专题02 机械振动(4大考点)(福建专用)-【好题汇编】备战2024-2025学年高二物理下学期期末真题分类汇编
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内容正文:
专题02 机械振动
简谐运动的描述
一、单选题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)如图甲,轻弹簧上端固定,下端拴接一钢球,将钢球从平衡位置向下拉一段距离A,然后由静止释放。以钢球的平衡位置为坐标原点,竖直向下为正方向建立x轴,当钢球经过平衡位置时开始计时,钢球运动的位移一时间图像如图乙所示。若振动过程中弹簧始终未恢复原长,则钢球( )
A.在时处于失重状态 B.在时速度方向向上
C.在内动能逐渐增大 D.在内机械能逐渐减小
【答案】B
【详解】A.在时小球正向上做加速运动,则处于超重状态,选项A错误;
B.在时小球正向上做减速运动,即速度方向向上,选项B正确;
C.图像的斜率等于速度,则在内速度先增加后减小,则动能先增大后减小,选项C错误;
D.在内弹簧的弹力一直对球做正功,则机械能逐渐增加,选项D错误。
故选B。
二、多选题
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,一轻质弹簧左端与墙固定,右端与铁块连接,铁块在光滑水平面上的B、C两点间做简谐运动,点为平衡位置。现有一橡皮泥从点正上方某处竖直下落,恰好以速率击中速率也为的铁块,并与之粘连。橡皮泥与铁块质量相同且均可视为质点。弹簧振子简谐振动的振动周期(其中为弹簧的劲度系数,为振子的质量)。则( )
A.橡皮泥与铁块粘连时,橡皮泥和铁块组成的系统动量守恒
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
C.橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变大
D.橡皮泥击中铁块后,系统的周期变大
【答案】BD
【详解】A.橡皮泥与铁块粘连过程中,竖直方向上系统所受合外力不为零,即小球和小车在竖直方向上动量不守恒,水平方向上动量守恒。故A错误;
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,水平方向动量守恒,可得
橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
联立,解得
故B正确;
C.橡皮泥击中铁块前,在光滑水平面做简谐运动时,设其振幅为A,由系统机械能守恒定律得
橡皮泥击中铁块后,二者一起在光滑水平面做简谐运动时,设其振幅为,由系统机械能守恒定律得
联立,解得
即橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变小。故C错误;
D.橡皮泥击中铁块后,根据弹簧振子的周期公式
可知弹簧振子的质量增加,弹簧劲度系数未变,所以整个弹簧振子的周期变大。故D正确。
故选BD。
3.(23-24高二下·福建宁德·期末)如图甲所示,轻质弹簧下端挂一质量为的小球处于静止状态。在弹性限度范围内将小球向下拉动距离后由静止释放并开始计时,小球在竖直方向做简谐运动,弹簧弹力与小球运动的时间关系如图乙所示。及已知,下列说法正确的是( )
A.小球做简谐运动的周期为 B.内,小球的振幅为
C.内,小球的路程为 D.内,小球的位移大小为
【答案】AC
【详解】A.由图可知,小球做简谐运动的周期为。故A正确;
B.小球由静止位置到下拉的最低点距离为l,则由平衡位置到最低点的距离为l,即振幅为l。故B错误;
C.内,小球振动了,小球通过的路程为
故C正确;
D.内,小球从最低点向平衡位置运动,运动距离为l,内小球的平均速度小于内小球的平均速度,则内,小球运动距离小于0.5l。故D错误。
故选AC。
三、解答题
4.(23-24高二下·福建福州·期末)如图所示,劲度系数k=100N/m的轻弹簧一端固定于水平面上,另一端连接物块A,物块B置于 A上(不粘连),A、B质量均为1kg,开始时物块A和B处于静止状态,物块B的正上方h高处固定一水平的可在竖直方向上下移动的挡板。现对物块B施加方向始终向上、大小为F=10N的恒力,使A、B开始运动,已知A、B均可视为质点,B与挡板、A之间的碰撞均为弹性碰撞,且碰撞时间极短,弹簧弹性势能(x为弹簧的形变量,k为弹簧的劲度系数),质量为m的质点做简谐运动周期(k为物体做简谐运动时的比例系数,即弹簧的劲度系数),重力加速度大小g=10m/s2。
(1)求刚开始时物块A和B 处于静止状态时弹簧的压缩量x1;
(2)求A、B第一次分离时,弹簧的形变量x2及A、B的速度大小;
(3)求A、B第一次分离后,若二者没有发生碰撞,物块A 上升到最大高度时的加速度大小;
(4)若A、B第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,求h满足的条件。
【答案】(1)0.2m;(2)0.1m,;(3);(4)(n=1,2,3…)
【详解】(1)设开始时弹簧的压缩量为x1,根据平衡条件有
2mg=kx1
解得
x1=0.2m
(2)设A、B第一次分离时,弹簧的形变量为x2,此时 A、B之间弹力为零,加速度、速度(大小设为v)均相同,又因为恒力F与B 的重力大小相等、方向相反,所以此时B 的加速度均为0,则 A 的加速度也为0,则有
kx2=mg
解得
x2=0.1m
对从开始到A、B第一次分离的过程,根据功能关系有
解得
(3)A、B 第一次分离后,若二者没有发生碰撞,则A做简谐运动,由于分离时 A 的加速度为0,所以A刚好位于平衡位置,设A的振幅A,对A从平衡位置上升到最大高度的过程,根据机械能守恒定律有
解得
设A 上升到最大高度时的加速度大小为a,根据牛顿第二定律有
解得
(4)A、B第一次分离后,由于 B 受力平衡,所以向上做匀速直线运动,且由于与挡板发生的是弹性碰撞,所以碰撞后速度大小不变,仍为v。A 从平衡位置开始向上做简谐运动,周期为
根据简谐运动的对称性可知,A 再次经过第一次分离位置时速度大小仍为v 为使A、B在此处能够发生碰撞,此时A一定向上运动,所以若A、B 第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,应满足
(n=1,2,3…)
解得
(n=1,2,3…)
单摆
一、单选题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)如图甲,轻弹簧上端固定,下端拴接一钢球,将钢球从平衡位置向下拉一段距离A,然后由静止释放。以钢球的平衡位置为坐标原点,竖直向下为正方向建立x轴,当钢球经过平衡位置时开始计时,钢球运动的位移一时间图像如图乙所示。若振动过程中弹簧始终未恢复原长,则钢球( )
A.在时处于失重状态 B.在时速度方向向上
C.在内动能逐渐增大 D.在内机械能逐渐减小
【答案】B
【详解】A.在时小球正向上做加速运动,则处于超重状态,选项A错误;
B.在时小球正向上做减速运动,即速度方向向上,选项B正确;
C.图像的斜率等于速度,则在内速度先增加后减小,则动能先增大后减小,选项C错误;
D.在内弹簧的弹力一直对球做正功,则机械能逐渐增加,选项D错误。
故选B。
二、多选题
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,一轻质弹簧左端与墙固定,右端与铁块连接,铁块在光滑水平面上的B、C两点间做简谐运动,点为平衡位置。现有一橡皮泥从点正上方某处竖直下落,恰好以速率击中速率也为的铁块,并与之粘连。橡皮泥与铁块质量相同且均可视为质点。弹簧振子简谐振动的振动周期(其中为弹簧的劲度系数,为振子的质量)。则( )
A.橡皮泥与铁块粘连时,橡皮泥和铁块组成的系统动量守恒
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
C.橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变大
D.橡皮泥击中铁块后,系统的周期变大
【答案】BD
【详解】A.橡皮泥与铁块粘连过程中,竖直方向上系统所受合外力不为零,即小球和小车在竖直方向上动量不守恒,水平方向上动量守恒。故A错误;
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,水平方向动量守恒,可得
橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
联立,解得
故B正确;
C.橡皮泥击中铁块前,在光滑水平面做简谐运动时,设其振幅为A,由系统机械能守恒定律得
橡皮泥击中铁块后,二者一起在光滑水平面做简谐运动时,设其振幅为,由系统机械能守恒定律得
联立,解得
即橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变小。故C错误;
D.橡皮泥击中铁块后,根据弹簧振子的周期公式
可知弹簧振子的质量增加,弹簧劲度系数未变,所以整个弹簧振子的周期变大。故D正确。
故选BD。
3.(23-24高二下·福建宁德·期末)如图甲所示,轻质弹簧下端挂一质量为的小球处于静止状态。在弹性限度范围内将小球向下拉动距离后由静止释放并开始计时,小球在竖直方向做简谐运动,弹簧弹力与小球运动的时间关系如图乙所示。及已知,下列说法正确的是( )
A.小球做简谐运动的周期为 B.内,小球的振幅为
C.内,小球的路程为 D.内,小球的位移大小为
【答案】AC
【详解】A.由图可知,小球做简谐运动的周期为。故A正确;
B.小球由静止位置到下拉的最低点距离为l,则由平衡位置到最低点的距离为l,即振幅为l。故B错误;
C.内,小球振动了,小球通过的路程为
故C正确;
D.内,小球从最低点向平衡位置运动,运动距离为l,内小球的平均速度小于内小球的平均速度,则内,小球运动距离小于0.5l。故D错误。
故选AC。
三、解答题
4.(23-24高二下·福建福州·期末)如图所示,劲度系数k=100N/m的轻弹簧一端固定于水平面上,另一端连接物块A,物块B置于 A上(不粘连),A、B质量均为1kg,开始时物块A和B处于静止状态,物块B的正上方h高处固定一水平的可在竖直方向上下移动的挡板。现对物块B施加方向始终向上、大小为F=10N的恒力,使A、B开始运动,已知A、B均可视为质点,B与挡板、A之间的碰撞均为弹性碰撞,且碰撞时间极短,弹簧弹性势能(x为弹簧的形变量,k为弹簧的劲度系数),质量为m的质点做简谐运动周期(k为物体做简谐运动时的比例系数,即弹簧的劲度系数),重力加速度大小g=10m/s2。
(1)求刚开始时物块A和B 处于静止状态时弹簧的压缩量x1;
(2)求A、B第一次分离时,弹簧的形变量x2及A、B的速度大小;
(3)求A、B第一次分离后,若二者没有发生碰撞,物块A 上升到最大高度时的加速度大小;
(4)若A、B第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,求h满足的条件。
【答案】(1)0.2m;(2)0.1m,;(3);(4)(n=1,2,3…)
【详解】(1)设开始时弹簧的压缩量为x1,根据平衡条件有
2mg=kx1
解得
x1=0.2m
(2)设A、B第一次分离时,弹簧的形变量为x2,此时 A、B之间弹力为零,加速度、速度(大小设为v)均相同,又因为恒力F与B 的重力大小相等、方向相反,所以此时B 的加速度均为0,则 A 的加速度也为0,则有
kx2=mg
解得
x2=0.1m
对从开始到A、B第一次分离的过程,根据功能关系有
解得
(3)A、B 第一次分离后,若二者没有发生碰撞,则A做简谐运动,由于分离时 A 的加速度为0,所以A刚好位于平衡位置,设A的振幅A,对A从平衡位置上升到最大高度的过程,根据机械能守恒定律有
解得
设A 上升到最大高度时的加速度大小为a,根据牛顿第二定律有
解得
(4)A、B第一次分离后,由于 B 受力平衡,所以向上做匀速直线运动,且由于与挡板发生的是弹性碰撞,所以碰撞后速度大小不变,仍为v。A 从平衡位置开始向上做简谐运动,周期为
根据简谐运动的对称性可知,A 再次经过第一次分离位置时速度大小仍为v 为使A、B在此处能够发生碰撞,此时A一定向上运动,所以若A、B 第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,应满足
(n=1,2,3…)
解得
(n=1,2,3…)
用单摆测量重力加速度
一、实验题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)某学习小组利用单摆测本地的重力加速度。
(1)在选择合适的实验器材后,将符合实验要求的摆球用细线悬挂在铁架台横梁上,应采用图中 (选填“甲”或者“乙”)所示的固定方式。
(2)该小组组装好单摆后在摆球自然悬垂的情况下,用毫米刻度尺从悬点量到摆球的最低端的长度L=0.9990m,再用游标卡尺测量摆球直径,结果如图,则该摆球的直径为 mm。
(3)在测量摆长后,测量周期时,摆球振动过程中悬点O处摆线的固定出现松动,摆长略微变长,这将会导致所测重力加速度的数值 。(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)
【答案】(1)甲
(2)12.0
(3)偏小
【详解】(1)该实验中悬点要固定,应采用图中甲所示的固定方式;
(2)游标卡尺的最小分度值为0.1mm,则该摆球的直径为
(3)根据单摆的周期公式
摆长略微变长,即测量的摆长偏小,这将会导致所测重力加速度的数值偏小。
2.(23-24高二下·福建泉州·期末)在“用单摆测当地重力加速度”实验中,甲、乙两同学为一小组。
(1)两同学利用“手机物理工坊”app中的“磁力计”来测单摆的周期。如图甲,先将小球磁化,小球上下分别为S、N极,将手机放在小球静止位置的下方,并让小球做简谐振动,手机测出其所在空间中磁感强度大小随时间变化,其中z轴磁力计显示如图乙。该单摆的振动周期T为O点与 (选填“A”、“B”、“C”、“D”)点之间的时间差。
(2)两同学在测单摆的摆长时,将绳长加小球直径做为摆长L,测量了多组T、L数据,并分别处理数据。
①甲同学利用计算法进行处理,其计算的表达式为 (用T、L表示);
②乙同学利用图像法进行处理,画“”图像,其图像应该是图丙的 (选填“a”、“b”、“c”);
③甲的测量值将 (选填“大于”、“等于”、“小于”)真实值,乙同学的测量值将 (选填“大于”、“等于”、“小于”)真实值;
【答案】(1)D
(2) c 大于 等于
【详解】(1)由图乙可知,从,磁感应强度由小到大,说明A点在最低点,从,磁感应强度由大到小,说明B点在最高点,从,磁感应强度由小到大,说明C点在最低点, 从,磁感应强度由大到小,说明D点在最高点,恰好完成一个完整的周期运动,因此该单摆的振动周期T为O点与D点之间的时间差。
(2)①[1]由单摆的周期公式可得,重力加速度表达式
②[2]由题意可知,单摆的摆长应是绳长加摆球的半径,即
由单摆的周期公式可得
可知图像应该是图丙的。
③[1]甲同学利用计算法进行处理,其计算的表达式为
可知由于单摆的摆长L偏大,则有重力加速度g,甲的测量值将大于真实值。
[2]乙同学利用图像法进行处理,由图像的函数表达式
可知图像的斜率不变,因此重力加速度g,乙同学的测量值将等于真实值。
3.(23-24高二下·福建泉州·期末)用图甲所示的装置做“用单摆测重力加速度”的实验。
(1)组装单摆时,应该选用______(用器材前的字母表示)。
A.长度为1m左右的细线 B.长度为30cm左右的细线
C.直径约为1.8cm的塑料球 D.直径约为1.8cm的钢球
(2)如图乙所示,用游标卡尺测量摆球直径。摆球直径 cm。
(3)甲同学测量了多组数据,在坐标纸上描点作图得到了如图丙所示的图像,图像的斜率为k,其中T表示单摆的周期,L表示单摆的摆长。由此可计算出当地的重力加速度 (用题中所给符号表示)。
【答案】(1)AD
(2)1.85
(3)
【详解】(1)AB.根据
为了减小摆长测量和周期测量的误差,摆线应选择长度为1m左右的细线,故A正确,B错误;
CD.为了减小空气阻力的影响,摆球应选择密度大、体积小的钢球,故C错误,D正确。
故选AD。
(2)10分度游标卡尺的精确值为,由图乙可知摆球直径为
(3)根据单摆周期公式
可得
可知图像的斜率为
可得重力加速度为
4.(23-24高二下·福建莆田·期末)在“用单摆测重力加速度”的实验中:
(1)下列器材和操作最合理的是_____________。
A. B.
C. D.
(2)用10分度的游标卡尺测量摆球的直径如图,读出小球的直径d为 mm。
(3)实验时,改变摆长,测出几组摆长L和对应的周期T的数据,作出图像,则利用A、B两点的坐标求得重力加速度的表达式为 。
【答案】(1)C
(2)18.6
(3)
【详解】(1)根据单摆理想模型可知,为减小空气阻力的影响,摆球应采用密度较大,体积较小的铁球,为使单摆摆动时摆长不变,摆球应用不易变形的弹性棉线,悬点应用铁夹来固定。
故选C。
(2)小球的直径d为
(3)根据单摆的周期公式,化简得摆长
根据A、B两点的坐标结合图像的斜率可知
所以重力加速度表达式
5.(23-24高二下·福建福州·期末)单摆可作为研究简谐运动的理想模型。
(1)用游标卡尺测量摆球直径,测得读数如图,则摆球直径为 cm;
(2)若将一个周期为T的单摆,从平衡位置拉开的角度释放,忽略空气阻力,摆球的振动可看为简谐运动。当地重力加速度为g,以释放时刻作为计时起点,则摆球偏离平衡位置的位移x与时间t的关系为 。
【答案】(1)1.06
(2)
【详解】(1)游标卡尺的精确度为0.1mm,则其读数为
(2)该单摆的角速度为
由于单摆的周期公式有
整理有
由于单摆的摆角为,所以其摆球运动的圆弧可以看成直线,圆弧的弧长可认为与摆球的位移大小相等,所以振幅为
由于初始时刻从最大位移处开始,所以其关系式为
6.(23-24高二下·福建泉州·期末)某实验小组通过单摆实验测定本地重力加速度。如图甲,将细线的上端固定在铁架台上,下端系一小钢球,就做成了单摆。
(1)用游标卡尺测量小钢球直径,示数如图乙所示,读数为 mm。
(2)以下是实验过程中的一些做法,其中正确的有________。
A.摆线要选择细些的、伸缩性小些的,并且尽可能长一些
B.摆球尽量选择质量大些、体积小些的
C.为了使单摆的周期大一些,以方便测量,开始时拉开摆球,使摆线偏离平衡位置有较大的角度
D.拉开摆球,使摆线偏离平衡位置不大于5°释放摆球,当摆球振动稳定后,从平衡位置开始计时,记下摆球做50次全振动所用的时间,由此计算单摆周期T
(3)在实验过程中,用秒表记录了单摆振动50次所用的时间如图丙所示,该示数为= s。
(4)测量出多组周期T、摆长L数值后,画出图像如图丁所示,图线斜率的物理意义是________。
A.g B. C. D.
【答案】(1)18.6
(2)ABD
(3)100.2
(4)D
【详解】(1)小钢球直径
(2)AB.摆线要选择细些的、伸缩性小些的,并且尽可能长一些,摆球尽量选择质量大些、体积小些的,都是为了更加符合单摆的构成条件,故AB正确;
C.摆线偏离平衡位置的角度以不大于5°为宜,故C错误;
D.拉开摆球,使摆线偏离平衡位置不大于5°,释放摆球,当摆球振动稳定后,从平衡位置开始计时,记下摆球做50次全振动所用的时间,则单摆周期
故D正确。
故选ABD。
(3)该示数为
(4)根据
得
图线斜率的物理意义是。
故选D。
7.(23-24高二下·福建三明·期末)“用单摆测量重力加速度的大小”实验中:
(1)先用游标卡尺测量摆球直径d,测量的示数如图甲所示,则摆球直径 cm;
(2)如图乙所示,安装力传感器、连接计算机进行测量。根据图丙显示的图像信息中可测出摆球的周期 s,若测得摆长为0.64m,,则 (保留3位有效数字)
(3)若将摆球直径d计入摆长中,g测量值将 (填“偏大”“相等”或“偏小”)。
【答案】(1)1.84
(2) 1.6 9.86
(3)偏大
【详解】(1)10分度游标卡尺的精确值为,由图甲可得摆球的直径为
(2)[1]小球每次经过左侧或右侧最高点时,拉力最小,根据图丙显示的图像可知摆球的周期为
[2]根据单摆周期公式
解得
(3)根据
若将摆球直径d计入摆长中,则摆长测量值偏大,g测量值将偏大。
8.(23-24高二下·福建福州·期末)某同学在“用单摆测定重力加速度”的实验中进行了如下的操作:
(1)按如图(甲)所示安装器材,细线的上端固定在铁架台上,下端系一个小钢球,做成一个单摆。图(乙)、图(丙)分别是细线上端的两种不同的悬挂方式,你认为图 (选填“乙”或“丙”)的悬挂方式较好。
(2)如图(丁)所示,用游标卡尺测得小钢球的直径 cm,测出摆线的长度,算出摆长L,再测出摆的周期T,得到一组数据,改变摆线的长度,再得到几组数据。
(3)根据实验数据作出图像,发现图像是过坐标原点的倾斜直线,其斜率为k,则根据单摆周期公式,可以测得当地的重力加速度 (结果用k、表示)。
【答案】(1)乙
(2)1.86
(3)
【详解】(1)实验时,运用丙悬挂方式,单摆在摆动的过程中,摆长在变化,对测量有影响;乙悬挂方式,摆长不变,可知乙悬挂方式较好;
(2)游标卡尺为10分度,精确度为0.1mm,由图可知,主尺读数为18mm,游标尺读数为
6×0.1mm=0.6mm
故最终读数为
18mm+0.6mm=18.6mm=1.86cm
(3)由单摆周期公式
可知
图像的斜率
重力加速度
9.(23-24高二下·福建南平·期末)某实验小组利用单摆测量当地的重力加速度,设计了如图(a)所示的装置:
①在点安装力传感器并与细线的一个端点固定,细线另一端系一个小球A;
②在点悬挂体积与相同的小球B,调节连接B球的细线长度,使两摆线的长度均为L,两细线保持自然下垂且平行,A、B两球恰好接触;
③将小球A小角度拉至同一竖直面内的C点由静止释放,运动到最低点与B球发生对心正碰(A、B每次碰撞均为弹性碰撞,碰撞时间极短可忽略不计),不计空气阻力。
(1)用10分度的游标卡尺测量小球的直径d,游标卡尺的示数如图(b)所示,读出 ;
(2)、球质量分布均匀,碰撞时,要发生速度交换,则 (选填“>”“=”或“<”);
(3)在满足(2)的条件下,得到的图(c)是与拉力传感器连接的计算机屏幕所显示的图像,根据图像可知摆球的运动周期 ,测得重力加速度 (用、d、表示)。
【答案】(1)17.6
(2)=
(3)
【详解】(1)游标卡尺的示数为
(2)根据两球碰撞过程动量守恒、动能守恒,可得
,
解得
,
当=时,碰撞时,要发生速度交换。
(3)[1]由图(c)可知F的变化周期为4t0,则摆球的运动周期也是。
[2]根据
解得
10.(23-24高二下·福建福州·期末)某同学利用如图甲所示的单摆测量当地的重力加速度。
(1)下列说法正确的是________(填字母)。
A.测摆长时,摆线应接好摆球,使摆球处于自然下垂状态
B.摆长等于摆线的长度加上摆球的直径
C.测单摆的周期时,应从摆球经过最高点速度为0时开始计时
D.如果有两个大小相等且都带孔的铜球和木球,应选用木球作摆球
(2)若用l表示单摆的摆长,T表示单摆振动周期,可求出当地重力加速度大小 。
(3)某同学为了提高实验精度,在实验中改变几次摆长l,并测出相应的周期T,算出的值,再以l为横轴、为纵轴建立直角坐标系,将所得数据描点连线如图乙所示,并求得该直线的斜率为k,则重力加速度 (用k表示)。
【答案】(1)A
(2)
(3)
【详解】(1)A.测摆长时,摆线应接好摆球,使摆球处于自然下垂状态,故A正确;
B.摆长等于摆线的长度加上摆球的半径,故B错误;
C.测单摆的周期时,应从摆球经过平衡位置时开始计时,故C错误;
D.如果有两个大小相等且都带孔的铜球和木球,为了减小空气阻力的应选,应选用铜球作摆球,故D错误。
故选A。
(2)若用l表示单摆的摆长,T表示单摆振动周期,根据单摆周期公式
可得当地重力加速度大小为
(3)根据
可得
可得图像的斜率为
解得重力加速度为
11.(23-24高二下·福建宁德·期末)在“用单摆测量重力加速度”的实验中:
(1)为了较精确地测量重力加速度的值,以下三种单摆组装方式最合理的是__________;
A. B. C.
(2)在摆球自然下垂的状态下,用毫米刻度尺测得摆线长度为;用游标卡尺测量摆球的直径,示数如图甲所示,则 mm;
(3)将小球从平衡位置拉开一个小角度静止释放,使其在竖直面内振动。待振动稳定后,从小球经过平衡位置时开始计时,测量次全振动的时间为,由本次实验数据可求得 (用、、、表示);
(4)若某次实验测得数值比当地公认值大,原因可能是__________;
A.开始计时时,过早按下秒表
B.实验时误将49次全振动记为50次
C.摆线上端悬点未固定,振动中出现松动,摆线长度增加
(5)改变摆线长度,重复实验,测得每次实验时单摆的振动周期,作出图像为图乙中的 (选填“”“”或“”)。
【答案】(1)C
(2)16.3
(3)
(4)B
(5)a
【详解】(1)摆球应该选择密度大的小钢球,为了防止在实验过程由于摆球的摆动导致摆长发生改变,悬点要固定。
故选C。
(2)由图甲,有摆球的直径为
(3)由题意有小球单摆周期
由单摆周期公式
其中
得
(4)A.开始计时时,过早按下秒表,导致周期偏大,实验测得g数值应偏小,故A错误;
B.实验时误将49次全振动记为50次,导致周期偏小,实验测得g数值应偏大,故B正确;
C.摆线上端悬点未固定,振动中出现松动,摆线长度增加,但我们还是利用测量值来计算,所以实验测得g数值应偏小,故C错误。
故选B。
(5)由上述分析可得
所以图线应该为图线a。
共振
一、填空题
1.(23-24高二下·福建泉州·期末)如图在一根张紧的水平绳上挂a、b、c、d四个摆,其中摆长关系为,让d先摆动起来后,其他各摆随后也跟着摆动起来。稳定后a、b、c、三个摆的周期关系 (选填“>”“=”或“<”),在开始的一小段时间内d摆的振幅 (选填“逐渐减小”“逐渐增大”或“保持不变”)。
【答案】 = = 逐渐减小
【详解】[1][2]让d先摆动起来后,其他各摆随后也跟着摆动起来,可知a、b、c三个摆做受迫振动,它们的周期都等于d摆自由振动的周期,则有
[3]在开始的一小段时间内,由于a、b、c三个摆跟着开始做受迫振动,根据能守恒可知,d摆的能量应逐渐减小,则在开始的一小段时间内d摆的振幅逐渐减小。
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,手机连接有线耳机。某时刻来电,手机开始振动,耳机线做 (选填“受迫振动”或“自由振动”),手机振动的频率为,耳机线上点的振动频率为,则 (选填“>”“=”或“<”)。
【答案】 受迫振动 =
【详解】[1][2]闹钟响起手机振动,充电线也跟着振动,可知充电线做受迫振动,则有
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专题02 机械振动
简谐运动的描述
一、单选题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)如图甲,轻弹簧上端固定,下端拴接一钢球,将钢球从平衡位置向下拉一段距离A,然后由静止释放。以钢球的平衡位置为坐标原点,竖直向下为正方向建立x轴,当钢球经过平衡位置时开始计时,钢球运动的位移一时间图像如图乙所示。若振动过程中弹簧始终未恢复原长,则钢球( )
A.在时处于失重状态 B.在时速度方向向上
C.在内动能逐渐增大 D.在内机械能逐渐减小
二、多选题
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,一轻质弹簧左端与墙固定,右端与铁块连接,铁块在光滑水平面上的B、C两点间做简谐运动,点为平衡位置。现有一橡皮泥从点正上方某处竖直下落,恰好以速率击中速率也为的铁块,并与之粘连。橡皮泥与铁块质量相同且均可视为质点。弹簧振子简谐振动的振动周期(其中为弹簧的劲度系数,为振子的质量)。则( )
A.橡皮泥与铁块粘连时,橡皮泥和铁块组成的系统动量守恒
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
C.橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变大
D.橡皮泥击中铁块后,系统的周期变大
3.(23-24高二下·福建宁德·期末)如图甲所示,轻质弹簧下端挂一质量为的小球处于静止状态。在弹性限度范围内将小球向下拉动距离后由静止释放并开始计时,小球在竖直方向做简谐运动,弹簧弹力与小球运动的时间关系如图乙所示。及已知,下列说法正确的是( )
A.小球做简谐运动的周期为 B.内,小球的振幅为
C.内,小球的路程为 D.内,小球的位移大小为
三、解答题
4.(23-24高二下·福建福州·期末)如图所示,劲度系数k=100N/m的轻弹簧一端固定于水平面上,另一端连接物块A,物块B置于 A上(不粘连),A、B质量均为1kg,开始时物块A和B处于静止状态,物块B的正上方h高处固定一水平的可在竖直方向上下移动的挡板。现对物块B施加方向始终向上、大小为F=10N的恒力,使A、B开始运动,已知A、B均可视为质点,B与挡板、A之间的碰撞均为弹性碰撞,且碰撞时间极短,弹簧弹性势能(x为弹簧的形变量,k为弹簧的劲度系数),质量为m的质点做简谐运动周期(k为物体做简谐运动时的比例系数,即弹簧的劲度系数),重力加速度大小g=10m/s2。
(1)求刚开始时物块A和B 处于静止状态时弹簧的压缩量x1;
(2)求A、B第一次分离时,弹簧的形变量x2及A、B的速度大小;
(3)求A、B第一次分离后,若二者没有发生碰撞,物块A 上升到最大高度时的加速度大小;
(4)若A、B第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,求h满足的条件。
单摆
一、单选题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)如图甲,轻弹簧上端固定,下端拴接一钢球,将钢球从平衡位置向下拉一段距离A,然后由静止释放。以钢球的平衡位置为坐标原点,竖直向下为正方向建立x轴,当钢球经过平衡位置时开始计时,钢球运动的位移一时间图像如图乙所示。若振动过程中弹簧始终未恢复原长,则钢球( )
A.在时处于失重状态 B.在时速度方向向上
C.在内动能逐渐增大 D.在内机械能逐渐减小
二、多选题
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,一轻质弹簧左端与墙固定,右端与铁块连接,铁块在光滑水平面上的B、C两点间做简谐运动,点为平衡位置。现有一橡皮泥从点正上方某处竖直下落,恰好以速率击中速率也为的铁块,并与之粘连。橡皮泥与铁块质量相同且均可视为质点。弹簧振子简谐振动的振动周期(其中为弹簧的劲度系数,为振子的质量)。则( )
A.橡皮泥与铁块粘连时,橡皮泥和铁块组成的系统动量守恒
B.橡皮泥与铁块粘连的过程中,橡皮泥和铁块组成的系统机械能损失了
C.橡皮泥击中铁块后,系统的振幅变大
D.橡皮泥击中铁块后,系统的周期变大
3.(23-24高二下·福建宁德·期末)如图甲所示,轻质弹簧下端挂一质量为的小球处于静止状态。在弹性限度范围内将小球向下拉动距离后由静止释放并开始计时,小球在竖直方向做简谐运动,弹簧弹力与小球运动的时间关系如图乙所示。及已知,下列说法正确的是( )
A.小球做简谐运动的周期为 B.内,小球的振幅为
C.内,小球的路程为 D.内,小球的位移大小为
三、解答题
4.(23-24高二下·福建福州·期末)如图所示,劲度系数k=100N/m的轻弹簧一端固定于水平面上,另一端连接物块A,物块B置于 A上(不粘连),A、B质量均为1kg,开始时物块A和B处于静止状态,物块B的正上方h高处固定一水平的可在竖直方向上下移动的挡板。现对物块B施加方向始终向上、大小为F=10N的恒力,使A、B开始运动,已知A、B均可视为质点,B与挡板、A之间的碰撞均为弹性碰撞,且碰撞时间极短,弹簧弹性势能(x为弹簧的形变量,k为弹簧的劲度系数),质量为m的质点做简谐运动周期(k为物体做简谐运动时的比例系数,即弹簧的劲度系数),重力加速度大小g=10m/s2。
(1)求刚开始时物块A和B 处于静止状态时弹簧的压缩量x1;
(2)求A、B第一次分离时,弹簧的形变量x2及A、B的速度大小;
(3)求A、B第一次分离后,若二者没有发生碰撞,物块A 上升到最大高度时的加速度大小;
(4)若A、B第一次分离后,经过一段时间后二者恰好能够在第一次分离位置相碰,求h满足的条件。
用单摆测量重力加速度
一、实验题
1.(23-24高二下·福建三明·期末)某学习小组利用单摆测本地的重力加速度。
(1)在选择合适的实验器材后,将符合实验要求的摆球用细线悬挂在铁架台横梁上,应采用图中 (选填“甲”或者“乙”)所示的固定方式。
(2)该小组组装好单摆后在摆球自然悬垂的情况下,用毫米刻度尺从悬点量到摆球的最低端的长度L=0.9990m,再用游标卡尺测量摆球直径,结果如图,则该摆球的直径为 mm。
(3)在测量摆长后,测量周期时,摆球振动过程中悬点O处摆线的固定出现松动,摆长略微变长,这将会导致所测重力加速度的数值 。(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)
2.(23-24高二下·福建泉州·期末)在“用单摆测当地重力加速度”实验中,甲、乙两同学为一小组。
(1)两同学利用“手机物理工坊”app中的“磁力计”来测单摆的周期。如图甲,先将小球磁化,小球上下分别为S、N极,将手机放在小球静止位置的下方,并让小球做简谐振动,手机测出其所在空间中磁感强度大小随时间变化,其中z轴磁力计显示如图乙。该单摆的振动周期T为O点与 (选填“A”、“B”、“C”、“D”)点之间的时间差。
(2)两同学在测单摆的摆长时,将绳长加小球直径做为摆长L,测量了多组T、L数据,并分别处理数据。
①甲同学利用计算法进行处理,其计算的表达式为 (用T、L表示);
②乙同学利用图像法进行处理,画“”图像,其图像应该是图丙的 (选填“a”、“b”、“c”);
③甲的测量值将 (选填“大于”、“等于”、“小于”)真实值,乙同学的测量值将 (选填“大于”、“等于”、“小于”)真实值;
3.(23-24高二下·福建泉州·期末)用图甲所示的装置做“用单摆测重力加速度”的实验。
(1)组装单摆时,应该选用______(用器材前的字母表示)。
A.长度为1m左右的细线 B.长度为30cm左右的细线
C.直径约为1.8cm的塑料球 D.直径约为1.8cm的钢球
(2)如图乙所示,用游标卡尺测量摆球直径。摆球直径 cm。
(3)甲同学测量了多组数据,在坐标纸上描点作图得到了如图丙所示的图像,图像的斜率为k,其中T表示单摆的周期,L表示单摆的摆长。由此可计算出当地的重力加速度 (用题中所给符号表示)。
4.(23-24高二下·福建莆田·期末)在“用单摆测重力加速度”的实验中:
(1)下列器材和操作最合理的是_____________。
A. B.
C. D.
(2)用10分度的游标卡尺测量摆球的直径如图,读出小球的直径d为 mm。
(3)实验时,改变摆长,测出几组摆长L和对应的周期T的数据,作出图像,则利用A、B两点的坐标求得重力加速度的表达式为 。
5.(23-24高二下·福建福州·期末)单摆可作为研究简谐运动的理想模型。
(1)用游标卡尺测量摆球直径,测得读数如图,则摆球直径为 cm;
(2)若将一个周期为T的单摆,从平衡位置拉开的角度释放,忽略空气阻力,摆球的振动可看为简谐运动。当地重力加速度为g,以释放时刻作为计时起点,则摆球偏离平衡位置的位移x与时间t的关系为 。
6.(23-24高二下·福建泉州·期末)某实验小组通过单摆实验测定本地重力加速度。如图甲,将细线的上端固定在铁架台上,下端系一小钢球,就做成了单摆。
(1)用游标卡尺测量小钢球直径,示数如图乙所示,读数为 mm。
(2)以下是实验过程中的一些做法,其中正确的有________。
A.摆线要选择细些的、伸缩性小些的,并且尽可能长一些
B.摆球尽量选择质量大些、体积小些的
C.为了使单摆的周期大一些,以方便测量,开始时拉开摆球,使摆线偏离平衡位置有较大的角度
D.拉开摆球,使摆线偏离平衡位置不大于5°释放摆球,当摆球振动稳定后,从平衡位置开始计时,记下摆球做50次全振动所用的时间,由此计算单摆周期T
(3)在实验过程中,用秒表记录了单摆振动50次所用的时间如图丙所示,该示数为= s。
(4)测量出多组周期T、摆长L数值后,画出图像如图丁所示,图线斜率的物理意义是________。
A.g B. C. D.
7.(23-24高二下·福建三明·期末)“用单摆测量重力加速度的大小”实验中:
(1)先用游标卡尺测量摆球直径d,测量的示数如图甲所示,则摆球直径 cm;
(2)如图乙所示,安装力传感器、连接计算机进行测量。根据图丙显示的图像信息中可测出摆球的周期 s,若测得摆长为0.64m,,则 (保留3位有效数字)
(3)若将摆球直径d计入摆长中,g测量值将 (填“偏大”“相等”或“偏小”)。
8.(23-24高二下·福建福州·期末)某同学在“用单摆测定重力加速度”的实验中进行了如下的操作:
(1)按如图(甲)所示安装器材,细线的上端固定在铁架台上,下端系一个小钢球,做成一个单摆。图(乙)、图(丙)分别是细线上端的两种不同的悬挂方式,你认为图 (选填“乙”或“丙”)的悬挂方式较好。
(2)如图(丁)所示,用游标卡尺测得小钢球的直径 cm,测出摆线的长度,算出摆长L,再测出摆的周期T,得到一组数据,改变摆线的长度,再得到几组数据。
(3)根据实验数据作出图像,发现图像是过坐标原点的倾斜直线,其斜率为k,则根据单摆周期公式,可以测得当地的重力加速度 (结果用k、表示)。
9.(23-24高二下·福建南平·期末)某实验小组利用单摆测量当地的重力加速度,设计了如图(a)所示的装置:
①在点安装力传感器并与细线的一个端点固定,细线另一端系一个小球A;
②在点悬挂体积与相同的小球B,调节连接B球的细线长度,使两摆线的长度均为L,两细线保持自然下垂且平行,A、B两球恰好接触;
③将小球A小角度拉至同一竖直面内的C点由静止释放,运动到最低点与B球发生对心正碰(A、B每次碰撞均为弹性碰撞,碰撞时间极短可忽略不计),不计空气阻力。
(1)用10分度的游标卡尺测量小球的直径d,游标卡尺的示数如图(b)所示,读出 ;
(2)、球质量分布均匀,碰撞时,要发生速度交换,则 (选填“>”“=”或“<”);
(3)在满足(2)的条件下,得到的图(c)是与拉力传感器连接的计算机屏幕所显示的图像,根据图像可知摆球的运动周期 ,测得重力加速度 (用、d、表示)。
10.(23-24高二下·福建福州·期末)某同学利用如图甲所示的单摆测量当地的重力加速度。
(1)下列说法正确的是________(填字母)。
A.测摆长时,摆线应接好摆球,使摆球处于自然下垂状态
B.摆长等于摆线的长度加上摆球的直径
C.测单摆的周期时,应从摆球经过最高点速度为0时开始计时
D.如果有两个大小相等且都带孔的铜球和木球,应选用木球作摆球
(2)若用l表示单摆的摆长,T表示单摆振动周期,可求出当地重力加速度大小 。
(3)某同学为了提高实验精度,在实验中改变几次摆长l,并测出相应的周期T,算出的值,再以l为横轴、为纵轴建立直角坐标系,将所得数据描点连线如图乙所示,并求得该直线的斜率为k,则重力加速度 (用k表示)。
11.(23-24高二下·福建宁德·期末)在“用单摆测量重力加速度”的实验中:
(1)为了较精确地测量重力加速度的值,以下三种单摆组装方式最合理的是__________;
A. B. C.
(2)在摆球自然下垂的状态下,用毫米刻度尺测得摆线长度为;用游标卡尺测量摆球的直径,示数如图甲所示,则 mm;
(3)将小球从平衡位置拉开一个小角度静止释放,使其在竖直面内振动。待振动稳定后,从小球经过平衡位置时开始计时,测量次全振动的时间为,由本次实验数据可求得 (用、、、表示);
(4)若某次实验测得数值比当地公认值大,原因可能是__________;
A.开始计时时,过早按下秒表
B.实验时误将49次全振动记为50次
C.摆线上端悬点未固定,振动中出现松动,摆线长度增加
(5)改变摆线长度,重复实验,测得每次实验时单摆的振动周期,作出图像为图乙中的 (选填“”“”或“”)。
共振
一、填空题
1.(23-24高二下·福建泉州·期末)如图在一根张紧的水平绳上挂a、b、c、d四个摆,其中摆长关系为,让d先摆动起来后,其他各摆随后也跟着摆动起来。稳定后a、b、c、三个摆的周期关系 (选填“>”“=”或“<”),在开始的一小段时间内d摆的振幅 (选填“逐渐减小”“逐渐增大”或“保持不变”)。
2.(23-24高二下·福建南平·期末)如图,手机连接有线耳机。某时刻来电,手机开始振动,耳机线做 (选填“受迫振动”或“自由振动”),手机振动的频率为,耳机线上点的振动频率为,则 (选填“>”“=”或“<”)。
1 / 2
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