内容正文:
[知识点二] 受迫振动 共振
3.(多选)如图所示为受迫振动的演示装置,当
单摆 A 振动起来后,通过水平悬绳迫使单
摆B、C振动,则下列说法正确的是 ( )
A.只有 A、C摆振动周期相等
B.A摆的振幅比B摆的小
C.B摆的振幅比C摆的小
D.B、C两摆振动时的振幅与其摆长有关,
而周期与摆长无关
4.(多选)一台洗衣机的脱水桶正常工作时非
常平衡,当切断电源后,发现洗衣机先是振
动越来越剧烈,然后振动逐渐减弱,下列说
法中正确的是 ( )
A.正常工作时洗衣机做的是受迫振动
B.正常工作时,洗衣机脱水桶运转的频率
比洗衣机的固有频率大
C.正常工作时,洗衣机脱水桶运转的频率
比洗衣机的固有频率小
D.当洗衣机振动最剧烈时,脱水桶的运转
频率恰好等于洗衣机的固有频率
5.(多选)如图所示,把
两个弹簧振子悬挂在
同一支架上,已知甲
弹簧振子的固有频率
为9Hz,乙弹簧振子
的固有频率为72Hz,当支架在受到竖直方
向且频率为9Hz的驱动力作用做受迫振动
时,则两个弹簧振子的振动情况是 ( )
A.甲的振幅较大
B.甲的振动频率为9Hz
C.乙的振幅较大
D.乙的振动频率为9Hz
学习至此,请完成第二章第6节
[知识整合]
87
物理选择性必修第一册
[能力强化]
[强化点1] 简谐运动的周期性和对称性
1.做简谐运动的物体在完成一次全振动后,再
次振动时则是重复上一个振动的形式,所以
做简谐运动的物体具有周期性.
2.做简谐运动的物体其运动具有对称性,对称
性表现在:
(1)速率的对称性:系统在关于平衡位置对称
的两位置具有相等的速率.
(2)加速度的对称性:系统在关于平衡位置对
称的两位置具有等大反向的加速度和回
复力.
(3)时间的对称性:系统通过关于平衡位置对
称的两段位移的时间相等.振动过程中通
过任意两点A、B 的时间与逆向通过该段
的时间相等.
[例1] 一个质点在平衡位置O 点的附近做
简谐运动,它离开O点后经过3s时间第一
次经过M 点,再经过2s第二次经过M 点,该
质点再经过 s第三次经过M 点.若该
质点由O 点出发在20s内经过的路程是
20cm,则质点振动的振幅为 cm.
[尝试解答]
[一语通关] 由于简谐运动的周期性和初始
条件的不确定性,往往引起此类问题的多解,
解决此类问题时要将题目分析透彻,弄清各种
可能性,切勿漏解.
●[强化训练]
1.光滑水平面上的弹簧振子,振子质量为50g,
若在弹簧振子被拉到最大位移处释放时开始
计时,在t=02s时,振子第一次通过平衡位
置,此时速度为4m/s.则在t=12s末,弹簧的
弹性势能为 J,该弹簧振子做简谐运
动时 其 动 能 的 变 化 频 率 为 Hz,
1min内,弹簧弹力对弹簧振子做正功的次
数为 次.
[强化点2] 简谐运动的图像及应用
简谐运动的图像描述了振动质点的位移随时
间变化的规律.从图像中可以确定位移、速度、
加速度、动能和势能等物理量以及它们的变化
规律,具体分析如下:
项目 内容 说明
横、纵轴表
示 的 物
理量
横轴表示时间,纵轴表示
质点的位移
意义
表示振动质点的位移随时
间变化的规律
形状
应用
①直接从图像上读出周期
和振幅
②确定任一时刻质点相对
平衡位置的位移
③判断任意时刻振动质点
的速度方向和加速度方向
④判断某段时间内振动质
点的位移、速度、加速度、
动能及势能大小的变化
情况
①振动的
图像不是
振动质点
的 运 动
轨迹
②计时起
点一旦确
定,已 经
形成的图
像形状不
变,以 后
的图像随
时间向后
延伸
③简谐运
动图像的
具体形状
跟正方向
的 规 定
有关
[例2] (多选)如图甲所示,弹簧振子以点
O 为平衡位置,在 A、B 两点之间做简谐
运动.取向右为正方向,振子的位移x 随
时间t的变化如图乙所示,下列说法正确
的是 ( )
甲 乙
97
第二章 机械振动
A.t=08s时,振子的速度方向向左
B.t=02s时,振子在O点右侧6 2cm处
C.t=04s和t=12s时,振子的加速度完
全相同
D.t=04s到t=08s的时间内,振子的速
度逐渐增大
[尝试解答]
●[强化训练]
2.(多选)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,由图可知 ( )
A.质点振动频率是025Hz
B.t=2s时,质点的加速度最大
C.质点的振幅为2cm
D.t=3s时,质点所受的合外力一定为零
[强化点3] 单摆周期公式的应用
1.对单摆周期公式的理解
(1)单摆的周期公式在单摆偏角很小时成立.
(2)公式中l是摆长,即悬点到摆球球心的距
离,l=l线+r球.
(3)公式中g是单摆所在地的重力加速度,由
单摆所在的空间位置决定.
(4)周期T 只与l和g 有关,与摆球质量m 及
振幅A 无关.
2.有关周期T的常见情况
(1)同一单摆,在地球的不同位置上,由于重力
加速度不同,其周期也不同.
(2)同一单摆,在不同的星球上,其周期也不相
同.例如单摆放在月球上时,由于g月 <
g地 ,所以同一单摆在月球上的周期比在地
球上的周期大.
(3)当单摆处在绕地球运行的卫星中时,由于
卫星处于完全失重状态,等效重力加速度
g=0,则周期 T 为无穷大,即单摆不会
振动.
(4)当单摆放在竖直方向的电场中,若单摆带
电,则类似于超(失)重,等效加速度g′=g
+a(g′=g-a),其中a=Eqm
,故周期T 变
化.(g>a)
(5)当带电单摆放到跟振动平面垂直的磁场中
时,由于洛伦兹力始终与速度方向垂直,不
改变 等 效 加 速 度 g′的 大 小,故 周 期 T
不变.
[例3] [2020全国卷Ⅱ,34(1)]用一个摆
长为80.0cm的单摆做实验,要求摆动的最
大角度小于5°,则开始时将摆球拉离平衡位
置的距离应不超过 cm(保留1位
小数).(提示:单摆被拉开小角度的情况下,
所求 的 距 离 约 等 于 摆 球 沿 圆 弧 移 动 的
路程.)
某同学想设计一个新单摆,要求新单摆摆动
10个周期的时间与原单摆摆动11个周期
的时 间 相 等.新 单 摆 的 摆 长 应 该 取 为
cm.
[尝试解答]
●[强化训练]
3.如图所示,三根长度均为l0 的
绳l1、l2、l3 共同系住一密度均匀
的小球 m,球的直径为d(d≪
l0),绳l2、l3 与天花板的夹角α=30°.则:
(1)若小球在纸面内做小角度的左右摆动,
周期T1 为多少?
08
物理选择性必修第一册
(2)若小球做垂直于纸面的小角度摆动,周
期T2 又为多少?
[课堂自测]
1.(多选)一振子沿x轴做简谐运动,平衡位置在
坐标原点.t=0时振子的位移为-0.1m,
t=1s时位移为0.1m,则 ( )
A.若振幅为0.1m,振子的周期可能为23s
B.若振幅为0.1m,振子的周期可能为45s
C.若振幅为0.2m,振子的周期可能为4s
D.若振幅为0.2m,振子的周期可能为6s
2.弹簧劲度系数为20N/cm 的水平弹簧振
子,它的振动图像如图所示,下列说法中正
确的是 ( )
A.A 点对应的时刻振子所受的弹力大小为
0.5N,方向指向x轴的负方向
B.A 点对应的时刻振子的速度方向指向x
轴的正方向
C.在0~4s,振子做了1.75次全振动
D.在0~4s,振子通过的路程为3.5cm,位
移为0
3.如图所示是甲、乙两个单摆做简谐运动的图
像,则下列说法正确的是 ( )
A.甲、乙两单摆的振幅之比为2∶1
B.t=2s时,甲单摆的重力势能最大,乙单
摆的动能为0
C.甲、乙两单摆的摆长之比为4∶1
D.甲、乙两单摆摆球在最低点时向心加速
度大小一定相等
4.(多选)如图所示,长度为l的轻绳
上端固定在O 点,下端系一小球
(小球可以看成质点),在O 点正
下方,距O 点3l4
处的P 点固定一
个小钉子,现将小球拉到点A 处,轻绳被拉
直,然后由静止释放小球,点B 是小球运动
的最低位置,点C(图中未标出)是小球能够
到达的左侧最高位置,已知点A 与B 之间
的高度差为h,h≪l,B、P、O 在同一竖直平
面内,当地的重力加速度为g,不计空气阻
力,下列说法正确的是 ( )
A.点C与点B 高度差小于h
B.点C与点B 高度差等于h
C.小球摆动的周期等于3π2
l
g
D.小球摆动的周期等于3π4
l
g
18
第二章 机械振动
3.CD [当单摆 A振动起来后,单摆 B与 C做受迫振动,做受
迫振动的物体的周期(或频率)等于驱动力的周期(或频率),
选项 A错误;当物体的固有频率等于驱动力的频率时,发生
共振现象,选项B错误,选项 C、D正确.]
4.ABD [切断电源后,脱水桶的转速越来越小,即脱水桶的
运转频率越来越小,由题意可知,当洗衣机脱水桶正常工作
时,非常稳定,即正常工作时的频率大于洗衣机的固有频率,
A、B选项正确,C选项错误;当振动最剧烈时,洗衣机发生了
共振,即脱水 桶 运 转 频 率 等 于 洗 衣 机 的 固 有 频 率,D 选 项
正确.]
5.ABD [根据受迫振动发生共振的条件可知甲的振幅较大,
又因为做受迫振动的物体的频率等于驱动力的频率,所以选
项 A、B、D正确.]
章末归纳提升
能力强化
[例1] [解析] 作出该质点振
动的图像如图所示,则 M 点的
位置可能有两个,即如图所示
的 M1、M2.(1)第一种情况:若
是位置 M1,由图可知
T1
4 =3s+1s=4s
,T1=16s,根据简
谐运动的周期性,质点第三次经过 M1 时需再经过的时间为
Δt1 = 16 s - 2 s = 14 s. 质 点 在 20 s 内
即n=2016=
5
4
个周期( ) 的路程为20cm,故由5A1=20cm,
得振幅A1=4cm.(2)第二种情况:若是位置 M2,由图可知
3T2
4 =3s+1s=4s
,T2=
16
3 s.
根据对称性,质点第三次经
过 M2 时需再经过的时间为 Δt2=
16
3 s-2s=
10
3 s
,质点在
20s 内
即n=2016
3
=154
个周期内æ
è
çç
ö
ø
÷÷ 的 路 程 为 20cm,故 由
15A2=20cm,得振幅A2=
4
3cm.
[答案] 14或103 4
或4
3
强化训练
1.解析:根据其周期性及对称性,则有周期 T=08s,振子的
最大速度为4m/s,则最大动能Ekm=
1
2mv
2=04J.根据振
子振动的周期性判定在t=12s末,振子在最大位移处,据
机械能守恒有Ep=Ekm=04J,物体的振动周期为08s,则
其动能的变 化 周 期 为 T
2 =04s
,所 以 动 能 的 变 化 频 率 为
25Hz.在物体振动的1个周期内(向平衡位置运动时弹力
做正功)弹力两次做正功,根据其周期性可求得1min内弹力
做正功的次数为n=600.8×2
次=150次.
答案:0.4 25 150
[例2] ABD [t=08s时,振子经过O 点向负方向运动,即
向左运动,选 项 A 正 确;t=02s 时,振 子 在 O 点 右 侧
6 2cm处,选项B正确;t=04s和t=12s时,振子的位
移等大反向,回复力和加速度也是等大反向,选项 C错误;t
=04s时到t=08s的时间内,振子从B 点向左运动到平
衡位置,其速度逐渐增加,选项 D正确.]
强化训练
2.ABC [质点振动的周期是4s,频率是025Hz;t=2s时,
质点的位移最大,回复力最大,加速度最大;质点的振幅为
2cm;t=3s时,质点的位移为零,所受的回复力为零,所受
的合外力可能为零,也可能最大,选项 A、B、C正确.]
[例3] [解析] 拉离平衡位置的距离x=2π×80cm× 5°360°
=6.97cm.
题中要求摆动的最大角度小于5°,且保留1位小数,所以拉
离平衡位置的不超过6.9cm;
根据单摆周期公式T=2π Lg
结合题意可知10T′=11T,
代入数据为10 L′=11 80cm,
解得新单摆的摆长为L′=96.8cm.
[答案] 6.9 96.8
强化训练
3.解析:本题应理解等效摆长及单摆周期公式中的摆长.
(1)小球以O′为圆心做简谐运动,所以摆长l=l0+
d
2
,振动
的周期为T1=2π
l
g =2π
l0+
d
2
g =2π
2l0+d
2g .
(2)小球以O 为圆心做简谐运动,摆长l′=l0+l0sinα+
d
2
,
振动 周 期 为 T2 =2π
l′
g =2π
l0+l0sinα+
d
2
g =
2π
3l0+d
2g .
答案:(1)2π
2l0+d
2g
(2)2π
3l0+d
2g
课堂自测
1.AD [若振幅为0.1m,由题意知,Δt= n+12( )T(n=0、1、
2、),解得T= 22n+1s
,(n=0、1、2、),A 项正确,B项错
误.若振幅为0.2m,t=0时,由振子做简谐运动的表达式y=
0.2sin 2πTt+φ0( )m 可知,0.2sinφ0m=-0.1m,解得φ0=
-π6
或φ0=-
5π
6
;t=1s时,有0.2sin 2πT+φ0( )m=0.1m,
将T=6s代入0.2sin 2πT+φ0( )m=0.1m 可知,D项正确.
将T=4s代入0.2sin 2πT+φ0( )m≠0.1m可知,C项错误.]
2.B [由题图可知A 点位移x=0.25cm,所以弹力F=-kx
=-5N,即弹力大小为5N,方向指向x轴负方向,A 项错
误.由题图可知A 点对应的时刻振子的速度方向为指向x
轴的正方向,B项正确.由题图可看出,t=0、t=2s、t=4s时
刻,振子的位移都是最大的,且都沿x 轴的正方向,故振子
在0~4s完成了2次全振动,C项错误.由于t=0时刻和t
951
参考答案
=4s时刻振子都在最大位移处,所以0~4s,振子的位移为
零,又由于振幅为0.5cm,0~4s,振子完成了2次全振动,
所以在 这 段 时 间 内 振 子 通 过 的 路 程 为 2×4×0.5cm=
4cm,D项错误.]
3.A [由题图知甲、乙两单摆的振幅分别为4cm、2cm,则甲、
乙两单摆的振幅之比为2∶1,A正确;t=2s时,甲单摆在平
衡位置处,甲单摆的重力势能最小,乙单摆在振动的最大位
移处,乙单摆的动能为0,B错误;由题图知甲、乙两单摆的
周期分别为4s和8s,由单摆的周期公式 T=2π lg
得,
甲、乙两单摆的摆长之比为1∶4,C错误;摆球的振幅A=lθ,
由于甲的摆长小,振幅大,所以甲的摆角大,摆球在最高点时
的高度h=l(1-cosθ),摆球在最低点的速度v= 2gh,摆
球在最低点的向心加速度a=v
2
l
,联立可得a=2g(1-cosθ),
由于甲的摆角大,所以甲的向心加速度大,D错误.]
4.BC [不计空气阻力,小球在整个运动过程中机械能守恒,
故运动到左侧最高点C与A 等高,与B 相差h,A错误,B正
确;当小球从A 点开始,再回到A 点时为一个周期,即T=
π lg +π
1
4l
g =
3π
2
l
g
,C正确,D错误.]
第三章 第1节
自主预习探新知
基础梳理
知识点一
1.带动 跟着振动 振动 2.(1)传播 (2)相互作用
知识点二
1.垂直 最高处 最低处 在同一直线上 密集 稀疏
2.纵波
知识点三
1.机械振动 2.(1)波源 (2)介质 3.(1)振动 (2)能量
(3)传递信息
自我检测
1.(1)× (2)× (3)× (4)×
2.(1)ACD [机械波是由于介质中前面的质点带动后面的质
点,使波源的振动形式与波源的能量向远处传播而形成的,
前、后质点间存在相互作用力,因而相互做功,故 A 正确;机
械波的传播必须有介质,在真空中不能传播,故 B错误;波
源依次带动后面的质点,每个质点都做受迫振动,每个质点
的频率都与波源频率相同,并且都“仿照”波源振动,故 C、D
正确.]
(2)ABC [本题考查纵波和横波的概念.由定义知,A、B、C
正确;声波是纵波,故 D不正确.]
合作探究攻重难
探究1
探究导引
提示:(1)要有一个人先振动起来.
(2)有前一同学带动后一同学的作用.
(3)都同样振动,但节奏稍迟.
(4)没有,人只是上下振动.
[例1] [解析] 各质点在各时刻的情况,如图所示.
(1)由甲图可知,t=T2
时,质点8未到达波峰,正在向上振
动,质点12、16未振动.(2)由乙图可知,t=3T4
时,质点8正
在向下振动,质点12向上振动,质点16未振动.
[答案] 见解析
跟进训练
1.D [当波源振动时,通过介质将波源的振动形式传递出去
的同时,将能量也传递出去了.当波源停止振动后,传出去的
能量不会消失,当没有其他阻力时,这种波的形式和能量继
续存在 并 将 继 续 传 递 下 去,所 以 A、B、C 都 错 误.故 答 案
为 D.]
2.C [根据质点A 正向上运动,可判定此列波向左传播(后一
质点的振动总是落后于前一质点的振动),根据同一原则可
断定质点D 和质点E 都正向上运动.故选项 C正确.]
探究2
探究导引
提示:(1)垂直、横波.
(2)在同一直线上、纵波.
[例2] ACD [波源振动时,绳上各质点通过相互间的弹力
作用跟着做受迫振动,不考虑传播中的能量损耗时,各质点
的振幅均相同,选项 A 正确;波传播时,离波源远的质点的
振动落后于离波源近的质点的振动,并跟随着离波源近的
质点振动.由题图可知,波源在左端,因此,质点D 跟随离波
源近的质点C 正向上运动,质点F 跟随离波源近的质点E
正向下运动,两者速度方向相反,选项 B错误;由于此时B、
C两质点都向上运动,B 比C 先到最大位移处,故B 比C 先
回到平衡位置,选项 C正确,同理知选项 D正确.]
跟进训练
3.ABD [质点的振动方向与波的传播方向垂直的波是横波,
质点的振动方向与波的传播方向平行的波是纵波;纵波质点
的运动方向与波的传播方向有时相同,有时相反,A、B 正
确;无论横波还是纵波,质点都不随波迁移,C错误;横波不
能在空气中传播,空气只能传播纵波,D正确.]
4.ABC [由波形图和质点F 的振动方向,根据带动法可知波
源在右侧,故该波向左传播,选项 A 正确;由于该波向左传
播,根据带动法可知质点E 此时刻向下振动,选项 C正确;
此时质点B 向上振动,质点C在最大位移处将向下振动,故
质点C比质点B 先回到平衡位置,选项B正确;因质点C在
最大位移处,其加速度最大,选项 D错误.]
061
物理选择性必修第一册