2023版步步高物理一轮复习讲义第十三章 第1讲　机械振动

第1讲　机械振动目标要求　1.知道简谐运动的概念，理解简谐运动的表达式和图像.2.知道什么是单摆，熟记单摆的周期公式.3.理解受迫振动和共振的概念，了解产生共振的条件．考点一　简谐运动的规律1．简谐运动：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．2．平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置．3．回复力(1)定义：使物体在平衡位置附近做往复运动的力．(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．1．简谐运动的回复力可以是恒力．(　×　)2．简谐运动的平衡位置就是质点所受合力为零的位置．(　×　)3．做简谐运动的质点先后通过同一点，回复力、速度、加速度、位移都是相同的．(　×　)4．做简谐运动的质点，速度增大时，其加速度一定减小．(　√　)对简谐运动的理解 考向1　简谐运动基本物理量的分析例1　如图所示，在光滑水平面上有一质量为m的小物块与左端固定的轻质弹簧相连，构成一个水平弹簧振子，弹簧处于原长时小物块位于O点．现使小物块在M、N两点间沿光滑水平面做简谐运动，在此过程中(　　)A．小物块运动到M点时回复力与位移方向相同B．小物块每次运动到N点时的加速度一定相同C．小物块从O点向M点运动过程中做加速运动D．小物块从O点向N点运动过程中机械能增加答案　B解析　根据F＝－kx可知小物块运动到M点时回复力与位移方向相反，故A错误；根据a＝－eq \f(kx,m)可知小物块每次运动到N点时的位移相同，则加速度一定相同，故B正确；小物块从O点向M点运动过程中加速度方向与速度方向相反，做减速运动，故C错误；小物块从O点向N点运动过程中弹簧弹力对小物块做负功，小物块的机械能减少，故D错误． 考向2　简谐运动的周期性与对称性例2　(多选)弹簧振子做简谐运动，若从平衡位置O开始计时，经过0.5 s时，振子第一次经过P点，又经过了0.2 s，振子第二次经过P点，则再过多长时间该振子第三次经过P点(　　)A．0.6 s B．2.4 s C．0.8 s D．2.2 s答案　AD解析　若振子从O点开始向右振动，作出示意图如图甲所示则振子的振动周期为T1＝(0.5＋0.1)×4 s＝2.4 s，则该质点再经过时间Δt＝T1－0.2 s＝2.2 s，第三次经过P点；若振子从O点开始向左振动，作出示意图如图乙所示则有0.5 s＋0.1 s＝eq \f(3,4)T2，振子的振动周期为T2＝0.8 s，则该振子再经过时间Δt′＝T2－0.2 s＝0.6 s，第三次经过P点，B、C错误，A、D正确．考点二　简谐运动的表达式和图像的理解和应用1．简谐运动的表达式x＝Asin_(ωt＋φ0)，ωt＋φ0为相位，φ0为初相位，ω为圆频率，ω＝eq \f(2π,T).2．简谐运动的振动图像表示做简谐运动的物体的位移随时间变化的规律，是一条正弦曲线．甲：x＝Asin eq \f(2π,T)t乙：x＝Asin (eq \f(2π,T)t＋eq \f(π,2))．1．简谐运动的图像描述的是振动质点的轨迹．(　×　)2．简谐运动的振动图像一定是正弦曲线．(　√　)从图像可获取的信息(1)振幅A、周期T(或频率f)和初相位φ0(如图所示)．(2)某时刻振动质点离开平衡位置的位移．(3)某时刻质点速度的大小和方向：曲线上各点切线的斜率的大小和正负分别表示各时刻质点的速度大小和方向，速度的方向也可根据下一相邻时刻质点的位移的变化来确定．(4)某时刻质点的回复力和加速度的方向：回复力总是指向平衡位置，回复力和加速度的方向相同．(5)某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能和势能的变化情况．例3　(多选)如图甲所示，以O点为平衡位置，弹簧振子在A、B两点间做简谐运动，图乙为这个弹簧振子的振动图像．下列说法中正确的是(　　)A．在t＝0.2 s时，小球的加速度为正向最大B．在t＝0.1 s与t＝0.3 s两个时刻，小球在同一位置C．从t＝0到t＝0.2 s时间内，小球做加速度增大的减速运动D．在t＝0.6 s时，弹簧振子有最小的弹性势能答案　BC解析　在t＝0.2 s时，小球的位移为正向最大值，a＝－eq \f(kx,m)，知小球的加速度为负向最大，A错误；在t＝0.1 s与t＝0.3 s两个时刻，小球的位移相同，说明小球在同一位置，B正确；从t＝0到t＝0.2 s时间内，小球从平衡位置向最大位移处运动，位移逐渐增大，加速度逐渐增大，加速度方向与速度方向相反，小球做加速度增大的减速运动，C正确；在t＝0.6 s时，小球的位移为负向最大值，即弹簧的形变量最大，弹簧振子的弹性势能最大，D错误．例4　某质点的振动图像如图所示，下列说法正确的是(　　)A．1 s和3 s时刻，质点的速度相同B．1 s到2 s时间内，质点的速度与加速度方向相同C．简谐运动的表达式为y＝2sin (0.5πt＋1.5π) cmD．简谐运动的表达式为y＝2sin (0.5πt＋0.5π) cm答案　D解析　y－t图像上某点的切线的斜率表示速度；1 s和3 s时刻，质点的速度大小相等，方向相反，故A错误；1 s到2 s时间内，质点做减速运动，故加速度与速度反向，故B错误；振幅为2 cm，周期为4 s，ω＝eq \f(2π,T)＝eq \f(2π,4) rad/s＝0.5π rad/s，t＝0时，y＝2 cm，则φ＝0.5π，故简谐运动的表达式为y＝Asin (ωt＋φ)＝2sin (0.5πt＋0.5π) cm，故C错误，D正确．考点三　单摆及其周期公式1．定义：如果细线的长度不可改变，细线的质量与小球相比可以忽略，球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装置叫作单摆．(如图)2．视为简谐运动的条件：θgⅠ，又因为g地>g月，因此可推知图线Ⅰ表示月球上单摆的共振曲线，A正确；若在地球上同一地点进行两次受迫振动，g相同，摆长长的f小，且有eq \f(fⅠ,fⅡ)＝eq \f(0.2,0.5)，所以eq \f(LⅠ,LⅡ)＝eq \f(25,4)，B正确；因为fⅡ＝0.5 Hz，若图线Ⅱ是在地面上完成的，根据f＝eq \f(1,2π)eq \r(\f(g,L))，可计算出LⅡ约为1 m，C错误；单摆的能量除与振幅有关，还与摆球质量有关，D错误．例8　(多选)(2021·浙江1月选考·15)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(　　)A．针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同B．随着振动器频率的增加，树干振动的幅度一定增大C．打击杆对不同粗细树干打击结束后，树干的振动频率相同D．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答案　AD解析　根据共振的条件，当振动器的频率等于树木的固有频率时产生共振，此时落果效果最好，而不同的树木的固有频率不同，针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同，A正确； 当振动器的振动频率等于树木的固有频率时产生共振，此时树干的振幅最大，则随着振动器频率的增加，树干振动的幅度不一定增大，B错误；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，所以粗细不同的树干频率不同，C错误；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，D正确．课时精练1.如图所示，B上放一个物块A，在A与B一起做简谐运动的过程中，下列关于A受力的说法中正确的是(　　)A．物块A受重力、支持力及弹簧对它的恒定的弹力B．物块A受重力、支持力及弹簧对它的大小和方向都随时间变化的弹力C．物块A受重力、支持力及B对它的恒定的摩擦力D．物块A受重力、支持力及B对它的非恒定的摩擦力答案　D2.(多选)如图所示，弹簧振子在C、B间做简谐运动，O点为其平衡位置，则(　　)A．物块在由C点运动到O点的过程中，回复力逐渐增大B．物块在由O点运动到B点的过程中，速度不断增大C．物块在O点加速度最小，在B点加速度最大D．物块通过平衡位置O点时，动能最大，势能最小答案　CD解析　物块在由C点运动到O点的过程中，位移减小，由回复力公式F＝－kx，可知，回复力逐渐减小，A错误；物块在由O点运动到B点的过程中，回复力做负功，动能转化为势能，所以速度不断减小，B错误；由牛顿第二定律和回复力公式可知，物块的位移越大加速度越大，位移越小加速度越小，所以物块在O点加速度最小，在B点加速度最大，C正确；由简谐运动的规律可知，物块通过平衡位置O点时，速度最大，所以动能最大，势能最小，在最大位移处，速度最小(为零)，动能最小，势能最大，D正确．3．(多选)关于单摆，下列说法正确的是(　　)A．将单摆由沈阳移至广州，单摆周期变大B．将单摆的摆角从4°改为2°，单摆的周期变小C．当单摆的摆球运动到平衡位置时，摆球的速度最大D．当单摆的摆球运动到平衡位置时，受到的合力为零答案　AC解析　将单摆由沈阳移至广州，因重力加速度减小，根据T＝2πeq \r(\f(l,g))可知，单摆周期变大，选项A正确；单摆的周期与摆角无关，将单摆的摆角从4°改为2°，单摆的周期不变，选项B错误；当单摆的摆球运动到平衡位置时，摆球的速度最大，有向心加速度，则受到的合力不为零，选项C正确，D错误．4．(多选)一个单摆在地面附近做受迫振动，其共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系)如图所示，则(　　)A．此单摆的固有周期为2 sB．此单摆的摆长约为1 mC．若摆长增大，单摆的固有频率增大D．若摆长增大，共振曲线的峰将向左移动答案　ABD解析　由共振曲线知此单摆的固有频率为0.5 Hz，固有周期为2 s；再由T＝2πeq \r(\f(l,g))，得此单摆的摆长约为1 m；若摆长增大，单摆的固有周期增大，固有频率减小，则共振曲线的峰将向左移动，故选项A、B、D正确．5.(多选)如图所示为受迫振动的演示装置，在一根张紧的绳子上悬挂几个摆球，可以用一个单摆(称为“驱动摆”)驱动另外几个单摆．下列说法正确的是(　　)A．某个单摆摆动过程中多次通过同一位置时，速度可能不同但加速度一定相同B．如果驱动摆的摆长为L，则其他单摆的振动周期都等于2πeq \r(\f(L,g))C．驱动摆只把振动形式传播给其他单摆，不传播能量D．如果某个单摆的摆长等于驱动摆的摆长，则这个单摆的振幅最大答案　ABD解析　某个单摆摆动过程中多次通过同一位置时，速度大小相等但方向可能不同，根据F＝－kx可得，加速度a＝eq \f(F,m)＝－eq \f(k,m)x，故加速度一定相同，A正确；如果驱动摆的摆长为L，根据单摆的周期公式有T＝2πeq \r(\f(L,g))，而其他单摆都做受迫振动，故其振动周期都等于驱动摆的周期，B正确；同一地区，单摆的固有频率只取决于单摆的摆长，摆长等于驱动摆的摆长时，单摆的振幅最大，这种现象称为共振，受迫振动不仅传播振动形式，还传播能量，故C错误，D正确．6.(2021·河北卷·16(1))如图，一弹簧振子沿x轴做简谐运动，振子零时刻向右经过A点，2 s后第一次到达B点，已知振子经过A、B两点时的速度大小相等，2 s内经过的路程为0.4 m．该弹簧振子的周期为________ s，振幅为________ m.答案　4　0.2解析　根据简谐运动对称性可知，A、B两点关于平衡位置对称，而振子从A到B经过了半个周期，则周期为T＝2t＝4 s.从A到B经过了半个周期，路程为s＝0.4 m，则振子经过一个完整的周期的路程为0.8 m，故有4A＝0.8 m，解得振幅为A＝0.2 m.7.(多选)如图所示为同一地点的两单摆甲、乙的振动图像，则下列说法中正确的是(　　)A．甲、乙两单摆的摆长相等B．甲摆的振幅比乙摆大C．甲摆的机械能比乙摆大D．在t＝0.5 s时有正向最大加速度的是乙摆答案　ABD解析　由题图可以看出，甲摆的振幅比乙摆的大，两单摆的振动周期相同，根据单摆周期公式T＝2πeq \r(\f(l,g))可得，甲、乙两单摆的摆长相等，故A、B正确；两单摆摆球的质量未知，所以两单摆的机械能无法比较，故C错误；在t＝0.5 s时，乙摆在负向最大位移处，即有正向最大加速度，而甲摆的位移为零，加速度为零，故D正确．8.科技馆内有共振秋千，参观者坐上秋千，双脚离地，前后摆动，会发现对面的球摆也在跟着大幅度摆动．关于这个现象，以下说法不正确的是(　　)A．如果改变对面球的质量，会使球摆动幅度变小B．秋千系统的重心高度与对面球摆的重心高度大致相同C．如果对秋千施加一个周期性的驱动力，摆球的振动周期与该驱动力周期相同D．若把共振秋千移到太空舱中则无法实现共振现象答案　A解析　球发生摆动是因为参观者晃动秋千使球做受迫振动，受迫振动的周期和频率等于驱动力的周期和频率，故摆球的振动周期与对该秋千施加的周期性的驱动力的周期相同，C正确；球的摆动幅度和参观者晃动秋千频率与球摆的固有摆动频率有关，根据T＝2πeq \r(\f(L,g))，可知球摆的固有频率只与摆长和重力加速度有关，与质量没有关系，A错误；发现对面的球摆也在跟着大幅度摆动，说明发生共振，周期相同则摆长相同，说明重心高度大致相同，B正确；单摆的重力沿切线方向的分力提供回复力，共振秋千移到太空舱中处于完全失重状态，则不能形成单摆，所以无法实现共振现象，故D正确．9.(2019·全国卷Ⅱ·34(1))如图，长为l的细绳下方悬挂一小球a，绳的另一端固定在天花板上O点处，在O点正下方eq \f(3,4)l的O′处有一固定细铁钉．将小球向右拉开，使细绳与竖直方向成一小角度(约为2°)后由静止释放，并从释放时开始计时．当小球a摆至最低位置时，细绳会受到铁钉的阻挡．设小球相对于其平衡位置的水平位移为x，向右为正．下列图像中，能描述小球在开始一个周期内的x－t关系的是(　　)答案　A解析　由单摆的周期公式T＝2πeq \r(\f(l,g))可知，小球在钉子右侧时的振动周期为在钉子左侧时振动周期的2倍，故B、D项错误；由机械能守恒定律可知，小球在左、右最大位移处距离最低点的高度相同，但由于摆长不同，所以小球在左、右两侧摆动时相对平衡位置的最大水平位移不同，当小球在钉子右侧摆动时，最大水平位移较大，故A项正确，C项错误．10．(2021·广东卷·16(1))如图所示，一个轻质弹簧下端挂一小球，小球静止．现将小球向下拉动距离A后由静止释放，并开始计时，小球在竖直方向做简谐运动，周期为T.经eq \f(T,8)时间，小球从最低点向上运动的距离________eq \f(A,2)(选填“大于”“小于”或“等于”)；在eq \f(T,4)时刻，小球的动能________(选填“最大”或“最小”)．答案　小于　最大解析　根据简谐运动的位移公式y＝Asineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T)t－\f(π,2)))则t＝eq \f(T,8)时有y＝Asineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T)·\f(T,8)－\f(π,2)))＝－eq \f(\r(2),2)A，所以小球从最低点向上运动的距离为Δy＝A－eq \f(\r(2),2)A＝eq \f(2－\r(2),2)A