3.简谐运动的图像和公式
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1.坐标系的建立
在简谐运动的图像中,以横轴表示质点振动的时间,以纵轴表示质点偏离平衡位置的位移.
2.物理意义
表示做简谐运动质点的位移随时间变化的规律.
3.图像的特点
是一条正弦(或余弦)曲线.
4.从图像中可以直接得到的信息
(1)任意时刻质点偏离平衡位置的位移;
(2)振动的周期;
(3)振动的振幅.
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1.简谐运动图像反映了物体在不同时刻相对平衡位置的位移.(√)
2.振动位移的方向总是背离平衡位置.(√)
3.振子的位移相同时,速度也相同.(×)
4.简谐运动的图像都是正弦或余弦曲线.(√)
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1.简谐运动的图像是否是振动物体的运动轨迹?
【提示】 不是.简谐运动的图像是描述振动物体的位移随时间变化的规律,并不是物体的运动轨迹.
2.简谐运动中振动物体通过某一位置时,加速度和速度方向是否一致?
【提示】 不一定.振动物体通过某一位置时,加速度方向始终指向平衡位置,但速度方向可能指向平衡位置,也可能背离平衡位置,故加速度和速度方向不一定一致.
1.图像含义
表示某一质点不同时刻的位移;简谐运动图像不是做简谐运动的物体的运动轨迹.
2.图像斜率
该时刻速度的大小和方向.
3.判断规律
(1)随时间的延长,首先得到质点相对平衡位置的位移情况.
(2)任意时刻质点的振动方向:看下一时刻质点的位置,如图131中a点,下一时刻离平衡位置更远,故a此刻向上振动.
图131
(3)任意时刻质点的速度、回复力、加速度的变化情况及大小比较:看下一时刻质点的位置,判断是远离还是靠近平衡位置,如图131中b点,从正位移向着平衡位置运动,则速度为负且增大.回复力方向与位移方向相反,总指向平衡位置,t轴上方曲线上各点回复力取负值.t轴下方曲线上各点回复力取正值,回复力大小和位移成正比,离平衡位置越远,回复力越大.加速度变化步调与回复力相同.
1.一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系曲线如图所示,由图132可知( )
图132
A.质点振动频率是4 Hz
B.t=2 s时,质点的加速度最大
C.质点的振幅为2 cm
D.t=2 s时,质点的位移是2 cm
E.从t=0开始经过3 s,质点通过的路程是6 cm
【解析】 由图像知:质点的周期是4 s,频率是70e7efdd0b858341812e625a071abd09.png
【答案】 BCE
2.弹簧振子做简谐运动的振动图像如图133所示,则( )
图133
A.t=0时,质点位移为零,速度为零,加速度为零
B.t=1 s时,质点位移最大,速度为零,加速度最大
C.t1和t2时刻振子具有相同的速度
D.t3和t4时刻振子具有相同的加速度
E.t2和t3时刻振子具有相同的速度
【解析】 t=0时刻,振子位于平衡位置O,位移为零,加速度为零,但速度为最大值,选项A错误;t=1 s时,振子位于正向最大位移处,位移最大,加速度最大,而速度为零,选项B正确;t1和t2时刻振子位于正向同一位置,t1时刻是经此点向正方向运动,t2时刻回到此点向负方向运动,两时刻速度大小相等,但方向相反,所以速度不相同,选项C错误;t3和t4时刻振子位移相同,即处在同一位置,因此有大小相等、方向相同的加速度,选项D正确;t2和t3时刻振子速度的大小和方向都相同,E正确.
【答案】 BDE
3.如图134所示为质点P在0~4 s内的振动图像,下列叙述正确的是( )
【导学号:18640006】
图134
A.再过1 s,该质点的位移是正的最大
B.再过1 s,该质点的速度沿正方向
C.再过1 s,该质点的加速度沿正方向
D.再过1 s,该质点加速度最大
E.再过2 s,质点回到平衡位置
【解析】 将图像顺延续画增加1 s,质点应在正最大位移处,故A、D正确.再过2 s质点回到平衡位置,E正确.
【答案】 ADE
简谐运动图像的应用技巧
1.判断质点任意时刻的位移大小和方向
质点任意时刻的位移大小看质点离开平衡位置距离的大小即可,也可比较图像中纵坐标值的大小.方向由坐标值的正负判断或质点相对平衡位置的方向判断.
2.判断质点任意时刻的加速度(回复力)大小和方向
由于加速度(回复力)的大小与位移大小成正比,方向与位移方向相反,所以只要从图像中得出质点在任意时刻的位移大小和方向即可.
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1.简谐振动的一般表达式为x=A sin (bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
(1)x表示振动质点偏离平衡位置的位移,t表示振动时间.
(2)A表示简谐运动的振幅.
(3)bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
(4)圆频率(也叫角频率):ω=bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
2.如果两个简谐运动的频率相等,其初相位分别为φ1和φ2,当φ2>φ1时,它们的相位差是φ2-φ1.
(1)若φ2-φ1=0,称之为同相.
(2)若φ2-φ1=π,称之为反相.
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1.x=Asin ωt中的A为振幅是矢量.(×)
2.简谐运动的位移表达式与计时时刻物体所在位置无关.(×)
3.一个物体运动时其相位变化2π,就意味着完成一次全振动.(√)
4.简谐运动的表达式x=Asin(ωt+φ)中,ωt+φ的单位是弧度.(√)
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1.有两个简谐运动:x1=3asin81aa847ef6ac99bc881089f37bf80c04.png
【提示】 它们的振幅分别为3a和9a,比值为1∶3;频率分别为2b和4b.
2.简谐运动的相位差Δφ=φ2-φ1的含义是什么?
【提示】 两个简谐运动有相位差,说明其步调不相同,例如甲和乙两个简谐运动的相位差为003c1a2d00a8d7f1207749755fdc5c69.png
1.根据表达式画振动图像
(1)根据x=Asin (bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
(2)令t=0,找出初始时刻的位移x(x的正、负要有明确表示);
(3)选好标度,画出正弦函数图像.
2.根据图像写表达式
(1)从图像中找出振幅A和周期T;
(2)根据t=0时的位移求出初相φ,即x0=Asin φ;
(3)把A、φ代入表达式x=Asin (bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
4.物体A做简谐运动的振动位移xA=3sin16c7246a936c658dd5a8adf202e580fb.png
A.振幅是矢量,A的振幅是6 m,B的振幅是10 m
B.周期是标量,A、B周期相等,为100 s
C.A振动的频率fA等于B振动的频率fB
D.A振动的圆频率ωA等于B振动的圆频率ωB
E.A的相位始终超前B的相位5a777e0b4347abb14c3c394ee80f7e68.png
【解析】 振幅是标量,A、B的振幅分别是3 m,5 m,A错;A、B的圆频率ω=100,周期T=3a0e0b4365a970a6cf10b135e8b247f0.png
【答案】 CDE
5.一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20 cm,周期为3.0 s.当船上升到最高点时,甲板刚好与码头地面平齐.地面与甲板的高度差不超过10 cm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________.
【解析】 由于振幅A为20 cm,振动方程为y=Asinωt(平衡位置计时,ω=bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
【答案】 1.0 s
6.一物体沿x轴做简谐运动,振幅为8 cm,频率为0.5 Hz,在t=0时,位移是4 cm,且向x轴负方向运动,试写出用正弦函数表示的振动方程,并画出相应的振动图像.
【解析】 简谐运动的表达式为x=Asin(ωt+φ),根据题目所给条件得A=8 cm,ω=2πf=π,所以x=8sin(πt+φ),将t=0,x0=4 cm代入得4=8sin φ,解得初相φ=2d92062ca55eeb1d9ee7279c5d828e14.png
【答案】 见解析
用简谐运动表达式解答振动问题的方法
1.明确表达式中各物理量的意义,可直接读出振幅、圆频率、初相.
2.ω=bc925b9f5636369aa0e5f5a11ac30d01.png
3.解题时画出其振动图像,会使解答过程简捷、明了.
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