高中物理选修34--机械运动-11-简谐运动.pptx

第一节第一节 简谐运动简谐运动机械振动机械振动 想一想想一想 进入高中以来，我们主要学习了哪几种形进入高中以来，我们主要学习了哪几种形式的运动式的运动?请说出各运动的名称及每种运动请说出各运动的名称及每种运动所对应的受力情况。所对应的受力情况。1.1.匀速直线运动匀速直线运动 2.2.匀变速直线运动匀变速直线运动3.3.平抛运动平抛运动 4.4.匀速圆周运动匀速圆周运动 机械振动是生活中常见的运动形式机械振动是生活中常见的运动形式一、机械振动一、机械振动 1 1、定义：、定义：物体（或物物体（或物体的一部分）体的一部分）在某一中心在某一中心位置两侧所位置两侧所做的往复运做的往复运动，就叫做动，就叫做机械振动机械振动（振动）（振动）2 2、机械振动的主要特征是：、机械振动的主要特征是：“空间运动空间运动”的往复性和的往复性和“时间时间”上的上的周期性。周期性。3、产生振动有两个必要条件：、产生振动有两个必要条件：（1 1）每当物体离开平衡位置就会受到）每当物体离开平衡位置就会受到回复力回复力的作用。的作用。（2 2）阻力足够小。）阻力足够小。二、简谐运动二、简谐运动 振子以振子以O O点为中心在水平杆方点为中心在水平杆方向做往复运动。振子由向做往复运动。振子由B B点开始运点开始运动，经过动，经过O O点运动到点运动到C C点，由点，由C C 点再点再经过经过O O 点回到点回到B B点，且点，且OCOC等于等于OB,OB,此后振子不停地重复这种往复运动。此后振子不停地重复这种往复运动。以上装置称为以上装置称为弹簧振子弹簧振子。弹簧振子弹簧振子定义：定义：指理想化处理后的弹簧与小球组指理想化处理后的弹簧与小球组成的系统。成的系统。弹簧振子的理想化条件弹簧振子的理想化条件（1 1）弹簧的质量比小球的质量小得多，）弹簧的质量比小球的质量小得多，可以认为质量集中于振子（小球）。可以认为质量集中于振子（小球）。（2 2）小球需体积很小，可当做质点处理。）小球需体积很小，可当做质点处理。（3 3）忽略一切摩擦及阻力作用。）忽略一切摩擦及阻力作用。（4 4）小球从平衡位置拉开的位移在弹）小球从平衡位置拉开的位移在弹性限度内。性限度内。常见简谐运动：常见简谐运动：常见简谐运动：常见简谐运动：回复力回复力 振子在振动过程中，所受重力与支持振子在振动过程中，所受重力与支持力平衡，振子在离开平衡位置力平衡，振子在离开平衡位置 O O 点后，只点后，只受到弹簧的弹力作用，这个力的方向跟振受到弹簧的弹力作用，这个力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反，总是指子离开平衡位置的位移方向相反，总是指向平衡位置，所以称为向平衡位置，所以称为回复力回复力。胡克定律胡克定律 在弹簧发生弹性形变时，弹簧振在弹簧发生弹性形变时，弹簧振子的回复力子的回复力F F与振子偏离平衡位置的位与振子偏离平衡位置的位移移x x大小成正比，且方向总是相反，即：大小成正比，且方向总是相反，即：这个关系在物理学中叫做这个关系在物理学中叫做胡克定律胡克定律 式中式中k k是弹簧的劲度系数。是弹簧的劲度系数。负负号号表示回复力的方向跟振子离开表示回复力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反。平衡位置的位移方向相反。定义定义:物体在跟位移大小成正物体在跟位移大小成正比，并且总是指向平衡位置的力比，并且总是指向平衡位置的力作用下的振动，叫做作用下的振动，叫做简谐运动简谐运动。说明说明:判断是否作简谐振动的依据是判断是否作简谐振动的依据是简谐运动中位移、加速度、速度、动简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律量、动能、势能的变化规律 平衡位置平衡位置:振动物体能够静止时的位置。振动物体能够静止时的位置。（1 1）振动中的位移）振动中的位移x x都是以都是以平衡位置平衡位置为起点的，为起点的，因此，方向就是从平衡位置指向末位置的方向，因此，方向就是从平衡位置指向末位置的方向，大小就是这两位置间的距离，两个大小就是这两位置间的距离，两个“端点端点”位位移最大，在平衡位置位移为零。移最大，在平衡位置位移为零。位移随时间变化位移随时间变化关系图是关系图是正弦或正弦或余弦曲线余弦曲线.思考思考:怎样才能描绘位怎样才能描绘位移随时间变化图线移随时间变化图线?（2 2）加速度）加速度a a在两个在两个“端点端点”最大，在最大，在平衡位置为零，方向总指向平衡位置。平衡位置为零，方向总指向平衡位置。简谐运动中位移、加速度、速度、动简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律量、动能、势能的变化规律 （3 3）速度大小）速度大小v v与加速度与加速度a a的变化恰好相的变化恰好相反，在两个反，在两个“端点端点”为零，在平衡位置为零，在平衡位置最大，除两个最大，除两个“端点端点”外任何一个位置外任何一个位置的速度方向都有两种可能。的速度方向都有两种可能。a=-kx/ma=-kx/mX能量随时间变化能量随时间变化能量随空间变化能量随空间变化（6 6）在简谐运动中，完成）在简谐运动中，完成P6P6的表格的表格 （5 5）能量变化：能量变化：机械能守恒，动能和机械能守恒，动能和势能是互余的。势能是互余的。简谐运动中位移、加速度、速度、动量、简谐运动中位移、加速度、速度、动量、动能、势能的变化规律动能、势能的变化规律 物理量物理量 变化过程变化过程B O O BB OO B 位移（位移（X）方向方向大小大小回复力（回复力（F）加速度（加速度（a）方向方向大小大小速度（速度（V）方向方向大小大小动能大小动能大小势能大小势能大小向右向右减小减小向左向左减小减小向左向左增大增大增大增大减小减小向左向左增大增大向右向右增大增大向左向左减小减小减小减小增大增大向左向左减小减小向右向右减小减小向右向右增大增大增大增大减小减小向右向右增大增大向左向左增大增大向右向右减小减小减小减小增大增大OBB例例1 1、图所示为一弹簧振子，、图所示为一弹簧振子，O O为平衡位为平衡位置，设向右为正方向，振子在置，设向右为正方向，振子在B B、C C之间之间振动时（振动时（）A AB B至至O O位移为负、速度为正位移为负、速度为正B BO O至至C C位移为正、加速度为负位移为正、加速度为负C CC C至至O O位移为负、加速度为正位移为负、加速度为正D DO O至至B B位移为负、速度为负位移为负、速度为负OCBC简谐运动的特点简谐运动的特点：1 1、简简谐谐振振动动是是最最简简单单、最最基基本本的的运运动动，简简谐谐振振动是理想化的振动。动是理想化的振动。2 2、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向、回复力与位移成正比而方向相反，总是指向平衡位置。平衡位置。3 3、简简谐谐运运动动是是一一种种理理想想化化的的运运动动，振振动动过过程程中中无阻力，所以振动系统机械能守恒。无阻力，所以振动系统机械能守恒。4 4、简谐运动是一种非匀变速运动。、简谐运动是一种非匀变速运动。5 5、位移随时间变化关系图是、位移随时间变化关系图是正弦或余弦曲线正弦或余弦曲线.简简谐谐运运动动弹簧振子弹簧振子-理想化物理模型理想化物理模型2 2、产生条件、产生条件（1 1）有回复力作用）有回复力作用（2 2）阻力足够小）阻力足够小回复力的特点：回复力的特点：F=-kxF=-kx 各物理量分析各物理量分析O OA AA A1 1、定义、定义机机械械振振动动小结小结1 1、简谐运动属于哪一种运动（、简谐运动属于哪一种运动（）A A、匀加速运动、匀加速运动 B B、匀减速运动、匀减速运动 C C、匀速运动、匀速运动 D D、非匀变速运动、非匀变速运动D思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论2 2、作简谐振动的物体，当它每次经过同一位、作简谐振动的物体，当它每次经过同一位置时，一定相同的物理量是（置时，一定相同的物理量是（）A A、速度、速度 B B、位移、位移 C C、回复力、回复力 D D、加速度、加速度 E E、动量、动量 F F、动能、动能CBDF3 3、做简谐运动的物体，当位移为负值时，以下、做简谐运动的物体，当位移为负值时，以下说法正确的是（说法正确的是（）A A、速度一定为正值，加速度一定为正值。、速度一定为正值，加速度一定为正值。B B、速度不一定为正值，但加速度一定为正值。、速度不一定为正值，但加速度一定为正值。C C、速度一定为负值，加速度一定为正值。、速度一定为负值，加速度一定为正值。D D、速度不一定为负值，加速度一定为负值。、速度不一定为负值，加速度一定为负值。思考与讨论思考与讨论B4 4做简谐振动的弹簧振子受到的回复力与做简谐振动的弹簧振子受到的回复力与位移的关系可用图中哪个图正确表示出来位移的关系可用图中哪个图正确表示出来？（？（）C思考与讨论思考与讨论 5 5、根据振子的运动图象回答：根据振子的运动图象回答：a a、图中各点表示平衡位置的有、图中各点表示平衡位置的有_b b、开始振动时，振子的所处的位、开始振动时，振子的所处的位 置是置是_(_(平衡位置，最大位移）平衡位置，最大位移）c c、振子的周期，频率是、振子的周期，频率是_._.d d、振子的振幅是、振子的振幅是_振子在振子在6 6秒内秒内 通过的路程通过的路程_._.e e、c c点的位移点的位移_回复力方向回复力方向_ 大小大小_加速度方向加速度方向_大小大小_._.f f、d d点的位移点的位移_回复力回复力_ 加速度加速度_速度速度_._.g g、势能最大的点有、势能最大的点有_._.动能最大的点有动能最大的点有_._.h h、t=2.5st=2.5s时，振子的位移方向时，振子的位移方向_._.速度方向速度方向_加速度方向加速度方向_._.0abcdeft/ss/cm2-212345思考与讨论思考与讨论三、描述简谐运动特征的物理量三、描述简谐运动特征的物理量 1 1、全振动：全振动：振动物体往返一次（以后完全重振动物体往返一次（以后完全重复原来的运动）的运动，叫做一次全振动。复原来的运动）的运动，叫做一次全振动。2 2、振幅（振幅（A A）：）：振动物体离开平衡位置的最大振动物体离开平衡位置的最大距离，叫做振幅，用距离，叫做振幅，用A A表示，单位为长度单位单表示，单位为长度单位单位，在国际单位制中为米（位，在国际单位制中为米（m m），振幅是描述振幅是描述振动强弱的物理量，振幅大表示振动强，振幅振动强弱的物理量，振幅大表示振动强，振幅小表示振动弱。小表示振动弱。振幅的大小反映了振动系统能振幅的大小反映了振动系统能量的大小。量的大小。3 3、周期：周期：做简谐运动的物体完成一次全振动做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间，叫做振动的周期用所需要的时间，叫做振动的周期用T T表示，单表示，单位为时间单位，在国际单位制中为秒（位为时间单位，在国际单位制中为秒（s s）。）。4 4、频率：频率：单位时间内完成全振动的次数，叫单位时间内完成全振动的次数，叫做振动的频率。用做振动的频率。用f f表示，在国际单位制中，表示，在国际单位制中，频率的单位是赫兹（频率的单位是赫兹（HzHz），），三、描述简谐运动特征的物理量三、描述简谐运动特征的物理量 振动周期是描述振动快慢的物理量，周期越振动周期是描述振动快慢的物理量，周期越长表示振动越慢，周期越小表示振动越快。长表示振动越慢，周期越小表示振动越快。频率是表示振动快慢的物理量，频率越大表示频率是表示振动快慢的物理量，频率越大表示振动越快，频率越小表示振动越慢。振动越快，频率越小表示振动越慢。1 1、振幅是一个标量，是指物体偏离平衡位、振幅是一个标量，是指物体偏离平衡位置的最大距离。它没有负值，也无方向，置的最大距离。它没有负值，也无方向，所以振幅不同于最大位移。所以振幅不同于最大位移。2 2、在简谐运动中，振幅跟频率或周期无关。、在简谐运动中，振幅跟频率或周期无关。在一个稳定的振动中，物体的振幅是不变在一个稳定的振动中，物体的振幅是不变的。的。3 3、振动物体在一个全振动过程中通过的路、振动物体在一个全振动过程中通过的路程等于程等于4 4个振幅，在半个周期内通过的路个振幅，在半个周期内通过的路程等于两个振幅，但在四分之一周期内通程等于两个振幅，但在四分之一周期内通过的路程不一定等于一个振幅，与振动的过的路程不一定等于一个振幅，与振动的起始时刻有关。起始时刻有关。几点注意事项几点注意事项4 4、振幅与振动的能量有关，振幅越、振幅与振动的能量有关，振幅越大，能量越大。大，能量越大。5 5、周期与频率的关系：、周期与频率的关系：T=1/fT=1/f6 6、物体的振动周期与频率，由振动、物体的振动周期与频率，由振动系统系统本身的性质本身的性质决定，与振幅无关，决定，与振幅无关，所以其振动周期称为所以其振动周期称为固有周期固有周期。振动。振动频率称为频率称为固有频率固有频率。几点注意事项几点注意事项例例2 2、一个弹簧振子的振动周期是、一个弹簧振子的振动周期是0.25s0.25s，当振子从平衡位置开始向右运动，经过当振子从平衡位置开始向右运动，经过1.7s1.7s时，振子的运动情况是时，振子的运动情况是（）A.A.正在向右做减速运动；正在向右做减速运动；B.B.正在向右做加速运动；正在向右做加速运动；C.C.正在向左做减速运动；正在向左做减速运动；D.D.正在向左做加速运动；正在向左做加速运动；思考与讨论思考与讨论B B例例3.3.右图为甲、乙两个物体右图为甲、乙两个物体的振动图象，则：的振动图象，则：()()A.A.甲、乙两振动的振幅分别甲、乙两振动的振幅分别是是2m2m，1m1m；B.B.甲、乙的振动频率之比为甲、乙的振动频率之比为1:21:2；C.C.前四秒内甲，乙两物体的前四秒内甲，乙两物体的加速度均为负值；加速度均为负值；D.D.第二秒末甲的速度最大，第二秒末甲的速度最大，乙的加速度最大。乙的加速度最大。思考与讨论思考与讨论AD6 6、一弹簧振子作简谐振动、一弹簧振子作简谐振动,周期为周期为T,()T,()A.A.若若t t时刻和时刻和(t+t)(t+t)时刻振子运动位移的大小时刻振子运动位移的大小相等、方向相同相等、方向相同,则则tt一定等于一定等于T T的整数倍的整数倍;B.B.若若t t时刻和时刻和(t+t)(t+t)时刻振子运动速度的大小时刻振子运动速度的大小相等、方向相反相等、方向相反,则则tt一定等于一定等于T/2T/2的整数倍的整数倍;C.C.若若t=Tt=T，则在，则在t t时刻和时刻和(t+t)(t+t)时刻振子运时刻振子运动动能一定相等；动动能一定相等；D.D.若若t=T/2t=T/2，则在，则在t t时刻和时刻和(t+t)(t+t)时刻弹簧的时刻弹簧的长度一定相等长度一定相等.思考与讨论思考与讨论7 7、一弹关振子作简谐运动，则下列说法正确、一弹关振子作简谐运动，则下列说法正确的有（的有（）A.A.若位移为负值，则速度一定为正值若位移为负值，则速度一定为正值B.B.振子通过平衡位置时，速度为零，加速度最振子通过平衡位置时，速度为零，加速度最大大C.C.振子每次通过平衡位置时，加速度相同，速振子每次通过平衡位置时，加速度相同，速度也相同度也相同D.D.振子每次通过同一位置时，其速度不一定相振子每次通过同一位置时，其速度不一定相同，但加速度一定相同同，但加速度一定相同.思考与讨论思考与讨论8.8.一质点作简谐振动，其位一质点作简谐振动，其位移移X X与时间与时间T T的关系曲线图，的关系曲线图，由图可知：由图可知：()A.A.由由0 0时刻开始计时，质点时刻开始计时，质点的轨迹是一条正弦曲线的轨迹是一条正弦曲线 B.B.质点振动的频率为质点振动的频率为2Hz2HzC.C.在在 t=3t=3秒末，质点的加速秒末，质点的加速度负向最大度负向最大 D.D.在在t=4t=4秒末，质点的速度秒末，质点的速度负向最大负向最大t/st/sx/cmx/cm0 02 24 46 62 2-2-2思考与讨论思考与讨论9.9.将一个水平方向的弹簧振子从它的平衡位置向右将一个水平方向的弹簧振子从它的平衡位置向右拉开拉开10cm10cm，无初速释放，已知振子频率为，无初速释放，已知振子频率为5Hz5Hz，振子，振子在在0.1s0.1s到到0.15s0.15s内向内向 （左、右）做（左、右）做 （加、（加、减）速运动；在减）速运动；在0.4s0.4s内一共通过的路程为内一共通过的路程为 ，位，位移为移为 ;振子振子0.65s0.65s末速度向末速度向 （左、右）（左、右）；当振子的位移为；当振子的位移为2cm2cm时，它的加速度大小为时，它的加速度大小为4m/s24m/s2。则振子在振动过程中的最大加速度为。则振子在振动过程中的最大加速度为 ;请在请在右图中作出振子的振动图象（以向右为正，至少一右图中作出振子的振动图象（以向右为正，至少一个全振动）。个全振动）。t/st/sx/cmx/cm0 0思考与讨论思考与讨论1010如图所示的弹簧振子，振球在光滑杆上做简谐如图所示的弹簧振子，振球在光滑杆上做简谐振动，往返于振动，往返于BOC BOC 之间，之间，O O是平衡位置，是平衡位置，D D是是OCOC的中点则的中点则 A.A.小球由小球由O O向向C C运动的过程中，加速度越来越大，速运动的过程中，加速度越来越大，速度越来越大度越来越大B.B.小球由小球由C C到到O O运动的过程中，加速度越来越小，速运动的过程中，加速度越来越小，速度越来越大度越来越大C.C.小球由小球由O O到到B B运动的过程中，要克服弹力做功运动的过程中，要克服弹力做功D.D.小球由小球由D D点运动到点运动到C C再返回再返回D D，所用的时间是，所用的时间是1/41/4周周期期思考与讨论思考与讨论1111如图所示，轻质弹簧下端挂重为如图所示，轻质弹簧下端挂重为20N20N的的物体物体A A，弹簧伸长了，弹簧伸长了3cm3cm，再挂重为，再挂重为20N20N的物的物体体B B时又伸长时又伸长2cm2cm，若将连接，若将连接A A和和B B的连线剪的连线剪断，使断，使A A在竖直面内振动时，下面结论正确在竖直面内振动时，下面结论正确的是（的是（）A A振幅是振幅是2cm 2cm B B振幅是振幅是3cm 3cm C C最大回复力是最大回复力是30N 30N D D最大回复力是最大回复力是20N20N思考与讨论思考与讨论1212一平台沿竖直方向作简谐振动，一物体一平台沿竖直方向作简谐振动，一物体置于平台上随平台一起振动，物体对平台的置于平台上随平台一起振动，物体对平台的压力最大的时刻是（压力最大的时刻是（）A A平台向下运动经过振动的平衡位置时平台向下运动经过振动的平衡位置时 B B平台向上运动经过振动的平衡位置时平台向上运动经过振动的平衡位置时C C平台运动到最高点时平台运动到最高点时 D D平台运动到最低点时平台运动到最低点时思考与讨论思考与讨论