=(ω+φ)
():表示振动质点相对于平衡位置的位移。 ():表示振幅,描述简谐运动振动的强弱。 ()ω:圆频率,它与周期、频率的关系为ω==π。 可见ω、、相当于一个量,描述的都是振动的快慢。
()ω+φ:表示相位,描述做周期性运动的物体在各个不同时刻所处的不同状态,是描述不同振动的振动步调的物理量。它是一个随时间变化的量,相当于一个角度,相位每增加π,意味着物体完成了一次全振动。
()φ:表示=时振动质点所处的状态,称为初相位或初相。
()相位差:即某一时刻的相位之差。两个具有相同ω的简谐运动,设其初相分别为φ和φ,其相位差Δφ=(ω+φ)-(ω+φ)=φ-φ。
[典例] 物体做简谐运动的振动位移为=,物体做简谐运动的振动位移为=。比较、的运动( )
.振幅是矢量,的振幅是 ,的振幅是 .周期是标量,、周期相等为 .振动的频率等于振动的频率 .振动的频率大于振动的频率 [思路点拨]
()物体的振幅、角速度可以直接由简谐运动表达式得出。 ()角速度与周期、频率的关系:ω==π。
[解析]振幅是标量,、的振动范围分别是 、 ,但振幅分别是 、 ,选项错误。周期是标量,、的周期== =×,选项错误。因为ω=ω,故=,选项正确,选项错误。
[答案]
用简谐运动表达式解答振动问题的方法
应用简谐运动的表达式=(ω+φ)解答简谐运动问题时,首先要明确表达式中各物理量的意义,找到各物理量对应的数值,根据ω==π确定三个描述振动快慢的物理量间的关系,有时还需要通过画出其振动图像来解决有关问题。
-
.某振子做简谐运动的表达式为=,则该振子振动的振幅和周期为( ) . .
. π .以上全错
解析:选 由=(ω+φ)与=对照可得:= ,ω=π=,所以= ,选项正确。 .有一弹簧振子,振幅为 ,周期为 ,初始时具有负方向的最大加速度,则它的振动方程是( )
.=× .=× .=× .=×
解析:选 由题意知,= =× ,= ,ω==π,=时,弹簧振子具有负方向的最大加速度,即=时,==× ,故选项正确。
.(多选)某质点做简谐运动,其位移随时间变化的关系式为=,则质点( ) .第 末与第 末的位移相同 .第 末与第 末的速度相同 .第 末与第 末的位移相同 .第 末与第 末的速度相同
解析:选 根据=可求得该质点振动周期为= ,则该质点振动图像如图所示,图像的斜率为正表示速度为正,反之为负,由图可以看出第 末和第 末的位移相同,但斜率一正一负,故速度方向相反,选项正确,错误;第 末和第 末的位移方向相反,但两点的斜率均为负,故速度方向相同,选项错误,正确。
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-
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.周期为 的简谐运动,在半分钟内通过的路程是 ,则在此时间内振子经过平衡位置的次数和振子的振幅分别为( )
.次, .次,
.次, .次,
解析:选 在半分钟内振子完成次全振动,经过平衡位置的次数为次,通过的路程=×== ,故振幅= ,项正确。
.物体做简谐运动,其图像如图所示,在和两时刻,物体的( )
图
.相位相同 .位移相同 .速度相同 .加速度相同
解析:选 由图可知物体做简谐运动的振动方程为= ω,其相位为ω,故与的相位不同,错;时刻位移大于零,时刻位移小于零,、错;由振动图像知、时刻物体所处位置关于平衡位置对称,速率相同,且均向下振动,方向相同,对。
.如图甲所示,悬挂在竖直方向上的弹簧振子,周期= ,从最低点位置向上运动时开始计时,在一个周期内的振动图像如图乙所示,关于这个图像,下列哪些说法正确( )
甲 乙
图
.= 时,振子的加速度为正,速度也为正 .= 时,振子的加速度为负,速度也为负 .= 时,振子的速度为零,加速度为负的最大值 .= 时,振子的速度为零,加速度为负的最大值
解析:选 由-图像可知,= 时,振子的加速度和速度均沿-方向,错误;= 时,振子的加速度沿+方向,错误;= 时,振子在最大位移处,加速度为负向最大,速度为零,正确;= 时,振子在平衡位置,速度最大,加速度为零,错误。
.(多选)一个弹簧振子的振幅是,若在Δ的时间内物体运动的路程是,则下列关系中可能正确的是(包括一定正确的)( )
.Δ=,=
.Δ=,=
.Δ=,= .Δ=,>
解析:选 因每个全振动所通过的路程为,故、正确,错误;又因振幅为振子的最大位移,而为时的路程,故有可能大于,故正确。
.有一个在光滑水平面内的弹簧振子,第一次用力把弹簧压缩后释放让它振动,第二次把弹簧压缩后释放让它振动,则先后两次振动的周期之比和振幅之比分别为( )
.∶∶ .∶∶
.∶∶ .∶∶
解析:选 弹簧的压缩量即为振子振动过程中偏离平衡位置的最大距离,即振幅,故振幅之比为∶,而对同一振动系统,其周期与振幅无关,则周期之比为∶。振动周期由振动系统的性质决定,与振幅无关。
. (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,物块简谐运动的表达式为=(π)。=时刻,一小球从距物块高处自由落下;= 时,小球恰好与物块处于同一高度。取重力加速度的大小= 。以下判断正确的是( )
图
.=
.简谐运动的周期是 . 内物块运动的路程为
.= 时,物块与小球运动方向相反
解析:选 由物块简谐运动的表达式=(π)知,ω=π,== = ,选项正确;= 时,=- ,对小球:+=,解得= ,选项正确;物块 内路程为 ,= 时,物块经过平衡位置向下运动,与小球运动方向相同。故选项、错误。
.一物体沿轴做简谐运动,振幅为 ,周期为 。当=时,位移为 ,且向轴正方向运动,求:
()初相位;
()= 时物体的位置。
解析:()设简谐运动的表达式为=(ω+φ),= ,= ,ω=,=时,= 。 代入上式得,=(+φ)
解得 φ=,φ=或π。 因这时物体向轴正方向运动, 故应取φ=,即其初相为。 ()由上述结果可得: =(ω+φ)=, 所以==π = 。 答案:() () 处
.()(多选)有两个简谐运动,其表达式分别是=,=,下列说法正确的是( ) .它们的振幅相同 .它们的相位差恒定 .它们的圆频率相同
()一竖直悬挂的弹簧振子,下端装有一记录笔,在竖直面内放置有一记录纸。当振子上下振动时,以速率水平向左匀速拉动记录纸,记录笔在纸上留下如图所示的图像,、、、为纸上印迹的位置坐标。由此图求振动的周期和振幅。
.它们的周期相同 .它们的振动步调一致
图
解析:()它们的振幅分别是 、 ,故不同,选项错误;ω都是π ,所以周期都是 ,选项、正确;由Δφ=-=得相位差恒定,选项正确;Δφ≠,即振动步调不一致,选项错误。
()设振动的周期为,由题意可得:在振子振动的一个周期内,纸带发生的位移大小为,故=。设振动的振幅为,则有:
=-,故=。 答案:() ()
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