高考物理难点精讲 机械振动机械波

高考物理难点精讲 机械振动机械波内容摘要：

1、第 1 页 共 28 页高考复习难点精讲：机械振动机械波目的要求：理解简谐振动和波的传播过程中各量变化的规律特点掌握单摆模型的有关计算利用横波的传播规律和利用波的图象进行综合分析过程及内容：第 1 课时：简谐振动、振动图像知识简析 一、机械振动1、机械振动：物体（或物体的一部分）在某一中心位置两侧做的往复运动振动的特点:存在某一中心位置;往复运动, 振动物体受到回复力作用;阻尼足够小;2、回复力：振动物体所受到的总是指向平衡位置的合外力回复力时刻指向平衡位置;回复力是按效果命名的, 可由任意性质的力提供可以是几个力的合力也可以是一个力的分力; 合外力：指振动方向上的合外力，而不一定是物体受到的 2、合外力在平衡位置处：回复力为零，而物体所受合外力不一定为零如单摆运动，当小球在最低点处，回复力为零，而物体所受的合外力不为零3、平衡位置：是振动物体受回复力等于零的位置；也是振动停止后，振动物体所在位置；平衡位置通常在振动轨迹的中点。 “平衡位置”不等于“平衡状态”。 平衡位置是指回复力为零的位置，物体在该位置所受的合外力不一定为零。 （如单摆摆到最低点时，沿振动方向的合力为零，但在指向悬点方向上的合力却不等于零，所以并不处于平衡状态）二、简谐振动及其描述物理量1、振动描述的物理量（1 ）位移：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段 是矢量，其最大值等于振幅；始点是平衡位置，所以跟回复力方向 3、永远相反；位移随时间的变化图线就是振动图象（2 ）振幅：离开平衡位置的最大距离是标量； 表示振动的强弱；（3 ）周期和频率：完成一次全变化所用的时间为周期 T，每秒钟完成全变化的次数为频率f二者都表示振动的快慢；二者互为倒数；T=1/f；当 T 和 f 由振动系统本身的性质决定时（非受迫振动） ，则叫固有频率与固有周期是定值，固有周期和固有频率与物体所处的状态无关2、简谐振动：物体所受的回复力跟位移大小成正比时，物体的振动是简偕振动受力特征：回复力 F=运动特征：加速度 a=一 kxm，方向与位移方向相反，总指向平衡位置。 简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零；在最大位移 4、处，速度为零，加速度最大。 说明：判断一个振动是否为简谐运动的依据是看该振动中是否满足上述受力特征或运动特征。 简谐运动中涉及的位移、速率、加速度的参考点，都是平衡位置.【例 1】如图所示，轻质弹簧上端固定，下端连结一小球，平衡时小球处于 O 位置，现将小球由 O 位置再下拉一小段距离后释放（在弹性限度内） ，试证明释放后小球的上下振动是简谐振动，第 2 页 共 28 页证明：设小球的质量为 m，弹簧的劲度系数为 k，小球处在 O 位置有：mg式中 x 为小球处在 O 位置时弹簧的伸长量再设小球离开 O 点的位移 x（比如在 O 点的下方） ，并取 x 为矢量正方向，此时小球受到的合外力：mgk（ 5、x x）由两式可得： 所以小球的振动是简谐振动，O 点即其振动的平衡位置点评：这里的 F=是弹簧的弹力，而是弹力与重力的合力，即振动物体的回复力此时弹力为 k（xx ） ；所以求回复力时 Fx 是相对平衡位置的位移，而不是相对弹簧原长的位移三弹簧振子：1、一个可作为质点的小球与一根弹性很好且不计质量的弹簧相连组成一个弹簧振子一般来讲，弹簧振子的回复力是弹力（水平的弹簧振子）或弹力和重力的合力（竖直的弹簧振子）提供的弹簧振子与质点一样，是一个理想的物理模型2、弹簧振子振动周期：T=2 ，只由振子质量和弹簧的劲度决定，与振幅无关，也与弹簧振动情况（如水平方向振动或竖直方向振动或在光滑的斜面上振动或 6、在地球上或在月球上或在绕地球运转的人造卫星上）无关。 3、可以证明，竖直放置的弹簧振子的振动也是简谐运动，周期公式也是。 这个结论可以直接使用。 4、在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力；在竖直方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。 【例 2】如图所示，在质量为 M 的无下底的木箱顶部用一轻弹簧悬挂质量均为m（M m）的 D、B 两物体箱子放在水平地面上，平衡后剪断 D、B 间的连线，此后 D 运动到最高点时，木箱对地压力为（ ）A、 B （Mm）g； C、 （Mm）g ； D、 （M2m）g【解析】当剪断 D、B 间的连线后，物体 D 与弹簧一起可当作弹簧振子，它们将作简谐 7、运动，其平衡位置就是当弹力与 D 的重力相平衡时的位置初始运动时 D 的速度为零，故剪断 D、B 连线瞬间 D 相对以后的平衡位置的距离就是它的振幅，弹簧在没有剪断 D、B 连线时的伸长量为 mgk ，在振动过程中的平衡位置时的伸长量为x2k，故振子振动过程中的振幅为 Ax2mg在运动过程中，能上升到的最大高度是离其平衡位移为 A 的高度，由于 D 振动过程中的平衡位置在弹簧自由长度以下 mgk 处，刚好弹簧的自由长度处就是物 D 运动的最高点，说明了当 D 运动到最高点时， D 对弹簧无作用力，故木箱对地的压力为木箱的重力评：一般说来，弹簧振子在振动过程中的振幅的求法均是先找出其平衡位置，然 8、后找出当振子速度为零时的位置，这两个位置间的距离就是振幅本题侧重在弹簧振子运动的对称性解答本题还可以通过求 D 物运动过程中的最大加速度，它在最高点具有向下的最大加速度，说明了这个系统有部分失重，从而确定木箱对地面的压力四、振动过程中各物理量的变化情况位移 X 回复力 F 加速度 a 速度 小 方向 大小 方向 大小 方向 大小 势能 动能第 3 页 共 28 页平衡位置 O 0 0 0 最大 最小 最大最大位移处 A 指向 A 最大 指向O 最大 指向 O 0 最大 0 最大 最小平衡位置 O最大位移处 A 指向 最大指向最大 指向 O 最大 O最小最大最大最小最大位移处A平衡位置 最大0 9、指向O 最大0 指向 O 最大0 AO 0 最大 最大最小 最小最大说明:简谐运动的位移、回复力、加速度、速度都随时间做周期性变化（正弦或余弦函数） ，变化周期为 T，振子的动能、势能也做周期性变化，周期为 T2。 凡离开平衡位置的过程，v、减小，x、F、a、增大；凡向平衡位置移动时，v、 增大, x、F 、a、减小 .振子运动至平衡位置时，x、F 、a 为零，小，v、大；当在最大位移时，x、F、a、大，v、为零；在平衡位置两侧的对称点上,x 、F 、a、v、P 的大小均相同【例 3】如图所示，一弹簧振子在振动过程中，经 a、b 两点的速度相同，若它从 a 到 2s，从 b 再回到 a 的最短时 10、间为 04s，则该振子的振动频率为（ ）。 （A）1B）（C）2D） 25子经 a、b 两点速度相同，根据弹簧振子的运动特点，不难判断 a、b 两点对平衡位置（O 点）一定是对称的，振子由 b 经 O 到 a 所用的时间也是 02s，由于“从 b 再回到 a 的最短时间是 04s， ”说明振子运动到 b 后是第一次回到 a 点，且 是振子的最大位移。 设图中的 c、d 为最大位移处，则振子从bcb 历时 02s，同理，振子从 ada，也历时 02s，故该振子的周期 T08s，根据周期和频率互为倒数的关系，不难确定该振子的振动频率为 125 综上所述，本题应选择（B）。 五、示振动物体（或质点）的 11、位移随时间变化的规律横轴表示时间，纵轴表示位移，谐运动的图象是正弦（或余弦）曲线可直观地读取振幅 A、周期 T 以及各时刻的位移 x；判定各时刻的回复力、速度、加速度方向；判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能、等物理量的变化情况注意：振动图象不是质点的运动轨迹计时点一旦确定，形状不变，仅随时间向后延伸。 简谐运动图像的具体形状跟计时起点及正方向的规定有关。 规律方法 1、简谐运动的特点【例 4】 （1995 年全国）一弹簧振子作简谐振动，周期为 T（ ）A若 t 时刻和（ tt）时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则 t 一定等于T 的整数倍B若 t 时刻和（t t）时刻振子运动 12、速度的大小相等、方向相反，则上 t 一定等于T/2 的整数倍C若 t=T，则在 t 时刻和（tt）时刻振子运动的加速度一定相等第 4 页 共 28 页D若 tT/2，则在 t 时刻和（t 十 t）时刻弹簧的长度一定相等解析:做简谐运动时，振子由平衡位置到最大位移，再由最大位移回到平衡位置，两次经过同一点时，它们的位移大小相等、方向相同，其时间间隔并不等于周期的整数倍，选项 理在振子由指向最大位移，到反向最大位移的过程中，速度大小相等、方向相反的位里之间的时间间隔小于 T/2，选项 B 错误。 相差 T/2 的两个时刻，弹黄的长度可能相等，振子从平衡位置开始振动、再回到平衡位置时，弹簧长度相等、也 13、可能不相等、选项D 错误。 若 tT ，则根据周期性，该振子所有的物理量应和 t 时刻都相同，a 就一定相等，所以，选项 C 正确。 本题也可通过振动图像分析出结果，请你自己尝试一下。 【例】如图所示，一弹簧振子在光滑水平面内做简谐振动，O 为平衡位置，A,B 为最大位移处，当振子由 A 点从静止开始振动，测得第二次经过平衡位置所用时间为 t 秒，在 O 点上方 C 处有一个小球，现使振子由 A 点，小球由 C 点同时从静止释放，它们恰好到 O 点处相碰，试求小球所在 C 点的高度 H 是多少。 解析:由已知振子从 A 点开始运动，第一次经过 O 点的时间是 1/4 周期，第二次经过 O 点是 3/ 14、4 周期，设其周期 T，所以有： t=3T/4,T=4t/3;振子第一次到 O 点的时间为 3t；振子第二次到点的时间为 32振子第三次到 O 点的时间为23tA第 n 次到 O 点的时间为 32（n0 1,2,3）C 处小球欲与振子相碰，它和振子运动的时间应该是相等的；小球做自由落体运动，所以有 22211412338簧振子模型【例 5】如图所示，质量为 m 的物块 A 放在木板 B 上，而 B 固定在竖直的轻弹簧上。 若使 A 随 B 一起沿竖直方向做简谐运动而始终不脱离，则充当 A 的回复力的是。 当A 的速度达到最大时，A 对 B 的压力大小为。 解析：根据题意，只要在最高点 A、B 仍能相对静止，则它们就会始终不脱离。 而在最高点，外界对 A 所提供的最大回复力为 最大加速度 g，故 A、B 不脱离的条件是 ag，可见，在振动过程中，是 A 的重力和 B 对 A 的支持力的合力充当回复力。 因为 A 在系统的平衡位置时，速度最大，此时 A 所受重力与 B 对它的支持力的合力为零，由牛顿第三定律可知，a 对 B 的压力大小等于其重力 展：要使不脱离 B,其最大振幅为多少?可仍以最高点为例，设弹簧的劲度系数为 k，为 mg=幅最大时，a 才有最大值， ，是由 m+。