第二章 机械振动 知识点-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

机械振动 【基本概念、规律】 一、简谐运动 1．概念：质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象(x－t图象)是一条正弦曲线的振动． 2．平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置． 3．回复力 (1)定义：使物体返回到平衡位置的力． (2)方向：时刻指向平衡位置． (3)来源：振动物体所受的沿振动方向的合力． 4．简谐运动的表达式 (1)动力学表达式：F＝－kx，其中“－”表示回复力与位移的方向相反． (2)运动学表达式：x＝Asin (ωt＋φ)，其中A代表振幅，ω＝2πf表示简谐运动的快慢，(ωt＋φ)代表简谐运动的相位，φ叫做初相． 5．描述简谐运动的物理量 定义 意义 振幅 振动质点离开平衡位置的最大距离 描述振动的强弱和能量高低 周期 振动物体完成一次全振动所需时间（与振幅大小无关） 描述振动的快慢，两者互为倒数：T＝ 频率 振动物体单位时间内完成全振动的次数 相位 ωt＋φ 描述质点在各个时刻所处的不同状态 二、单摆 1．定义：在细线的一端拴一个小球，另一端固定在悬点上，如果细线的伸缩和质量都不计，球的直径比线的长度短得多，这样的装置叫做单摆． 2．视为简谐运动的条件：θ＜5°. 3．回复力：F＝G2＝Gsin θ＝x. 4．周期公式：T＝2π. 5．单摆的等时性：单摆的振动周期取决于摆长l和重力加速度g，与振幅和振子(小球)质量都没有关系． 三、受迫振动及共振 1．受迫振动：系统在驱动力作用下的振动．做受迫振动的物体，它的周期(或频率)等于驱动力周期(或频率)，而与物体的固有周期(或频率)无关． 2．共振：做受迫振动的物体，它的固有频率与驱动力的频率越接近，其振幅就越大，当二者相等时，振幅达到最大，这就是共振现象．共振曲线如图所示． 【重要考点归纳】 考点一　简谐运动的五个特征 1．动力学特征 F＝－kx，“－”表示回复力的方向与位移方向相反，k是比例系数，不一定是弹簧的劲度系数． 2．运动学特征 简谐运动的加速度与物体偏离平衡位置的位移成正比而方向相反，为变加速运动，远离平衡位置时x、F、a、Ep均增大，v、Ek均减小，靠近平衡位置时则相反． 3．运动的周期性特征 相隔T或nT的两个时刻振子处于同一位置且振动状态相同． 4．对称性特征 (1)相隔或(2n＋1)T(n为正整数)的两个时刻，振子位置关于平衡位置对称，位移、速度、加速度大小相等，方向相反． (2)如图所示，振子经过关于平衡位置O对称的两点P、P′(OP＝OP′)时，速度的大小、动能、势能相等，相对于平衡位置的位移大小相等． (3)振子由P到O所用时间等于由O到P′所用时间，即tPO＝tOP′. (4)振子往复过程中通过同一段路程(如OP段)所用时间相等，即tOP＝tPO. 5．能量特征 振动的能量包括动能Ek和势能Ep，简谐运动过程中，系统动能与势能相互转化，系统的机械能守恒． 6.(1)由于简谐运动具有周期性、往复性、对称性，因此涉及简谐运动时，往往出现多解．分析此类问题时，特别应注意，物体在某一位置时，位移是确定的，而速度不确定，时间也存在周期性关系． (2)相隔(2n＋1)的两个时刻振子的位置关于平衡位置对称，位移、速度、加速度等大反向． 考点二　简谐运动的图象的应用 某质点的振动图象如图所示，通过图象可以确定以下各量： 1．确定振动物体在任意时刻的位移． 2．确定振动的振幅． 3．确定振动的周期和频率．振动图象上一个完整的正弦(余弦)图形在时间轴上拉开的“长度”表示周期． 4．确定质点在各时刻的振动方向． 5．比较各时刻质点加速度的大小和方向． 6.(1)简谐运动的图象不是振动质点的轨迹，它表示的是振动物体的位移随时间变化的规律； (2)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； (3)速度方向可以通过下一个时刻位移的变化来判定，下一个时刻位移如果增加，振动质点的速度方向就远离t轴，下一个时刻的位移如果减小，振动质点的速度方向就指向t轴． 考点三　受迫振动和共振 1．自由振动、受迫振动和共振的关系比较 自由振动 受迫振动 共振 受力情况 仅受回 复力 受驱动 力作用 受驱动 力作用 振动周期 或频率 由系统本身性质决定，即固有周期T0或固有频率f0 由驱动力的周期或频率决定，即T＝T驱或f＝f驱 T驱＝T0 或f驱＝f0 振动能量 振动物体的机械能不变 由产生驱动力的物体提供 振动物体获得的能量最大 常见例子 弹簧振子或单摆(θ≤5°) 机械工作时底座发生的振动 共振筛、声音的共鸣等 2.对共振的理解 (1)共振曲线：如图所示，横坐标为驱动力频率f，纵坐标为振幅A.它直观地反映了驱动力频率对某振动系统受迫振动振幅的影响，