2.1简谐运动 同步练习（Word版含解析）

粤教版（2019）选择性必修一 2.1 简谐运动
一、单选题
1．简谐振动属于以下哪种运动（　　）
A．匀速直线运动 B．匀变速直线运动
C．非匀变速运动 D．以上运动都可能
2．下列运动中不属于机械振动的是（ ）
A．树枝在风的作用下运动 B．竖直向上抛出的物体的运动
C．说话时声带的运动 D．爆炸声引起窗扇的运动
3．下列振动中可以看作一个简谐运动的是（ ）.
A．讲话时声带的振动 B．音叉的振动
C．心脏的跳动 D．秋风中树叶的振动
4．水平方向的弹簧振子做简谐运动，某段时间内加速度增大，则该段时间内（　　）
A．速度增大，位移增大 B．速度减小，位移增大
C．速度增大，位移减小 D．速度减小，位移减小
5．弹簧振子在振动中通过平衡位置时（　　）
A．速度最大 B．回复力最大 C．位移最大 D．加速度最大
6．关于简谐运动的位移、加速度和速度的关系，下列说法中正确的是（ ）
A．位移减少时，加速度减少，速度也减少
B．位移方向总是跟加速度方向相反，跟速度方向相同
C．物体的运动方向指向平衡位置时，速度方向跟位移方向相反；背离平衡位置时，速度方向跟位移方向相同
D．物体向负方向运动时，加速度方向跟速度方向相同；向正方向运动时，加速度方向跟速度方向相反
7．下列说法中正确的是（　　）
A．树枝在风的作用下运动是简谐运动
B．波长比孔的宽度小得越多，波的衍射越明显
C．只要是两列波叠加，都能产生稳定的干涉图样
D．当观察者和波源间存在相对运动时不一定能观察到多普勒效应现象
8．物体产生机械振动的条件是（　　）
A．有方向不变、大小不变的力作用在物体上
B．有方向不变、大小变化的力作用在物体上
C．有方向变化、大小不变的力作用在物体上
D．有始终指向平衡位置的回复力作用在物体上
9．如图为某鱼漂的示意图．当鱼漂静止时，水位恰好在O点。用手将鱼漂往下按，使水位到达M点。松手后，鱼漂会上下运动，水位在M、N之间来回移动。且鱼漂的运动是简谐运动。下列说法正确的是(　　)
A．水位由O点到N点，鱼漂的位移向下最大
B．水位在O点时，鱼漂的速度最大
C．水位到达M点时，鱼漂具有向下的加速度
D．鱼漂由上往下运动时，速度越来越大
10．水平放置的弹簧振子在简谐运动中变化的物理量有（　　）
A．回复力 B．周期 C．振幅 D．机械能
11．下列振动中是简谐运动的是：（　　）
A．手拍乒乓球的运动
B．思考中的人来回走动
C．轻质弹簧的下端悬挂一个钢球，上端固定组成的振动系统
D．从高处下落到光滑水泥地面上的小钢球的运动
12．某质点的振动图象如图所示，根据图象可知（　　）
A．质点振动的振幅为 B．质点振动的周期为
C．t=1s时，质点有负的最大位移 D．t=2s时，质点的运动速度为零
13．图为一质点做简谐运动的位移随时间变化的图像，由图可知，在t=4s 时刻，质点的（ ）
A．速度为零，位移为正的最大值
B．速度为零，位移为负的最大值
C．速度为正的最大值，位移为零
D．速度为负的最大值，位移为零
14．下列说法正确的是（ ）
A．弹簧振子的运动是简谐运动
B．简谐运动是机械运动中最简单、最基本的运动
C．简谐运动中位移的方向总是指向平衡位置
D．简谐运动中位移的方向总与速度的方向相反
15．简谐运动是下列哪一种运动（　　）
A．匀变速运动 B．匀速直线运动
C．非匀变速运动 D．匀加速直线运动
二、填空题
16．弹簧振子
（1）机械振动：物体或物体的一部分在一个位置附近的_____运动，简称振动。
（2）弹簧振子：_____和弹簧组成的系统。
17．一弹簧振子在水平面内做简谐运动，其表达式为x=10sin(10πt +π）cm，该弹簧振子周期T=______s．从=0时刻开始，经过______，弹簧振子第一次具有正向最大加速度．弹簧振子在第一个周期内，从______ s 到______ s沿正方向运动且弹性势能逐渐增大．
18．（1）一列沿着x轴正方向传播的横波，在t=0时刻的波形如图甲所示．图甲中某质点的振动图象如图乙所示．质点N的振幅是_________m，振动周期为_________s，图乙表示质点_____(从质点K、L、M、N中选填)的振动图象．该波的波速为___________m/s．
（2）惯性系S中有一边长为l的正方形(如图A所示)，从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是__________________．
（3）描述简谐运动特征的公式是x＝_______．自由下落的篮球缓地面反弹后上升又落下．若不考虑空气阻力及在地面反弹时的能量损失，此运动________ (填“是”或“不是”)简谐运动．
19．物体（或物体的一部分）在某一___________位置两侧所做的往复运动，叫机械振动.
三、解答题
20．如图所示，盛水（密度为ρ1）容器的水面上漂浮着一块质量分布均匀的高为h、底面积为S的长方体木块（密度为ρ2），浸入水中的深度为a，O为木块质心，现在将木块相对于原来静止的位置轻轻按下距离A（木块没有完全浸没），木块就在水面上下振动（木块始终没有离开水面），不考虑任何阻力，重力加速度为g，试证明木块做简谐运动。
21．用手拍球，使球在地面上来回跳动，球的运动是简谐运动吗？为什么？
22．如图所示，A、B质量分别为mA=1kg，mB=2kg，AB间用弹簧连接着，弹簧劲度系数k=100N/m，轻绳一端系在A上，另一端跨过定滑轮，B为套在轻绳上的光滑圆环，另一圆环C固定在桌边，B被C挡住而静止在C上，若开始时作用在绳子另一端的拉力F为零，此时A处于静止且刚没接触地面．现用恒定拉力F=15N拉绳子，恰能使B离开C但不能继续上升，不计摩擦且弹簧没超过弹性限度，求
（1）B刚要离开C时A的加速度，并定性画出A离地面高度h随时间变化的图像．
（2）若把拉力F改为F=30N，则B刚要离开C时，A的加速度和速度．
23．自然界真是奇妙，微观世界的规律竟然与宏观运动规律存在相似之处．在长期的科学探索实践中，人类已经建立起各种形式的能量概念以及度量方法，其中一种能量是势能，势能是有由于物体间存在相互作用而具有的、由物体间相对位置决定的能．如重力势能，弹性势能，分子势能和电势能等．
（1）可以认为蹦极运动中的弹性绳的弹力的变化规律和弹簧相同，k为其劲度系数，l0为弹性绳的原长．
a．游客相对蹦极平台的位移为x，弹性绳对游客的弹力为F，取竖直向下为正方向，请在图中画出F随x变化的示意图，并借助F-x图像推导当游客位移为x（x>l0）时，弹性绳弹性势能EP的表达式；
b．已知l0=10m，k=100N/m，蹦极平台与地面间的距离D=55m．取重力加速度g=10m/s2．计算总质量M=160kg的游客使用该蹦极设施时距离地面的最小距离．
（2）如图甲所示，a、b为某种物质的两个分子，假设分子a固定不动，分子b只在ab间分子力的作用下运动（在x轴上），以a为原点，沿两分子连线建立x轴．两个分子之间的作用力与它们之间距离x的F-x关系图线如图乙所示．图线在r0处的斜率为k，当分子b在两分子间距r0附近小范围振动时．
a．弹簧、橡皮筋等弹性物质，大多有“弹性限度”，在“弹性限度”范围遵守胡克定律，请结合图乙从微观尺度上谈谈你对“弹性限度”范围的理解．说明在“弹性限度”范围内，微观层面上分子b的运动形式；
b．推导两分子间距为x（x>r0）时，两分子间分子势能EP的表达式；当两分子间距离为r0时，b分子的动能为Ek0．求两分子在r0附近小范围振动时的振动范围．当温度小范围升高时，热运动加剧，A同学认为分子振动范围变大，B同学认为分子振动频率变大，哪位同学的观点正确？
24．中国著名科幻作家刘慈欣在其作品《人间大炮》中展现了前人所提出的“地心隧道”设想，即开通一条穿过地心的笔直隧道，如图所示．下面是《人间大炮》中的一段文字：
沈华北的本意是想把话题从政治上引开去，他成功了，贝加纳来了兴趣：“沈，你的思维方式总是与众不同……让我们看看：我跳进去（指跳进地心隧道）后会一直加速，虽然我的加速度会随坠落深度的增加而减小，但确实会一直加速到地心，通过地心时我的速度达到最大值，加速度为零；然后开始减速上升，这种减速度的值会随着上升而不断增加，当到达地球的另一面阿根廷的地面时，我的速度正好为零．如果我想回中国，只需从那面再跳下去就行了，如果我愿意，可以在南北半球之间做永恒的简谐振动，嗯，妙极了，可是旅行时间……”假设地球质量分布均匀地球半径为R，地表附近重力加速度为g，物体从隧道口由静止释放，不计空气阻力，请完成以下问题
（1）指出物体做简谐运动的平衡位置．（不需证明）
（2）已知均匀球壳对壳内物体引力为零，请证明物体在地心隧道中的运动为简谐运动．
（3）做简谐运动的物体回复力为F=-kx，其周期为，其中m为物体的质量，请求出物体从隧道一端静止释放后到达另一端需要多少分钟．（地球半径R=6400km，地表重力加速为g=10m/s2，π=3.14，最终结果请保留一位小数）
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．C
【详解】
A．简谐运动的速度是变化的，不可能是匀速直线运动，故A错误；
BCD．简谐运动物体的速度随时间也周期性变化，回复力和加速度随时间作周期性变化，是非匀变速运动，故C正确，BD错误。
故选C。
2．B
【详解】
物体（或物体的某一部分）在某一位置附近的往复运动称为机械振动，树枝的运动、声带的运动以及窗扇的运动均是在其平衡位置附近的振动，只有竖直向上抛出的物体的运动不是在其平衡位置附近的振动。
故选B。
3．B
【详解】
当某物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置，它是一种由自身系统性质决定的周期性运动。
A．讲话时声带的振动没有规律，不是简谐运动。故A不符合题意。
B．音叉的振动，在平衡位置附近做周期性运动。故B符合题意。
C．心脏的跳动没有规律（指振动与受力的规律）。故C不符合题意。
D．秋风中树叶的振动没有规律（指振动与受力的规律）。故D不符合题意。
故选B。
4．B
【详解】
水平方向的弹簧振子做简谐运动，在振动过程中，加速度数值越来越大，说明振子离开平衡位置，位移数值越来越大，速度越来越小，故B正确，ACD错误。
故选B。
5．A
【详解】
A．弹簧振子在振动中通过平衡位置时，速度达到最大，故A正确；
BC．弹簧振子在振动中通过平衡位置时，位移为零，根据，回复力为零，故BC错误；
D．由公式可知，因为回复力为零，所以加速度为零，故D错误。
故选A。
6．C
【详解】
A．位移减小时，质点衡位置，加速度减小，速度增大，故A错误；
BD．位移方向总跟加速度方向相反，质点经过同一位置，位移方向总是由平衡位置指向质点所在位置，而速度方向两种，可能与位移方向相同，也可能与位移方向相反；加速度的方向有可能与速度方向相同或相反，故BD错误；
C．物体运动方向指向平衡位置时，位移方向由平衡位置指向物体，所以速度方向跟位移方向相反；背离平衡位置时，速度方向跟位移方向相同，故C正确；
故选C．
【点睛】
简谐运动的位移是指质点离开平衡位置的位移，方向从平衡位置指向质点所在位置；当质点背离平衡位置时，位移增大，速度减小，加速度增大，加速度方向总是与位移方向相反，指向平衡位置，质点做非匀变速运动；当质点衡位置时，位移减小，速度增大，加速度减小．
7．D
【详解】
A．树枝在风的作用下运动是机械振动，故A错误；
B．当波长比孔的宽度大得越多或相差不多时，波的衍射越明显，故B错误；
C．只有叠加的两列波频率相等，振动情况相同，才可以产生稳定的干涉，故C错误；
D．当观察者和波源间存在相对运动时不一定能观察到多普勒效应现象，如观测者绕波做匀速圆周运动，故D正确。
故选D。
8．D
【详解】
振动需要回复力，回复力应该始终指向平衡位置，故其方向是变化的；回复力大小可以变化，也可以不变化，如果是简谐运动，回复力F=-kx，与位移成正比，不断变化；
故选D。
9．B
【详解】
A．水位由O点到N点，说明鱼漂向上运动，位移方向向上，达到最大，故A错误；
B．O点是平衡位置，所以水位在O点时鱼漂的速度最大，故B正确；
C．水位到达M点时，鱼漂具有向上的加速度，故C错误；
D．鱼漂由上往下运动时，可能加速也可能减速，故D错误。
故选B。
10．A
【详解】
水平放置的弹簧振子在简谐运动的过程中机械能守恒，周期和振幅都是不变的。根据
可知回复力会随着弹簧的长度变化而变化。故A正确，BCD错误。
故选A。
11．C
【详解】
手拍乒乓球的运动和思考中的人来回走动没有规律，不是简谐运动，故AB错误；轻质弹簧的下端悬挂一个钢球，上端固定组成的振动系统，钢球以受力平衡处为平衡位置上下做简谐运动，C正确；从高处下落到光滑水泥地面上的小钢球的运动过程为自由落体，不是简谐运动，故D错误；故选C．
12．B
【详解】
A．由图可知，质点振动的振幅为，故A错误；
B．由图可知，质点振动的周期为，故B正确；
C．在时，质点在正的最大位移处，位移最大，故C错误；
D．在时，质点在平衡位置处，位移为零，速度最大，正沿轴的负方向运动，故D错误；
故选B。
13．A
【详解】
在时，质点的位移为正向最大，质点的速度为零，而加速度方向总是与位移方向相反，大小与位移大小成正比，则加速度为负向最大值；
A. 速度为零，位移为正的最大值与分析相符，故A正确；
B. 速度为零，位移为负的最大值与分析不符，故B错误；
C. 速度为正的最大值，位移为零与分析不符，故C错误；
D. 速度为负的最大值，位移为零与分析不符，故D错误．
14．A
【详解】
AB.弹簧振子的运动就是简谐运动，但简谐运动有许多种，如水中浮标上下做微小的浮动，后面将要学习的单摆在空气中的小角度摆动都是简谐运动，它是机械运动中最基本，最简单的振动，而机械运动中最基本最简单的运动就是匀速直线运动，因此选项A符合题意，选项B不合题意.
C.振动中位移总是相对平衡位置而言的，而它总是从平衡位置开始，背离平衡位置的，所以选项C不合题意.
D.虽然位移方向总背离平衡位置，但速度具有“双向性”，当质点远离平衡位置运动时，它与位移方向相同；质点向平衡位置运动时，它与位移方向相反，所以选项D不合题意.
15．C
【详解】
简谐运动的x-t图像是一条正弦曲线，其图像的斜率既不是定值，且随t也并非均匀变化，所以简谐运动是非匀变速运动，故C正确，ABD错误。
故选C。
16． 往复 小球（或物体）
【详解】
略
17． 0.2 0.05 0.10 0.15
【详解】
由振动方程可知圆频率：
故该弹簧振子的振动周期：
T===0.2s；
其振动图象如下图所示:
经四分之一周期，即0.05s，位移为负向最大，具有正向最大加速度；
从二分之一周期，即0.10s，到四分之三周期，即0.15s，的这段时间内，弹簧振子由平衡位置向正向最大位移运动，动能逐渐减小，弹性势能逐渐增大．
18． 0.8 4 L 0.5 C 不是
【详解】
（1）[1][2]由甲图可知波长λ=2.0m，由乙图可知振幅A=0.8m，周期T=4s；
[3]因为波沿x轴正方向传播，由甲图可以判断t=0时刻L向上振动，N向下振动，K在正的最大位移处，M在负的最大位移处．由乙图可知t=0时刻，质点向上振动，所以为L的振动图象；
[4]波速
（2）[5]由相对论中长度的相对性：在垂直于运动方向，长度不变；在沿着运动方向长度变长。
故选C。
（3）[6]简谐运动的表达式为：，为初相位，可以取零；
[7]篮球的运动加速度不改变，不符合简谐运动的规律，所以不是简谐运动。
19．中心
【详解】
[1]物体在某一中心位置附近所做的往复运动，叫做机械振动，通常简称为振动。
20．见解析
【详解】
木块的平衡位置就在原来静止的位置，木块漂浮(静止)时由力平衡可得
G=F浮
即
ρ2ghS=ρ1gSa
现在以木块振动到平衡位置下方情形为例来证明，设木块振动到平衡位置下方x时(x≤A)，其偏离平衡位置的位移大小为x，所受到的浮力变为
回复力为
解得
F回=ρ1gSx
显然回复力大小与偏离平衡位置的位移大小成正比，同理可证，木块振动到平衡位置上方时回复力大小与偏离平衡位置的位移大小成正比，分析木块在平衡位置上方和下方时的回复力方向可知，回复力恒指向平衡位置，所以木块此时做简谐运动。
21．见解析
【详解】
不是，当某物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置，皮球往复运动时所受的力不符合上述特征，不是简谐运动。
22．（1）15m/s2，；（2）0，3m/s
【详解】
解：（1）B刚要离开C的时候，弹簧对B的弹力N= mBg，A的受力图如图所示，由牛顿第二定律
mAg+N-F=mAaA
可得
aA==15m/s2
A物体的运动为简谐运动，平衡位置为A所受合力为零的位置，此时弹簧的弹力为5N，弹簧处于压缩，压缩量为0.05m，开始振动时压缩量为，所以振幅L=0.15m。
所以A距离地面高度h随时间t变化的关系式是
h=L-Lcos
则有A离地面高度h随时间变化的图像，如下图所示，
（2）当F=0时，弹簧的伸长量
当F=15N，且A上升到最高点时，弹簧的压缩量
所以A上升的高度
h= x1+ x2=0.3m
A上升过程中
Fh=mAgh+△Ep
所以弹簧弹性势能增加了
△Ep=1.5J
把拉力改为F=30N时，A上升过程中
Fh-mAgh-△Ep=mBv2
解得
v=3m/s
B刚要离开C时，弹簧弹力N= mBg=20N，由牛顿第二定律有
mAg+N-F=mAaA
解得
aA=0
23．（1）a． b．（2）a．弹力是分子力的宏观表现，从微观尺度上看，只有在r0附近，分子力才和分子偏离r0的距离成正比，宏观上表现为“弹性限度”范围．简谐运动b．振动范围温度升高，Ek0增大，振动范围增大，频率不变．
【详解】
解：(1)a．设弹性绳的原长为，根据胡克定律则有，弹性绳对游客的弹力随游客位移变化关系的图线如图所示
在图中，图线与轴所围面积表示弹力做的功，则在游客位从变为的过程中，弹力做的功：
所以弹性绳的弹性势能：
b．设游客从蹦极平台第一次到达最低点的距离为，在此过程中，根据机械能守恒定律：
解得：或（舍）
(2)a．弹力是分子力的宏观表现，从微观尺度上看，只有在附近，分子力才和分子偏离的距离成正比，宏观上表现为“弹性限度”范围；
在“弹性限度”范围内，微观层面上分子的运动形式为简谐运动；
b．根据，可得振动范围
温度升高，增大，振动范围增大，频率不变．
24．（1）地心为物体做简谐运动的平衡位置（2）地表：以地心为位移起点，设某时刻位移为x，如图所示，此处为万有引力提供回复力，由于均匀球壳对壳内物体引力为零，则有： ，整理可得：，为常数，即该物体运动为简谐运动（3）41.9分钟
【详解】
（1）地心为物体做简谐运动的平衡位置
（2）在地球表面万有引力等于重力：
地球的质量为：
以地心为位移起点，设某时刻位移为x，如图所示，此处为万有引力提供回复力，由于均匀球壳对壳内物体引力为零，则有：
整理可得：，为常数，即该物体运动为简谐运动
（3）由得，该物体做简诸运动周期为：
物体从隧道口一端静止释放后到达另一端所用的时间为半个周期，则：
代入数据可得：t=41.9分钟
答案第1页，共2页
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