机械振动与机械波
简谐振动
一、学习目标
1.了解什么是机械振动、简谐运动
2.正确理解简谐运动图象的物理含义，知道简谐运动的图象是一条正弦或余弦曲线。 二、知识点说明 1.弹簧振子(简谐振子)：
(1)平衡位置：小球偏离原来静止的位置；
(2)弹簧振子：小球在平衡位置附近的往复运动，是一种机械运动，这样的系统叫做弹簧振子。
(3)特点：一个不考虑摩擦阻力，不考虑弹簧的质量，不考虑振子的大小和形状的理想化的物理模型。 2.弹簧振子的位移—时间图像
弹簧振子的s—t图像是一条正弦曲线，如图所示。
3.简谐运动及其图像。
(1)简谐运动：如果质点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，这样的振动叫做简谐运动。 (2)应用：心电图仪、地震仪中绘制地震曲线装置等。 三、典型例题
例1：简谐运动属于下列哪种运动( ) A．匀速运动 B．匀变速运动 C．非匀变速运动 D．机械振动
解析：以弹簧振子为例，振子是在平衡位置附近做往复运动，并且平衡位置处合力为零，加速度为零，速度最大．从平衡位置向最大位移处运动的过程中，由F＝－kx可知，振子的受力是变化的，因此加速度也是变化的。故A、B错，C正确。简谐运动是最简单的、最基本的机械振动，D正确。
1
答案：CD
简谐运动的描述
一、学习目标
1．知道简谐运动的振幅、周期和频率的含义。
2．知道振动物体的固有周期和固有频率，并正确理解与振幅无关。 二、知识点说明
1.描述简谐振动的物理量，如图所示： (1)振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离，。
(2)全振动：振子向右通过O点时开始计时，运动到A，然后向左回到O，又继续向左达到，之后又回到O，这样一个完整的振动过程称为一次全振动。
(3)周期：做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间，符号T表示，单位是秒(s)。 (4)频率：单位时间内完成全振动的次数，符号用f表示，且有，单位是赫兹(Hz)，。 (5)周期和频率都是表示物体振动快慢的物理量，周期越小，频率越大，振动越快。 (6)相位：用来描述周期性运动在各个时刻所处的不同状态。 2.简谐运动的表达式：。
(1)理解：A代表简谐运动的振幅；叫做简谐运动的圆频率，表示简谐运动的快慢，且；(代表简谐运动的相位，是t=0时的相位，称作初相位或初相；两个具有相同频率的简谐运动存在相位差，我们说2的相位比1超前。 (2)变形： 三、典型例题
例1：某振子做简谐运动的表达式为x＝2sin(2πt＋6π)cm则该振子振动的振幅和周期为( ) A．2cm 1s B．2cm 2πs C．1cm π6s D．以上全错
解析：由x＝Asin(ωt＋φ)与x＝2sin(2πt＋6π)对照可得：A＝2cm，ω＝2π＝2πT，∴T＝1s，A选项正确。 答案：A
例2：周期为2s的简谐运动，在半分钟内通过的路程是60cm，则在此时间内振子经过平衡位置的次数和振子的振幅分别为( ) A．15次，2cm B．30次，1cm
2
C．15次，1cm D．60次，2cm
解析：振子完成一次全振动经过轨迹上每点的位置两次(除最大位移处)，而每次全振动振子通过的路程为4个振幅。 答案：B
例3：一简谐振子沿x轴振动，平衡位置在坐标原点。 t=0时刻振子的位移x=-0.1m；t=s时刻x=0.1m；t=4s时刻x=0.1m。该振子的振幅和周期可能为( ) A．0. 1 m， B．0.1 m， 8s C．0.2 m， D．0.2 m，8s
解析：t=s和t=4s两时刻振子的位移相同，第一种情况是此时间差是周期的整数倍，当n=1时T=s。在s的半个周期内振子的位移由负的最大变为正的最大，所以振幅是0.1m。A正确。 第二种情况是此时间差不是周期的整数倍，则，当n=0时T=8s，且由于是的二倍说明振幅是该位移的二倍为0.2m。如图答案D。 答案：AD
简谐运动的回复力和能量
一、学习目标
1.掌握简谐运动的定义。 2.了解简谐运动的运动特征。 3.掌握简谐运动的动力学公式。 4.了解简谐运动的能量变化规律。 二、知识点说明 1.简谐运动的回复力：
(1)如果质点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，力的方向总是指向平衡位置，所以称这个力为回复力。
(2)大小：，k是弹簧的劲度系数，x是小球的位移大小。 2.简谐运动的能量：
(1)振子速度在变，因而动能在变；弹簧的伸长量在变，弹性势能在变。
3
△t2 △t1
(2)变化规律：
位置 位移的大小 速度的大小 动能 势能 总能(理想化) 总结：
A总机械能=任意位置的动能+势能=平衡位置的动能=振幅位置的势能；
B弹簧振子在平衡位置的动能越大，振动的能量就越大；振幅越大，振幅位置的势能就越大，振动的能量就越大。 三、典型例题
例1：关于回复力，下列说法正确的是( )
A．回复力是指物体离开平衡位置时受到的指向平衡位置的力
B．回复力是按力的作用效果命名的，它可能由弹力提供，也可能由摩擦力提供 C．回复力可能是某几个力的合力，也可能是某一个力的分力 D．振动物体在平衡位置时，其所受合力为零
解析：选ABC.由回复力定义可知选项A正确；回复力是物体在振动方向上受到的合力，并不一定是物体所受合力，所以平衡位置是回复力为零的位置，并不一定是合力为零的位置，D选项错误；回复力是效果力，它可以由一个力来提供，也可以由几个力的合力来提供，B、C选项正确
例2：弹簧振子做简谐运动时，下列说法中正确的是( ) A．加速度最大时，速度也最大 B．位移相同时速度一定相同 C．加速度减小时，速度一定增大 D．速度相同时位移也一定相同
解析：选C.加速度最大时，速度为零，A错误．位移相同时，速度方向可能不同，B错误，加速度减小时，振子向平衡位置运动，速度增大，C正确．速度相同时，振子的位移也可能方向相反，D错误。
A 最大 0 0 最大 不变 减小 增大 增大 减小 不变 O 0 最大 最大 0 不变 增大 减小 减小 增大 不变 B 最大 0 0 最大 不变 4
例3：一简谐横波以4m/s的波速沿x轴正方向传播。已知t=0时的波形如图所示，则 A．波的周期为1s
B．x=0处的质点在t=0时向y轴负向运动 C．x=0处的质点在t=s时速度为0 D．x=0处的质点在t=s时速度值最大
解析：由波的图像可知，半个波长是2m，波长是4m，周期是，A正确。波在沿x轴正方向传播，则x=0的支点在沿y轴的负方向运动，B正确。x=0的质点的位移是振幅的一半，则要运动到平衡位置的时间是，则时刻x=0的质点越过了平衡位置速度不是最大，CD错误。 答案：AB
单摆
一、学习目标 1.知道什么是单摆；
2.理解单摆振动的回复力来源及做简谐运动的条件；
3.知道单摆的周期和什么有关，掌握单摆振动的周期公式，并能用公式解题。 二、知识点说明
1.定义：用一根绝对挠性且长度不变、质量可忽略不计的线悬挂一个质点，在重力作用下在铅垂平面内作周期运动，就成为单摆。
2.回复力：，其中x为摆球偏离平衡位置的位移。
3.周期：简谐运动的周期T与摆长l的二次方根成正比，与重力加速度g的二次方根成反比，而与振幅、摆球的质量无关，表达式。
4.应用：利用单摆测量重力加速度。由单摆的周期公式得到，测出单摆的摆长l、周期T，就可以求出当地的重力加速度。
5.实验探求单摆周期与摆长的关系注意事项：
(1)摆的振幅不要太大，即偏角较小，不超过5°(现在一般认为是小于10°)，这时才能看做是简谐振动。
(2)摆线要尽量选择细的、伸缩性小的，并且尽可能长点； (3)摆球要尽量选择质量大的、体积小的； (4)悬挂时尽量使悬挂点和小球都在竖直方向； (5)细线的长度和小球的半径作为摆长的测量值；
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高中物理选修3-4知识点机械振动与机械波解析
