第六章简谐运动与机械波.docx
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第六章简谐运动与机械波
第六章简谐运动与机械波
本章学习提要
1．理解简谐运动是最基本最简单的机械振动，知道一切复杂振动都是由许多不同的简谐运动合成的。
2．知道用振动图象来描述振动，知道振动图象和波的图象的区别。
3．理解单摆的振动过程及其应用。
4．在学习横波的基础上，进一步掌习纵波，更全面地理解机械波的产生和传播。
5．知道波的干涉、衍射及其应用。
6．知道多普勒效应及其应用。
本章在学习机械振动一般知识的基础上，进一步深入研究简谐振动、单摆和纵波的内容，在学习横波的基础上，深入讨论另一种形式的波——纵波，同时还有拓展到波的基本性质——干涉和衍射以及多普勒效应等内容，通过学习过程感受研究和描述振动和波的方法，通过相关知识的广泛应用，感悟物理学与技术、社会的紧密联系。
A简谐运动振动图象
一、学习要求
知道什么是简谐运动，理解简谐运动的特征和条件，知道简谐运动和复杂振动的关系。
知道什么是振动图象；理解振动图象的作用；能根据已知条件画出振动图象或根据振动图象求未知量；知道振动图象与波的图象的区别。
通过对振动图象的研究进一步认识用图象描述物理量的方法，通过对弹簧振子振动过程的细心观察养成周密细致的科学习惯。
二、要点辨析
1．什么是简谐运动
简谐运动是最简单最基本的机械振动，任何复杂的机械振动都是由许多不同频率、不同振幅的简谐运动合成的。
物体在跟位移大小成正比，并且总是指向平衡位置的力作用下的振动，叫做简谐振动，弹簧振子的振动是典型的简谐振动。
2．物体做简谐运动的条件
物体做简谐振动的条件是它所受到的回复力大小与位移成正比，方向与位移相反，即F＝－kx，式中x是位移，负号表示回复力F的方向总是跟位移x的方向相反，k是比例常数，它的大小决定于振动系统的性质。
对于弹簧振子来说，k值就等于弹簧的劲度系数。
回复力跟向心力一样是以效果来命名的，它可以是一个力，也可以是几个力的合力。
根据质点所受到的回复力是否符合上述条件，就能判断这一质点的振动是否是简谐运动。
由牛顿第二定律F＝ma。
得a＝－
x，我们还可以根据振动质点的加速度来判断质点是否做简谐运动。
如果它的加速度大小也跟位移成正比，加速度方向也总是指向平衡位置，该质点一定做简谐运动。
3．用振动图象描述振动
振动图象是表示振动质点的位移随时间变化关系的曲线，横坐标表示时间t，纵坐标表示位移x。
由振动图象可以得出振动的周期、振幅以及质点在任意时刻的位移，只有简谐运动的振动图象是正弦或余弦曲线，其他机械振动的振动图象都比较复杂。
三、例题分析
【示例1】图6-1为某弹簧振子在0～5s内的振动图象，由图可知下列说法中正确的是（）
（A）第2s末振子的速度为零，加速度为正向的最大值
（B）第3s末振子的速度为正向的最大值
（C）第6s末振子的位移大小为最大，速度为零
（D）从第1s末到第2s末振子在做速度增大的运动
【分析】题中的“正向”意指坐标轴的正方向，由图可知第2s末，振子在负的最大位移处，所以，速度为零，加速度指向平衡位置，即指向＋y方向，大小为最大值，选项（A）正确。
第3s末，振子从负的最大位移处回到平衡位置正要向正的最大位移处运动，所以，3s末振子的速度为正的最大值，选项（B）正确。
从第5s末开始振子将由平衡位置向负的最大位移处运动，所以，第6s末，振子的位移大小为最大的振幅值，速度为零，选项（C）正确。
从第1s末到第2s末振子是由平衡位置向负的最大位移处运动，所以振子做加速度增大、速度减小的减速运动。
选项（D）错误。
【解答】由以上分析知，本题应选（A）、（B）、（C）。
*【示例2】一块质量为m、边长为a的正方体木块浮于水面。
现用力将它向下压入水面一部分体积后释放。
如图6-2所示，木块将以它原来的平衡位置为中心做上下振动，若不计水的阻力，试证明木块的振动是简谐运动。
【分析】要证明木块的振动是简谐运动必须看它是否符合简谐运动的条件，关键要求出回复力，再根据回复力的特性来作判断。
【解答】设木块在水面平衡时，木块浸入水中部分的深度为x0，水的密度为ρ，根据平衡条件
ρga2x0＝mg。
当用力将木块再压下水面x深时，木块受到的浮力为
F浮＝ρga2（x＋x0）。
释放后，木块所受回复力F回为重力与浮力的合力，方向指向平衡位置。
F回＝F浮－mg
＝ρga2（x＋x0）－mg＝ρga2x。
当木块回浮到平衡位置时，x＝0，由于惯性，木块继续上浮一段距离为x时，木块所受回复力F回的方向向下
F回＝mg－F浮＝mg－ρga2（x0－x）＝ρga2x。
可见，木块在平衡位置上下振动时，受到的回复力F回的大小跟位移x成正比，方向总是指向平衡位置，符合木块做简谐运动的条件，所以浮在水面的木块的振动是简谐运动。
【讨论】能否写出木块振动时加速度的表达式？
四、基本训练
1．
一质点做简谐运动，其振动图线如图所示。
由图可知，在t＝4s时，质点的（）
（A）速度为正的最大值，加速度为零。
（B）速度为负的最大值，加速度为零。
（C）速度为零，加速度为正的最大值。
（D）速度为零，加速度为负的最大值，
2．图中在同一坐标系中画出了A、B两个做简谐运动质点的振动图线，虚线是A物体的振动图线，实线是B物体的振动图线，问哪个质点先振动？
哪个质点的周期长？
哪个质点的振幅大？
3．某质点做简谐振动的振动图象如图所示，在t＝0.25s，t＝0.5s，t＝0.75s时，质点的位移分别等于多大？
质点完成一次全振动需时多少？
质点的振幅是多大？
4．如图是某音叉的振动图象，由图可知，振动音叉的振幅是____cm，周期为_____s，频率为_____Hz。
5．一个沿水平方向振动的弹簧振子，振幅为4cm，周期为2s。
取水平向右的方向为振子离开平衡位置的位移的正方向，振子向右运动到最大距离时开始计时，在自己设定标度的坐标系中画出该弹簧振子的振动图象。
6．
有一个弹簧振子，若取振子水平向右的方向为振子位移的正方向，得到如图所示的振动曲线。
则：
（1）刚开始计时的时刻，振子处在什么位置？
（2）简谐运动的周期是多少？
（3）当t＝2s时振子在什么位置？
（4）如果振子的质量为0.5kg，弹簧的劲度系数为2×103N/m，振子的最大加速度是多少？
7．将一水平放置的弹簧振子从平衡位置向右拉开1cm后释放，振子做简谐运动，若第一次到平衡位置时间为0.1s，则该振子的振幅为______cm，周期为______s，频率为______Hz；振子在1s内经过的路程为_____cm，在0.7s末振子的位移大小为______cm，正要向_____做______运动。
8．一弹簧振子做简谐运动，若从平衡位置O开始计时，经过3s时，振子第一次经过P点，又经过了2s第二次经过P点，则：
（1）该弹簧振子的振动周期为（）
（A）4s（B）8s（C）16s（D）32s
（2）从第二次经过P点起，该质点第三次经过P点所需的时间为（）
（A）4s（B）8s（c）3
s（D）14s
9．甲、乙两个人先后观察同一弹簧振子在水平面内左右振动情况。
已知振子的振幅为5cm，周期为2s。
设平衡位置右方为正方向，图中时间轴上每格代表0.5s。
（1）甲开始观察时，振子正好在平衡位置且向右运动，试在（a）中画出甲根据观察得到的弹簧振子的振动图象。
（2）乙在甲观察3.5s后开始观察并计时，试在（b）中画出乙根据观察得到的弹簧振子的振动图象。
10．某弹簧振子做简谐运动，先后以相同速度通过相距1.0cm的A、B两点，历时0.2s，再从B点回到A点的最短时间为0.4s，问：
（1）平衡位置在何处？
（2）振子的运动周期及频率？
11．某人在医院做了一次心电图，如图所示。
如果心电图仪卷动纸带的速度为0.3m/min，图中每小格宽1mm，则由此可估算出此人的心率为多少？
12．
如图（a），在一根弹簧下悬挂质量为m的重物，让其在竖直方向上振动，用天平和光电门，测出弹簧下不同质量重物的振动周期T的值，从而探究振动周期T与物体质量m间的关系。
若某同学取得了如表中所示的实验数据和图（b）所示的图象，试先猜测周期T与悬挂物的质量m间的定性关系；然后再画出适当的辅助图线验证你的猜测。
m/kg
T/s
1
0.10
0.14
2
0.20
0.20
3
0.40
0.28
4
0.60
0.35
5
0.80
0.40
B单摆
一、学习要求
理解单摆的振动过程。
理解单摆做简谐运动的条件，理解单摆做简谐运动时的周期公式。
知道获得单摆振动图象的实验过程，理解单摆的振动图象。
能通过测单摆周期的实验，测出当地的重力加速度。
通过科学家探索单摆振动规律的过程，认识伽利略创立的实验研究方法，并体验物理学家艰辛的探索过程，
二、要点辨析
1．摆和单摆的区别
一切悬挂起来，在重力和支持力作用下能做周期运动的物体都可以叫做摆，例如，用手吊在单杠上的人体、用绳子悬吊的水桶、起重机起吊的重物、挂在挂钩上的书包、各种摆钟的钟摆等。
但单摆却有严格定义，即摆线的质量与摆球相比可视为零，摆球的直径与摆线长度相比可视为零，符合这些条件的摆就是单摆，单摆的运动比其他摆的运动简单得多。
2．单摆振动的回复力
任何振动都需要有使物体回到平衡位置的回复力，使单摆振动的回复力是摆球重力沿圆弧切线的分力，而且这个回复力的大小和方向不断在变化，摆球的位移、速度、加速度、动能、势能都在不断变化，掌握这些物理量的变化规律，就掌握了单摆的振动过程。
3．单摆的振动和单摆的简谐运动
振动是一个比较宽泛的概念，一切在平衡位置附近所做的往复运动都是振动，其中最简单的振动叫做简谐运动，简谐运动的图线是正弦或余弦曲线，其他振动的图线是更为复杂的曲线，单摆的振动不一定是简谐振动，只有摆角较小（不超过5°）时单摆的振动才可以看作简谐运动，摆角较大时单摆的振动周期与振幅有关，不具有等时性，
三、例题分析
【示例1】周期为2s的单摆叫做秒摆，已知上海地区的重力加速度g＝9.79m/s2，请计算在上海地区的秒摆的摆长，如果把同样摆长的单摆拿到月球上去，已知月球的重力加速度是1.6m/s2，则该摆的周期是多少？
【分析】根据单摆周期公式，由单摆周期和摆长可求上海地区的重力加速度，同样由摆长和月球的重力加速度，可求该摆在月球上的摆动周期。
【解答】由单摆周期公式T＝2π
得，
l＝
＝
m＝0.99m。
在上海地区秒摆的摆长是0.99m。
在月球上因为重力加速度发生变化，这个单摆不再是秒摆，它的周期
Tʹ＝2π
＝2×3.14×
s＝4.94s。
【讨论】不求出l可解出Tʹ吗？
【示例2】根据图6-3所示的单摆振动图象指出：
（1）在开始计时的时刻，单摆小球的位置；
（2）单摆振动的振幅和频率；
（3）在哪几点的加速度最大；
（4）在哪几点的速度最大；
（5）在A点时加速度的方向和在B点时速度的方向。
【解答】
（1）根据图象可知，单摆开始计时的时刻是零时刻，在零时刻摆球的纵坐标为零，所以在开始计时的时刻，单摆小球的位置为平衡位置。
（2）单摆振动的振幅为3cm，因为单摆振动的周期为2s，所以频率
f＝
＝
Hz＝0.5Hz。
（3）图上A、C两点表示摆球的位移最大，所受恢复力也最大，它的加速度当然是最大。
（4）在平衡位置单摆摆球的速度最大，所以摆球在0、B、D纵坐标为零的三个时刻速度最大。
（5）因为摆球所受的恢复力总是指向平衡位置，平衡位置的纵坐标为零，所以在A点时加速度的方向指向x轴的反方向。
摆球在B点平衡位置的时刻是1s，紧接着下一时刻的位移是负值，摆球在图上B点时刻速度的方向必然指向x轴的反方向。
四、基本训练
1．设单摆的平衡位置在O点，向左最大位移处在B点，向右最大位移处在C点，把。
该单摆的振动情况填写在以下表格中。
回复力
加速度（切向）
速度
动能
势能
单摆的振动
大小
方向
大小
方向
大小
方向
大小
大小
B点
最大
由B到O
变大
O点
最小
由O到C
向右
C点
由C到O
变小
2．对单摆在振动过程中，摆球受力情况的正确判断是（）
（A）摆球在最高点所受合外力等于零
（B）摆球在最低点所受合外力等于零
（C）摆球在任何位置所受合外力都不等于零
（D）以上结论都不对
3．单摆原来的周期是2s，在下列情况下，周期有无变化？
如有变化，变为多少？
（1）摆长为原长的
（2）摆球的质量减为原来的
（3）振幅减为原来的
（4）重力加速度减为原来的
4．单摆的摆长不变，摆球质量增加为原来的4倍，摆球经平衡位置时速度减少为原来的
，则单摆振动的（）
（A）频率、振幅都改变（B）频率、振幅都不变
（C）频率改变，振幅不变（D）频率不变，振幅改变
5．图中是一个单摆的振动图线，根据该图线回答下列问题：
（1）振动的振幅、周期、频率各是多少？
（2）从0到1.6s时间内，哪些时刻摆球的动能最大？
哪些时刻摆球的势能最大？
6．
在实验中为了保持摆球运动方向的稳定，往往使用“双线摆”，“双线摆”就是用两根等长的悬线悬挂同一个小球，两个悬点位于同一高度，如图所示，若图中l和α是已知量，求该“双线摆”的周期。
7．设课本第70页图6-11所示的单摆，振幅为4cm，周期为1s，取水平向右的方向为摆球离开平衡位置位移的正方向，从摆球向右通过平衡位置时开始计时，用适当的标度画出单摆的振动图象。
8．把一个摆长为2m的单摆拿到月球上去，已知月球上的自由落体加速度为1.6m/s2，这个摆的周期约是多大？
9．在做“用单摆测当地重力加速度”的实验时，有以下器材：
（A）1m长的细线；（B）20cm长的尼龙线；（C）小铁球；（D）大木球；
（E）手表；（F）时钟；（G）秒表。
（1）为使实验尽可能精确，应选用的摆球是______，摆线是______，计时器是_____。
（2）计时位置应选在________，这样做的优点是_____________。
（3）实验中若测得重力加速度g值偏小，可能的原因是（）
（A）小球质量太大
（B）将悬线的长度记作摆长，忽略了摆球半径
（C）单摆振动时，摆线的偏角太小
（D）测周期时，将n次全振动记为n＋1次全振动
10．有一周期为2s的单摆，在悬点正下方距悬点
摆长处钉一小钉后，则单摆的周期将变为（）
（A）2s（B）1s（C）1.5s（D）（1＋
）s
11．
一单摆做简谐运动，其位移x和时间t的关系曲线如图所示，当t＝2s时摆球的（）
（A）速度为正的最大值，加速度为零
（B）速度为负的最大值，加速度为零
（C）速度为零，加速度为正的最大值
（D）速度为零，加速度为负的最大值
12．
图（a）是演示简谐振动图象的装置。
当盛沙漏斗下面的薄木板N被匀速地拉出时，摆动着的漏斗中漏出的沙在板上形成曲线，该曲线显示出摆的位移随时间变化的关系，板上的直线OOʹ代表时间轴。
图（b）表示两个摆中的沙在各自木板上形成的曲线，若板N1和板N2拉动的速度v1和v2的关系为v2＝2v1，则板N1、N2上曲线所代表的振动的周期T1和T2的关系为（）
（A）T2＝T1（B）T2＝2T1（C）T2＝4T1（D）T2＝
13．某同学在做“利用单摆测重力加速度”实验中，先测得摆线长为97.50cm。
摆球直径为2.0cm，然后用秒表记录了单摆振动50次所用的时间如图（a）所示，则：
（1）该摆摆长为______cm，秒表所示读数为______s。
（2）如果他测的g值偏小，可能的原因是（）
（A）测摆线长时摆线拉得过紧
（B）摆线上端未牢固地系于悬点，振动中出现松动，使摆线长度增加了
（C）开始计时时，秒表过迟按下
（D）实验中将49次全振数误数为50次
（3）为了提高实验精度，在实验中可改变几次摆长l并测出相应的周期T，从而得出一组对应的l与T的数据，再以l为横坐标，T2为纵坐标，将所得数据点连成直线，并求得该直线的斜率为k，如图（b），则重力加速度g＝______（用k表示）。
14．
宇航员在月球表面从事科学考察活动的情况被拍成了录像。
有位科学爱好者在观看电视录像时，从一组镜头中看到宇航员手中拿着一个长柄土壤收集器，与他的身高相比较，估计这一器具的长度约为1m，如图所示。
当宇航员收集满了土壤，提起收集器时，收集器发生了轻微晃动，从电视画面上估计晃动的周期约为5s。
科学爱好者根据这些估计数据，并且粗略地把长柄土壤收集器的晃动当作单摆振动处理，估算出月球表面重力加速度的大小。
请你也作为科学爱好者估算一下月球表面的重力加速度。
五、学生实验
【实验三】用单摆测定重力加速度
1．实验目的
用单摆测出当地的重力加速度。
2．实验器材
单摆（摆球直径已知）、停表、直尺、铁架台、DIS等。
3．实验方案设计（只要求设计一个方案和数据记录表）
（1）用单摆测定重力加速度__________________________________________
（2）用DIS测定重力加速度__________________________________________
数据记录表
参考实验步骤如下：
用单摆测定重力加速度的基本步骤：
①选取一个摆线长约1m的单摆，把线的上端用铁夹固定在铁架台上，把铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，让摆球自由下垂，如课本图6-14所示；
②用米尺量出悬线长度l，精确到毫米，把测得的数据填入表中；
③用游标卡尺测量摆球的直径，然后算出摆球半径，也精确到毫米，把测得的数据填入表中5
④放开小球让它摆动，用停表测出单摆做30～50次全振动所用的时间，把测得的数据填入表中5
⑤计算出平均摆动一次的时间，这个时间就是单摆的振动周期，把计算结果填入表中；
⑥根据单摆的周期公式，计算出重力加速度；
⑦变更摆长，重做几次实验，计算出每次实验测得的重力加速度。
⑧把有关数据和计算结果填入表中，求出几次实验得到的重力加速度的平均值，即可看作本地区的重力加速度，作为实验结果填入表中。
用DIS测定重力加速度的基本步骤：
①按课本图6-15把光电传感器接到数据采集器的输入口；
②点击实验菜单中的“用单摆测重力加速度”；
③量出摆球的半径与摆线的长度，输入计算机；
④单摆摆动后，点击“记录数据”，显示屏将得出一组单摆的周期与重力加速度的值。
⑤取平均值作为实验结果填入表中。
4．问题讨论
如果实验结果与理论值相差较大，试分析原因。
C受迫振动共振现象
一、学习要求
知道阻尼振动、固有振动和固有频率，知道策动力、受迫振动。
知道共振现象和发生共振现象的条件。
知道共振现象的防范和应用。
通过对受迫振动的实验探究，感受观察现象、总结规律的研究方法。
通过学习共振现象的防范和应用，感悟科学知识的重要作用。
二、要点辨析
1．阻尼与阻力的区别
物体在做振动时，由于阻力的存在，振幅会不断减小，阻力越大，它的振幅减小得越快，因而，有人认为阻尼就是阻力。
其实阻尼振动与无阻尼振动的区别是从振幅是否发生变化来判断的，做无阻尼振动的物体，依然可以受到阻力的作用，只不过在振动过程中不断获得外界能量的适当补充，仍可维持等幅振动，可见阻尼不是阻力。
简言之，阻力是指具体的力，而阻尼则是指使振幅减小的实际效果。
2．固有振动、受追振动和共振
不受振动系统外策动力影响所做的振动，叫固有振动。
其振动频率叫固有频率，它的大小由振动系统本身的结构和性质决定，与振幅无关。
物体在周期性外界策动力作用下的振动叫受迫振动，其振动频率等于策动力的频率，而与物体的固有频率无关，而振动的振幅大小由策动力的频率与固有频率间的差值决定：
两者相差越大，振幅越小；相差越小，振幅越大。
物体做受迫振动时。
当策动力的频率接近或等于物体的固有频率时，物体的振幅很大，这种现象叫共振现象。
例如，一端固定的跳板，如果敲它一下，它就会按照自己的固有频率振动，这是固有振动，如有人不离开跳板在跳板上跳动，跳板按人的跳动频率振动，这种振动是受迫振动，若人作用在跳板上策动力的频率接近或等于跳板的固有频率，跳板就会不断吸收能量，跳板越振越烈，这就是共振。
3．利用和防范共振的方法
生活中的共振现象有利有弊，在利用共振时，应使策动力的频率接近或等于振动物体的固有频率，如荡秋千、共振筛；在防止共振时，应设法使策动力的频率远离固有频率，而且相差越大越好，例如机床基座的固有频率与电动机转动频率就相差很多。
三、例题分析
【示例】在如图6-4所示的装置中，当弹簧做固有振动时，测得每分钟振动150次，现使曲柄转动，求：
（1）当曲柄的转速为90r/min，振子的振动周期为多大？
（2）当曲柄的转速从90r/min逐渐增大到200r/min的过程中，你将观察到哪些现象？
【解答】
（1）弹簧固有振动的周期T＝60/150s＝0.4s，曲柄转动时，弹簧开始做受迫振动，其振动周期等于策动力的周期，与它的固有周期大小无关，所以此时振子的振动周期
T＝
＝
s＝0.67s。
（2）曲柄的转速从90r/min逐渐增大到200r/min，其周期由0.67s逐渐减小到0.3s，做受迫振动的弹簧，其振动周期也由0.67s逐渐减小到0.3s，在此过程中，可观察到弹簧的振幅逐渐增大；当转速等于150r/min时，由于策动力的周期等于弹簧的固有周期，弹簧发生共振现象，此时振幅最大；当转速再逐渐增大时，由于策动力的周期又远离弹簧的固有周期，振动的振幅又逐渐减小。
四、基本训练
1．你在上课时，不断听到老师的讲课声，这表明你的耳膜在不断地振动，这时你的耳膜在做_______振动，全班同学在同一瞬时的耳膜振动频率____（填“相同”或“不同”）。
2．固有频率分别为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz的振动片，同时受到振动频率为140Hz的振动体的作用，将会发生的现象是（）
（A）固有频率为150Hz的振动片振幅最大（B）各片振幅差不多
（C）固有频率为50Hz的振动片频率最大（D）各片振动频率相同
3．某走私快艇在被发现后向公海高速逃窜，但突遇海浪的冲击，使快艇共振而造成船体损坏，只好束手就擒。
若它的固有频率为f0，相邻两个浪头间距平均为s，则此船的开行速度v为多少？
4．在接近收费口的道路上安装了若干条突起于路面且与行驶方向垂直的减速带，减速带间距为10m，当车辆经过减速带时会产生振动。
若某汽车的固有频率为1.25Hz，则当该车以______m/s的速度行驶在此减速区时颠簸得最厉害，我们把这种现象称为______。
5．北宋科学家沈括（1031-1095）在《梦溪笔谈》中指出：
“欲知其应者，先调诸弦，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。
”
（1）先将这段文言文译成现代汉语；
（2）用所学的知识解释此现象。
6．当发生大地震时，会有大批建筑物倒塌，但有时会发现个别建筑物却没倒塌，请从物理角度分析其可能原因。
7．上海东方台文艺综合频道新闻报道：
上海浦东某小区的一居民家乔迁新居不久，发生一怪事，家中饮水机里的水面白天一直左右晃动，天花板上的吊灯也一直来回晃动，闹得家人心慌意乱。
于是房主向房产商提出房子有质量问题的质疑，房产商委托地震局对此事核查，经一段时间的查找，发现在离该小区400m处有一石料厂，白天，笨重的机器不断地振动。
请你猜
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