，振幅A越大；当ff0时，振幅A最大图112受迫振动中系统能量的转化做受迫振动的系统的机械能不守恒，系统与外界时刻进行能量交换例3(多选)(2018金华十校联考)如图12所示为一个单摆在地面上做受迫振动的共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系)，则()图12A此单摆的固有周期约为2sB此单摆的摆长约为1mC若摆长增大，单摆的固有频率增大D若摆长增大，共振曲线的峰将右移答案AB解析单摆做受迫振动，振动频率与驱动力频率相等；当驱动力频率等于固有频率时，发生共振，则固有频率为0.5Hz，周期为2s，故A正确；由公式T2，可得L1m，故B正确；若摆长增大，单摆的固有周期增大，则固有频率减小，故C错误；若摆长增大，则固有频率减小，所以共振曲线的峰将向左移动，故D错误变式7(多选)如图13所示是单摆做阻尼运动的位移时间图线，下列说法中正确的是()图13A摆球在P与N时刻的势能相等B摆球在P与N时刻的速度方向相同C摆球在P与N时刻的机械能相等D摆球在运动过程中机械能越来越小答案AD解析摆球在P与N时刻位移大小相等即单摆所处高度相同，则重力势能相同，故A正确；摆球在P与N时刻都是向平衡位置运动，速度的方向相反，故B错误；由于阻力影响，单摆要克服阻力做功，在运动过程中机械能一直逐渐减小，故N时刻的机械能小于P时刻的机械能，C错误，D正确变式8(多选)蜘蛛会根据丝网的振动情况感知是否有昆虫“落网”，若丝网的固有频率为200Hz，下列说法正确的是()A“落网”昆虫翅膀振动的频率越大，丝网的振幅越大B当“落网”昆虫翅膀振动的频率低于200Hz时，丝网不振动C当“落网”昆虫翅膀振动的周期为0.005s时，丝网的振幅最大D昆虫“落网”时，丝网振动的频率由“落网”昆虫翅膀振动的频率决定答案CD解析根据共振的条件可知，系统的固有频率等于驱动力的频率时，系统达到共振，振幅达到最大，故A、B错误；当“落网”昆虫翅膀振动的周期为0.005s时，其频率：fHz200Hz，与丝网的固有频率相等，所以丝网的振幅最大，故C正确；受迫振动的频率等于驱动力的频率，所以昆虫“落网”时，丝网振动的频率由“落网”昆虫翅膀振动的频率决定，故D正确变式9(多选)如图14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()图14A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4HzC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答案BD解析由240r/min4 r/s知，T0.25s，则f4Hz，当振子稳定振动时，它的振动周期及频率均与驱动力的周期及频率相等，A错误，B正确当转速减小时，其频率将更接近振子的固有频率2Hz，弹簧振子的振幅将增大，C错误，D正确1(多选)(2018书生中学月考)对做简谐运动的物体，下列说法正确的是()A每次通过同一位置时，其速度不一定相同，但加速度一定相同B通过平衡位置时，速度为零，加速度最大C每次通过平衡位置时，加速度相同，速度也一定相同D若位移为负值，则速度不一定为正值，加速度一定为正值答案AD解析物体每次通过同一位置时，其速度不一定相同，但加速度一定相同，A正确；物体通过平衡位置时，速度最大，加速度为零，B错误；物体每次通过平衡位置时，加速度为零，速度不一定相同，C错误；若位移为负值，根据a，则加速度一定为正值，物体远离平衡位置时速度方向为负值，D正确2做简谐运动的单摆摆长不变，若摆球质量减小为原来的，摆球经过平衡位置时速度增大为原来的2倍，则单摆振动的()A频率、振幅都不变B频率、振幅都改变C频率不变，振幅改变D频率改变，振幅不变答案C3(多选)物体做阻尼振动过程中，它的()A周期越来越小B振幅越来越小C机械能越来越小D频率越来越小答案BC解析周期和频率是由物体本身的性质决定的，即使做阻尼振动，周期和频率也不变，故A、D错误；由题意可知，物体做阻尼振动，即振子振动的幅度逐渐减小，根据能量守恒定律可知，由于存在阻力做功，所以机械能越来越小，故B、C正确4(多选)一弹簧振子A的位移y随时间t变化的关系式为y0.1sin (2.5t)，位移y的单位为m，时间t的单位为s.则()A弹簧振子的振幅为0.2mB弹簧振子的周期为1.25sC在t0.2s时，振子的运动速度为零D质点在0.1s末与0.3s末的位移相同答案CD解析由题意可知，振幅A0.1m，周期Ts0.8s，故A、B错误；在t0.2s时，振子的位移最大，速度为零，故C正确；表达式对应的振动图象如图所示，根据图象的对称性，质点在0.1s末与0.3s末的位移相同，故D正确5.某弹簧振子沿x轴的简谐运动图象如图1所示，下列描述正确的是()图1At1s时，振子的速度为零，加速度为负的最大值Bt2s时，振子的速度为负，加速度为正的最大值Ct3s时，振子的速度为负的最大值，加速度为零Dt4s时，振子的速度为正，加速度为负的最大值答案A解析t1s时，振子位于正向位移最大处，速度为零，加速度为负向最大，故A正确；t2s时，振子位于平衡位置并向x轴负方向运动，速度为负向最大，加速度为零，故B错误；t3s时，振子位于负向位移最大处，速度为零，加速度为正向最大，故C错误；t4s时，振子位于平衡位置并向x轴正方向运动，速度为正向最大，加速度为零，故D错误6质点做简谐运动，其位移x与时间t的关系曲线如图2所示，由图可知()图2A振幅为4cm，频率为0.25HzBt1s时速度为零，但质点所受合外力最大Ct2s时质点具有正方向最大加速度D该质点的振动方程为x2sin (t) cm答案C7(多选)如图3甲所示，O是单摆的平衡位置，B、C是摆球所能到达的最远位置此单摆振动图象如图乙所示，则()图3A单摆振幅是16cmB单摆摆长约为1mC摆球经过O点加速度不为零D振幅减小，周期也减小答案BC8(多选)一弹簧振子做简谐运动，它所受的回复力F随时间t变化的图线为正弦曲线，如图4所示，下列说法错误的是()图4A在02s时间内，弹簧振子做加速运动B在t13s和t25s时刻，弹簧振子的速度大小相等，方向相反C在t25s和t37s时刻，弹簧振子的位移大小相等，方向相同D在04s时间内，t2s时刻弹簧振子所受回复力做功功率最大答案ABD解析在02s时间内，振子位移不断增大，加速度不断增大，速度不断减小，做减速运动，A错误；3s与5s时刻速度大小相等，方向相同，B错误；5s与7s时刻，所受弹簧弹力相同，弹簧振子位移大小相等，方向相同，C正确；t2s时刻弹簧振子所受回复力最大而速度为零，做功功率为零，D错误9(多选)如图5甲所示的弹簧振子(以O点为平衡位置在B、C间振动)，取水平向右的方向为振子离开平衡位置的位移的正方向，得到如图乙所示的振动曲线，由曲线所给信息可知，下列说法正确的是()图5At0时，振子处在C位置Bt1.0s和t1.4s振子的加速度相同Ct0.9s时振子具有正方向的最大速度Dt0.4s时振子相对平衡位置的位移为5cm答案BD解析由振动图象可知t0时，振子的位移为负向最大，说明振子处于B位置，故A错误根据对称性可知，t1.0s和t1.4s振子的位移相同，经过同一位置，由a分析可知，t1.0s和t1.4s振子的加速度相同，故B正确t0.9s时振子经过平衡位置，速度最大，根据xt图象的斜率表示速度，可知t0.9s时刻振子的速度沿负方向，故C错误弹簧振子的周期为T1.2s，振幅为A10cm，振动方程为xAcost10cos (t) cm10cos (t) cm.将t0.4s代入解得x5cm，故D正确10(多选)甲、乙两位同学分别使用图6a所示的同一套装置观察单摆做简谐运动时的振动图象，已知二人实验时所用的单摆的摆长相同，落在木板上的细沙分别形成的曲线如图b所示，下面关于两图线的说法中正确的是()图6A甲图表示沙摆摆动的幅度较大，乙图摆动的幅度较小B甲图表示沙摆摆动的周期较大，乙图摆动的周期较小C二人拉木板的速度不同，甲、乙木板的速度关系v甲2v乙D二人拉木板的速度不同，甲、乙木板的速度关系v乙2v甲答案AC解析由题图b可知，甲的振动幅度较大，乙的振动幅度较小，故A正确；两摆由于摆长相同，则由单摆的性质可知，两摆的周期相同，故B错误；由题图b可知，甲的时间为2T，乙的时间为4T，则由v可知，二人拉木板的速度不同，甲、乙木板的速度关系为v甲2v乙，故C正确，D错误11在飞机的发展史中有一个阶段，飞机上天后不久，机翼很快就抖动起来，而且越抖越厉害，后来人们经过了艰苦的探索，利用在飞机机翼前缘处装置一个配重杆的方法，解决了这一问题，在飞机机翼前缘处装置配重杆的主要目的是()A加大飞机的惯性B使机体更加平衡C使机翼更加牢固D改变机翼的固有频率答案D解析飞机飞上天后，在气流周期性驱动力的作用下做受迫振动，机翼越抖越厉害说明气流驱动力的频率与机翼的固有频率非常接近或相等在机翼前缘处装置配重杆，目的是通过改变机翼的质量来改变其固有频率，使驱动力频率与固有频率相差较大，从而实现减振的目的，D选项正确12(多选)2017年8月8日，四川九寨沟发生7.0级地震，导致很多房屋坍塌，就此事件，下列说法正确的有()A所有建筑物振动周期相同B所有建筑物振幅相同C建筑物的振动周期由其固有周期决定D所有建筑物均做受迫振动答案AD解析所有建筑物均做受迫振动；达到稳定后的振动周期是由驱动力的周期来决定的，而跟振动物体本身的固有周期无关，由于不同建筑物固有频率不尽相同，所以做受迫振动时，它们的振幅不一定相等，故A、D正确，B、C错误13下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则()驱动力频率/Hz304050607080受迫振动振幅/cm10.216.827.228.116.58.3A.f固60HzB60Hzf固70HzC50Hzf固60HzD以上三个都不对答案C解析从如图所示的共振曲线可判断出f驱与f固相差越大，受迫振动的振幅越小；f驱与f固越接近，受迫振动的振幅越大并可以从中看出f驱越接近f固，振幅的变化越慢比较