2022年高考物理一輪-機(jī)械振動(dòng)學(xué)生版

文檔來源網(wǎng)絡(luò)整理侵權(quán)必刪PAGE1第七章機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波學(xué)科素養(yǎng)物理觀念科學(xué)思維科學(xué)探究科學(xué)態(tài)度與責(zé)任簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、受迫振動(dòng)、共振、橫波和縱波、波的干涉、波的衍射和多普勒效應(yīng)科學(xué)推理：振動(dòng)和波動(dòng)的相互判斷模型建構(gòu)：振動(dòng)模型和波動(dòng)模型通過利用單擺測(cè)定重力加速度，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能力用恰當(dāng)?shù)奈锢砹棵枋龊?jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，并能解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象?？记榉治鰧?duì)該部分內(nèi)容的考查一般以選擇題為主，內(nèi)容上主要以機(jī)械波和機(jī)械振動(dòng)為主，從振動(dòng)圖像和波形圖出發(fā)，分析質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題，涉及傳播方向與振動(dòng)方向的關(guān)系，波的周期性和多解性問題等；對(duì)本部分的實(shí)驗(yàn)，直接考查的頻率不高，但復(fù)習(xí)時(shí)不能忽略，要注意對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析等的理解。常見題型有：(1)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念及規(guī)律；備考指導(dǎo)本專題考查難度適中，在復(fù)習(xí)備考中應(yīng)保證牢記、熟練、力爭(zhēng)滿分熟練掌握波動(dòng)圖像和振動(dòng)圖像注意運(yùn)動(dòng)時(shí)間和空間的周期性7.1機(jī)械振動(dòng)必備知識(shí)清單一、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)1．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)(1)定義：如果質(zhì)點(diǎn)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，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)．(2)平衡位置：物體在振動(dòng)過程中為零的位置．(3)回復(fù)力①定義：使物體返回到的力．②方向：總是指向③來源：屬于力，可以是某一個(gè)力，也可以是幾個(gè)力的或某個(gè)力的2.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的兩種模型模型彈簧振子單擺示意圖簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)條件①彈簧質(zhì)量要忽略②無摩擦等阻力③在彈簧彈性限度內(nèi)①擺線為不可伸縮的輕細(xì)線②無空氣阻力等③最大擺角小于等于5°回復(fù)力彈簧的提供擺球沿與擺線垂直方向(即切向)的分力平衡位置彈簧處于處最低點(diǎn)周期與振幅無關(guān)T＝2πeq\r(\f(L,g))能量轉(zhuǎn)化與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒二、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的公式和圖象1．表達(dá)式(1)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式：F＝，其中“－”表示回復(fù)力與位移的方向相反．(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式：x＝，其中A代表振幅，ω＝2πf代表簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的快慢，ωt＋φ0代表簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位，φ0叫做．2．圖象(1)從開始計(jì)時(shí)，函數(shù)表達(dá)式為x＝Asinωt，圖象如圖甲所示．(2)從處開始計(jì)時(shí)，函數(shù)表達(dá)式為x＝Acosωt，圖象如圖乙所示．三、受迫振動(dòng)和共振1．受迫振動(dòng)系統(tǒng)在作用下的振動(dòng)．做受迫振動(dòng)的物體，它做受迫振動(dòng)的周期(或頻率)等于驅(qū)動(dòng)力的周期(或頻率)，而與物體的固有周期(或頻率)2.共振做受迫振動(dòng)的物體，它的驅(qū)動(dòng)力的頻率與固有頻率越接近，其振幅就越大，當(dāng)二者時(shí)，振幅達(dá)到最大，這就是共振現(xiàn)象．共振曲線如圖所示．命題點(diǎn)精析（一）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1．描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量(1)位移x：由平衡位置指向振動(dòng)物體所在位置的有向線段，是矢量。(2)振幅A：振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，是標(biāo)量，它表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。(3)周期T和頻率f：做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間叫作振動(dòng)的周期。單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)叫作振動(dòng)的頻率。它們是表示振動(dòng)快慢的物理量，二者間的關(guān)系：T＝eq\f(1,f)。2．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式(1)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式：F＝－kx，其中“－”表示回復(fù)力與位移的方向相反。(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式：x＝Asin(ωt＋φ)，其中A代表振幅，ω＝2πf表示振動(dòng)的快慢，ωt＋φ代表簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位，φ叫作初相。典型例題例1(多選)一單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，在偏角增大的過程中，擺球的()A．位移增大 B．速度增大C．回復(fù)力增大 D．機(jī)械能增大練1(多選)如圖所示，水平彈簧振子沿x軸在M、N間做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，坐標(biāo)原點(diǎn)O為振子的平衡位置，其振動(dòng)方程為x＝5sineq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10πt＋\f(π,2)))cm。下列說法正確的是()A．M、N間距離為5cmB．振子的運(yùn)動(dòng)周期是0.2sC．t＝0時(shí)，振子位于N點(diǎn)D．t＝0.05s時(shí)，振子具有最大加速度練2如圖所示，彈簧振子在BC間振動(dòng)，O為平衡位置，BO＝OC＝5cm。若振子從B到C的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是1s，則下列說法正確的是()A．振子從B經(jīng)O到C完成一次全振動(dòng)B．振動(dòng)周期是1s，振幅是10cmC．經(jīng)過兩次全振動(dòng)，振子通過的路程是20cmD．從B開始經(jīng)過3s，振子通過的路程是30cm命題點(diǎn)精析（二）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和能量問題受力特征回復(fù)力F＝－kx，F(xiàn)(或a)的大小與x的大小成正比，方向相反運(yùn)動(dòng)特征靠近平衡位置時(shí)，a、F、x都減小，v增大；遠(yuǎn)離平衡位置時(shí)，a、F、x都增大，v減小能量特征振幅越大，能量越大．在運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒周期性特征質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、加速度和速度均隨時(shí)間做周期性變化，變化周期就是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期T；動(dòng)能和勢(shì)能也隨時(shí)間做周期性變化，其變化周期為eq\f(T,2)對(duì)稱性特征關(guān)于平衡位置O對(duì)稱的兩點(diǎn)，加速度的大小、速度的大小、動(dòng)能、勢(shì)能相等，相對(duì)平衡位置的位移大小相等例2(多選)如圖所示，一輕質(zhì)彈簧上端固定在天花板上，下端連接一物塊，物塊沿豎直方向以O(shè)點(diǎn)為平衡位置，在C、D兩點(diǎn)之間做周期為T的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)．已知在t1時(shí)刻物塊的速度大小為v、方向向下，動(dòng)能為Ek.下列說法正確的是()A．如果在t2時(shí)刻物塊的速度大小也為v，方向向下，則t2－t1的最小值小于eq\f(T,2)B．如果在t2時(shí)刻物塊的動(dòng)能也為Ek，則t2－t1的最小值為TC．當(dāng)物塊通過O點(diǎn)時(shí)，其加速度最小D．物塊運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)時(shí)，其加速度最小練3如圖所示，彈簧下面掛一質(zhì)量為m的小球，小球在豎直方向上做振幅為A的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小球振動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，彈簧正好處于原長，彈簧在彈性限度內(nèi)，則小球在振動(dòng)過程中()A．彈簧的彈性勢(shì)能和小球動(dòng)能總和不變B．小球在最低點(diǎn)時(shí)的加速度大小應(yīng)為2gC．小球在最低點(diǎn)時(shí)所受彈簧的彈力大小應(yīng)為mgD．彈簧的最大彈性勢(shì)能等于2mgA練4(多選)水平彈簧振子在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過程中的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示，則下列說法正確的是()A．振子在0.1s時(shí)的速度發(fā)生反向B．振子在0.15s時(shí)的彈性勢(shì)能最大，動(dòng)能最小C．振子在0.05s到0.15s過程中，回復(fù)力先變大再變小D．振子在0.15s到0.2s過程中，速度增大，加速度減小命題點(diǎn)精析（三）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像問題1．對(duì)圖像的認(rèn)識(shí)(1)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像是一條正弦或余弦曲線，如圖所示。(2)圖像反映的是位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，隨時(shí)間的增加而延伸，圖像不代表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡。(3)任一時(shí)刻圖像上過該點(diǎn)切線的斜率數(shù)值表示該時(shí)刻振子的速度大小，正負(fù)表示速度的方向，斜率為正時(shí)，速率沿x正方向，斜率為負(fù)時(shí)，速度沿x負(fù)方向。2．圖像信息(1)由圖像可以得出質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅、周期。(2)可以確定某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移。(3)可以根據(jù)圖像確定某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)回復(fù)力、加速度和速度的方向。①回復(fù)力和加速度的方向：因回復(fù)力總是指向平衡位置，故回復(fù)力和加速度在圖像上總是指向t軸。②速度的方向：速度的方向可以通過下一時(shí)刻位移的變化來判斷，下一時(shí)刻位移若增加，振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度方向就是遠(yuǎn)離t軸，下一時(shí)刻位移若減小，振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度方向就是指向t軸。例3如圖所示的彈簧振子，放在光滑水平桌面上，O是平衡位置，振幅A＝2cm，周期T＝0.4s.(1)若以向右為位移的正方向，當(dāng)振子運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)右側(cè)最大位移處開始計(jì)時(shí)，試畫出其一個(gè)周期的振動(dòng)圖象；(2)若從振子經(jīng)過平衡位置開始計(jì)時(shí)，求經(jīng)過2.6s小球通過的路程．練5(多選)如圖甲所示的挖掘機(jī)的頂部垂下一個(gè)大鐵球并讓它小角度的擺動(dòng)，即可以用來拆卸混凝土建筑。此裝置可視為單擺模型，它對(duì)應(yīng)的振動(dòng)圖像如圖乙所示，則下列說法正確的是()A．單擺振動(dòng)的周期是6sB．t＝2s時(shí)，擺球的速度最大C．球擺開的角度增大，周期增大D．該單擺的擺長約為16m練6如圖所示，光滑直桿上與彈簧連接的小球以O(shè)點(diǎn)為平衡位置，在A、B兩點(diǎn)之間做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)，選擇由O指向B為正方向，建立Ox坐標(biāo)軸。小球經(jīng)過B點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過0.5s首次到達(dá)A點(diǎn)。則小球在第一個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)圖像為()核心素養(yǎng)大提升受迫振動(dòng)和共振1．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振的比較簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)受迫振動(dòng)共振受力情況僅受回復(fù)力受驅(qū)動(dòng)力作用受驅(qū)動(dòng)力作用振動(dòng)周期或頻率由系統(tǒng)本身性質(zhì)決定，即固有周期T0或固有頻率f0由驅(qū)動(dòng)力的周期或頻率決定，即T＝T驅(qū)或f＝f驅(qū)T驅(qū)＝T0或f驅(qū)＝f0振動(dòng)能量振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能不變由產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的物體提供振動(dòng)物體獲得的能量最大常見例子彈簧振子或單擺(θ≤5°)機(jī)械工作時(shí)底座發(fā)生的振動(dòng)共振篩、聲音的共鳴等2.對(duì)共振的理解(1)共振曲線：如圖所示，橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)力頻率f，縱坐標(biāo)為振幅A，它直觀地反映了驅(qū)動(dòng)力頻率對(duì)某固有頻率為f0的振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)振幅的影響，由圖可知，f與f0越接近，振幅A越大；當(dāng)f＝f0時(shí)，振幅A最大。(2)受迫振動(dòng)中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化：做受迫振動(dòng)的系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒，系統(tǒng)與外界時(shí)刻進(jìn)行能量交換。例4如圖甲所示，在一條張緊的繩子上掛幾個(gè)擺，a、c擺的擺長相同且小于b擺的擺長。當(dāng)a擺振動(dòng)時(shí)，通過張緊的繩子給其他各擺施加驅(qū)動(dòng)力，使其余各擺也振動(dòng)起來。圖乙是c擺穩(wěn)定以后的振動(dòng)圖像，重力加速度為g，不計(jì)空氣阻力，則()A．a(chǎn)、b、c單擺的固有周期關(guān)系為Ta＝Tc<TbB．b、c擺振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，c擺振幅較大C．達(dá)到穩(wěn)定時(shí)b擺的振幅最大D．由圖乙可知，此時(shí)b擺的周期Tb小于t0練7下表記錄了某受迫振動(dòng)的振幅隨驅(qū)動(dòng)力頻率變化的關(guān)系，若該振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為f固，則()驅(qū)動(dòng)力頻率/Hz304050607080受迫振動(dòng)振幅/cm10.216.827.228.116.58.3A.f固＝60Hz B．60Hz＜f固＜70HzC．50Hz＜f固≤60Hz D．以上三個(gè)都不對(duì)練8如圖所示，在一條張緊的繩子上掛幾個(gè)擺，其中A、B的擺長相等．當(dāng)A擺振動(dòng)的時(shí)候，通過張緊的繩子給B、C、D擺施加驅(qū)動(dòng)力，使其余各擺做受迫振動(dòng)．觀察B、C、D擺的振動(dòng)發(fā)現(xiàn)()A．C擺的頻率最小B．D擺的周期最大C．B擺的擺角最大D．B、C、D的擺角相同例5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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。以豎直向上為正方向，物塊簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式為y＝0.1sin(2.5πt)m。t＝0時(shí)刻，一小球從距物塊h高處自由落下；t＝0.6s時(shí)，小球恰好與物塊處于同一高度。重力加速度的大小g取10m/s2。以下判斷正確的是()A．h＝1.7mB．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期是0.8sC．0.6s內(nèi)物塊運(yùn)動(dòng)的路程為0.2mD．t＝0.4s時(shí)，物塊與小球運(yùn)動(dòng)方向相反練9一彈簧振子在水平面內(nèi)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的x－t圖像如圖所示，則下列說法正確的是()A．t1時(shí)刻和t2時(shí)刻具有相同的動(dòng)能和動(dòng)量B．從t2到1.0s時(shí)間