2023-2024学年高中物理选择性必修第一册: 2.2 简谐运动的描述(课件+教案)

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名称 2023-2024学年高中物理选择性必修第一册: 2.2 简谐运动的描述(课件+教案)
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资源类型 教案
版本资源 人教版(2019)
科目 物理
更新时间 2023-07-22 21:31:09

文档简介

2 简谐运动的描述
[学习目标] 1.知道振幅、周期和频率的概念,知道全振动的含义。2.了解初相和相位差的概念以及相位的物理意义(难点)。3.知道简谐运动的表达式及各物理量的物理意义(重点)。4.能依据简谐运动的表达式描绘振动图像,会根据简谐运动图像写出其表达式(重难点)。
一、简谐运动的振幅、周期和频率
如图甲所示为理想弹簧振子,O点为它的平衡位置,其中A、A′及B、B′点关于O点对称。图乙为先后两次分别从A、B两点释放经过平衡位置开始计时所得的振动图像。
(1)分析图乙中的a、b振动图像分别是从哪个点开始释放的?两次振动图像中的物理量有什么共同点和不同点?
(2)从小球经过O点至下一次再经过O点的速度方向是否相同?这段时间是否为一个周期?
答案 (1)a图像是从A点开始释放的,b图像是从B点开始释放的;弹簧振子两次形成的简谐运动具有相同的周期,从B点释放时离平衡位置的最大距离比从A点释放时的最大距离更大。
(2)不相同,两次速度方向相反。这段时间仅为半个周期。若经过一个周期,小球一定从同一方向再次经过O点。
1.振幅
(1)概念:振动物体离开平衡位置的最大距离。
(2)意义:振幅是表示振动幅度大小的物理量,常用字母A表示。振动物体运动的范围是振幅的两倍。
2.周期和频率
(1)全振动:一个完整的振动过程称为一次全振动。做简谐运动的物体完成一次全振动的时间总是相同的。
(2)周期:做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间,用T表示。在国际单位制中,周期的单位是秒(s)。
(3)频率:物体完成全振动的次数与所用时间之比,数值等于单位时间内完成全振动的次数,用f表示。在国际单位制中,频率的单位是赫兹,简称赫,符号是Hz。
(4)周期和频率的关系:f=。周期和频率都是表示物体振动快慢的物理量,周期越小,频率越大,表示振动越快。
(5)圆频率ω:表示简谐运动的快慢,其与周期成反比、与频率成正比,它们间的关系式为ω=,ω=2πf。
1.对全振动的理解
(1)振动过程:如图所示,从O点开始,一次全振动的完整过程为O→A→O→A′→O;从A点开始,一次全振动的完整过程为A→O→A′→O→A。
(2)完成一次全振动,位移(x)、加速度(a)、速度(v)三者第一次同时与初始状态相同。
(3)完成一次全振动历时一个周期,通过的路程是振幅的4倍。
2.简谐运动中位移、路程、周期与振幅的关系
(1)位移和振幅
①最大位移的数值等于振幅。
②对于一个给定的振动,振子的位移是时刻变化的,但振幅是不变的。
③位移是矢量,振幅是标量。
(2)路程与振幅
①振动物体在一个周期内的路程为四个振幅,即4A。
②振动物体在半个周期内的路程为两个振幅,即2A。
(3)周期与振幅
一个振动系统的周期和频率有确定的值,由振动系统本身的性质决定,与振幅无关。
(1)在简谐运动的过程中,振幅是不断变化的。( × )
(2)振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离,它是标量。( √ )
(3)振子从离开某位置到重新回到该位置的过程为一次全振动过程。( × )
(4)振幅越大,简谐运动的周期就越大。( × )
(5)振动物体内通过的路程一定等于振幅A。( × )
例1 (2023·如皋中学高二月考)如图所示,弹簧振子在A、B间做简谐运动,O为平衡位置,A、B间距离是20 cm,小球经过A点时开始计时,经过2 s首次到达B点,则(  )
A.从O→B→O小球做了一次全振动
B.振动周期为2 s,振幅是10 cm
C.从B开始经过6 s,小球通过的路程是60 cm
D.从O开始经过3 s,小球处在平衡位置
答案 C
解析 小球从O→B→O只完成半个全振动,A错误;从A→B是半个全振动,用时2 s,所以振动周期是4 s,振幅A==10 cm,B错误;因为t=6 s=1 T,所以小球经过的路程为4A+2A=6A=60 cm,C正确;从O开始经过3 s,小球处在最大位移处(A或B),D错误。
例2 一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系图像如图所示,由图可知(  )
A.质点振动的频率是4 Hz,振幅是2 cm
B.质点经过1 s通过的路程总是2 cm
C.0~3 s内,质点通过的路程为6 cm
D.t=3 s时,质点的振幅为零
答案 C
解析 由题图可以直接看出振幅为2 cm,周期为4 s,所以频率为0.25 Hz,故A错误;质点在1 s即个周期内通过的路程不一定等于一个振幅,故B错误;t=0时质点在正向最大位移处,0~3 s为T,则质点通过的路程为3A=6 cm,故C正确;振幅为质点偏离平衡位置的最大距离,与质点的位移有本质的区别,t=3 s时,质点的位移为零,但振幅仍为2 cm,故D错误。
个周期内路程与振幅的关系
1.振动物体在个周期内的路程不一定等于一个振幅A。只有当初始时刻振动物体在平衡位置或最大位移处时,个周期内的路程才等于一个振幅。
2.当初始时刻振动物体不在平衡位置或最大位移处时,若质点开始时运动的方向指向平衡位置,则质点在个周期内的路程大于A,若质点开始时运动的方向远离平衡位置,则质点在个周期内的路程小于A。
二、简谐运动的相位、表达式
如图所示,两个由完全相同的弹簧和小球组成的振子悬挂在一起,试分析以下问题:
(1)将两个小球向下拉相同的距离后同时放开,可以看到什么现象?
(2)若当第一个小球到达平衡位置时再释放第二个,可以看到什么现象?
(3)在问题(2)中,两个小球振动的位移随时间变化的表达式x=Asin(ωt+φ)中哪个量不同?相差多少?
答案 (1)两个小球在相同位置同时释放,除振幅和周期都相同外,还总是向同一方向运动,同时经过平衡位置,并同时到达同一侧的最大位移处。两个小球的振动步调完全一致。
(2)当第一个小球到达最高点时,第二个刚刚到达平衡位置,而当第二个小球到达最高点时,第一个已经返回平衡位置了。与第一个小球相比,第二个小球总是滞后个周期,或者说总是滞后个全振动。
(3)由问题(1)可得两振子A、ω相同,可知φ不同,且(ωt+φ1)-(ωt+φ2)=×2π,即φ1-φ2=。
1.相位
(1)概念:物理学中把(ωt+φ)叫作相位,其中φ是t=0时的相位,叫初相位,或初相。
(2)意义:描述做简谐运动的物体某时刻在一个运动周期中的状态。
(3)相位差:两个具有相同频率的简谐运动的相位的差值,Δφ=φ1-φ2(φ1>φ2)。
2.简谐运动的表达式
x=Asin(ωt+φ0)=Asin(t+φ0),其中:x表示振动物体在t时刻离开平衡位置的位移,A为振幅,ω为圆频率,T为简谐运动的周期,φ0为初相位。
1.相位
相位ωt+φ代表了做简谐运动的物体在各个不同时刻所处的状态。它是一个随时间变化的量,相位每增加2π,意味着物体完成了一次全振动。
2.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(φ1>φ2)。
若Δφ=0,表明两个物体运动步调相同,即同相;
若Δφ=π,表明两个物体运动步调相反,即反相。
3.简谐运动的表达式x=Asin(t+φ)
(1)表达式反映了做简谐运动的物体的位移x随时间t的变化规律。
(2)从表达式x=Asin(ωt+φ)体会简谐运动的周期性。当Δφ=(ωt2+φ)-(ωt1+φ)=2nπ时,Δt==nT,振子位移相同,每经过周期T完成一次全振动。
例3 (多选)(2022·广州六中月考)物体A做简谐运动的振动位移xA=3sin(100t+) m,物体B做简谐运动的振动位移xB=5sin(100t+) m。以下说法正确的是(  )
A.物体A的振幅是6 m,物体B的振幅是10 m
B.物体A、B的周期相等,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
答案 CD
解析 物体A、B的振幅分别是3 m、5 m,A错误.物体A、B的圆频率ω=100 rad/s,周期T== s,B错误;因为TA=TB,故fA=fB,C正确;Δφ=φA0-φB0=,故物体A的相位始终超前物体B的相位,D正确。
例4 有一个弹簧振子,振幅为0.8 cm,周期为0.5 s,初始时具有负方向的最大加速度,则它的振动方程是(  )
A.x=8×10-3sin(4πt+) m
B.x=8×10-3sin(4πt-) m
C.x=8×10-3sin(πt+) m
D.x=8×10-3sin(t+) m
答案 A
解析 由题可知,A=0.8 cm=8×10-3 m,T=0.5 s,可得ω==4π rad/s,初始时刻具有负方向的最大加速度,则初位移x0=0.8 cm,初相位φ0=,得弹簧振子的振动方程为x=8×10-3sin(4πt+) m,A正确。
三、简谐运动的周期性与对称性
简谐运动是一种周期性的运动,简谐运动的物理量随时间周期性变化,如图所示,物体在A、B两点间做简谐运动,O点为平衡位置,OC=OD。
(1)时间的对称
①物体来回通过相同两点间的时间相等,即tDB=tBD。
②物体经过关于平衡位置对称的等长的两段路程的时间相等,图中tDB=tBD=tCA=tAC,tOD=tDO=tOC=tCO。
(2)速度的对称
①物体连续两次经过同一点(如D点)的速度大小相等,方向相反。
②物体经过关于O点对称的两点(如C点与D点)时,速度大小相等,方向可能相同,也可能相反。
(3)位移的对称
①物体经过同一点(如C点)时,位移相同。
②物体经过关于O点对称的两点(如C点与D点)时,位移大小相等、方向相反。
例5 (多选)弹簧振子以O点为平衡位置做简谐运动,从小球通过O点时开始计时,小球第一次到达M点用了0.3 s,又经过0.2 s第二次通过M点,则小球第三次通过M点还要经过的时间可能是(  )
A. s B. s
C.1.4 s D.1.6 s
答案 AC
解析 假设弹簧振子在B、C之间振动,M点在O点的右侧,如图甲,若小球开始先向左振动,小球的振动周期为T=×4 s= s,则小球第三次通过M点还要经过的时间是t= s-0.2 s= s。如图乙,若小球开始先向右振动,小球的振动周期为T=4×(0.3+) s=
1.6 s,则小球第三次通过M点还要经过的时间是t=1.6 s-0.2 s=1.4 s,A、C正确。
1.周期性造成多解:物体经过同一位置可以对应不同的时刻,物体的位移、加速度相同,而速度可能相同,也可能等大反向,这样就形成简谐运动的多解问题。
2.对称性造成多解:由于简谐运动具有对称性,因此当物体通过两个对称位置时,其位移、加速度大小相同,而速度可能相同,也可能等大反向,这种也形成多解问题。
课时对点练
考点一 简谐运动的振幅、周期和频率
1.(多选)下列关于简谐运动的振幅、周期和频率的说法正确的是(  )
A.振幅是矢量,方向从平衡位置指向最大位移处
B.周期和频率的乘积是一个常数
C.振幅增加,周期必然增加,而频率减小
D.做简谐运动的物体,其频率与振幅无关
答案 BD
解析 振幅是标量,选项A错误;周期与频率互为倒数,即Tf=1,选项B正确;简谐运动的周期和频率由系统本身决定,与振幅没有关系,选项C错误,D正确。
2.(2023·厦门一中月考)如图所示,弹簧振子在B、C间振动,O为平衡位置,BO=OC=5 cm。若小球从B到C的运动时间为1 s,则下列说法正确的是(  )
A.小球从B经O到C完成一次全振动
B.振动周期是2 s,振幅是5 cm
C.经过两次全振动,小球通过的路程是20 cm
D.从B开始经过3 s,小球通过的路程是20 cm
答案 B
解析 小球在B、C间振动,小球从B经O到C再经O回到B,完成一个全振动,A错误;小球从B到C经历的时间为半个周期,所以振动周期为2 s,小球在B、C两点间做机械振动,BO=OC=5 cm,O是平衡位置,则振幅为5 cm,B正确;经过两次全振动,小球通过的路程是2×4A=40 cm,C错误;从B开始经过3 s,小球运动的时间是1.5个周期,通过的路程为s=1.5×4A=1.5×4×5 cm=30 cm,D错误。
3.(多选)如图所示是一做简谐运动的物体的振动图像,下列说法正确的是 (  )
A.物体的振动周期是2×10-2 s
B.第2个10-2 s内物体的位移是-10 cm
C.物体的振动频率为25 Hz
D.物体的振幅是10 cm
答案 BCD
解析 由题图可知,物体周期为T=4×10-2 s,A错误;在第2个10-2 s内,即在1×10-2 s到2×10-2 s内物体由正向的10 cm处到达平衡位置,故位移为x=0-10 cm=-10 cm,B正确;频率f== Hz=25 Hz,C正确;由题图可知,物体的振幅为10 cm,D正确。
考点二 简谐运动的相位、表达式
4.(多选)(2022·山东省实验中学检测)一弹簧振子A的位移x随时间t变化的关系式为x=
0.1sin 2.5πt,位移x的单位为m,时间t的单位为s。则 (  )
A.弹簧振子的振幅为0.2 m
B.弹簧振子的周期为1.25 s
C.在t=0.2 s时,振子的运动速度为零
D.若另一弹簧振子B的位移x随时间t变化的关系式为x=0.2sin (2.5πt+) m,则A的相位滞后B的相位
答案 CD
解析 由题意可知振幅为0.1 m,圆频率ω=2.5π rad/s,故周期T== s=0.8 s,故A、B错误;在t=0.2 s时,x=0.1 m,即振子的位移最大,速度最小,为零,故C正确;两弹簧振子的相位差Δφ=φ2-φ1=2.5πt+-2.5πt=,即B的相位超前A的相位,或者说A的相位滞后B的相位,故D正确。
5.弹簧振子在M、N两点之间做简谐运动,周期为0.5 s,M、N相距0.8 cm,计时开始时具有正向最大加速度,则它的振动方程是(  )
A.x=8×10-3sin(4πt+) m
B.x=4×10-3sin(4πt-) m
C.x=8×10-3sin(2πt+) m
D.x=4×10-3sin(2πt+) m
答案 B
解析 振子在M、N两点之间做简谐运动,由于M、N相距0.8 cm,所以2A=0.8 cm,振幅A=0.4 cm=4×10-3 m,周期为0.5 s,所以ω==4π rad/s,而初始时刻具有正向最大加速度,即在负向最大位移处,综上可得x=4×10-3sin(4πt-) m,B正确,A、C、D错误。
6.(多选)(2022·北京四中期中)弹簧振子1和2均做简谐运动,位移随时间的变化规律满足x1=3asin 10πbt和x2=9asin(10πbt+),下列说法正确的是(  )
A.弹簧振子1和2的振幅不同,频率不同
B.弹簧振子1和2的振幅不同,频率相同
C.弹簧振子1超前于弹簧振子2的相位是
D.弹簧振子1落后于弹簧振子2的相位是
答案 BD
解析 1的振幅为3a,2的振幅为9a,所以两个弹簧振子的振幅不同;1的频率为f1==5b,2的频率为f2==5b,所以两个弹簧振子的频率相同,故A错误,B正确;从表达式可以看出弹簧振子1落后于弹簧振子2的相位是,故C错误,D正确。
考点三 简谐运动的周期性和对称性
7.一质点做简谐运动,它从最大位移处经0.3 s第一次到达某点M处,再经0.2 s第二次到达M点,则其振动频率为(  )
A.0.4 Hz B.0.8 Hz
C.2.5 Hz D.1.25 Hz
答案 D
解析 由题意知,从M位置沿着原路返回到起始最大位移处的时间也为0.3 s,故完成一个全振动的时间为:T=0.3 s+0.2 s+0.3 s=0.8 s,故频率为f==1.25 Hz,D正确。
8.如图所示,一质点做简谐运动,O点为平衡位置,先后以相同的速度依次通过M、N两点,历时1 s,质点通过N点后再经过1 s又第2次通过N点,在这2 s内质点通过的总路程为12 cm。则质点的振动周期和振幅分别为(  )
A.3 s,6 cm B.4 s,6 cm
C.4 s,9 cm D.2 s,8 cm
答案 B
解析 质点以相同的速度依次通过M、N两点,画出示意图如图所示。
质点由M到O和由O到N运动时间相同,均为0.5 s,质点由N到最大位移处和由最大位移处到N运动时间相同,均为0.5 s,可见周期为4 s,振幅A= cm=6 cm,故B正确。
9.如图甲所示,水平弹簧振子的平衡位置为O点,其在B、C两点之间做简谐运动,规定水平向右为正方向。图乙是弹簧振子做简谐运动的x-t图像,下列说法正确的是(  )
A.弹簧振子从B点经过O点再运动到C点为一次全振动
B.弹簧振子的振动方程为x=0.1sin(2πt+) m
C.图乙中的P点对应的速度方向与加速度方向都向右
D.弹簧振子在0~2.5 s内的路程为1 m
答案 D
解析 弹簧振子从B点经过O点再运动到C点为0.5次全振动,故A错误;根据题图乙可知,弹簧振子的振幅为A=0.1 m,周期T=1 s,则圆频率为ω==2π rad/s.向右为正,t=0时刻位移为0.1 m表示振子从B点开始运动,初相为φ0=,则振动方程为x=Asin(ωt+φ0)=0.1sin (2πt+) m,故B错误;简谐运动的图像中P点对应的速度方向为负,此时刻振子正在向左做减速运动,加速度方向向右,故C错误;因周期T=1 s,则0~2.5 s内振子振动了2个周期,则振子从B点开始振动的路程为s=2×4A+2A=1 m,故D正确。
10.(2022·湖北十堰市期末)如图所示,小球以O点为平衡位置在B、C两点之间做简谐运动,B、C相距20 cm。小球运动到B点时开始计时,t=0.5 s时小球第一次到达C点。若小球偏离平衡位置的位移随时间的变化规律满足x=Asin (t+φ0),则下列说法正确的是(  )
A.周期T=0.5 s
B.振幅A=20 cm
C.φ0=
D.t=0.125 s时,小球的位移为5 cm
答案 C
解析 小球运动到B点时开始计时,t=0.5 s时小球第一次到达C点,历时半个周期,故周期为T=1 s,故A错误;振幅为偏离平衡位置的最大距离,故振幅为A=10 cm,故B错误;t=0时刻,x=A,代入题中位移表达式可得φ0=,故C正确;位移表达式为x=10sin(2πt+) cm,t=0.125 s时,代入表达式可得小球的位移为5 cm,故D错误。
11.(多选)一简谐振子沿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,8 s
C.0.2 m, s D.0.2 m,8 s
答案 ACD
解析 如果振幅等于0.1 m,则 s是半周期的奇数倍,4 s- s= s是半周期的偶数倍,故A正确,B错误;如果振幅大于0.1 m,可能有4 s=nT+,当n=0时,T=8 s;当n=1时,T= s,故C、D正确。
12.(2022·黄石二中期末)如图所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在B、C两点间做简谐运动。在t=0时刻,振动物体从O、B间的P点以速度v向B点运动;在t=0.2 s时,振动物体的速度第一次变为-v;在t=0.5 s时,振动物体的速度第二次变为-v。
(1)求弹簧振子的振动周期T。
(2)若B、C之间的距离为25 cm,求振动物体在4.0 s内通过的路程。
(3)若B、C之间的距离为25 cm,从振动物体经过平衡位置向B运动开始计时,写出弹簧振子的位移表达式,并画出振动图像。
答案 见解析
解析 (1)根据简谐运动的对称性和题意可知,振动物体完成半次全振动所用时间为0.5 s,则T=0.5×2 s=1.0 s。
(2)若B、C之间的距离为25 cm,则振幅A=×25 cm=12.5 cm,
振动物体4.0 s内通过的路程s=×4×12.5 cm=200 cm。
(3)根据物体做简谐运动的表达式x=Asin ωt,
A=12.5 cm,ω==2π rad/s,得x=12.5sin 2πt cm,振动图像如图所示。
13.(多选)如图所示,轻弹簧上端固定,下端连接一小物块,物块沿竖直方向做简谐运动。以竖直向上为正方向,物块做简谐运动的表达式为x=0.1sin (2.5πt) m.t=0时刻,一小球从距物块平衡位置h高处自由落下;t=0.6 s时,小球恰好与物块处于同一高度。取重力加速度的大小g=10 m/s2。以下判断正确的是(  )
A.h=1.7 m
B.简谐运动的周期是0.8 s
C.0.6 s内物块运动的路程是0.2 m
D.t=0.4 s时,物块与小球运动方向相反
答案 AB
解析 简谐运动的周期是T== s=0.8 s,选项B正确;t=0.6 s时,物块的位移为x=0.1sin (2.5π×0.6) m=-0.1 m,则对小球h+|x|=gt2,解得h=1.7 m,选项A正确;t=0.6 s=T,t=0时刻物块位于平衡位置,则0.6 s内物块运动的路程是3A=0.3 m,选项C错误;t=0.4 s=,此时物块在平衡位置向下振动,则此时物块与小球运动方向相同,选项D错误。(共64张PPT)
第二章
2 简谐运动的描述
学习目标
1.知道振幅、周期和频率的概念,知道全振动的含义。
2.了解初相和相位差的概念以及相位的物理意义(难点)。
3.知道简谐运动的表达式及各物理量的物理意义(重点)。4.能依据简谐运动的表达式描绘振动图像,会根据简谐运动图像写出其表达式(重难点)。
内容索引
一、简谐运动的振幅、周期和频率
二、简谐运动的相位、表达式
课时对点练
三、简谐运动的周期性与对称性

简谐运动的振幅、周期和频率
如图甲所示为理想弹簧振子,O点为它的平衡位置,其中A、A′及B、B′点关于O点对称。图乙为先后两次分别从A、B两点释放经过平衡位置开始计时所得的振动图像。
答案 a图像是从A点开始释放的,b图像是从B点开始释放的;弹簧振子两次形成的简谐运动具有相同的周期,从B点释放时离平衡位置的最大距离比从A点释放时的最大距离更大。
(1)分析图乙中的a、b振动图像分别是从哪个点开始释放的?两次振动图像中的物理量有什么共同点和不同点?
答案 不相同,两次速度方向相反。这段时间仅为半个周期。若经过一个周期,小球一定从同一方向再次经过O点。
(2)从小球经过O点至下一次再经过O点的速度方向是否相同?这段时间是否为一个周期?
1.振幅
(1)概念:振动物体离开平衡位置的 距离。
(2)意义:振幅是表示 大小的物理量,常用字母 表示。振动物体运动的范围是振幅的 。
最大
A
知识梳理
振动幅度
两倍
2.周期和频率
(1)全振动:一个 的振动过程称为一次全振动。做简谐运动的物体完成一次全振动的时间总是 的。
(2)周期:做简谐运动的物体完成一次 所需要的时间,用T表示。在国际单位制中,周期的单位是 (s)。
(3)频率:物体完成全振动的 与 之比,数值等于_______
_______________的次数,用f表示。在国际单位制中,频率的单位是______,简称 ,符号是 。
完整
相同
全振动

次数
所用时间
单位时
间内完成全振动
赫兹

Hz
(4)周期和频率的关系:f=___。周期和频率都是表示物体 的物理量,周期越小,频率越 ,表示振动越 。
(5)圆频率ω:表示简谐运动的快慢,其与周期成 、与频率成 ,
它们间的关系式为ω=____,ω= 。
振动快慢


反比
正比
2πf
1.对全振动的理解
(1)振动过程:如图所示,从O点开始,一次全振动的完整过程为O→A→O→A′→O;从A点开始,一次全振动的完整过程为A→O→A′
→O→A。
深化总结
(2)完成一次全振动,位移(x)、加速度(a)、速度(v)三者第一次同时与初始状态相同。
(3)完成一次全振动历时一个周期,通过的路程是振幅的4倍。
2.简谐运动中位移、路程、周期与振幅的关系
(1)位移和振幅
①最大位移的数值等于振幅。
②对于一个给定的振动,振子的位移是时刻变化的,但振幅是不变的。
③位移是矢量,振幅是标量。
(2)路程与振幅
①振动物体在一个周期内的路程为四个振幅,即4A。
②振动物体在半个周期内的路程为两个振幅,即2A。
(3)周期与振幅
一个振动系统的周期和频率有确定的值,由振动系统本身的性质决定,与振幅无关。
(1)在简谐运动的过程中,振幅是不断变化的。(  )
(2)振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离,它是标量。(  )
(3)振子从离开某位置到重新回到该位置的过程为一次全振动过程。
(  )
(4)振幅越大,简谐运动的周期就越大。(  )
(5)振动物体 内通过的路程一定等于振幅A。(  )

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(2023·如皋中学高二月考)如图所示,弹簧振子在A、B间做简谐运动,O为平衡位置,A、B间距离是20 cm,小球经过A点时开始计时,经过2 s首次到达B点,则
A.从O→B→O小球做了一次全振动
B.振动周期为2 s,振幅是10 cm
C.从B开始经过6 s,小球通过的路程是60 cm
D.从O开始经过3 s,小球处在平衡位置
例1

小球从O→B→O只完成半个全振动,A错误;
从O开始经过3 s,小球处在最大位移处(A或B),D错误。
一质点做简谐运动,其位移x与时间t的关系图像如图所示,由图可知
A.质点振动的频率是4 Hz,振幅是2 cm
B.质点经过1 s通过的路程总是2 cm
C.0~3 s内,质点通过的路程为6 cm
D.t=3 s时,质点的振幅为零
例2

由题图可以直接看出振幅为2 cm,周期为4 s,所以频率为0.25 Hz,故A错误;
振幅为质点偏离平衡位置的最大距离,与质点的位移有本质的区别,t=3 s时,质点的位移为零,但振幅仍为2 cm,故D错误。
总结提升

简谐运动的相位、表达式
如图所示,两个由完全相同的弹簧和小球组成的振子悬挂在一起,试分析以下问题:
(1)将两个小球向下拉相同的距离后同时放开,可以看到什么现象?
答案 两个小球在相同位置同时释放,除振幅和周期都相同外,还总是向同一方向运动,同时经过平衡位置,并同时到达同一侧的最大位移处。两个小球的振动步调完全一致。
(2)若当第一个小球到达平衡位置时再释放第二个,可以看到什么现象?
(3)在问题(2)中,两个小球振动的位移随时间变化的表达式x=Asin(ωt+φ)中哪个量不同?相差多少?
1.相位
(1)概念:物理学中把( )叫作相位,其中φ是t= 时的相位,叫初相位,或初相。
(2)意义:描述做简谐运动的物体某时刻在一个运动周期中的 。
(3)相位差:两个具有相同 的简谐运动的相位的差值,Δφ=________ (φ1>φ2)。
知识梳理
ωt+φ
0
状态
频率
φ1-φ2
2.简谐运动的表达式
x=Asin(ωt+φ0)=Asin( t+φ0),其中:x表示振动物体在t时刻离开平衡位置的 ,A为 ,ω为圆频率,T为简谐运动的 ,φ0为 。
位移
振幅
周期
初相位
1.相位
相位ωt+φ代表了做简谐运动的物体在各个不同时刻所处的状态。它是一个随时间变化的量,相位每增加2π,意味着物体完成了一次全振动。
2.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(φ1>φ2)。
若Δφ=0,表明两个物体运动步调相同,即同相;
若Δφ=π,表明两个物体运动步调相反,即反相。
深化总结
A.物体A的振幅是6 m,物体B的振幅是10 m
B.物体A、B的周期相等,为100 s
C.物体A振动的频率fA等于物体B振动的频率fB
例3


物体A、B的振幅分别是3 m、5 m,A错误.
因为TA=TB,故fA=fB,C正确;
有一个弹簧振子,振幅为0.8 cm,周期为0.5 s,初始时具有负方向的最大加速度,则它的振动方程是
例4


简谐运动的周期性与对称性
简谐运动是一种周期性的运动,简谐运动的物理量随时间周期性变化,如图所示,物体在A、B两点间做简谐运动,O点为平衡位置,OC=OD。
(1)时间的对称
①物体来回通过相同两点间的时间相等,即tDB=tBD。
②物体经过关于平衡位置对称的等长的两段路程的时间相等,图中tDB=tBD=tCA=tAC,tOD=tDO=tOC=tCO。
(2)速度的对称
①物体连续两次经过同一点(如D点)的速度大小相等,方向相反。
②物体经过关于O点对称的两点(如C点与D点)时,速度大小相等,方向可能相同,也可能相反。
(3)位移的对称
①物体经过同一点(如C点)时,位移相同。
②物体经过关于O点对称的两点(如C点与D点)时,位移大小相等、方向相反。
(多选)弹簧振子以O点为平衡位置做简谐运动,从小球通过O点时开始计时,小球第一次到达M点用了0.3 s,又经过0.2 s第二次通过M点,则小球第三次通过M点还要经过的时间可能是
例5


假设弹簧振子在B、C之间振动,M点在O点的右侧,如图甲,若小球开始先向左振动,
则小球第三次通过M点还要经过的时间是t=1.6 s-0.2 s=1.4 s,A、C正确。
1.周期性造成多解:物体经过同一位置可以对应不同的时刻,物体的位移、加速度相同,而速度可能相同,也可能等大反向,这样就形成简谐运动的多解问题。
2.对称性造成多解:由于简谐运动具有对称性,因此当物体通过两个对称位置时,其位移、加速度大小相同,而速度可能相同,也可能等大反向,这种也形成多解问题。
总结提升

课时对点练
考点一 简谐运动的振幅、周期和频率
1.(多选)下列关于简谐运动的振幅、周期和频率的说法正确的是
A.振幅是矢量,方向从平衡位置指向最大位移处
B.周期和频率的乘积是一个常数
C.振幅增加,周期必然增加,而频率减小
D.做简谐运动的物体,其频率与振幅无关
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基础对点练


振幅是标量,选项A错误;
周期与频率互为倒数,即Tf=1,选项B正确;
简谐运动的周期和频率由系统本身决定,与振幅没有关系,选项C错误,D正确。
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2.(2023·厦门一中月考)如图所示,弹簧振子在B、C间振动,O为平衡位置,BO=OC=5 cm。若小球从B到C的运动时间为1 s,则下列说法正确的是
A.小球从B经O到C完成一次全振动
B.振动周期是2 s,振幅是5 cm
C.经过两次全振动,小球通过的路程是20 cm
D.从B开始经过3 s,小球通过的路程是20 cm

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小球在B、C间振动,小球从B经O到C再经O回
到B,完成一个全振动,A错误;
小球从B到C经历的时间为半个周期,所以振动周期为2 s,小球在B、C两点间做机械振动,BO=OC=5 cm,O是平衡位置,则振幅为5 cm,B正确;
经过两次全振动,小球通过的路程是2×4A=40 cm,C错误;
从B开始经过3 s,小球运动的时间是1.5个周期,通过的路程为s=1.5×4A=1.5×4×5 cm=30 cm,D错误。
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3.(多选)如图所示是一做简谐运动的物体的振动图像,下列说法正确的是
A.物体的振动周期是2×10-2 s
B.第2个10-2 s内物体的位移是-10 cm
C.物体的振动频率为25 Hz
D.物体的振幅是10 cm

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由题图可知,物体周期为T=4×10-2 s,A错误;
在第2个10-2 s内,即在1×10-2 s到2×10-2 s内物体由正向的10 cm处到达平衡位置,故位移为x=0-10 cm=-10 cm,B正确;
由题图可知,物体的振幅为10 cm,D正确。
考点二 简谐运动的相位、表达式
4.(多选)(2022·山东省实验中学检测)一弹簧振子A的位移x随时间t变化的关系式为x=0.1sin 2.5πt,位移x的单位为m,时间t的单位为s。则
A.弹簧振子的振幅为0.2 m
B.弹簧振子的周期为1.25 s
C.在t=0.2 s时,振子的运动速度为零
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在t=0.2 s时,x=0.1 m,即振子的位移最大,速度最小,为零,故C正确;
5.弹簧振子在M、N两点之间做简谐运动,周期为0.5 s,M、N相距0.8 cm,计时开始时具有正向最大加速度,则它的振动方程是
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考点三 简谐运动的周期性和对称性
7.一质点做简谐运动,它从最大位移处经0.3 s第一次到达某点M处,再经0.2 s第二次到达M点,则其振动频率为
A.0.4 Hz B.0.8 Hz
C.2.5 Hz D.1.25 Hz

8.如图所示,一质点做简谐运动,O点为平衡位置,先后以相同的速度依次通过M、N两点,历时1 s,质点通过N点后再经过1 s又第2次通过N点,在这2 s内质点通过的总路程为12 cm。则质点的振动周期和振幅分别为
A.3 s,6 cm B.4 s,6 cm
C.4 s,9 cm D.2 s,8 cm
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质点以相同的速度依次通过M、N两点,画出示意图如图所示。
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9.如图甲所示,水平弹簧振子的平衡位置为O点,其在B、C两点之间做简谐运动,规定水平向右为正方向。图乙是弹簧振子做简谐运动的x-t图像,下列说法正确的是
A.弹簧振子从B点经过O点再运动到C点为一次
全振动
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能力综合练
C.图乙中的P点对应的速度方向与加速度方向
都向右
D.弹簧振子在0~2.5 s内的路程为1 m

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弹簧振子从B点经过O点再运动到C点为0.5次全振动,故A错误;
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简谐运动的图像中P点对应的速度方向为负,此时刻振子正在向左做减速运动,加速度方向向右,故C错误;
10.(2022·湖北十堰市期末)如图所示,小球以O点为平衡位置在B、C两点之间做简谐运动,B、C相距20 cm。小球运动到B点时开始计时,t=0.5 s时小球第一次到达C点。若小球偏离平衡位置的位移随时间的变化规律满足x=Asin ( t+φ0),则下列说法正确的是
A.周期T=0.5 s
B.振幅A=20 cm
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D.t=0.125 s时,小球的位移为5 cm

小球运动到B点时开始计时,t=0.5 s时小球第一次到达C点,历时半个周期,故周期为T=1 s,故A错误;
振幅为偏离平衡位置的最大距离,故振幅为A=10 cm,故B错误;
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12.(2022·黄石二中期末)如图所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在B、C两点间做简谐运动。在t=0时刻,振动物体从O、B间的P点以速度v向B点运动;在t=0.2 s时,振动物体的速度第一次变为-v;在t=0.5 s时,振动物体的速度第二次变为-v。
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(1)求弹簧振子的振动周期T。
答案 见解析
根据简谐运动的对称性和题意可知,振动物体完成半次全振动所用时间为0.5 s,则T=0.5×2 s=1.0 s。
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(2)若B、C之间的距离为25 cm,求振动物体在4.0 s内通过的路程。
答案 见解析
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(3)若B、C之间的距离为25 cm,从振动物体经过平衡位置向B运动开始计时,写出弹簧振子的位移表达式,并画出振动图像。
答案 见解析
根据物体做简谐运动的表达式x=Asin ωt,
13.(多选)如图所示,轻弹簧上端固定,下端连接一小物块,物块沿竖直方向做简谐运动。以竖直向上为正方向,物块做简谐运动的表达式为x=0.1sin (2.5πt) m.t=0时刻,一小球从距物块平衡位置h高处自由落下;t=0.6 s时,小球恰好与物块处于同一高度。取重力加速度的大小g=10 m/s2。以下判断正确的是
A.h=1.7 m
B.简谐运动的周期是0.8 s
C.0.6 s内物块运动的路程是0.2 m
D.t=0.4 s时,物块与小球运动方向相反
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尖子生选练


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