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第27讲机械振动
1.知道简谐运动的概念,理解简谐运动的表达式和图象.
2.知道什么是单摆,知道在摆角较小的情况下单摆的运动是简谐运动,熟记单摆的周期公式.
3.理解受迫振动和共振的概念,掌握产生共振的条件.
考点一简谐运动的规律
简谐运动的运动规律:x=Asin(ωt+φ)
(1)变化规律
位移增大时eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(回复力、加速度增大,\x(\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(速度、动能减小,势能增大))机械能守恒),振幅、周期、频率保持不变))
(2)对称规律
①做简谐运动的物体,在关于平衡位置对称的两点,回复力、位移、加速度具有等大反向的关系,另外速度的大小、动能具有对称性,速度的方向可能相同或相反.
②振动物体来回通过相同的两点间的时间相等,如tBC=tCB;振动物体经过关于平衡位置对称的等长的两线段的时间相等,如tBC=tB′C′,如图所示.
(3)运动的周期性特征
相隔T或nT的两个时刻振动物体处于同一位置且振动状态相同.
(2024春?庐江县期中)一位游客在千岛湖边欲乘坐游船,当日风浪较大,游船上下浮动。可把游船浮动简化成竖直方向的简谐运动,振幅为20cm,周期为6.0s。当船位于最高点时,甲板刚好与码头地面平齐。地面与甲板的高度差不超过10cm时,游客能舒服地登船。在一个周期内,游客能舒服登船的时间是()
A.2.0s B.2.5s C.3.0s D.4.0s
【解答】解:把游船浮动简化成竖直方向的简谐运动,从船上升到最高点时计时,其振动方程为
y=Acos2π
代入数据得y=20cos
当y=10cm时,可解得t=1.0s
故在一个周期内,游客能舒服登船的时间为t总=T﹣4t=6s﹣4×1s=2s
综上分析,故A正确,BCD错误。
故选:A。
(2024?二模拟)如图所示,一个质量为m的物块,左端与轻弹簧栓接,轻弹簧的另一端固定在墙上的O点,物块和地面间的动摩擦因数为μ。现用手按住物块静止于A点,让弹簧处于压缩状态。某时刻释放物块,物块向右运动,在M点(图中未画出)获得最大速度v1,到最右端B点(图中未画出)后,再向左运动,在M′点(图中未画出)获得向左运动的最大速度v2,C点(图中未画出)时速度减为0并保持静止状态。物块向右运动的时间为t1,向左运动的时间为t2,设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力大小,则关于两个过程下列说法正确的是()
A.M点和M′点在同一位置
B.两个阶段的时间满足t1=t2
C.两个阶段最大速度满足v1<v2
D.C点在M点左侧
【解答】解:A、M点和M′点都处于各个阶段速度最大的位置,说明在这两个位置受力平衡,受力分析如图所示
因此这两个点一个在弹簧压缩位置,一个在弹簧拉伸位置,则这两个点不可能在同一位置,故A错误;
C、在从M点到M点的过程中,弹性势能没有发生变化,但由于摩擦消耗了机械能,根据能量守恒可知动能减小,故速度v1>v2,故C错误;
D、物块运动到C点后,保持静止,说明C位置向右的弹力小于最大静摩擦力,则C位置应该在M点的右侧,故D错误;
B、两个阶段均受到大小恒定的滑动摩擦力的作用,可类比竖直方向上的弹簧振子,将滑动摩擦力看作重力,因此向右和向左的运动可分别看作简谐运动,简谐运动的周期没有发生变化,因此t1=t2,故B正确。
故选:B。
(2024?贵州模拟)一振子沿x轴做简谐运动,平衡位置在坐标原点,振幅为0.1m,t=0时振子的位移为﹣0.05m,沿x轴正方向运动;t=0.5s时位移为0.05m,沿x轴负方向运动,则()
A.振子的周期可能为13
B.振子的周期可能为23
C.振子的周期可能为56
D.振子的周期可能为2s
【解答】解:t=0时刻振子的位移x=﹣0.05m,t=0.5s时振子的位移x=0.05m,且沿x轴负方向运动,根据振幅A=0.1m再结合位移—时间关系图象,有t=T2+nT
解得:T=
当n=0时,T=1s;当n=1时,T=13s
故选:A。
考点二简谐运动的图象
1.简谐运动的图象
图象
横轴
表示振动时间
纵轴
表示某时刻质点的位移
物理意义
表示振动质点的位移随时间的变化规律
2.振动图象的信息
(1)由图象可以看出振幅、周期.
(2)可以确定某时刻质点离开平衡位置的位移.
(3)可以根据图象确定某时刻质点回复力、加速度和速度的方向.
①回复力和加速度的方向:因回复力总是指向平衡位置,故回复力和加速度在图象上总是指向t轴.
②速度的方向:速度的方向可以通过下一时刻位移的变化来判定,若下一时刻位移增大,振动质点的速度方向就是远离t轴,若下一时刻位移减小,振动质点的速度方向就是指向t轴.
(2024?广州一模)某质点做简谐振动,其位移x与时间t的关系如
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