机械振动（讲义）-2025年高考物理一轮复习

第34讲机械振动

目录

复习目标

网络构建

1考点一简谐运动的基本规律

1考点三简谐运动的两类模型

【夯基・必备基础知识梳理】

【夯基必备基础知识梳理】

知识点1简谐运动的基础知识•

知识点弹簧振子模型和单摆模型

知识点2简谐运动的五个特征

【提升•必考题型归纳】

【提升•必考题型归纳】

考向1简谐运动中各物理量的分析考向1弹簧振子模型

考向2简谐运动的特征应用考向2单摆模型

・考点二简谐运动的公式和图像1考点四受迫振动和共振

【夯基•必备基础知识梳理】【夯基・必备基础知识梳理】

知识点1对简谐运动图像的认识知识点1简谐运动、受迫振动和共振的比较

知识点2由简谐运动图像可获取的信息知识点2对共振的理解

【提升•必考题型归纳】【提升•必考题型归纳】

考向1从振动图像获取信息考向1受迫振动和共振规律

考向2根据条件写出振动方程考向2实际生活中的受迫振动和共振

真题感悟

1、理解和掌握简谐运动的基本规律和图像。

2、能够利用简谐运动的基本规律处理有关弹簧振子和单摆模型的有关问题。

3、理解和掌握受迫振动和共振。

考点要求考题统计考情分析

高考对机械振动的考查较为频繁，题目

(1)简谐运动2023年山东卷第13题

以选择题形式出现的几率较高，难度上

(2)单摆2022年海南卷第4题

大多不大。这部分内容也会与机械波结

(3)受迫振动和共振2022年湖南卷第17题

合考查。

考点一简谐运动的基本规律

―夯基•必备基础知识梳理

知识点1简谐运动的基础知识

（1）定义：如果物体的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图像⑴图像）是一条正弦曲线，这

样的振动是一种简谐运动。

（2）条件：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，并且总是指向平衡位置,

质点的运动就是简谐运动。

（3）平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置。

（4）回复力

①定义：使物体返回到平衡位置的力。

②方向：总是指向平衡位置。

③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。

知识点2简谐运动的五个特征

1.简谐运动的特征

位移特征x=Asin(m+0)

受力特征回复力：F=-kx；F（或a）的大小与x的大小成正比，方向相反。

能量特征系统的动能和势能相互转化，机械能守恒

质点经过关于平衡位置O对称的两点时，速度的大小、动能、势能相等，相对于平衡位置

对称性特征

的位移大小相等；由对称点到平衡位置用时相等。

质点的位移、回复力、加速度和速度随时间做周期性变化，变化周期就是简谐运动的周期

周期性特征

T；动能和势能也随时间做周期性变化，其变化周期为科

2.注意:

（1）弹簧振子（或单摆）在一个周期内的路程一定是4A,半个周期内路程一定是2A,四分之一周期内的

路程不一定是A。

（2）弹簧振子周期和频率由振动系统本身的因素决定（振子的质量m和弹簧的劲度系数k）,与振幅无关。

一提升•必考题型归纳

考向1简谐运动中各物理量的分析

7T

1.有两个弹簧振子1和2做简谐运动：W=3asin（10"初）和％=9asin（10%初+§）,下列说法中正确的是（）

A.两个弹簧振子1和2的振幅不同，频率不同

B.两个弹簧振子1和2的振幅不同，频率相同

C.弹簧振子1超前于弹簧振子2的相位是3

D.弹簧振子1落后于弹簧振子2的相位是胃

【答案】B

【详解】AB.两个弹簧振子1和2的振幅分别为3a和9a,即振幅不同，频率相同，均为力=力=?=56

A错误，B正确；

TT

CD.从公式可以看出弹簧振子1落后于弹簧振子2的相位是CD错误。故选B。

2.如图所示，弹簧振子在A、8之间做简谐运动，。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（）

AOB

A.振动周期是2s,振幅是6cm

B.振动频率是2Hz

C.小球完成一次全振动通过的路程是12cm

D.小球过。点时开始计时，3s内通过的路程为24cm

【答案】C

【详解】A.由题意可知T=*s=2s；A=cm=3cm,A错误；

B.频率7=（解得/=0.5Hz,B错误；

C.小球完成一次全振动通过的路程为振幅的4倍，即s=4x3cm=12cm,C正确；

t3

D.小球在3s内通过的路程为s=^；x4A=5x4x3cm=18cm,D错误。故选C。

考向2简谐运动的特征应用

3.一弹簧振子做简谐运动，周期为T,下列说法中正确的是（）

A.若/时刻和«+时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则加一定等于T的整数倍

B.若r时刻和时刻振子运动位移的大小相等、方向相反，则4一定等于g的整数倍

C.若4=7,则在f时刻和（r+加）时刻振子运动加速度一定相等

D.若加=/,则在/时刻和«+加）时刻弹簧的长度一定相等

【答案】C

【详解】A.f时刻和《+4）时刻振子位移大小相等，方向相同，表示质点经过同一位置，经过的时间加不

一定等于T的整数倍，A错误；

B.若t时刻和"+加）时刻振子位移大小相等，方向相反，表示经过与平衡位置对称的位置，经过的时间加

不一定等于1的整数倍，B错误；

kx

C.若&=T,则在/时刻和"+加)时刻振子的位移一定相同，故加速度。=-三一定相同，C正确；

m

D.若At=工,则在f时刻和"+4)时刻振子的位移大小相等，方向相反，但弹簧长度不相等，D错误。

故选Co

4.一个弹簧振子做简谐运动，若从平衡位置开始计时，经过3s时，振子第一次到达尸点，又经过2s第二次

经过尸点，则该弹簧振子的振动周期可能()

A.32sB.16sC.8sD.—s

3

【答案】BD

【详解】若振子从平衡位置。点开始向右振动，作出示意图如图1所示，由对称性可知，从P到右侧最大

位移处的时间为1s,故弹簧振子的振动周期为工=4、(3+^}=16s若振子从平衡位置。点开始向左振动，

作出示意图如图2所示，设从尸到。的时间为则有三+”至J解得二s则周期为《=4'［；+1卜=*

故选BDo

._______,r*~~.,□二

°P最大位移°P最大位移

图1图2

考点二简谐运动的公式和图像

・夯基•必备基础知识梳理

知识点1对简谐运动图像的认识

1.简谐运动的表达式

(1)动力学表达式：F=~kx,其中“一”表示回复力与位移的方向相反。

(2)运动学表达式：x=Asin(ot+电),其中A代表振幅，0=2^表示简谐运动的快慢。

2.对简谐运动图像的认识

(1)简谐运动的图像是一条正弦或余弦曲线，如图所示。

甲乙

(2)图像反映的是位移随时间的变化规律，随时间的增加而延伸，图像不代表质点运动的轨迹。

知识点2由简谐运动图像可获取的信息

1.判定振动的振幅A和周期T。（如图所示）

2.判定振动物体在某一时刻的位移。

3.判定某时刻质点的振动方向：

①下一时刻位移若增加，质点的振动方向是远离平衡位置;

②下一时刻位移如果减小，质点的振动方向指向平衡位置。

4.判定某时刻质点的加速度（回复力）的大小和方向。

从图像读

F=­kx厂的大小F~~ma。的大小

取x大小--------->

及方向及方向

及方向

5.比较不同时刻质点的势能和动能的大小。质点的位移越大，它所具有的势能越大，动能则越小。

提升•必考题型归纳

考向1从振动图像获取信息

1.如图甲所示为以。点为平衡位置，在A、8两点间运动的弹簧振子，图乙为这个弹簧振子的振动图像,

由图可知下列说法中正确的是（）

A.在f=0.2s时，弹簧振子的加速度为正向最大

B.在f=O.ls与f=0.3s两个时刻，弹簧振子的速度相同

C.从仁0到Z=0.2s时间内，弹簧振子做加速度增大的减速运动

D.在UO.6s时，弹簧振子有最小的位移

【答案】C

【详解】A.在f=0.2s时，弹簧振子的位移为正向最大，加速度为负向最大，故A错误；

B.在f=O.ls与t=0.3s两个时刻，弹簧振子的位移相同，说明弹簧振子在同一位置，速度大小相同，但是

方向相反，故B错误；

C.从f=0至h=0.2s时间内，弹簧振子的位移增大，加速度增大，速度减小，所以弹簧振子做加速度增大

的减速运动，故C正确；

D.在f=0.6s时，弹簧振子的位移为负方向最大，故D错误。故选C。

2.如图1所示，水平地面上固定一轻质弹簧，弹簧竖直放置，其上端连接一轻质薄板。f=0时刻，一可视

为质点的物块从弹簧正上方某处由静止下落，落至薄板上后和薄板始终粘连，其位置随时间变化的图像

（XT图像）如图2所示，其中t=0.2s时物块刚接触薄板。弹簧形变始终在弹性限度内，空气阻力不计，

以竖直向下为正方向，则（）

O

—/

W

W

W

\

M

A

M

〃

///

01图2

A.00.2s,物块的加速度逐渐增大B./=0.2s后物块做简谐运动

C.0.20.4s,物块的加速度先减小后增大D.0.20.4s,物块的加速度先增大后减小

【答案】BC

【详解】A.由题知00.2s,物块做自由落体运动，加速度恒定，A错误；

B.从图像看r=0.2s后的图像为正弦函数，物块做简谐运动，B正确；

CD.0.20.4s,物块受到的弹簧弹力一直增大，弹力先小于重力后大于重力，由牛顿第二定律，物块的加

速度先减小后增大，C正确，D错误。故选BC。

考向2根据条件写出振动方程

3.如图甲所示，弹簧振子以。点为平衡位置，在A、8两点之间做简谐运动，取向右为正方向，振子的位

A.0.3s末和0.5s末，振子的速度方向相同

B.振子做简谐运动的表达式为x=12sin［彳［（cm）

C.f=0.2s时，振子的位移为6cm

D.在0.4s~Q8s时间内，振子的速度和加速度方向始终相同

【答案】BD

【详解】B.由图可知，弹簧振子的振幅为A=12cm,周期为T=1.6s,则振子做简谐运动的表达式为

2TC57r

x=Asin（一/）=12sin（一t）（cm）,B正确;

T4

A.将％=0.3s代入振子做简谐运动的表达式可得，o.3s末弹簧振子的位移为％=12sin«—=12sinw(cm)

将r?=0.5s代入振子做简谐运动的表达式可得，0.5s末弹簧振子的位移为

x,=12sin，^=12sin匕=12sin(%-")=12sin丝(cm)即0.3s末和0.5s末，弹簧振子的位移相同，弹簧振

4888

子位于同一位置，则加速度相同，速度方向相反，A错误；

C.将与=0-2s代入振子做简谐运动的表达式可得，0.2s末弹簧振子的位移为％=12sin?=12x^^cm=60cm,

C错误；

D.由图可知，在0.4s~0.8s时间内，弹簧振子从B点向。点运动，弹簧振子的速度和加速度方向都指向平

衡位置，始终相同，D正确。故选BD。

4.装有一定量液体的玻璃管竖直漂浮在水中，水面足够大，如图甲所示，把玻璃管向下缓慢按压4cm后

放手，忽略运动阻力，玻璃管的运动可以视为竖直方向的简谐运动，测得振动周期为0.5s。以竖直向上为

正方向，某时刻开始计时，其振动图像如图乙所示，其中A为振幅。对于玻璃管，下列说法正确的是()

A.回复力等于重力和浮力的合力

B.振动过程中动能和重力势能相互转化，玻璃管的机械能守恒

C.位移满足函数式x=4sin(cm)

D.在时间内，位移减小，加速度减小，速度增大

【答案】ACD

【详解】A.玻璃管振动过程中，受到重力和水的浮力，这两个力的合力充当回复力，故A正确；

B.玻璃管在振动过程中，水的浮力对玻璃管做功，故振动过程中，玻璃管的机械能不守恒，故B错误；

27rS77

C.由于振动周期为0.5s,故'=4nrad/s由图乙可知振动位移的函数表达式为x=4sin(4加---)(cm)

故C正确；

D.由图乙可知，力“2时间内玻璃管在靠近平衡位置，故位移减小，加速度减小，速度增大，故D正确。

故选ACD。

考点三简谐运动的两类模型

夯基•必备基础知识梳理

知识点弹簧振子模型和单摆模型

模型弹簧振子单摆

-----

示意图

；卜

X

弹簧振子(水平)T

(1)弹簧质量可忽略；(1)摆线为不可伸缩的轻细线；

简谐运动条件(2)无摩擦等阻力；⑵无空气等阻力；

(3)在弹簧弹性限度内(3)最大摆角小于5°

模型弹簧振子单摆

摆球重力沿与摆线垂直(即切向)方向的分

回复力弹簧的弹力

力

平衡位置弹簧处于原长处最低点

7=211喘

周期与振幅无关

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

.提

考向1弹簧振子模型

i.一个小物块拴在一个轻弹簧上，并将弹簧和小物块竖直悬挂处于静止状态，以此时小物块所处位置为坐

标原点。，以竖直向下为正方向建立Ox轴，如图所示。先将小物块竖直向上托起使弹簧处于原长，然后将

TT

小物块由静止释放并开始计时，经过mS,小物块向下运动20cm第一次到达最低点，已知小物块在竖直方

向做简谐运动，重力加速度g=10m/s2,忽略小物块受到的阻力，下列说法正确的是()

/4

rb

—T

X

A.小物块的振动方程为x=0.1sin（10/+：J（国际单位）

B.小物块的最大加速度为2g

C.小物块的最大速度为0m/s

万

D.小物块在0~13^s的时间内所经过的路程为85cm

【答案】D

Jr27r

【详解】A.由对称性可知弹簧振子的振幅为A=10cm弹簧振子的振动周期为T=gs则。=:=10rad/s

小物块运动的初始位置为负的最大位移处，所以小物块的振动方程为x=0.1sin110f+1万）选项A错误；

B.根据简谐运动的对称性，小物块在最高点和最低点时的加速度最大，根据牛顿第二定律可得小物块最大

加速度为g,B错误；

C.小物块在平衡位置时的速度最大，若仅有重力势能和动能的的转化，有机gAx=3根1解得速度

v=&m/s由于弹簧有弹性势能，所以最大速度不是0m/s,选项C错误；

D.空s为29个周期，根据x=0.1sin（10f+：万］可得小物块!个周期的位移x=0Q5m所以0~^s的时

间内小物块走的总路程为8A+0.05m=85cm选项D正确。故选D。

2.如图所示，质量均为机的两物体A、B用劲度系数为上的轻质弹簧拴接，物体C叠放在物体B上，系统

处于静止状态。现将C瞬间取走，物体A恰好不离开地面。已知弹性势能的表达式为£「=；履2,其中尤为

弹簧的形变量E，重力加速度为g。以下说法正确的是（）

HB

A.物体C的质量为3ff7

B.物体B运动到最高点时的加速度大小为3g

C.物体B的最大速度大小为2g件

D.物体B上升的最大高度为学

k

【答案】C

【详解】A.C物体叠加在B物体上面静止时，由二力平衡3=（〃2+〃^c）g拿走C物体后，B物体在弹簧上

做简谐运动，其在平衡位置时，弹簧压缩长度有小=〃陪其振幅A=占-尤。当B物体上升到最高点，此时弹

簧拉伸长度最长，由于物体A恰好不离开地面，由二力平衡在=:咫所以由振幅相等A=w+x0=占-尤0

解得物体C的质量为牝=2m故A错误；

B.B物体在最高点受重力和弹簧弹力，由于物体A恰好不离开地面，故%=mg所以由牛顿第二定律可得

B物体在最高点的加速度为。=.=2g故B错误；

m

D.物体B上升的最大高度为/z=2A=等故D错误；

k

C.当B物体经过平衡位置的时候其速度最大，B物体从最高点回落到平衡位置的过程中，B物体与弹簧组

成的系统机械能守恒，则4=（机用+!你;解得物体B的最大速度大小为%=2g、口故C正确。

222Vk

故选Co

考向2单摆模型

3.惠更斯利用摆的等时性发明了带摆的计时器，叫摆钟，如图甲所示，摆钟运行时克服摩擦所需的能量由

重锤的势能提供，运动的速率由钟摆控制，旋转钟摆下端的螺母可以使摆上的圆盘沿摆杆上下移动，简化

图如图乙所示.下列说法正确的是（）

A.摆钟慢了，应使圆盘沿摆杆下移

B.摆钟快了，应使圆盘沿摆杆下移

C.把摆钟从北京移到上海，应使圆盘沿摆杆上移

D.把摆钟从山顶移到山脚，应使圆盘沿摆杆上移

【答案】BC

【详解】AB.若摆钟变慢，是因为周期变大，单摆的周期公式为T=2万后，应减小摆长，即上移圆盘，

同理，若摆钟变快，应下移圆盘，故A错误、B正确；

C.从北京到上海，g值变小，周期变大，应减小摆长，即上移圆盘，故C正确；

D.从山顶到山脚，g值变大，周期变小，应增大摆长，即下移圆盘，故D错误。故选BC。

4.如图所示，三根长度均为L的轻细绳a、b、c组合系住一质量分布均匀且带正电的小球m,球的直径为

mg

d（d<L）,绳Ac与天花板的夹角a=30。，空间中存在平行于纸面竖直向下的匀强电场，电场强度£

q

重力加速度为g,现将小球拉开小角度后由静止释放，则（）

若小球在纸面内做小角度的左右摆动，则周期为2%2a

A.

V2g

若小球做垂直于纸面的小角度摆动，则周期为2国PM

B.

V4g

C.摆球经过平衡位置时合力为零

D.无论小球如何摆动，电场力都不做功

【答案】B

【详解】根据题意可知，若小球以。,为圆心做简谐运动，则摆长为电场和重力场合成等效重力加

速度为2g,振动的周期为丁上.2万尸”根据题意可知，若小球以。为圆心做简谐

142g丫2gN4g

运动，摆长/'=L+Lsina+［振动周期为T=?兀£=2小七之吧望=2万反包摆球经过平衡位置

22\2g\2g一14g

时速度最大，合力不为零；小球摆动过程中，沿电场力方向存在位移，故电场力有做功。故选B。

考点四受迫振动和共振

・夯基•必备基础知识梳理

知识点1简谐运动、受迫振动和共振的比较

1.受迫振动：系统在驱动力作用下的振动。物体做受迫振动达到稳定后，物体振动的周期（或频率）等于驱

动力的周期（或频率），与物体的固有周期（或频率）无关。

2.简谐运动、受迫振动和共振的比较

振动

简谐运动受迫振动共振

项目

受力情况仅受回复力受驱动力作用受驱动力作用

振动周期由系统本身性质决定，即由驱动力的周期或频率决

T驱=7b或/驱=于0

或频率固有周期n或固有频率%定，即T=T驱或尸7驱

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

机械工作时底座发生的振

常见例子弹簧振子或单摆（把5。）共振筛、声音的共鸣等

动

知识点2对共振的理解

1.共振：做受迫振动的物体，它的固有频率与驱动力的频率越接近，其振幅就越大，当二者相等时,振幅

达到最大，这就是共振现象。受迫振动的振幅与驱动力频率的关系如图所示。

2.共振曲线：如图所示，横坐标为驱动力频率力纵坐标为振幅A,它直观地反映了驱动力的频率对某固有

频率为力的振动系统做受迫振动振幅的影响，由图可知，/与力越接近，振幅A越大；当尸%时，振幅A

最大。

3.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。

.提升•必考题型归纳

考向1受迫振动和共振规律

1.同一地点，甲、乙单摆在驱动力作用下振动，其振幅A随驱动力频率/变化的图像如图所示，下列说法

正确的是（）

A.若驱动力的频率为历，乙单摆振动的频率大于力

B.若驱动力的频率为力,乙单摆振动的频率等于历

C.若驱动力的频率为3%,甲、乙单摆振动的振幅相同

D.若驱动力的频率为3%,甲、乙单摆振动的频率均为3%

【答案】BD

【详解】ABD.当物体做受迫振动时，物体振动的频率等于驱动力的频率，故A错误，BD正确；

C.受迫振动物体的固有频率与驱动力频率越接近，振幅越大，由图可知，甲的固有频率是力，乙的固有频

率是物，若驱动力的频率为3%,甲单摆振动的振幅小于乙单摆振动的振幅，故C错误。故选BD。

2.如图甲所示，在曲轴上悬挂一弹簧振子，转动摇把，曲轴可以带动弹簧振子上下振动。开始时不转动摇

把，让振子自由上下振动，其振动曲线如图乙所示；然后以某一转速匀速转动摇把，当振子振动稳定后，

A.振子振动稳定后的振动周期为0.8s

B.把手匀速转动的转速为150r/min

C.为了增大振子振动的振幅，应增大把手的转速

D.当把手匀速转动的频率为2.5Hz时，振子振动的振幅最大

【答案】ACD

【详解】A.弹簧振子振动稳定时的频率和周期与自身的固有周期和频率无关，等于受迫振动时驱动力的频

率和周期，而匀速转动摇把施加驱动力的周期为0.8s,故A正确；

B.由图知，摇把匀速转动的周期为0.8s,转动频率为/=77^Hz=1.25Hz转速〃=I.25x60r/min=75r/min

i[U.o

故B错误；

C.弹簧振子自由振动时的周期为0.4s,振动频率为力=/=^Hz=2.5Hz由于此时遥把匀速转动的周期为

0.8s,转动频率为1.25Hz,要增大振子振动的振幅，必须使摇把的转动频率向弹簧振子的固有频率靠近，因

此应增大摇把的转速，故C正确；

D.匀速转动摇把，当振子振动的振幅最大时，驱动力的频率应该和弹簧振子的固有频率相同。弹簧振子上

下自由振动时的周期为0.4s,振动频率为2.5Hz,故当摇把匀速转动的频率为2.5Hz时，振子振动的振幅最

大，故D正确。故选ACD。

考向2实际生活中的受迫振动和共振

3.为了提高松树上松果的采摘率和工作效率，工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松

果落下的两种装置，如图甲、乙所示。则（）

甲7,

A.打击杆对不同粗细树干打击结束后，树干的振动频率相同

B.随着振动器频率的增加，树干振动的幅度一定增大

C.稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同

D.振动器工人开动机器后迅速远离振动器，他听到的振动器声调不变

【答案】C

【详解】A.打击结束后，树干做阻尼振动，阻尼振动的频率为树干的固有频率，此时粗细不同的树干振动

频率不同，故A错误；

B.当振动频率大于树木的固有频率时，随着振动器频率的增加，树干振动的幅度将减小，故B错误；

C.受迫振动的频率等于周期性外力的频率，树干在振动器的振动下做受迫振动，则稳定后，不同粗细树干

的振动频率始终与振动器的振动频率相同，故C正确；

D.根据多普勒效应，振动器工人开动机器后迅速远离振动器，他听到的振动器频率变小，声调将变低，故

D错误；故选C。

4.轿车的“悬挂系统”是指由车身与轮胎间的弹簧及避震器组成的整个支持系统。已知某型号轿车“悬挂系统”

的固有频率是2Hz。如图所示，这辆汽车正匀速通过某路口的条状减速