5.1 简谐运动 教案 -2023-2024学年高二上学期（中职）物理高教版《技术物理 上册》

第5章 机械振动和机械波 引言：在生产实践和生活中，除了前几章所学习的直线运动、曲线运动、转动外，还广泛存在另一种运动——机械振动和机械波。例：小鸟飞离枝头，树枝会振动起来；汽车行驶，内燃机里的活塞会振动起来；机器开动，底座会振动起来；鱼儿跳出水面，水面上不断有波纹传过；空气中不断有声音（声波）传来……这些都是我们生活中所常见的机械振动和机械波。 物体沿着直线或弧线在某一位置（称为平衡位置）附近做来回往复的运动，称为机械振动，简称振动。机械振动的传播形成机械波，简称波。 振动和波动是非常普遍、非常重要的运动形式，它们不仅限制在机械运动范围，在热学、电磁学、光学、原子和原子核物理学中都存在。本章我们将学习机械振动和机械波。 5-1 简谐运动 一、教学目标 1．了解机械振动和简谐运动的概念。 2．掌握简谐运动回复力的特征。 3．掌握在一次全振动过程中回复力、加速度随位移的变化规律。 4．理解简谐运动的周期、频率、振幅的物理意义。 5．借助弹簧振子模型，渗透物理学的方法教育。 二、教学重点难点 重点：（1）简谐运动的回复力特征及变化规律。 （2）加速度、速度、位移等物理量周期性变化的规律。 难点：（1）回复力、位移、速度、加速度的方向及大小变化。 （2）理解及判断机械能之间的相互转化。 三、教学器材 弹簧振子演示仪器、图片。 四、教学建议 教法建议 讨论、演示实验、讲解。 教学设计方案 （一） 引入新课 提问请同学们思考：物体做匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动时，物体受到什么样的力作用？ （匀速直线运动的物体不受力作用或合力为零，匀变速直线运动和平抛运动物体受恒力作用，匀速圆周运动所受作用力大小不变、方向变化。） 现在我们将要研究一种更复杂的机械运动—简谐运动，以及机械振动在介质中的传播―机械波。 （二） 引出课程内容 机械振动和机械波是自然界中常见的运动形式之一，是既有密切联系又有本质区别的两个概念。 机械振动和机械波的知识是学习其他形式的振动和波的基础，也是声学、地震学、建筑力学、光学和无线电等学科的出发点。简谐运动是最简单最基本的振动。本章从分析弹簧振子的振动、单摆的振动来研究简谐运动的特性，然后在此基础上研究机械波的形成、传播及其特性。 1．机械振动 举例：微风中树枝的颤动、钟摆的摆动、声带的振动、地震、游乐园里的蹦蹦床等都是机械振动。 请学生列举日常生活和生产中机械振动的例子。 教师演示弹簧振子的振动、单摆的振动，提问学生振动的规律。 机械振动：物体沿着直线或弧线在某一位置附近作来回往复的运动，称为机械振动，简称振动。 机械波：机械振动在介质中的传播，称为机械波，简称波。 机械振动的特点：物体在某一位置附近作来回往复的运动。 2．简谐运动 简谐运动是机械振动中最简单的一种运动，弹簧振子和单摆的振动都是简谐运动。下面以弹簧振子为例，来分析简谐运动。 （1）弹簧振子：把一根轻弹簧的一端固定，另一端系一个穿孔小球，如图1所示，把它们穿在水平杆上。在弹簧与小球的质量相比很小时，忽略弹簧的质量（弹簧称轻弹簧），且设水平杆是没有摩擦的光滑圆棍，这样的 系统就称为弹簧振子。 利用弹簧振子演示仪器演示弹簧的 振子振动过程： 引导学生注意观察振子的运动规律。 （2）全振动：弹簧振子从某一状态起，再次回到这一状态时所完成的振动称为一次全振动。 （3）振动的位移：取平衡位置O为x轴的原点，向右为x轴正方向建立坐标系。 振动的位移：振子离开平衡位置的距离，方向由平衡位置指向振子所在点。 （4）回复力： 分析弹簧振子振动过程中的受力情况： ，弹力方向向左，位移方向向右。 ，弹力方向向左，位移方向向右。 ，弹力方向向右，位移方向向左。 ，弹力方向向右，位移方向向左。 可见，振子之所以能在平衡位置附近做往复的运动，原因是有一个方向总是指向平衡位置的弹力作用在振子上，我们把使物体回到平衡位置的力称为回复力。弹簧振子振动过程中弹力就是回复力。 回复力：使物体回到平衡位置的力称为回复力。 根据胡克定律，弹簧的弹力与弹簧的伸长量（或缩短量）成正比，即与小球离开平衡位置的位移 成正比，又因弹力总是与位移的方向相反，因此，弹力 负号表示回复力的方向与位移方向相反，k是弹簧的劲度系数。 （5）简谐运动的定义：物体在与位移成正比而与位移的方向相反的回复力作用下的振动，称为简谐运动。 3．描述简谐运动的几个物理量 （1）振幅A：振动物体离开平衡位置的最大距离称为振幅。振幅是表示振动强弱的一个物理。 （2）周期T：物体完成一次全振动所需的时间称为周期。周期是表示振动快慢的一个物理量。 （3）频率：振动物体在单位时间内完成全振动的次数称为频率。 频率的单位：赫兹，(简称赫)，符号是Hz。 一秒内完成一次全振动频率就是1 Hz， 1 Hz =