粤教版高中物理选择性必修第一册第二章机械振动2.1简谐运动课件(共18张ppt)

(共18张PPT)
第
节
1
简谐运动
高中物理 选择性必修第一册
第二章
1.了解什么是机械振动，什么是平衡位置。
2.通过对弹簧振子运动过程的观察和受力分析，理解回复力和位移的关系，知道简谐运动是一种在回复力作用下的变加速运动。能从动力学角度理解简谐运动。
3.知道弹簧振子振动的位移-时间图像是一条正弦或余弦曲线，能从动力学的角度理解简谐运动的概念。理解全振动、振幅、周期和频率的概念。
4.通过对弹簧振子振动时的动能、弹性势能和机构能的分析，理解简谐运动的能量特征。
5.通过分析弹簧振子在完成一次全振动过程中的位移、回复力、加速度、速度大小和方向的变化，理解简谐运动的特征。
6.经历建构弹簧振子的理想化模型的过程，理解科学研究中近似性与精确性的统一。
学习目标
引入
钟摆来回摆动，水中浮标上下浮动，琴弦的抖动，树梢在微风中的摇摆……在生活中我们会观察到很多类似这样的运动。这些运动的共同点是什么？
1.机械振动
（1）定义：物体(或物体的一部分)总是在某一中心位置（平衡位置）两侧所做的往复运动，叫机械振动，简称振动。
（2）特征：
第一，有一个“中心位置”，即平衡位置，也是振动物体静止时的位置；
第二，运动具有往复性。
一、认识简谐运动
（3）平衡位置：物体静止时所处的位置。
（1）弹簧振子：弹簧振子是指小球和弹簧所组成的系统，是一种理想化模型。
（2）振子模型：常见的有水平弹簧振子和竖直弹簧振子。如图所示，图中球与杆之间的摩擦力及空气阻力可以忽略，且弹簧的质量与小球的质量相比可以忽略。
2.弹簧振子
弹簧振子的振动
位移随时间的变化规律：
A、振动物体的位移x都是相对于平衡位置的位移
如图所示，是振子在A、B位置的位移xA和xB
3.研究弹簧振子的运动：
B、以平衡位置为坐标原点O，沿振动方向建立坐标轴规定在O点右边时位移为正，在左边时位移为负。
（1）振子在运动过程中水平方向只受弹力作用，这个弹力的方向跟振子偏离平衡位置O的位移方向相反，总指向平衡位置，它的作用是使振子能返回平衡位置，这个力叫回复力。
F=-kx
物体在跟平衡位置的位移大小成正比并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫简谐振动。
负号表示回复力的方向跟振子偏离平衡位置的位移方向相反。
4.回复力
5．实际物体看做弹簧振子的四个条件
(1)弹簧的质量比小球的质量小得多，可以认为质量集中于振子(小球)；
(2)构成弹簧振子的小球体积足够小，可以认为小球是一个质点；
(3)忽略弹簧以及小球与水平杆之间的摩擦力；
(4)小球从平衡位置被拉开的位移在弹性限度内．
二、弹簧振子的位移—时间图像
1.全振动：如右图，振子经历B→O→B’→O→B路径的一个完整振动过程叫一次全振动。
2.如下图，振子一直在平衡位置附近振动，每个全振动中偏离平衡位置的最大距离和需要的时间都不变，振子的位移—时间函数为正弦或者余弦函数，我们把具有这种特征的运动叫做简谐运动。
3.物体振动时离开平衡位置的最大距离叫做振动的振幅。
4.物体完成一次全振动所需要的时间叫做振动的周期，用 T 表示。
5.物体在一段时间内全振动的次数与所用时间之比叫做振动的频率，用 f 表示。
6.周期和频率的关系为
三、简谐运动的能量特征
物理量 运动过程
→O O→B B→O O→
位移 方向
大小
回复力F
加速度a 方向
大小
速度v 方向
大小
动能大小
势能大小
向右
减小
向左
减小
向左
增大
增大
减小
向左
增大
向右
增大
向左
减小
减小
增大
向左
减小
向右
减小
向右
增大
增大
减小
向右
增大
向左
增大
向右
减小
减小
增大
结论：
（1）在平衡位置，振子离开平衡位置的距离为零，所受回复力为零，加速度为零，速度的大小最大，动能最大，弹性势能为零；
（2）在振幅最大处，振子离开平衡位置的距离最大，所受回复力的大小最大，加速度的大小最大，速度为零，动能为零，弹性势能最大；
在回复力作用下，振子在振动过程中离开平衡位置的距离、加速度、速度、动能、弹性势能等每个周期里完全重复，这样的运动叫做周期性往复运动。
注意：由于简谐运动是一种理想状态下的运动，因此机械能守恒！
例 ［多选］下图表示一简谐运动的位移-时间图像，下列说法正确的是（　　）
A. t1时刻振子正通过平衡位置向x轴正方向运动
B. t2时刻振子位于负最大位移处
C. t3时刻振子速度最大，加速度为零
D.该图像是从平衡位置开始计时画出的
解析：D错：从图像中可以看出，初始时刻振子在正最大位移处，因此该图像是从正最大位移处开始计时画出的。
A错：t1~t2时间内振子的位移为负，因此t1时刻振子正通过平衡位置向x轴负方向运动。
B对：t2时刻振子在负最大位移处。
C对：t3时刻振子位移为零，加速度为零，速度最大。
BC
本课小结
1.机械振动：物体在某一中心位置（平衡位置）两侧附近所做往复运动。通常简称为振动。
平衡位置：振子原来静止时的位置
2.弹簧振子理性化模型：不计阻力、弹簧的质量与小球相比可以忽略。
3.全振动：一个完整的振动过程。
4.简谐运动：质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象
（x—t图像）是一条正弦曲线 。
5.简谐运动的特点（位移、速度、加速度、动能、弹性势能、对称性）
当堂检测
1. 弹簧上端固定在O点，下端连接一小球，组成一个振动系统，如图所示，用手向下拉一小段距离后释放小球，小球便上下振动起来，下列说法正确的是（　　）
A.小球运动的最低点为平衡位置
B.弹簧原长时的位置为平衡位置
C.小球速度为零的位置为平衡位置
D.小球原来静止时的位置为平衡位置
D
甲
乙
A
3. ［多选］弹簧振子做简谐运动，振动图像如图所示，则下列说法正确的是（　　）
A.t1、t2时刻振子的速度大小相等、方向相反
B.t1、t2时刻振子的位移大小相等、方向相反
C.t2、t3时刻振子的速度大小相等、方向相反
D.t2、t4时刻振子的位移大小相等、方向相反
解析：A对，B错：从图像可看出，t1、t2时刻振子位于同一位置，位移大小相等、方向相同，速度大小相等、方向相反。
C错：t2、t3时刻振子位移大小相等、方向相反，速度大小相等、方向相同。
D对：t2、t4时刻振子分别位于平衡位置两侧且对称，位移大小相等、方向相反。
AD
4.如图所示，由轻质弹簧下面悬挂一物块组成一个竖直方向振动的弹簧振子，弹簧的上端固定于天花板上，当物块处于静止状态时，取它的重力势能为零，现将物块向下拉一小段距离后放手，此后弹簧振子在平衡位置附近上下做简谐运动，不计空气阻力，则（　　）
A.弹簧振子速度最大时，振动系统的势能为零
B.弹簧振子速度最大时，物块的重力势能与弹簧的弹性势能相等
C.弹簧振子经平衡位置时，振动系统的势能最小
D.弹簧振子在振动过程中，振动系统的机械能不守恒
解析： A、B错：当弹簧振子在平衡位置时的速度最大，此时的重力势能为零，但是弹簧的弹性势能不为零，故振动系统的势能不为零。在平衡位置时，物块的重力势能与弹簧的弹性势能不相等。
C对，D错：因为只有重力和弹簧弹力做功，则弹簧振子的动能、重力势能及弹簧的弹性势能守恒；在平衡位置时动能最大，故振动系统的势能最小。
C