2.1 简谐运动及其图像(Word学生用书)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修第一册（教科版）

该高中物理课件聚焦简谐运动及其图像，涵盖机械振动、弹簧振子模型、振动图像及振幅、周期等描述量，通过情境思辨判断跳绳等实例是否为机械振动，衔接机械振动到简谐运动的概念，搭建从生活实例到物理模型的学习支架。 其亮点是以弹簧振子为核心模型，通过探究实验（如铅笔轨迹实验）建构振动图像，结合典例分析周期性与对称性，体现科学思维的模型建构与科学推理。情境思辨和检测题促进科学探究，帮助学生深化运动观念，教师可借助结构化内容提升教学效率。

1.简谐运动及其图像 1.知道机械振动、平衡位置的概念。 2.知道弹簧振子模型及其振动图像的意义。 3.知道简谐运动的概念，理解简谐运动振动图像的意义及应用。会根据简谐运动的振动图像判断振动物体的运动方向。 4.知道简谐运动的振幅、周期、频率、相位（初相位、相位差）的概念。会分析简谐运动中有关物理量的变化规律。 5.理解简谐运动的表达式及有关各物理量的意义，能应用表达式解答有关问题。 知识点一　机械振动　简谐运动 1.机械振动 （1）定义：物体（或物体的某一部分）在某一位置两侧所做的　　　　运动，叫作机械振动，简称振动。 （2）平衡位置：物体不振动时的位置。 （3）普遍性：振动现象在自然界中普遍存在。 2.弹簧振子 （1）构成：弹簧和小球组成的振动系统。 （2）条件：弹簧的质量比小球的质量　　　，可以忽略不计，且不计　　　　阻力。 3.弹簧振子的振动图像 （1）建立：横轴表示时间t，纵轴表示振子相对　　　　的位移x，这样就得到振子在平衡位置附近往返运动时的　　　　　图像，即x－t图像。 （2）特点：大致是一条　　　　或余弦曲线。 （3）物理意义：描述了振子相对平衡位置的位移随时间变化的规律。 4.简谐运动：质点的位移与时间的关系严格遵从　　　函数的规律，即它的振动图像是一条　　　曲线，这样的运动叫作简谐运动。 　观察下列情境，判断下列说法的正误。 （1）跳绳时人的上下运动是机械振动。（　　） （2）荡秋千时人的来回运动是机械振动。（　　） （3）弹奏吉他时琴弦的运动是机械振动。（　　） （4）弹簧振子的振动图像就是振子运动轨迹。（　　） （5）简谐运动就是指弹簧振子的运动。（　　） 知识点二　描述简谐运动的物理量 1.振幅 （1）定义：振动物体离开平衡位置的　　　　　距离。 （2）物理意义：振幅表示　　　　　　　，是标量。 2.全振动 振动物体完成一次　　　　的振动过程（以后完全重复原来的运动）叫作一次全振动，例如：如图所示，O为弹簧振子的平衡位置，B、B′ 为最大位移处，则振子运动经历O→B→O→B′→O或B→O→B′→O→B的过程均为一次全振动。 3.周期和频率 （1）周期：做简谐运动的物体完成一次　　所用的时间，符号为T，单位为秒（s）。 （2）频率：完成全振动的　　　与所用时间的比，符号为f，单位为　　　，简称赫（Hz）。 （3）周期与频率的关系及物理意义：T=，周期和频率都是表示振动快慢的物理量。 4.相位：表示振动步调的物理量。更确切地说，相位是描述做周期性运动的物体在各个时刻所处　　　　的物理量。 如图所示，一个水平方向的弹簧振子以O为平衡位置，在B、C间做简谐运动，D为B、O间某点。 （1）弹簧振子的振幅是指振子的位移。（　　） （2）振子经历DOCOD的过程是一次全振动。（　　） （3）振子从平衡位置O出发到又回到平衡位置O的时间为一个周期。（　　） 知识点三　简谐运动的表达式 1.意义：简谐运动的物体离开平衡位置的位移x与时间t的函数关系。 2.表达式：x=　　　　=Asin=Asin（2πft＋φ0）。 （1）A表示振动的　　　　，T表示振动的周期，f表示振动的频率。 （2）“ωt＋φ0”“t＋φ0”“2πft＋φ0”表示简谐运动的　　　　，φ0表示t=0时的相位，叫作　　　　或初相。 3.相位差 频率相同的两个简谐运动有固定的相位差，即Δφ=φ1－φ2=定值。 （1）振动同相：两个物体的振动总是“步调一致”，即Δφ=0。 （2）振动反相：两个物体的振动总是“步调相反”，即Δφ=π。 要点一　简谐运动的振动图像及物理量 　 如图所示，在弹簧振子的小球上固定一记录用的铅笔P，在下面放一条白纸带，铅笔可在纸上留下痕迹。请思考： （1）振子振动时白纸不动，画出的轨迹是怎样的？ （2）振子振动时，匀速拖动白纸时，画出的轨迹又是怎样的？ 1.x－t图像的应用 （1）读取简谐振动的振幅A、周期T。 （2）读取任意时刻质点位移的大小和方向。如图甲所示，质点在t1、t2时刻的位移分别为x1和－x2。 （3）判断任意时刻质点的振动方向（看质点下一时刻的位移） ①位移为正值：若位移增大，则质点沿x轴正方向运动（如图乙中a点）；若位移减小，则质点沿x轴负方向运动（如图乙中b点）； ②位移为负值：若位移增大，则质点沿x轴负方向运动（如图乙中c点）；若位移减小，则质点沿x轴正方向运动（如图乙中d点）； （4）判断各运动学量的变化（先判断质点在某段时间内的振动方向，从而确定各运动学量的变化。如图甲所示） ①在t1→t0时间内，质点靠近平衡位置运动，则位移变小，速度变大，加速度变小； ②在t0→t2时间内，质点远离平衡位置运动，则位移变大，速度变小，加速度变大。 2.简谐运动中振幅与位移、路程、周期的关系 振幅与位移 （1）振幅等于位移的最大值； （2）同一简谐运动中振幅是确定的，而位移随时间做周期性的变化 振幅与路程 振动中的路程是随时间不断增大的，不同时间内路程与振幅的对应关系： （1）t=T时，s=4A，（t=nT时，s=n•4A）； （2）t=T时，s=2A； （3）t=T时，可能有s=A、s＞A、s＜A。 振幅与路程 ①当初始时刻在平衡位置或最大位移处时， 内通过的路程s=A； ②当初始时刻不在平衡位置或最大位移处，且振动物体向着平衡位置运动时，内通过的路程s＞A； ③当初始时刻不在平衡位置或最大位移处，且振动物体向着最大位移处运动时，内通过的路程s＜A 振幅与周期 在简谐运动中，一个确定的振动系统的周期（或频率）是固定的，与振幅无关 3.全振动的“四个特征” （1）物理量特征：位移x、加速度a、速度v三者第一次同时与初始状态相同。 （2）时间特征：历时一个周期。 （3）路程特征：振幅的4倍。 （4）相位特征：增加2π。 如图甲所示，一弹簧振子在A、B之间做简谐运动，O点为小球静止的位置，其振动图像如图乙所示，规定向右的方向为正方向，试根据图像分析以下问题： （1）在t=0时刻，小球所处的位置为　　　（选填“A点”“O点”或“B点”），正在向　　　　　（选填“左”或“右”）运动。 （2）A、B两点间的距离为　　　　 cm。 （3）在图乙中，小球在t=1 s、t=2 s和t=3 s时所处的位置依次是　　　　、　　　　和　　　　。 （4）在t=2 s时，小球速度的方向与t=0时速度的方向　　　　（选填“相同”或“相反”）。 （5）小球在前4 s内的位移等于　　　　 cm，其路程为　　　　 cm。 尝试解答 1.（2025•四川省眉山市仁寿第一中学校南校区月考）如图所示，简谐振动的图像上有a、b、c、d、e、f六个点，下列关于a点对应的振动方向以及振子从a点到c点所经过的路程说法正确的是（　　） A．向下，2 cm　 B．向下，4 cm C．向上，2 cm　 D．向上，4 cm 2.〔多选〕如图是用频闪照相的方法获得的弹簧振子的位移—时间图像，下列有关该图像的说法正确的是（　　） A．该图像的坐标原点建立在弹簧振子的平衡位置 B．从图像可以看出小球在振动过程中是沿t轴方向移动的 C．为了显示小球在不同时刻偏离平衡位置的位移，可以让底片沿垂直x轴方向匀速运动 D．图像中小球的疏密显示出相同时间内小球位置变化的快慢 要点二　简谐运动的表达式 1.表达式的常见形式 （1）一般情形：x=Asin（ωt＋φ0）=Asin=Asin（2πft＋φ0）（从一般位置开始计时） （2）特殊情形 ①x=Asin=Asin ωt=Asin t=Asin 2πft（从平衡位置开始计时且向着正方向运动）； ②x=Asin=Asin=Asin（从正向最大位移处开始计时）； ③x=Asin=Acos=Acos （t＋）=Acos （从平衡位置开始计时且向着负方向运动）； ④x=Asin=Asin=Asin（从负向最大位移处开始计时）。 2.相位“（ωt＋φ0）”的理解 （1）描述做简谐运动的物体在各个不同时刻所处的不同状态，是描述不同振动的振动步调的物理量。 （2）相位是一个随时间变化的量，相当于一个角度，相位每增加2π，意味着物体完成了一次全振动，经历一个周期。 （3）相位差：即两个振动某一时刻的相位之差。它反映出两个简谐运动的步调差异。 （4）关于两个相同频率的简谐运动的相位差的理解 两个具有相同ω的简谐运动，设其初相分别为φ1和φ2，其相位差Δφ=（ωt＋φ1）－（ωt＋φ2）=φ1－φ2。 ①取值范围：－π≤Δφ≤π。 ②Δφ=0，表明两振动步调完全相同，称为同相；Δφ=±π，表明两振动步调完全相反，称为反相。 ③Δφ＞0，表示振动1比振动2超前；Δφ＜0，表示振动1比振动2滞后。 〔多选〕物体A做简谐运动的振动位移xA=3sinm，物体B做简谐运动的振动位移xB=5sinm。比较物体A、B的运动，下列说法正确的是　（　　） A．振幅是矢量，物体A的振幅是6 m，物体B的振幅是10 m B．周期是标量，物体A、B周期相等，均为100 s C．物体A振动的频率fA等于物体B振动的频率fB D．物体A的相位始终超前物体B的相位 尝试解答 1.（2024•四川省广安市育才学校月考）有一竖直的弹簧振子，小球静止时弹簧伸长量为L。现将小球从平衡位置O下拉一段距离A，由静止释放并开始计时。已知小球做简谐运动的周期为 T，以O点为坐标原点，取竖直向下为正方向，则小球的位移x随时间t的表达式为（　　） A．x=Asin B．x=Asin C．x=sin D．x=sin 2.（2025•四川省泸州市泸县第五中学期末考试）某质点做简谐运动，其位移与时间的关系为x=3sincm，下列说法正确的是（　　） A．质点的振幅为3 m B．质点的振动周期为π s C．质点0~2 s内的位移为－4.5 cm D．t=0.75 s时，质点在正向最大位移处 要点三　简谐运动的周期性与对称性 1.简谐运动的周期性的理解 （1）若t2－t1=nT，n=1，2，3，…，则t1、t2两时刻振动物体一定在同一位置，描述运动的物理量（x、a、v）均相同。 （2）若t2－t1=nT＋T，n=0，1，2，3，…，则t1、t2两时刻振动物体的位置一定关于平衡位置对称，描述运动的物理量（x、a、v）均大小相等，方向相反。 2.简谐运动的对称性的理解 状态 量的 对称 性 当振动物体通过关于平衡位置对称的两个位置时，则： （1）物体的位移、加速度的大小一定相等，方向一定相反； （2）物体的速度大小一定相等，方向可能相同、也可能相反 时间 的对 称性 （1）振动物体来回通过相同的两点间的时间一定相等，如图所示，tBC=tCB； （2）振动物体经过关于平衡位置对称的等长的两线段的时间一定相等，如图所示，tBC=tB′C′ 〔多选〕一个质点在平衡位置O点附近做简谐运动，若从O点开始计时，经过2 s质点第一次经过M点，再继续运动，又经过 1 s 它第二次经过M点；则该质点第三次经过M点再需要的时间可能是（　　） A． s　 B． s　　C.7 s　 D．9 s 尝试解答　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　 规律方法 简谐运动的多解问题产生原因 （1）周期性形成多解； （2）对称性形成多解。 1.一水平弹簧振子做简谐运动，周期为T，则（　　） A．若t时刻和（t＋Δ t）时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则Δ t一定等于T的整数倍 B．若t时刻和（t＋Δt）时刻振子运动位移的大小相等、方向相反，则Δt一定等于的整数倍 C．若Δt=T，则在t时刻和（t＋Δt）时刻振子振动的加速度一定相等 D．若Δt=，则在t时刻和（t＋Δt）时刻弹簧的长度一定相等 2.〔多选〕（2025•四川省攀枝花市第三中学月考）简谐振子沿x轴振动，平衡位置在坐标原点。t=0时刻振子的位移x=－0.1 m；t= s时刻x=0.1 m；t=4 s时刻x=0.1 m。该振子的振幅和周期可能为（　　） A．0.1 m， s　 B．0.1 m，2.5 s C．0.1 m，8 s　 D．0.2 m， s 1.〔多选〕下列振动系统可看作弹簧振子的是（　　 ） A．如图甲所示，竖直悬挂的轻弹簧及小铅球组成的系统 B．如图乙所示，放在光滑斜面上的铁块及轻弹簧组成的系统 C．如图丙所示，光滑水平面上，两根轻弹簧系着一个小钢球组成的系统 D．蹦极运动中的人与弹性绳组成的系统（人所受阻力不能忽略） 2.如图所示，弹簧振子在B、C间振动，O为平衡位置，BO=OC=5 cm。若振子从B到C的运动时间是1 s，则下列说法中正确的是（　　） A．振子从B经O到C完成一次全振动 B．振动周期是1 s，振幅是10 cm C．经过两次全振动，振子通过的路程是20 cm D．从B开始经过3 s，振子通过的路程是30 cm 3.（2023•四川省遂宁市射洪中学校高二下期中）弹簧振子做简谐运动，若从平衡位置O开始计时，经过4 s振子第一次经过P点，又经过了1 s，振子第二次经过P点，则该简谐运动的周期可能为（　　） A．5 s　 B．6 s　　C．7 s　 D．8 s 4.（2024•四川省德阳市罗江中学高二月考）一做简谐运动的弹簧振子的振动图像如图所示，请根据图像，求： （1）该振子做简谐运动的振幅A、圆频率ω、初相φ0； （2）该振子在0~12 s内通过的路程； （3）用正弦函数表示的该振子的振动方程。 完成课后作业　第二章　1. 答案 1.简谐运动及其图像 【基础知识落实】 知识点一 1.（1）往复　2.（2）小得多　空气 3.（1）平衡位置　位移—时间　（2）正弦　4.正弦　正弦 情境思辨 （1）×　（2）√　（3）√　（4）×　（5）× 知识点二 1.（1）最大　（2）振动强弱　　2.完整　3.（1）全振动 （2）次数　赫兹　4.状态 情境思辨 （1）×　（2）×　（3）× 知识点三 2.Asin（ωt＋φ0）　（1）振幅　（2）相位　初相位 【核心要点突破】 要点一　 知识精研 【探究】　提示：（1）一条平行于运动方向的线段。 （2）是一条正弦（或余弦）曲线，如图所示。 【典例 1】　（1）O点　右　（2）6　（3）B点　O点　A点 （4）相反　（5）0　12 解析：（1）由振动图像知，t=0时，x=0，表示小球位于平衡位置，即O点。在0~1 s内，振动位移x＞0，且逐渐增大，表示t=0时，小球正在向正方向运动，即向右运动。 （2）由题图乙知，小球离开平衡位置的最大距离为3 cm，则AB=6 cm。 （3）t=1 s时，x=3 cm，小球位于B点；在t=2 s时，x=0，小球位于平衡位置O点；t=3 s时，x=－3 cm，小球位于A点。 （4）在t=2 s时，x－t图像切线的斜率为负，表示小球向负方向运动，即向左运动。与t=0时，速度的方向相反。 （5）在t=4 s时，小球又回到了平衡位置，故位移Δx=0，前4 s内的路程为s=3 cm×4=12 cm。 素养训练 1.D　由图可知，a点对应的振动方向向上，振子从a点到c点所经过的路程为4 cm，选项D正确。 2.ACD　该图像的坐标原点建立在弹簧振子的平衡位置，小球的振动过程是沿x轴方向运动的，故A正确，B错误；由获得图像的方法知C正确；频闪照相是间隔相同时间留下的小球的像，因此小球的疏密显示了它位置变化的快慢，D正确。 要点二　 知识精研 【典例 2】　CD　振幅是标量，物体A、B的振动范围分别是 6 m、10 m，振幅分别为3 m、5 m，选项A错误；物体A、B振动的周期T== s=0.02π s，选项B错误；因TA=TB，故fA=fB，选项C正确；Δφ=φA－φB=为定值，选项D正确。 素养训练 1.A　已知小球做简谐运动的周期为T，所以ω=，由题意知小球在t=0时位移为A，所以小球的初相φ=，则小球的位移x随时间t的表达式为x=Asin，故选A选项。 2.C　从位移与时间的关系式中可知A=3 cm，选项A错误；从位移与时间的关系式中可知ω=π，故周期为T==3 s，选项B错误；在t=0时刻质点的位置在x=3sin cm=3 cm，2 s时质点的位置在x′=3sincm=－1.5 cm，故前两秒内的位移为Δx=x′－x=－4.5 m，选项C正确；t=0.75 s时，质点的位移为x=3sin（π×＋）cm=0，所以质点此时在平衡位置，选项D错误。 要点三　 知识精研 【典例 3】　BD　若振子开始运动的方向先向左，再向M点运动，运动路线如图甲所示。可得振动的周期为T=（2 s＋×1 s）××4= s。 振子第三次通过M点需要经过的时间为t=T－1 s= s。若振子开始运动的方向向右直接向M点运动，运动线路如图乙所示。 振动的周期为T=×4=10 s。振子第三次通过M点需要经过的时间为t=T－1 s=9 s。 素养训练 1.C　如图所示，图中的a、b、c三点位移大小相等、方向相同，显然Δt不等于T的整数倍，故选项A错误；图中的a、d两点的位移大小相等，方向相反，Δt＜，故选项B错误；在相隔一个周期T的两个时刻，振子只能位于同一位置，其位移相同，合外力相同，加速度必相等，选项C正确；相隔的两个时刻，振子的位移大小相等，方向相反，其位置关于平衡位置对称，弹簧分别处于压缩和拉伸状态，弹簧的长度并不相等，选项D错误。 2.AD　如果振幅等于0.1 m，经过周期的整数倍，振子会回到原位置，则有4 s－ s=nT，若T= s，则n=1，选项A正确；若T=2.5 s，则n=，n只能取整数，选项B错误；若T=8 s，则n=，n只能取整数，选项C错误；如果振幅等于0.2 m，如图所示，则有 s＋=nT＋，若T= s，则n=1，选项D正确。 【教学效果检测】 1.ABC　选项A、B、C都满足弹簧振子的条件，符合题意；选项D中人受空气的阻力不可忽略，且人不能看作质点，故不可看作弹簧振子，不符合题意。 2.D　振子从B经O到C只完成半次全振动，再回到B才算完成一次全振动，完成一次全振动的时间为一个周期，故 T=2 s，A、B错误；经过一次全振动，振子通过的路程是4倍振幅，故经过两次全振动，振子通过的路程是40 cm，C错误；从B开始经过3 s，振子通过的路程是30 cm，D正确。 3.B　如图所示，假设弹簧振子在水平方向B、C之间振动，若振子开始先向右振动，振子的振动周期为T=4×s=18 s，若振子开始先向左振动，设振子的振动周期为T′，则＋=4 s，解得T′=6 s，故选B选项。 4.（1）4 cm；；π或－π （2）48 cm　（3）x=4sin或者x=4sin 解析：（1）根据振动图像可知，简谐运动的振幅为A=4 cm 周期为T=4 s 则圆频率ω== 从负向最大位移处开始，所以初相φ0=π或φ0=－π。 （2）在0~12 s内即运动3T，通过的路程s=3×4A=48 cm。 （3）用正弦函数表示该振子的振动方程 x=Asin（ωt＋φ0）=4sin=4sin。 7 / 8 学科网（北京）股份有限公司 $