【红对勾】高考物理 机械振动课件

内容要求简谐运动Ⅰ简谐运动的公式和图象Ⅱ单摆、周期公式Ⅰ受迫振动和共振Ⅰ机械波Ⅰ横波和纵波Ⅰ横波的图象Ⅱ波速、波长和频率(周期)的关系Ⅱ波的干涉和衍射现象Ⅰ实验：研究单摆的运动、用单摆测重力加速度弹簧振子，简谐运动的振幅、周期和频率，简谐运动的振动图象，单摆，在小振幅条件下单摆作简谐振动，周期公式，振动在介质中的传播——波．横波和纵波，横波的图象，波长、频率和波速的关系．这些内容是本章高考的热点．在近几年的高考中所涉及的知识均为这些知识点中的一、二个，而且都是选择题，题目多数为中等难度(在0.6左右)．其他的知识点有：振动中的能量转化，简谐运动中的机械能守恒，受迫振动，受迫振动的振动频率，共振及其常见的应用，波的干涉、衍射现象，声波．由于近年来高考题目总数减少，而知识覆盖面又不能低于考试说明中所列二十个单元的80%的缘故，题目的综合程度要有一定提高．本章知识虽然与有关运动的各种物理量联系密切，但规律较为复杂，对中学生来说用数学语言进行表述比较困难，在一道题中涉及多个知识单元的题目相对较少，所以作为大题出现的可能性较小．预计在高考中将仍以选择、填空或作图的方式出现，在波的图象上出题的次数仍将最高，用图象考核理解能力和推理能力以及对波的图象的理解和应用的题目应予以足够的重视．1．在复习振动时，注意该部分问题高中阶段要求虽不太高，但该部分知识比较琐碎、概念较多，且振动的规律与学生们熟知的直线运动规律存在很大差异，应在理解概念和规律上多下功夫．重点是简谐运动的四个过程，在振动过程中回复力、位移、速度、加速度的变化规律．单摆的振动及单摆的周期公式，是本章的一个重点．本章为数不多的计算题大多与单摆有联系，特别像其中的快、慢钟的调节、复合场中单摆周期的变化问题等是学生学习中典型的难点问题，应注意多做练习加以突破．周期性和对称性是振动的特征，充分利用这些特点可为解决振动问题提供很大的帮助．在复习中应选取典型例题加以训练．2．在波动问题中，深刻理解波的形成过程，前后质点振动的关系是关键．波动中各质点都在平衡位置附近做周期性振动，后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动．波动是全部质点联合起来共同呈现的现象．只有把波的形成过程弄清楚了，才能针对实际问题进行分析判断．例如，1999年全国高考第16题．根据波长、频率、速度、周期间的关系进行计算是本章计算问题的一个集中点，尽管计算并不复杂，但不能掉以轻心．应注意频率由振源决定，波速由介质决定这一关键概念．另外，多解性是该部分题目的又一个特征，应多结合例题反复练习，真正理解和掌握这一问题．3．波动和振动都呈周期性，且图象完全相似，这正是学生易将两者混淆的原因所在．在复习中应注意分清两者物理意义上的差别：振动讨论的是某一质点的运动规律，而波动则是参与振动的一系列质点的“群体效应”，振动图象是直观、形象地反映振动规律的有用工具，在复习中应结合具体的振动模型的振动情况加深对其物理意义的理解．而波动图象则直观、形象地揭示了较为抽象的波动规律，复习中，在弄清其物理意义的基础上，应注意利用其特殊作用，应能熟练地应用一些基本方法，如“微平移法”、“振动步调比较法”(即“带动法”)等，用它们确定图象上某一质点的振动方向和波的传播方向等．相对于振动图象，波动图象学生理解起来会感到难度更大一些，难就难在“静”(图象描述某一时刻所有质点的空间分布规律)和“动”(某一段时间后图象沿传播方向平移)的联系上，这是复习中应首要解决的问题．有关图象的问题，虽然高考年年有，但万变不离其宗，只要真正把振动与波的关系搞清了，真正理解两个图象的物理意义了，也就完全可以适应高考了．在这一方面毋需做太多的练习，应在理解图象的物理意义上多下功夫．4．波波的干干涉问问题不不是本本章的的重点点，但但是一一个难难点．．在形形象演演示波波的干干涉5．在在复习习中也也要注注意到到综合合能力力的训训练，，注重重联系系实际际，解解决实实际问问题．．例如如共振振、回回声、、水波波的形形成等等一些些常见见的现现象均均涉及及到振振动与与波的的知识识，对对这些些现象象应能能用有有关的的知识识作出出解释释，不不需要要过于于强调调研究究其中中的细细节问问题，，但有有关的的原理理必须须弄清清．课时1机机械振振动知识点点一简谐运运动及及简谐谐运动动的规规律——知知识回回顾———一、机机械振振动1．定义：：物体(或物物体的的一部部分)在平平衡位位置附附近的的运动．．2．回复力力：使振动动的物物体返返回的力叫叫做回回复力力，回回复力力总指指向平平衡位位置，，是以以命名的的力，，它是是振动动物体体在方向上上的合合外力力．往复平衡位位置效果振动3．平平衡位位置：：物体原原来静静止的的位置置．物物体振振动经经过平平衡位位置时时处于平平衡状状态，，如单单摆．．4．简谐运运动如果物物体所所受回回复力力的大大小与与位移移大小小成，并且且总是是指向向平衡衡位置置，则则物体体的运运动叫叫简谐谐运动动．不一定定正比二、描描述简简谐运运动的的物理理量1．位移：振动物体的的位移是物物体相对于2．速度：简谐运动是变加速运动．物体经平衡位置时速度

，物体在最大位移处时速度为零，且物体的速度在最大位移处改变方向．平衡位置平衡位置最大4．回复力力(1)来源源：是振动动物体所受受的沿振动动方向所有有力的合力力．(2)效果果：产生振振动加速度度，改变速速度的大小小，使物体体回到平衡衡位置．(3)举例例：①水平平弹簧振子子的回复力力即为弹簧簧的弹力；；②竖直悬悬挂的弹簧簧振子的回回复力是弹弹簧弹力和和重力的合合力；③单单摆的回复复力是摆球球所受重力力在圆周切切线方向的的分力，不不能说成是是重力和拉拉力的合力力．(4)F＝－kx中“－”号号表示回复复力与位移移x反向．5．振幅幅、周期期(频率率)、相相位(1)振振幅：反反映振动动质点振振动强弱弱的物理理量，它它是标量量．(2)周周期和频频率：描描述振动动快慢的的物理量量，其大大小由振振动系统统本身来来决定，，与振幅幅无关．．也叫做做固有周周期和固固有频率率．(3)相位：：是用来描述述周期性运动动在各个时刻刻所处的不同同状态的物理理量，其单位位为弧度．特别提提示(1)振动动物体体经过过同一一位置置时，，其位位移大大小、(2)当振子经过平衡位置时，回复力一定为零，但所受合外力不一定为零．三、、简简谐谐运运动动的的规规律律1．简谐谐运运动动(1)动力学表达式：F＝－kx其中“－”表示回复力与位移的方向相反．(2)运动学表达式：x＝Asin(ωt＋φ)2(1)瞬时量的对称性：做简谐运动的物体，在关于平衡位置对称的两点，回复力、位移、加速度具有等大反向的关系．另外速度的大小、动能具有对称性，速度的方向可能相同或相反．(2)过过程程量量的的对对称称性性：：振振动动质质点点来来回回通通过过相相同同的的两两点点间间的的时时间间相相等等，，如如tBC＝tCB；质质点点经图13．．简简谐谐运运(1)从平衡位置开始计时，函数表达式为x＝Asinωt，图象如图2.

图2图3(2)从最大位移处开始计时，函数表达式x＝Acosωt，图象如图3.特别别提提(1)简谐运动的图象并非振动质点的运动轨迹．(2)利用简谐运动的对称性，可以解决物体的受力问题，如放在竖直弹簧上做简谐运动的物体，若已知物体在最高点的合力或加速度，可求物体在最低点的合力或加速度．——要点简谐运动的两个基本模型的比较——基础础自测———1图4(1)OB＝________cm.(2)第0.2s末质质点的的速度度方向向是________，，加速速度大大小为为________．(3)第0.4s末质质点的的加速速度方方向是是________；(4)第0.7s时，，质点点位置置在________点点与________点点之间间．(5)质点点从O运动到到B再运动动到A所需时时间t＝________s.(6)在4s内完完成________次次全振振动．．答案：：(1)5(2)O→A0(3)A→O(4)OB(5)0.6(6)52．如如图5所示示为一一单摆摆及其其振动动图象象．由由图回回答：：图5(1)若摆摆球从从E指向G为正方方向，，α为最大大摆角角，则则图象象中O、A、B、C点分别别对应应单摆摆中的的________点．．一周周期内内加速速度为为正且且减小小，并并与速速度同同方向向的时时间范范围是是________．势势能增增加且且速度度为正正的时时间范范围是是________．(2)单摆摆摆球球多次次通过过同一一位置置时，，下述述物理理量变变化的的是________．．A．位移B．．速度C．加速度D．动量E．动能 F．摆线张力(3)求单摆摆的摆长(g＝10m/s2π2≈10)．摆动中EF间加速度为正正，且靠近平平衡位置过程程中加速度逐逐渐减小，所所以是从F向E的运动过程，，在图象中为为C到D的过程，时间间范围是1.5～2.0s间．摆摆球远离平衡衡位置势能增增加，即从E向两侧摆动，，而速度为正正，显然是从从E向G的过程，在图图象中为从O到A，时间范围是是0～0.5s间．答案：(1)E、G、E、F1.5～2.0s0～0.5s(2)BD(3)1m知识点二受迫振动和共共振——知识回顾顾——1．驱动力：：周期性的外力力作用于振动动系统，对系系统做功，克克服阻尼作用用，补偿系统统的能量损耗耗，使系统持持续地振动下下去，这种周周期性的外力力叫驱动力．．2．受迫振动：是物体在周期期性外力作用用下的振动，，其振动频率率和固有频率率无关，等于于驱动力的频频率．3．共振：驱动力的频率率接近物体的的固有频率时时，受迫振动动的振幅增大大，这种现象象称为共振．．(1)产生共共振的条件：：驱动力频率率等于物体固固有频率．(2)共振的的应用：共振振筛，共振测测速．(3)共振曲曲线如图6所示，，以驱动力频频率为横坐标标，以受迫振振动的振幅为图6振动类型项目受迫振动共振受力情况周期性驱动力作用周期性驱动力作用振动周期或频率由驱动力的周期或频率决定，即T＝T驱或f＝f驱T驱＝T固或f驱＝f固振动能量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机械工作时底座发生的振动共振筛、转速计等——基础自自测——如图7所示示是一个单单摆做受迫迫振动时的的共振曲线线，表示振振幅A与驱动力的的频率f的关系，下下列说法正正确的是()A．摆长约约为10cmB．摆长约约为1mC．若增大大摆长，共共振曲线的的“峰”将将向右移动动D．若增大大摆长，共共振曲线的的“峰”将将向左移图7解析：由单摆做受受迫振动时时的共振曲曲线可知，，当单摆发发生共振时时，固有频频率等于驱驱动力的频频率，即固固有频率为为0.5Hz，因因而固有周周期为2s，由单单摆的周期期公式可知知，此单摆摆的摆长约约为1m，B正确确；若增大大摆长，周周期变长，，频率变小小，共振曲曲线的“峰”将向向左左移移动动，，D正正确确．．答案案：：BD题型型一一简谐谐运运动动的的图图象象[例A．若规定状态a时t＝0，则图象为①B．若规定状态b时t＝0，则图象为②C．若规定状态c时t＝0，则图象为③D．若规定状态d时t＝0，则图象为④图8[解解析析]若t＝0，，质质点点处处于于a状态态，，则则此此时时x＝＋＋3cm，，运运动动方方向向为为正正方方向向，，只只有有图图①①对对；；若若t＝0时时质质点点处处于于b状态态，，此此时时x＝＋＋2cm，，运运动动方方向向为为负负方方向向，，图图②②不不对对；；若若取取处处于于c状态态时时t＝0，，此此时时x＝－－2cm，，运运动动方方向向为为负负方方向向，，故故图图③③不不正正确确；；若若取取状状态态d为t＝0，此此时x＝－4cm图图④刚好好符合，，故A、、D正确确．[答案]AD题后反思思振动图象象反映的的是振动动物体在在不同时时刻随时时间变化化的规律律：1．只有有简谐运运动的图图象才是是正弦(或余2．从振动图象可以知道振幅、周期、任一时刻振动物体的位移x及振动物体的运动方向．变式1——1一质点做做简谐运运动的图图象如图图9所示示，下列列说法正正确的是是()A．在0.035s时，速速度为正正，加速速度为负负B．在0.04s时时，速度度最大，，加速度度为0C．在0至0.01s内，，速度和和加速度度同向D．在第第二个0.01s内内，回复复力做负负功图9解析：在0.035s时，，质点沿沿＋x方向运动动，速度度为正，，位移为为正，而而加速度度为负，，A对；；在0.04s时，，质点位位移正向向最大，，速度为为零，加加速度负负向最大大，B错错；在0至0.01s内，，质点由由正向最最大位移移向平衡衡位置运运动，C对；在在第二个个0.01s内，质质点由平平衡位置置沿－x轴运动动，回回复力力做负负功，，D对对．答案：：ACD题型二二单摆周周期公公式的的应用用[例2]如图10所所示，，图10一个光光滑的的圆弧弧形槽槽半径径为R，圆弧弧所对对的圆圆心角角小于于5°°.AD的长为为x，今有有一小小球m1以沿AD方向的的初速速度v从A点开始始运动动，要要使小小球m1可以与与固定定在D点的小小球m2相碰撞撞，那那么小小球m1的速度度v应满足足什么么条件件？题后反反思解答本本题时时要注注意以以下两两点：：(1)小球球的运运动虽虽不是是单摆摆的运运动，，但小小球沿沿AB弧方向向上的的运动动可等等效为为单摆摆运动动．(2)多解解是本题的的一个重要要特点，解解题时不要要只考虑一一种特殊情情况，以免免造成解答答的局限性性．图11题型三受迫振动和和共振[例3]一砝码和一一轻弹簧构构成弹簧振振子，图12所示的的装置可用用于研究该该弹簧振子子的受迫振振动．匀速速转动把手手时，曲杆杆给弹簧振振子以驱动动力，使振振子做受迫迫振动．把把手匀速转转动的周期期就是驱动动力的周期期，改变把把手匀速转转动的速度度就可以改改变驱动力若用T0表示弹簧振振子的固有有周期，T表示驱动力力的周期，，Y表示受迫振振动达到稳稳定后砝码码振动的振振幅，则()图12A．由图线线可知T0＝4sB．由图线线可知T0＝8sC．当T在4s附附近时，Y显著增大；；当T比4s小小得多或大大得多时，，Y很小D．当T在8s附附近时，Y显著增大；；当T比8s小小得多或大大得多时，，Y很小图13[解析]由题意可知知，图13甲是自由由振动的振振动图线，，固有周期期T0＝4s，，选项A正正确．由共振曲线线规律可知知，当受迫迫振动的周周期T越接近固有有周期T0时，振幅越越大；当受受迫振动的的周期T远离固有周周期T0时，振幅明明显变小，，选项C正正确．[答案]AC题后反思(1)解答答受迫振动动和共振的的问题时要要抓住两点点：①受迫迫振动的频频率等于驱驱动力的频频率；②当当受迫振动动的频率越越接近固有有频率时，，受迫振动动的振幅越越大，否则则越小．(2)生活活中受迫振振动的例子子很多，要要善于利用用受迫振动动和共振的的原理解释释生活中的的一些现象象．图14A．A，B，C，D四个单摆的的周期均相相同B．只有A，C两个单摆的的周期相同同C．B，C，D中因D的质量最小小，故其振振幅是最大大的D．B，C，D中C的振幅最大大解析：在A的驱动下，，B，C，D均做受迫振振动，受迫迫振动的频频率均与驱驱动力的频频率(A的固有频率率)相等，，与各自的的固有频率率无关，所所以选项A正确，B选项错误误．能否达达到最大振振幅，即共共振，应判判断f固是否与f驱相等．对于于单摆而言言，固有频频率是与摆摆球质量无无关的，所所以不必考考虑摆球的的质量．在在B，C，D中，只有C球的固有频频率等于驱驱动力的频频率，所以以在B，C，D中C的振幅最大大．答案：AD1．(2009·上海高高考)做简谐运动动的单摆摆摆长不变，，若摆球质质量增加为为原来的4倍，摆球球经过平衡衡位置时速速度减小为为原来的1/2，则则单摆振动动的()A．频率、、振幅都不不变B．频率率、振幅都都改变C．频率不不变，振幅幅改变D．频频率改变，，振幅不变变答案：CA．第1s末与第第3s末末的位移相相同B．第1s末与第第3s末末的速度相相同C．第3s末至第第5s末末的位移方方向都相同同D．第3s末至第第5s末末的速度方方向都相同同答案：AD3．(2009·宁夏、、辽宁高考考)某振动系统统的固有频频率为f0，在周期性性驱动力的的作用下做做受迫振动动，驱动力力的频率为为f.若驱动力力的振幅保保持不变，，下列说法法正确的是是()A．当f<f0时，该振动动系统的振振幅随f增大而减小小B．当f>f0时，该振动动系统的振振幅随f减小而增大大C．该振动动系统的振振动稳定后后，振动的的频率等于于f0D．该振动动系统的振振动稳定后后，振动的的频率等于于f解析：