物理選擇性必修 第一冊(cè)1 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)教學(xué)演示ppt課件

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人類(lèi)生活在運(yùn)動(dòng)的世界里,振動(dòng)就是其中一種較為常見(jiàn)的形式,如圖所示的鐘表利用了鐘擺的振動(dòng)來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí),蹦極運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員利用彈性繩沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng),琴弦的振動(dòng)讓人們欣賞到優(yōu)美的音樂(lè),地震可能會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)巨大的災(zāi)難……振動(dòng)現(xiàn)象比比皆是,與我們的生活密切相關(guān)。因此,認(rèn)識(shí)并理解振動(dòng),掌握物體振動(dòng)的規(guī)律很有必要。
知識(shí)點(diǎn) 彈簧振子
機(jī)械振動(dòng)定義：物體在某一位置附近所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，叫做機(jī)械振動(dòng)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為振動(dòng)。
物體振動(dòng)時(shí)有一中心位置，這一位置叫做平衡位置是振動(dòng)物體未開(kāi)始振動(dòng)時(shí)相對(duì)于參考系靜止的位置，在此位置物體在振動(dòng)方向上的合力為零
例：下列運(yùn)動(dòng)中屬于機(jī)械振動(dòng)的是(　　)A．樹(shù)枝在風(fēng)的作用下運(yùn)動(dòng)B．豎直向上拋出的物體的運(yùn)動(dòng)C．轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪的邊緣上某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是振動(dòng)，圓心可以看做是振動(dòng)中心D．爆炸聲引起窗扇的運(yùn)動(dòng)
彈簧振子把一個(gè)有孔的小球裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球穿在光滑的桿上,能夠自由滑動(dòng),兩者之間的摩擦可以忽略,彈簧的質(zhì)量與小球相比也可以忽略。把小球拉離平衡位置后放開(kāi),小球便做機(jī)械振動(dòng),這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為彈簧振子。彈簧振子不一定水平放置，例如豎直懸掛的彈簧振子。
水平彈簧振子豎直彈簧振子思考1：其在平衡位置的受力情況怎樣？
【提示】圖中水平放置且振子處在平衡位置時(shí)，小球在豎直方向上受到桿的支持力和自身的重力，二力平衡，水平方向上不受力。豎直放置時(shí)，小球在豎直方向上受到彈簧的彈力和自身的重力，二力平衡，水平方向不受力。兩種情況下處于平衡位置時(shí)彈簧的受力不同，但小球所受的合力都為零。彈簧振子的平衡位置是合力為零的位置，不一定是彈簧處于原長(zhǎng)的位置。
例：如圖所示，彈簧下端懸掛一鋼球，上端固定，它們組成一個(gè)振動(dòng)的系統(tǒng)，用手把鋼球向上托起一段距離，然后釋放，鋼球便上下振動(dòng)起來(lái)，若以豎直向下為正方向，下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．鋼球運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的最低處為平衡位置B．鋼球原來(lái)靜止時(shí)的位置為平衡位置C．鋼球振動(dòng)到距原靜止位置下方3 cm處時(shí)位移為3 cmD．鋼球振動(dòng)到距原靜止位置上方2 cm處時(shí)位移為2 cm
答案：BC　解析：振子平衡位置的定義為振子原來(lái)靜止時(shí)的位置，故A錯(cuò)，B對(duì)。振子的位移為從平衡位置指向某時(shí)刻所在位置的有向線(xiàn)段，據(jù)題意可判斷C對(duì)，D錯(cuò)。
思考2：物理模型是從生活實(shí)際中抽象出來(lái)的理想模型，它是忽略次要因素、突出主要因素而形成的。在彈簧振子模型中，忽略的次要因素是什么？突出的主要因素又是什么？
【提示】彈簧振子模型忽略的次要因素是球與桿的摩擦、彈簧的質(zhì)量（即所謂的“輕彈簧”），突出的主要因素是彈簧的彈性和球的質(zhì)量。
理想化模型（1）不計(jì)阻力（2）彈簧的質(zhì)量與小球相比可以忽略。
彈簧振子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)(1)彈簧振子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，振子所受到的彈力隨位移的變化而變化，因而彈簧振子的運(yùn)動(dòng)是非勻變速運(yùn)動(dòng)，切不可作為勻變速運(yùn)動(dòng)處理。(2)振子受到的彈力是變力，彈簧振子的運(yùn)動(dòng)是變加速運(yùn)動(dòng)。
例：如圖所示，將小球向下拉動(dòng)一小段距離，則之后小球所做的運(yùn)動(dòng)屬于下列哪一種(　　)A．勻速運(yùn)動(dòng)B．勻變速運(yùn)動(dòng)C．非勻變速運(yùn)動(dòng)D．機(jī)械振動(dòng)
知識(shí)點(diǎn) 彈簧振子的位移—時(shí)間圖象
如何得到彈簧振子的位移—時(shí)間圖象①建立坐標(biāo)系：以小球的平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿運(yùn)動(dòng)方向和垂直于運(yùn)動(dòng)方向建立坐標(biāo)軸。規(guī)定小球在平衡位置一側(cè)時(shí)，位移為正，在平衡位置另一側(cè)時(shí)，位移為負(fù)。
如何得到彈簧振子的位移—時(shí)間圖象②繪制圖象：用頻閃照相的方法來(lái)顯示振子在不同時(shí)刻的位置。得到如圖所示的圖象。
如何得到彈簧振子的位移—時(shí)間圖象③分析：因?yàn)檎障嗟灼瑥南孪蛏蟿蛩龠\(yùn)動(dòng)，底片運(yùn)動(dòng)的距離與時(shí)間成正比。因此，可用底片運(yùn)動(dòng)的距離代表時(shí)間軸。振子的頻閃照片反映了不同時(shí)刻，振子離開(kāi)平衡位置的位移。也就是位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。
如何得到彈簧振子的位移—時(shí)間圖象位移的變化
圖象的含義反映了振動(dòng)物體相對(duì)平衡位置的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，彈簧振子的位移—時(shí)間圖象是一個(gè)正(余)弦函數(shù)圖象。
知識(shí)點(diǎn) 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念如果質(zhì)點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系遵循正弦函數(shù)的規(guī)律，即它的振動(dòng)圖象是一條正弦曲線(xiàn)，這樣的振動(dòng)叫做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最基本、最簡(jiǎn)單的振動(dòng)。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，所以它不是勻變速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)為變力作用下的非勻變速運(yùn)動(dòng)。
可以從簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像獲取的信息——任意時(shí)刻物體的位移大小和方向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移 (1)振動(dòng)位移是從平衡位置指向振子某時(shí)刻所在位置的有向線(xiàn)段，方向?yàn)槠胶馕恢弥赶蛘褡铀谖恢?，大小為平衡位置到該位置的距離．如圖所示，在t1時(shí)刻振子的位移為x1，t2時(shí)刻的位移為x2，t4時(shí)刻為x4.
可以從簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像獲取的信息——任意時(shí)刻物體的位移大小和方向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移 (2)與一段時(shí)間內(nèi)位移的區(qū)別一段時(shí)間內(nèi)的位移是指從初位置指向末位置的有向線(xiàn)段．如圖，從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的位移為x2－x1，從t1時(shí)刻到t4時(shí)刻的位移為x4－x1.
可以從簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像獲取的信息——任意時(shí)刻物體的位移大小和方向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的速度跟運(yùn)動(dòng)學(xué)中的含義相同，在所建立的坐標(biāo)軸上，速度的正負(fù)號(hào)表示振子運(yùn)動(dòng)方向與坐標(biāo)軸的正方向相同或相反．如圖所示，在x坐標(biāo)軸上，設(shè)O點(diǎn)為平衡位置，A、B為位移最大處，在O點(diǎn)速度最大，在A、B兩點(diǎn)速度為零．
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移與速度的關(guān)系簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中速度大小與位移大小有關(guān)，位移越大速度越小．而速度方向與位移方向關(guān)系并不確定，如振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)同一位置，其位移矢量的方向是一定的，而速度方向卻有兩種可能．特別提醒：振子的位移是指振子偏離平衡位置的位移．
例：如圖所示是用頻閃照相的方法獲得的彈簧振子的位移—時(shí)間圖象，下列有關(guān)該圖象的說(shuō)法正確的是（　?。?br/>A．該圖象的坐標(biāo)原點(diǎn)建立在彈簧振子的平衡位置B．從圖象可以看出小球在振動(dòng)過(guò)程中是沿t軸方向移動(dòng)的C．為了顯示小球在不同時(shí)刻偏離平衡位置的位移，應(yīng)讓底片沿垂直t軸方向勻速運(yùn)動(dòng)D．圖象中小球的疏密顯示出相同時(shí)間內(nèi)小球位置變化快慢不同
答案：AD　解析：從圖象中能看出坐標(biāo)原點(diǎn)在平衡位置，A對(duì)。橫軸是由底片勻速運(yùn)動(dòng)得到的，已經(jīng)轉(zhuǎn)化為時(shí)間軸，小球只在x軸上振動(dòng)，所以B、C錯(cuò)。因圖象中相鄰小球之間所經(jīng)時(shí)間相同，密處說(shuō)明位置變化慢，D正確。
【點(diǎn)睛一】振動(dòng)圖象描述的是振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系，而非質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡。比如彈簧振子沿一直線(xiàn)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其軌跡為一直線(xiàn)，而它的振動(dòng)圖象卻是正弦曲線(xiàn)。
【點(diǎn)睛二】從圖象上可直接看出不同時(shí)刻振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移大小和方向、速度的方向和速度大小的變化趨勢(shì)。如圖中振子在P1點(diǎn)，從正位移向著平衡位置運(yùn)動(dòng)，則速度為負(fù)且增大，位移、加速度正在減小，振子在P2點(diǎn)向負(fù)位移遠(yuǎn)離平衡位置運(yùn)動(dòng)，則速度為負(fù)且減小，位移、加速度正在增大。
判斷物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。判斷物體是否做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，可以從運(yùn)動(dòng)學(xué)方面和力學(xué)方面分析。從力學(xué)方面判斷的方法將在第3節(jié)討論，本節(jié)從運(yùn)動(dòng)學(xué)方面定性分析。具體步驟如下：
判斷物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法(1)分析物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(2)分析位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。(3)若位移隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，則物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。另外簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)具有重復(fù)性的運(yùn)動(dòng)軌跡，若軌跡不重復(fù)，則一定不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。
例：關(guān)于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是(　　)A．簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)一定是水平方向的運(yùn)動(dòng)B．所有的振動(dòng)都可以看做是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)C．物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)一定可以得到正弦曲線(xiàn)形的軌跡線(xiàn)D．只要振動(dòng)圖象是正弦曲線(xiàn)，物體一定做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)
1．下列運(yùn)動(dòng)中屬于機(jī)械振動(dòng)的是（　?。〢．人趴在地上做俯臥撐B．水塘里的蘆葦在微風(fēng)作用后的左右擺動(dòng)C．五星紅旗迎風(fēng)飄揚(yáng)D．釣魚(yú)時(shí)浮標(biāo)在水中的上下浮動(dòng)
答案：BD解析：物體在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)，顯然以上A、C兩種說(shuō)法中涉及的物體的運(yùn)動(dòng)不符合這一定義。
2．如圖（a），一彈簧振子在AB間做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，O為平衡位置。如圖（b）是振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移—時(shí)間圖象。則關(guān)于振子的加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。下列四個(gè)圖象中正確的是（　　）
3．有一彈簧振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則下列說(shuō)法正確的是（　?。〢．加速度最大時(shí)，速度最大B．速度最大時(shí)，位移最大C．位移最大時(shí)，加速度最大D．位移為零時(shí)，加速度最大
答案：C　解析：振子的加速度最大時(shí)，振子處在最大位移處，此時(shí)振子的速度為零；而速度最大時(shí)，振子在平衡位置，位移和加速度都為零。