2024年高中物理新教材同步学案 选择性必修第一册 第2章 章末素养提升 (含解析)

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章末素养提升例1　下列说法完全正确的一组是(　　)①做简谐运动的物体的运动方向指向平衡位置时，速度方向与位移方向相反；背离平衡位置时，速度方向与位移方向相同②做简谐运动的物体振动的轨迹是正弦或余弦曲线③做简谐运动的物体每次通过同一位置时，其速度不一定相同，但加速度一定相同④做简谐运动的物体经过平衡位置时所受合外力一定为零⑤秒摆是指周期为1 s，摆长约为1 m的单摆⑥单摆的摆球做匀速圆周运动⑦在外力作用下的振动是受迫振动，受迫振动稳定后的频率与自身物理条件无关⑧简谐振动的1个周期内回复力的瞬时功率有4次为零⑨部队经过桥梁时，规定不许齐步走，登山运动员登雪山时，不许高声叫喊，主要原因是使桥受到的压力更不均匀及减少登山运动员耗散能量⑩做简谐运动的物体从平衡位置向最大位移处运动过程中，它的势能增大A．②⑤⑥⑨ B．①③⑧⑩C．②④⑤⑦ D．①③⑨⑩答案　B解析　简谐运动物体的位移是由平衡位置指向所在位置，因此物体的运动方向指向平衡位置时，速度方向与位移方向相反；背离平衡位置时，速度方向与位移方向相同，①正确；物体做简谐运动仅在某一坐标轴上振动，其轨迹范围是一个线段，而非曲线，②错误；做简谐运动的物体每次通过同一位置时，速度方向可能不同，但加速度一定相同，③正确；单摆经过平衡位置时所受合外力不为零，④错误；秒摆周期为2 s，摆长为1 m，⑤错误；单摆的摆球做曲线运动且非匀速，⑥错误；在周期性外力作用下的振动才是受迫振动，⑦错误；简谐振动的1个周期内在两个最大位移处以及两次通过平衡位置时，回复力的瞬时功率均为0，⑧正确；部队经过桥梁时，规定不许齐步走，登山运动员登雪山时，不许高声叫喊，主要原因是防止发生共振导致灾害，⑨错误；做简谐运动的物体从平衡位置向最大位移处运动过程中，动能逐渐减小，因此势能逐渐增大，⑩正确。故选B。例2　(多选)很多高层建筑都会安装减震耗能阻尼器，用来控制强风或地震导致的振动。台北101大楼使用的阻尼器是重达660吨的调谐质量阻尼器，阻尼器相当于一个巨型质量块。简单说就是将阻尼器悬挂在大楼上方，它的摆动会产生一个反作用力，在建筑物摇晃时往反方向摆动，会使大楼摆动的幅度减小。关于调谐质量阻尼器下列说法正确的是(　　)A．阻尼器做受迫振动，振动频率与大楼的振动频率相同B．阻尼器与大楼摆动幅度相同C．阻尼器摆动后，摆动方向始终与大楼的振动方向相反D．阻尼器摆动幅度不受风力大小影响答案　AC解析　由题意可知阻尼器做受迫振动，振动频率与大楼的振动频率相同，故A正确；阻尼器与大楼摆动幅度不相同，故B错误；由题意可知，大楼对阻尼器的力与阻尼器对大楼的力为一对相互作用力，根据回复力F＝－kx可知，阻尼器摆动后，摆动方向始终与大楼的振动方向相反，故C正确；阻尼器的摆动幅度会受到风力的影响，故D错误。例3　一个弹簧振子一端固定在墙上，当振动过程中，弹簧的最短和最长位置如图所示。弹性势能Ep＝eq \f(1,2)kx2(x为弹簧形变量)，以下四个随弹簧长度变化的图像分别是(　　)答案　B解析　图像横坐标为弹簧的长度，选项中涉及到的物理量有弹性势能、机械能、回复力、加速度以及物块动能。简谐运动过程机械能守恒，因此图像d纵坐标应为系统的机械能。弹性势能与弹簧形变量平方成正比，因此Ep＝eq \f(kx－x02,2)，图像a符合弹性势能的变化规律；设振幅为A，则A＝xmax－x0＝x0－xmin，物块动能为Ek＝eq \f(kA2,2)－eq \f(kx－x02,2)，图像c符合动能随弹簧长度的变化关系；回复力F＝－k(x－x0)，图像b符合。故选B。例4　(多选)装有一定量液体的玻璃管竖直漂浮在水中，水面足够大，如图甲所示。把玻璃管向下缓慢按压5 cm后放手，忽略运动阻力，玻璃管的运动可以视为竖直方向的简谐运动，测得振动周期为0.4 s。以竖直向上为正方向，某时刻开始计时，其振动图像如图乙所示，其中A为振幅。对于玻璃管(包括管内液体)，下列说法正确的是(　　)A．振动过程中机械能守恒B．回复力等于重力和浮力的合力C．位移满足函数式x＝5sin(5πt－eq \f(5π,6)) cmD．若向下缓慢按压3 cm后放手，振动频率变小答案　BC解析　玻璃管在振动过程中，水的浮力对玻璃管做功，故振动过程中，玻璃管的机械能不守恒，故A错误；玻璃管振动过程中，受到重力和水的浮力，这两个力的合力充当回复力，故B正确；由于振动周期为0.4 s，故ω＝eq \f(2π,T)＝5π rad/s由题图乙可知振动位移的函数表达式为x＝5sin(5πt－eq \f(5π,6)) cm，故C正确；由于玻璃管做简谐振动，与弹簧振子的振动相似，结合简谐振动的特点可知，该振动的周期和频率与振幅无关，故D错误。例5　(多选)(2022·山东师范大学附中高二期中)有两位同学利用假期分别去参观位于天津市的“南开大学”和上海市的“复旦大学”，他们各自利用那里的实验室中DIS系统探究了单摆周期T和摆长L的关系。然后通过互联网交流实验数据，并用计算机绘制了如图甲所示的T2－L图像。另外，去“复旦大学”做研究的同学还利用计算机绘制了他实验用的a、b两个摆球的振动图像，如图乙所示。下列说法正确的是(　　)A．甲图中“南开大学”的同学所测得的实验结果对应的图线是AB．甲图中图线的斜率表示对应所在位置的重力加速度的倒数C．由乙图可知，a、b两摆球振动周期之比为2∶3D．由乙图可知，t＝1 s时b球振动方向沿y轴负方向答案　CD解析　根据单摆周期公式T＝2πeq \r(\f(L,g))，得T2＝eq \f(4π2L,g)，图线的斜率k＝eq \f(4π2,g)，因为随着纬度的增大，重力加速度增大，故g南开>g复旦 ，由题图甲可知，图线B的斜率较小，则对应的重力加速度较大，故题图甲中“南开大学”的同学所测得的实验结果对应的图线是B，A、B错误；周期指完成一次全振动所需的时间，由题图乙可知eq \f(3,2)Ta＝2 s，Tb＝2 s，a、b两摆球振动周期之比为2∶3，C正确；由题图乙可知，t＝1 s时b球处于平衡位置向y轴负方向振动，D正确。例6　(多选)(2022·南阳市高二期末)如图所示，在水平地面上，有两个用轻质弹簧相连的物块A和B，它们的质量均为m，弹簧的劲度系数为k。现将一个质量也为m的物体C从A的正上方一定高度处由静止释放，C和A相碰后立即粘在一起，之后在竖直方向做简谐运动。在简谐运动过程中，物块B对地面的最小弹力为eq \f(mg,2)，则(　　)A．C和A做简谐运动的振幅为eq \f(2.5mg,k)B．C和A相碰后立即减速向下运动C．B对地面的最大弹力为5.5mgD．若C物体从更高的位置释放，碰后粘在一起向下运动速度最大的位置会更低答案　AC解析　物块B对地面的弹力最小时B受到的支持力最小，此时弹簧对B的作用力为拉力，对B：mg－kx1＝eq \f(1,2)mg则kx1＝0.5mg再以A、C组成的整体为研究对象，则物块B对地面的弹力最小时弹簧对A的作用力也是拉力，此时A与C在最高点，则2mg＋kx1＝2ma可得a＝1.25g由于简谐振动具有对称性，则A与C在最低点时加速度的大小也是1.25g，方向向上，此时：kx2－2mg＝2ma则x2＝eq \f(9mg,2k)A与C组成的整体受力平衡时：2mg＝kx3则x3＝eq \f(2mg,k)所以简谐振动的振幅A＝x2－x3＝eq \f(9mg,2k)－eq \f(2mg,k)＝eq \f(2.5mg,k)，故A正确；A与C碰撞后A与C整体受到的重力大于弹簧的弹力，所以它们将先向下做一段加速运动，故B错误；A与C在最低点时B对地面的压力最大，受到的支持力也最大，则F－mg－kx2＝0可得F＝5.5mg，故C正确；A与C组成的整体受力平衡的平衡位置不变，所以当C物体从更高的位置释放，碰后粘在一起向下运动速度最大的位置也不变，故D错误。物理观念描述简谐运动的物理量(1)位移x：相对于平衡位置的位移(2)振幅A：离开平衡位置的最大距离(3)周期T：完成一次全振动需要的时间。周期由振动系统本身决定，与振幅无关(4)频率f：单位时间内完成全振动的次数(5)相位：某时刻处于一个运动周期中的状态三类振动的特征简谐运动：(1)受力特点：F＝－kx(2)运动特点：做变加速运动，具有周期性和对称性(3)位移—时间关系：正弦函数规律x＝Asin(ωt＋φ)(4)能量特点：动能和势能之和保持不变阻尼振动：(1)振幅逐渐减小(2)能量衰减，机械能逐渐转化为内能或向四周辐射出去受迫振动：(1)驱动力作用下的振动(2)受迫振动的频率等于驱动力的频率(3)共振：f驱＝f固，受迫振动的振幅最大科学思维理想化模型水平弹簧振子：由弹簧和小球组成，忽略阻力，由弹力提供回复力单摆：(1)相对来说，阻力可忽略，细线质量可忽略，球的直径也可忽略(2)做简谐运动的条件：摆角小于5°图像法简谐运动的图像：(1)正弦曲线(2)图像信息：振幅A、周期T、各时刻的位移x等科学探究1.学会利用单摆测量重力加速度2.能正确熟练地使用游标卡尺和停表，能正确读取并记录实验数据3.会分析实验中产生系统误差和偶然误差的原因，掌握减小实验误差的方法科学态度与责任1.通过对单摆规律的研究，知道时钟的发明对人类文明发展的意义2.通过学习共振现象产生的原因，能运用所学知识解释生产生活中防止共振或利用共振的现象abcdA物块加速度回复力物块动能系统弹性势能B系统弹性势能回复力物块动能系统机械能C弹簧的形变量物块的速度系统弹性势能物块加速度D回复力大小物块的速度物块加速度系统机械能