高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动1 简谐运动课文配套ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动1 简谐运动课文配套ppt课件，共41页。PPT课件主要包含了简谐运动，机械振动，弹簧振子，平衡位置，正弦函数，正弦曲线，探究一弹簧振子，答案C，答案一条直线，答案A等内容，欢迎下载使用。
知识点一 　机械振动和弹簧振子
答案:物体都是在某一位置附近做往复运动.
1.弹奏吉他时琴弦会来回振动;轻轻一推,秋千会荡起来;鱼儿上钩时浮标会在水中浮浮沉沉……尝试总结以上运动都有什么共同点.
2.我们把物体或物体的一部分在一个位置附近的往复运动称为 ,简称 .
3.把一个有小孔的小球连接在轻弹簧的一端,弹簧的另一端固定,小球套在光滑的杆上,能够自由滑动,如图所示.不施加其他
4.我们把小球和弹簧组成的系统称为 .如上图所示,弹簧未形变时,小球所受合力为0,此时小球所处的位置称为 .
答案:小球在保持静止状态时位于弹簧原长位置.将小球缓慢拉向右方一小段距离然后放手,小球会在初始位置附近往复运动.
外力观察小球在保持静止状态时位于什么位置.将小球缓慢拉向右方一小段距离然后放手,再观察小球会怎样运动.
知识点二　弹簧振子的位移—时间图像　　　　　和简谐运动
答案:利用频闪照相、照相机连拍,或用摄像机摄像后逐帧观察的方式,都可以得到相等时间间隔的不同时刻小球的位置.
1.阅读教材第32~34页,关于弹簧振子的位移—时间图像(如图所示),回答问题.
(1)如何才能方便准确地得到如图所示的弹簧振子的位移—时间图像?
(2)猜想弹簧振子的位移—时间图像满足什么规律.
答案:满足正弦函数的规律.
(3)你可以用什么方法证实你的猜想?
答案:方法1:假定位移—时间图线是正弦曲线,测量它的振幅和周期,写出对应的正弦函数的表达式.然后,在曲线中选小球的若干个位置,用刻度尺在图中测量它们的纵坐标(位移),将每一个位移对应的振动时间代入表达式求出函数值,比较这一函数值与测量值,看一看二者是否相等.
方法2:在位移—时间曲线中,测量小球在各个位置的横坐标和纵坐标.把测量值输入计算机中,作出这条曲线,看一看小球的位移—时间关系是否可以用正弦函数表示.
2.如果物体的位移与时间的关系遵从 的规律,即它的振动图像(x-t图像)是一条 ,这样的振动是一种 .
1.竖直放于水面上的圆柱形玻璃瓶的上下运动是机械振动.( )2.物体的往复运动都是机械振动.( )3.弹簧振子的平衡位置就是弹簧处于原长的位置.( )4.弹簧振子的位移是从平衡位置指向小球所在位置的有向线段.( )5.简谐运动的图像表示质点振动的轨迹是正弦曲线.( )
制作如图甲、乙、丙所示的小球或滑块和弹簧组成的系统,观察它们的运动状态.
甲:将小球和弹簧放置在粗糙的水平桌面上.
乙:将滑块和弹簧放置在气垫导轨上.
丙:将小球和弹簧竖直放置.
1.一开始不施加其他外力,小球或滑块静止时,弹簧处于什么状态?
答案:甲:原长　乙:原长　丙:拉伸
2.使小球和滑块偏离平衡位置后释放,则装置中的小球和滑块都会怎样运动?
答案:都会在初始位置附近来回振动.
3.一段时间后,哪个装置先停止运动?为什么会停止运动?
答案:甲装置先停止振动.因为有摩擦力的影响.
4.换用不同质量的小球(或滑块)和不同劲度系数的弹簧,观察现象并猜想:要想得到一个理想的弹簧振子需要满足哪些条件?
答案:需要满足摩擦力可忽略不计,小球(或滑块)质量远大于弹簧质量,且弹簧的形变在弹簧的弹性限度内.
1.平衡位置(1)不施加其他外力的情况下振动物体原来静止时的位置称为平衡位置,物体经过平衡位置时不一定处于平衡状态.(2)弹簧振子的平衡位置是物体所受合力为0的位置,不一定是弹簧处于原长的位置.2.弹簧振子——理想化模型弹簧振子是一种理想化模型.实际物体可看作弹簧振子的条件:(1)不计摩擦阻力和空气阻力;(2)不计弹簧的质量或者振动物体的质量远大于弹簧的质量;(3)振动物体可视为质点;(4)弹簧的形变在弹性限度内.
【典例1】下列关于弹簧和小球组成的弹簧振子的说法正确的是( )A.只要是弹簧和小球连接的装置都可称为弹簧振子B.弹簧振子的平衡位置是弹簧位于原长的位置C.处于平衡位置时小球的加速度一定为0D.处于平衡位置时小球的速度一定为0
解析:弹簧振子是一种理想化模型,只有满足一定条件的装置才可称为弹簧振子,选项A错误;平衡位置是小球所受合力为0的位置,不一定是弹簧位于原长的位置,选项B错误;处于平衡位置的振子在振动过程中速度最大,加速度为0,选项C正确,选项D错误.
探究二　描绘弹簧振子的位移—时间图像
制作一水平放置的弹簧振子,其中振动物体可使用一带小孔的金属球,在小孔内插入一根笔芯,使小孔朝下.在振子下方的水平桌面上平铺一长方形白纸,使插入金属球小孔的笔芯刚刚接触白纸且能留下痕迹,并且振子的振动方向与OO'垂直.
1.保持白纸静止,使弹簧振子开始振动,观察留在白纸上的轨迹是什么形状.
2.弹簧振子的运动是匀速直线运动吗?是匀变速直线运动吗?该如何判断呢?
答案:不是.不是.可以借助位移—时间图像来判断.
3.沿OO'匀速拉动白纸同时使振子振动,沿OO'方向与垂直OO'方向分别建立坐标轴,两坐标轴可表示什么物理量?图线上点的坐标表示什么?
答案:沿OO'方向可表示时间,因为白纸匀速运动,时间与距离成正比,垂直OO'方向可表示位移.图线上点的坐标表示某时刻振动物体的位移.
4.猜想白纸上的曲线是什么形状.通过图像可判断弹簧振子做什么运动?
答案:正弦曲线.振子在一位置附近做速度和加速度都变化的往复性运动.
1.弹簧振子的位移弹簧振子的位移指小球相对平衡位置的位移,由平衡位置指向小球所在的位置.若规定水平向右为正方向,则小球在平衡位置的右边时它的位置坐标x为正,在左边时位置坐标x为负.这样描述小球的位置既方便,又突出了小球位置变化的特点,如图所示.
2.x-t图像的意义x-t图像上的x坐标表示小球相对平衡位置的位移,也表示小球的位置坐标.它反映了小球位移随时间变化的规律,不是小球的运动轨迹.
【典例2】如图所示,弹簧振子在M、N之间做简谐运动.以平衡位置O为原点建立x轴,向右为x轴的正方向.若振动质点位于N点时开始计时,则其振动图像为( )
解析:由题意,向右为x轴的正方向,当质点位于N点时开始计时,因此t=0时,质点的位移为正的最大值,选项A正确.
探究三 分析弹簧振子x-t图像的规律
如果猜想弹簧振子x-t图像是正弦函数图像,那么如何证实我们的猜想呢?
1.分析得到的弹簧振子振动的图像,选取合适的坐标原点,用刻度尺在坐标轴上标注合适的刻度数值.假设图像是正弦函数曲线,根据数学关系写出图像正弦函数的表达式.
答案:形如y=Asin (ωt+φ)的形式.
2.任意取一时刻,先用写出的正弦函数计算出小球的位移,再在图像上相应的时刻用刻度尺测量出小球的位移坐标,比较二者是否吻合.
3.根据以上探究你能得出什么结论?
答案:弹簧振子的位移—时间图像确实是正弦函数曲线.
1.对简谐运动的理解在弹簧振子中,小球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(x-t图像)是一条正弦曲线.物理学中将类似于弹簧振子的振动称之为简谐运动.简谐运动是最基本的振动.2.由简谐运动图像可获得的信息(1)可直接读出不同时刻振动质点的位移x的值.某时刻振动质点的位置在t轴上方,表示位移为正,位置在t轴下方表示位移为负.如图甲所示,振动质点在t1、t2时刻的位移分别为x1和-x1.
(2)可直接读出任意时刻质点的振动方向,即看下一时刻质点的位置.如图乙中质点在t1时,下一时刻质点离平衡位置远,故质点在t1时向+x方向运动.(3)根据图线上各点切线的斜率判断速度的大小和方向.图线上某点切线的斜率表示速度,斜率的正负表示运动的方向.在平衡位置,斜率最大,质点速度最大;在最大位移处,斜率为0,质点速度为0.在从平衡位置向最大位移处运动的过程中,速度减小;在从最大位移处向平衡位置运动的过程中,速度增大.
【典例3】如图甲所示,弹簧振子在F、G间做简谐运动,E为平衡位置,规定向右的方向为正方向.图乙为弹簧振子的振动图像.试根据图像分析以下问题.
(1)振子振动,计时开始的位置是　　　　,从计时位置开始,振动质点向　　　　(选填“右”或“左”)运动. (2)在图甲中,找出图乙中O、A、B、C、D各点对应振动过程中的位置,O对应　　　　,A对应　　　　,B对应　　　　,C对应　　　　,D对应　　　　. (3)在t=2 s时,振动质点的速度方向与t=0时振动质点的速度方向　　　　;1~2 s内振动质点的速度大小的变化情况是　　　　. (4)振动质点在前4 s内的位移等于　　　　. 
解析:(1)由题图乙知,t=0时,振动质点在平衡位置,所以计时开始的位置为E;计时开始后,振动质点向正的最大位移处运动,即向右运动.(2)由x-t图像知O点、B点、D点对应振动过程中的E点,A点在正的最大位移处,对应G点;C点在负的最大位移处,对应F点. (3)t=2 s 时,图线斜率为负,即速度方向为负方向; t=0时,图线斜率为正,即速度方向为正方向,所以两时刻速度方向相反,1~2 s内振动质点的速度逐渐增大.(4)4 s末振动质点回到平衡位置,故振动质点在前 4 s内的位移为0.
答案:(1)E　右　(2)E　G　E　F　E (3)相反　逐渐增大　(4)0
1.(多选)下列运动属于机械振动的是( )A.说话时声带的运动B.弹簧振子在竖直方向的上下运动C.体育课上同学进行25 m折返跑D.竖立于水面上的圆柱形玻璃瓶的上下运动
解析:机械振动的特点是物体或物体的一部分在平衡位置附近做往复运动.选项A、B、D符合题意.
2.(多选)如图所示,弹簧下端悬挂一钢球,上端固定,它们组成一个振动系统.用手把钢球向上托起一段距离,然后释放,钢球便上下振动起来.若以竖直向下为正方向,则下列说法正确的是( )
A.钢球的最低处为平衡位置B.钢球原来静止时的位置为平衡位置C.钢球振动到距原静止位置下方3 cm处时位移为3 cmD.钢球振动到距原静止位置上方2 cm处时位移为2 cm
解析:钢球的平衡位置为钢球静止时的位置,故选项A错误,选项B正确;振动中振动物体的位移为从平衡位置指向某时刻振动物体所在位置的有向线段,据题意可判断选项C正确,选项D错误.
3.(多选)如图所示,弹簧振子在A、B两点间做简谐运动,在振动质点从最大位移A处向平衡位置O运动过程中( )
A.位移方向向左,速度方向向左B.位移方向向左,速度方向向右C.位移不断增大,速度不断减小D.位移不断减小,速度不断增大
解析:在振动质点从最大位移A处向平衡位置O运动的过程中,振动质点受到的合力向右且不断减小,速度方向向右且不断增大;位移由平衡位置指向振动质点所处位置,方向向左,位移不断减小.选项B、D正确.
4.下图是某质点做简谐运动的振动图像,根据图像中的信息,回答下列问题.
(1)质点离开平衡位置的最大距离是多少?(2)在t=1.6 s和t=2.3 s两个时刻,质点分别向哪个方向运动?(3)质点在第2 s末的位移是多少?在前4 s内的路程是多少?
解析:(1)由题图知质点离平衡位置的最大距离为10 cm.(2)在t=1.6 s以后的一小段时间内质点位移减小,因此质点沿负方向向平衡位置运动;在t=2.3 s以后的一小段时间内质点位移增大,因此质点沿负方向远离平衡位置运动.(3)质点第2 s末在平衡位置,因此位移为0.前4 s的路程是40 cm.
答案:(1)10 cm(2)t=1.6 s时质点沿负方向向平衡位置运动;t=2.3 s时质点沿负方向远离平衡位置运动(3)0　40 cm
情境　滑板运动(如图所示)为青少年所喜爱.滑板上装有4个轮子,踩着滑板可以在碗形滑道的内壁来回滑行.
问题　滑板的这种运动可以看成振动吗?它的平衡位置在哪里?
答案:在一个位置附近的往复运动即振动.滑板在碗形滑道的内壁来回滑行,滑板的这种运动可以看成振动.平衡位置在碗形滑道的最低点.
科学思维——物理中的数形结合思想
(1)用图像表示物理过程或过程中的变化规律非常简洁直观.图像的获得可以根据实验记录的数据进行描点作图,也可以利用计算机进行拟合.(2)对简谐运动的图像的物理意义的理解要与振动的实际过程结合起来,依据振动过程要能描绘出其图像,看到图像也能想象出具体的振动过程,根据简谐运动的图像应该知道振动的位移、路程及瞬时速度的方向.
1.简谐运动中的数形与运动
2.简谐运动中振动图像和运动参量的具体关系(1)图像的横坐标表示运动时间,纵坐标表示振动物体相对于平衡位置的位移.(2)图像的斜率大小表示振动物体速度的大小,斜率的正负表示振动物体速度的方向.
【典例】(多选)下图为质点P在0~4 s内的振动图像,下列叙述正确的是( )
A.t=1 s,该质点的位移是正向最大B.t=1 s,该质点的速度方向向上C.t=1 s,该质点运动到平衡位置D.t=1 s,该质点的速度为0