2020屆高考物理總復習 第十四單元 選修3-4 課時1 機械振動課件

1、2020新亮劍高考總復習 第十四單元 選修3-4 課時1 機械振動 磨劍：課前自學 真題體驗 知識清單 考點巧講 悟劍：課堂精講 知識清單 必備知識 1.簡諧運動及表達式 (1)簡諧運動:質點所受的力與它偏離平衡位置位移的大小成正比,并且總是指向平衡位置。平衡位 置:物體在振動過程中回復力為零的位置。回復力:定義,使物體返回到平衡位置的力。方向,總 是指向平衡位置。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。 (2)簡諧運動的表達式:動力學表達式為F=-kx,其中“-”表示回復力與位移的方向相反。運動 學表達式為x=Asin(t+),其中A代表振幅,=2f表示簡諧運動

2、的快慢,t+代表簡諧運動的相 位,叫作初相。 【溫馨提示】簡諧運動的平衡位置不是質點所受合力為零的位置,是回復力為零的位置。 知識清單 2.簡諧運動圖象 (1)簡諧運動的圖象:從平衡位置開始計時,函數(shù)表達式為x=Asin t,圖象如圖甲所示。從最大 位移處開始計時,函數(shù)表達式為x=Acos t,圖象如圖乙所示。 (2)簡諧運動的振動圖象:物理意義,表示振動物體的位移隨時間變化的規(guī)律。橫軸表示時間,縱軸表示 質點在不同時刻偏離平衡位置的位移。需要注意的是振動圖象不是質點的運動軌跡。簡諧運動的振 動圖象為正(余)弦函數(shù)曲線。 知識清單 (3)振動圖象的應用:可讀取A、T及各時刻的位移;判斷v、x、

3、f、a的方向及變化情況和Ek、Ep 的變化情況。 【溫馨提示】(1)簡諧運動的圖象并非振動質點的運動軌跡。(2)做簡諧運動的質點經(jīng)過平衡位 置時,回復力一定為零,但所受合力不一定為零。(3)由于簡諧運動具有周期性和對稱性,因此涉及簡 諧運動時往往出現(xiàn)多解,分析時應特別注意。位移相同時回復力、加速度、動能和勢能等可以確 定,但速度可能有兩個方向,由于周期性運動時間也不能確定。 知識清單 3.受迫振動和共振 受迫振動的振動頻率:當物體做受迫振動時,振動穩(wěn)定后的頻率等于驅動力的頻率,跟物體的固有 頻率無關。 【溫馨提示】(1)無論發(fā)生共振與否,受迫振動的頻率都等于驅動力的頻率,但只有發(fā)生共振現(xiàn) 象時

4、振幅才能達到最大。(2)受迫振動系統(tǒng)中的能量轉化不再只有系統(tǒng)內部動能和勢能的轉化, 還有驅動力對系統(tǒng)做正功,補償系統(tǒng)因克服阻力而損失的機械能。 知識清單 B 答 案 基礎過關 知識清單 1.(2018湖北宜昌單元檢測)做簡諧運動的物體,當它每次經(jīng)過同一位置時,可能不同的物理量是( )。 A.位移B.速度C.加速度D.回復力 A 答 案 知識清單 2.(2018福建龍巖質檢)有一彈簧振子,振幅為0.8 cm,周期為0.5 s,初始時具有負方向的最大加速 度,則它的振動方程是()。 C 答 案 知識清單 3.(2018陜西銅川摸底考試)甲、乙兩彈簧振子的振動圖象如圖所示,則可知()。 A.兩彈簧振

5、子完全相同 B.兩彈簧振子所受回復力最大值之比F甲F乙=21 C.當振子甲的速度為零時,振子乙的速度最大 D.兩振子的振動頻率之比f甲f乙=21 BC 答 案 知識清單 4.(2019安徽淮北階段考試)(多選)某單擺做小角度擺動,其振動圖象如圖所示,則下列說法正確的 是()。 A.t1時刻擺球速度最大,擺球向心加速度最大 B.t2時刻擺球速度最大,懸線對它的拉力最大 C.t3時刻擺球速度為零,擺球所受回復力最大 D.t4時刻擺球速度為零,擺球處于平衡狀態(tài) 200 答 案 知識清單 5.(2018山西太原質量調研)蜘蛛雖有8只眼睛,但視力很差,完全靠感覺來捕食和生活,它的腿能敏銳 地感覺到絲網(wǎng)的

6、振動,當絲網(wǎng)的振動頻率f=200 Hz左右時,網(wǎng)的振幅最大,那么當落在網(wǎng)上的昆蟲翅 膀振動的頻率為Hz左右時,蜘蛛感到絲網(wǎng)振動最為強烈。 CDE 答 案 知識清單 6.(2018江西南昌階段考試)(多選)某同學利用單擺測得g值比當?shù)貥藴手灯?其原因可能是( )。 A.測量擺長時忘記加上小球半徑 B.振幅過小 C.將擺長當成了擺線長和球直徑之和 D.擺動次數(shù)多記了一次 E.小球不是在豎直平面內擺動 F.擺球質量過大,空氣阻力影響 BC 答 案 知識清單 7.(2018河北保定單元檢測)(多選)某同學利用單擺測量重力加速度。為了使測量誤差盡量小, 下列說法正確的是()。 A.組裝單擺須選用密度和

7、直徑都較小的擺球 B.組裝單擺須選用輕且不易伸長的細線 C.實驗時須使擺球在同一豎直面內擺動 D.在擺長一定的情況下,擺的振幅盡量大 AD 真題體驗 答 案 解 析 真題體驗 甲 乙 真題體驗 B 答 案 真題體驗 解 析 真題體驗 考點巧講 一 簡諧運動的規(guī)律 考點巧講 2.兩種振動模型的分析與對比 考點巧講 例1 答 案 AB 考點巧講 (多選)如圖,輕彈簧上端固定,下端連接一小物塊,物塊沿豎直方向做 簡諧運動。以豎直向上為正方向,物塊簡諧運動的表達式為 y=0.1sin(2.5t) m。t=0時,一小球從距物塊h高處自由落 下;t=0.6 s時,小球恰好與物塊處于同一高度。取重力加速度的

8、大 小g=10 m/s2。以下判斷正確的是()。 A.h=1.7 m B.簡諧運動的周期是0.8 s C.0.6 s內物塊運動的路程是0.2 m D.t=0.4 s時,物塊與小球的運動方向相反 解 析 考點巧講 規(guī)律 小結 首先要搞清簡諧振動的特點及自由落體運動的規(guī)律;然后通過物塊及小球的位置關系 進行討論。 變式1 答 案 BD 考點巧講 (多選)一列簡諧橫波在t0時刻的波形圖如圖甲所示,a、b、c、d 分別為介質中的4個質點。 該波的周期為T,則下列判斷中正確的是()。 解 析 考點巧講 考點巧講 二 簡諧運動圖象的理解和應用 1.根據(jù)簡諧運動圖象可獲取的信息 (1)振幅A、周期T(或頻率

9、f)和初相位(如圖甲所示)。 (2)某時刻振動質點離開平衡位置的位移。 (3)某時刻質點速度的大小和方向:曲線上各點切線的 斜率的大小和正負分別表示各時刻質點的速度的大小 和方向,速度的方向也可根據(jù)下一時刻質點的位移的變 化來確定。 (4)某時刻質點的回復力和加速度的方向:回復力總是指向平衡位置,回復力和加速度的方向相同,在圖象 上總是指向t軸。 (5)某段時間內質點的位移、回復力、加速度、速度、動能和勢能的變化情況。 考點巧講 【溫馨提示】運動的對稱性是振動問題考查的一個難點,運動的對稱性把握三處位置,即關于 平衡位置對稱的位置、運動時間相差半周期的奇數(shù)倍的位置、運動時間相差周期的整數(shù)倍的

10、位置。 例2 答 案 ABD 考點巧講 (多選)一水平彈簧振子沿x軸方向做簡諧運動,平衡位置在坐標原點,向x軸正方向運動時彈簧被 拉伸,振子的振動圖象如圖所示,已知彈簧的勁度系數(shù)為20 N/cm,振子質量m=0.1 kg,則( )。 A.圖中A點對應的時刻振子所受的回復力大小為5 N,方向指向x軸的負方向 B.圖中A點對應的時刻振子的速度方向指向x軸的正方向 C.圖中A點對應的時刻振子的加速度大小為5 m/s2 D.在04 s內振子通過的路程為4 cm E.在04 s內振子做了1.75次全振動 解 析 考點巧講 規(guī)律 小結 求解簡諧運動問題時,要緊緊抓住一個模型水平方向振動的彈簧振子,熟練掌握

11、振子的 振動過程以及振子振動過程中各物理量的變化規(guī)律,看到振動圖象,頭腦中立即呈現(xiàn)出一幅 彈簧振子振動的圖景,再把問題一一對應、分析求解。 三 單擺及其周期問題 考點巧講 考點巧講 例3 答 案 考點巧講 如圖甲是一個單擺振動的情形,O是它的平衡位置,B、C是擺球所能到達的最遠位置。設向 右為正方向。圖乙是這個單擺的振動圖象。根據(jù)圖象回答: (1)單擺振動的頻率是多大? (2)開始時擺球在何位置? (3)若當?shù)氐闹亓铀俣葹?0 m/s2,求這個單擺的擺長是多少?(計算結果保留2位 有效數(shù)字) (1)1.25 Hz(2)B點(3)0.16 m 解 析 考點巧講 變式2 答 案 考點巧講 (1)

12、9.78 m/s2(2)7.02 s 一根擺長為2 m的單擺,在地球上某地振動時,測得完成100次全振動所用的時間為284 s。 (計算結果保留3位有效數(shù)字) (1)求當?shù)氐闹亓铀俣萭。 (2)該單擺拿到月球上去,已知月球的重力加速度是1.60 m/s2,單擺振動周期是多少? 解 析 考點巧講 四 用單擺測定加速度 考點巧講 1.實驗原理與操作 考點巧講 例4 答 案 低 2.05 s 考點巧講 在“用單擺測定重力加速度”的實驗中:(1)擺動時偏角滿足的條件是偏角小于5,為了減小測 量周期的誤差,計時開始時,擺球應經(jīng)過最(選填“高”或“低”)點,且用停表測量 單擺完成多次全振動所用的時間,求

13、出周期。圖甲中停表示數(shù)為一單擺全振動50次所用的時 間,則單擺振動周期為。 (2)用最小刻度為1 mm的刻度尺測擺長, 測量情況如圖乙所示。O為懸掛點,從圖 乙中可知單擺的擺長為m。 (3)若用L表示擺長,T表示周期,那么重力 加速度的表達式為g=。 0.9980 答 案 考點巧講 (4)考慮單擺振動時空氣浮力的影響,學生甲說:“因為空氣浮力與擺球重力方向 相反,它對球的作用相當于重力加速度變小,因此振動周期變大?！睂W生乙說:“浮 力對擺球的影響好像用一個輕一些的擺球做實驗,因此振動周期不變。”則 。 A.甲的說法正確 B.乙的說法正確 C.甲、乙的說法都是錯誤的 A 解 析 考點巧講 五 受迫振動和共振 考點巧講 1.自由振動、受迫振動和共振的關系比較 考點巧講 2.對共振的理解 (1)共振曲線:如圖所示,橫坐標為驅動力頻率f,縱坐標為振幅A,它直觀地反映了驅 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f=f0時,振幅A最大。 (2)受迫振動中系統(tǒng)能量的轉化:做受迫振動的系統(tǒng)的機械能不守恒,系統(tǒng)與外界 時刻進行能量交換。 例5 答 案 考點巧講 下表記錄了某受迫振動的振幅隨