高二物理振幅、周期和频率
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高二物理简谐振动 振幅、周期、频率 知识精讲 人教版一. 本周教学内容:第九章 第一节 简谐振动 第二节 振幅、周期、频率二. 知识要点:知道什么是简谐运动以与物体做简谐运动回复力特点,理解位移和回复力的概念,理解简谐运动在一次全振动中位移、回复力、加速度和速度的变化情况。
理解弹簧振子概念与实际物体运动抽象为弹簧振子的条件。
理解回复力kx F -=的意义。
知道振幅、周期、频率是描述振动整体特征的物理量,知道它们的物理意义,理解振幅和位移的区别,理解周期和频率的关系,知道什么是固有周期和固有频率。
三. 重点、难点解析: 1. 机械振动:物体〔或物体的一局部〕在某一位置附近做往复运动,叫做机械振动,简称振动。
物体受力满足2条才能做振动①是每当物体离开振动的中心位置就受到回复力作用力;②是运动中其它阻力足够小。
描述振动的名词。
① 平衡位置:物体振动停止时的位置也就是静止平衡的位置。
② 回复力:振动物体离开平衡位置就受到一个指向平衡位置的力,叫回复力。
回复力是力的作用效果命名的。
它可以是一个力,也可以是某个力的分力或者几个力的合力。
只要物体离开平衡位置回复力就不为零,方向指向平衡位置。
③ 振动位移:以平衡位置为原点〔起点〕的位移。
数值为从平衡到振动物体达到的位置的直线距离方向由平衡位置指向物体位置。
④ 一次全振动:物体以一样的速度经某位置,又以一样的速度回到同一位置,叫完成一次全振动。
2. 简谐振动:① 弹簧振子:一轻弹簧连接一质点,质点运动时不受摩擦阻力。
这样的装置叫弹簧振子。
弹簧振子沿水平方向运动过程分析,取水平坐标轴,平衡位置为原点。
弹簧处原长状③ 回复力:kx F -=。
④ 简谐运动的定义:质点在跟偏离平衡位置的位移成正比,并总指向平衡位置的回复力作用下的振动叫简谐运动。
⑤ 简谐运动的动力学特征:kx F -=。
⑥ 运动学特征:x mka -=是变加速运动。
⑦ 整体特征与运动学量变化规律:位移、加速度、速度都按周期性变化。
振幅、周期和频率·典型题剖析例1一个弹簧振子,第一次用力把弹簧压缩x后开始振动,第二次把弹簧压缩2x后开始振动,则两次振动的周期之比和最大加速度的大小之比分别为[ ]A.1∶2,1∶2.B.1∶1,1∶1.C.1∶1,1∶2.D.1∶2,1∶1.分析振动的周期只决定于振动体本身固有的性质,对弹簧振子则由振子的质量与弹簧的劲度系数决定,与起振时的初始位移大小无关.大处,振子的加速度也越大.所以两情况中的最大加速度之比为1∶2.答C.例2一个作简谐运动的质点,先后以同样大小的速度通过相距10cm的A、 B两点,历时0.5s(图5-7).过B点后再经过t=0.5s质点以方向相反、大小相同的速度再次通过B点,则质点振动的周期是 [ ] A.0.5s.B.1.0s.C.2.0s.D.4.0s.分析根据题意,由振动的对称性可知:AB的中点(设为O)为平衡位置,A、B两点对称分布于O点两侧;质点从平衡位置O向右运动到B的时间应为质点从B向右到达右方极端位置(设为D)的时间所以,质点从O到D的时间所以 T=2s.答C.说明本题的关键是认识振动的对称性.如图5-8所示,设C、D为质点振动中左方和右方的极端位置,则由对称性可知:质点从B→D→B的时间一定等于质点从A→C→A的时间,即t BDB=t ACA=0.5s.所以,质点振动周期T=t AB+t BDB+t BA+t ACA=2s.例3如图5-9所示,竖直悬挂的轻弹簧下端系着A、B两球,其质量m A=0.1kg、m B=0.5kg.静止时弹簧伸长15cm.若剪断A、 B间的细线,则A 作简谐运动时的振幅和最大加速度为多少?g=10m/s2.分析剪断A、B间的细线后,A球成为竖直悬挂的弹簧振子,其振幅由它所处的初始状态决定.振动中的最大加速度由振子受到的最大回复力用牛顿第二定律可算出.解答由两球静止时的力平衡条件,得弹簧的劲度系数为=40N/m.剪断A、B间细线后,A球静止悬挂时的弹簧的伸长量为=2.5cm.弹簧下端的这个位置就是A球振动中的平衡位置.悬挂B球后又剪断细线,相当于用手把A球下拉后又突然释放.刚剪断细线时弹簧比比静止悬挂A球多伸长的长度就是振幅,即A=x=x A=15cm-2.5cm=12.5cm.振动中A球的最大加速度为=50m/s2.讨论物体作简谐运动时,其周期(或频率)由振动体的质量m和回复力公式F=-kx 中的比例系数决定,即对于弹簧振子,上述公式中的比例系数k等于弹簧的劲度系数.因此,弹簧振子的振动周期由振子的质量和弹簧的劲度系数决定.即。
二、振幅、周期和频率从容说课本节课讲述描述简谐运动的振幅、周期和频率等几个物理量.它是上节课对简谐运动研究的延续,在上节课的基础上引进振幅用来直接反映简谐运动中的最大位移,间接反映简谐运动的能量,引进周期和频率用来反映简谐振动重复运动的快慢.只有切实理解了本节所学的几个物理量,才能更好地、更全面地反映出简谐运动的运动特征.尤其对以后的学习会起到很重要的作用.例如:对交变电流、电磁振荡等知识的学习.结合本节内容的特点,对本节教学的目标定位于:1.知道周期、振幅、频率三个物理量的定义,并理解其物理意义.2.理解周期与频率的关系,并能对二者进行换算.3.知道物体振动固有周期和固有频率.本节课的教学重点在于对周期、频率、振幅的认识和理解.本节课的教学难点是理解振幅与简谐运动能量的定性关系.以及振幅与位移的区别.为了突出重点、突破难点。
使学生能更好地接受知识,本节课采用先学后教、实验演示、讨论总结等方法。
以加深学生的理解,同时采用多媒体辅助教学,以激发学生的学习兴趣,达到圆满完成教学任务的目的.本节课的教学顺序确定如下:复习提问→新课导人→指导自学→归纳总结→强化练习→小结.一、知识目标 _1.知道描述简谐运动的周期、振幅、频率三个物理量.2.理解周期与频率的关系,并能进行两者间的换算.3.了解物体振动的固有周期和固有频率.二、能力目标1.培养学生对知识的归纳、总结能力.2.提高学生对实验的观察、分析能力.三、德育目标通过对简谐运动周期性的学习,使学生理解社会新旧更替.螺旋前进的道理。
教学重点对简谐运动周期、频率、振幅的认识和理解.教学难点1.理解振幅间接反映振动能量的理论依据.2.区分振幅与位移两个物理量.教学方法指导性自学、实验演示、多媒体辅助相结合的综合教学法.教学用具投影片、弹簧振子、秒表、CAI课件课时安排l课时教学过程一、新课导入1.复习提问①什么叫机械振动?②什么叫简谐运动?2.导人通过上节的学习,我们知道了什么是简谐运动,但如何对简谐运动来进行定性的描述和定量的计算呢?这就需要我们引进一些能反映简谐运动特性的物理量——周期、频率和振幅,本节我们就共同来学习这些物理量.二、新课教学(一)振幅、周期和频率.基础知识请学生阅读课文第一部分,同时思考下列问题:[投影片出示]1.什么叫振幅?其物理意义是什么?单位又是什么?用什么符号表示?2.什么叫周期?其物理意义是什么?单位又是什么?用什么符号表示?3.什么叫频率?其物理意义是什么?单位又是什么?用什么符号表示?学生阅读后,得出以上问题的结论:1.a.振动物体离开平衡位置的最大位移叫振幅.b.振幅用来反映振动物体振动的强弱.c.振幅的单位是:米(m).d.振幅的符号是:A.2.a.做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间叫周期.b.周期是用来反映物体振动快慢的物理量.c.周期的单位是:秒(s).d.周期常用符号:T.3.a.做简谐运动的物体,在单位时间内完成全振动的次数叫频率.b.频率是用来反映物体振动快慢的物理量.c.频率的单位是:赫兹(Hz).d.频率的常用符号:f.深入探究请同学们结合前面所学,考虑以下问题:[投影出示]1.振幅与位移有何区别,有何联系?2.周期与频率有何区别,有何联系?3.试以弹簧振子为例描述一次全振动.学生经过思考、讨论、归纳总结后得出上述问题的结论:1.振幅与位移的区别:a.物理意义不同.振幅是用来反映振动强弱的物理量;位移是用来反映位置变化的物理量.b.矢量性不同.振幅是一标量,只有大小,没有方向;位移是一矢量,既有大小又有方向.振幅与位移的相同点:a.都是反映长度的物理量.振幅是偏离平衡位置的最大距离;位移是偏离平衡位置的距离.其单位都是长度单位.b.位移的最大值就是振幅.2.周期与频率的区别:a.物理意义不同.周期是完成一次全振动所需要的时间;频率是单位时间内完成的全振动的次数.b.单位不同.周期的国际单位是秒;频率的国际单位是赫兹.周期与频率的联系:a.都是用来反映振动快慢的物理量.周期越大,振动得越慢;频率越大,振动得越快.b.周期与频率互成倒数关系.即:T=1.f①O→A→O→A′→O②A→O→ A′→O→A③A′→O→A→O→A′④O→A′→O→A→O教师总结通过上面的学习,我们对描述简谐运动的三个物理量:振幅、周期、频率,已有了一定的认识.下面我们简单应用一下.基础知识应用1.弹簧振子在B、C间做简谐运动,O为平衡位置,BC间距离为10 cm,B→C运动时间为1 s,如图所示.则 ( )A.从O→C→O振子做了一次全振动B.振动周期为1s,振幅是10cmC.经过两次全振动.通过的路程是 20cmD.从B开始经3s,振子通过路程是30cm2.一个弹簧振子.第一次把弹簧压缩x后开始振动.第二次把弹簧压缩2x后开始振动,则两次振动的周期之比和最大加速度的大小之比为()A.1:2,1:2B.1:1,1:1C.1:2,1:2D.1:2,1:13.一个做简谐运动的质点,先后以同样大小的速度通过相距10 cm的A、B两点,历时0.5 s.如图所示,经过B点后再经过t=0.5 s 质点以方向相反、大小相同的速一次通过B点.则质点振动的周期是( )A.0.5 s,B.10sC.2.O sD.4.0s[参考答案]1.解析:振子从0→C→0时位移虽然相同,但速度的方向不同,振动只是半次全振动故A错.振子从B→c是半次全振动,故周期T=2 s,振幅A=OB=BC =52cm.故B错.由全振动的定义知:振子由B→C→B为一次全振动,振子路程s=4 A=4× 5=20 cm,所以两个全振动的路程中2×20cm=40cm,故C错。
物理振幅、周期和频次【学习目标】(1)知道什么是振幅、周期和频次.(2)理解周期和频次的关系.(3)知道什么是振动物体的固有周期和固有频次.【学习阻碍】1.理解阻碍怎样理解一次全振动和周期;怎样理解振子经过的行程与时间的关系.2.解题阻碍周期的计算问题;振子行程的计算问题.【学习策略】1.理解阻碍(1)联合简谐运动的过程理解一次全振动和周期.简谐运动的周期是振子达成一次全振动所需的总时间.一次全振动是指从某一振动状态出发,又回到该振动状态所发生的振动.振动状态是由振动位移的大小、方向和速度的大小、方向决定的,只有当两个振动状态的位移 (包含大小和方向 )和速度 (包含大小和方向 )都同样时,这两个振动状态才同样,经历这样两个振动状态所花的时间并且应是最短的时间才是周期.下边以水平弹簧振子的振动过程为例,来理解一次全振动和周期.图 9— 2—1水平弹簧振子从不一样地点出发,达成一次全振动的过程表示图如图9— 2— 1 所示.此中,C、D 是对于平衡地点对称的两点,位移大小相等均令为x0.从图中能够直观理解一次全振动和发生一次全振动所用的时间(一个周期 ).由图还可总结出相差周期整数倍 (达成 n 个一次全振动 )时的两个振动状态特色:位移的大小和方向、速度的大小和方向分别同样.水平弹簧振子从不一样地点出发,达成半次全振动的过程表示图如图9—2— 2 所示.由图9— 2— 2 可总结出相差半个周期奇数倍时的两个振动状态;位移的大小相等而方向相反,速度的大小相等而方向相反.图 9— 2—2(2)联合简谐运动的过程,剖析振子的行程与时间的关系.振动物体的运动是一个非匀变速运动,在均衡地点邻近速度大,在位移最大邻近速度小,振动物体经过的行程与时间的关系不是正比关系.由图9— 2— 1 和图 9— 2— 2 可知,振动物体在一个周期内的行程必定为四个振幅;在半个周期内的行程必定为两个振幅.至于振动物体在T时间内的行程则就不必定为一个振幅了.只有4当T的初时辰,振动物体在均衡地点或最大位移处,T内的行程才等于一个振幅;若质点从均衡地点一侧的一4 4点经均衡地点到另一侧的某点,则T内的行程大于一个振幅;若从某点经最大位移再返回,则 T内的行程小于4 4一个振幅.综上剖析,不论振动物体从哪儿开始运动,在一个周期内的行程必定为四个振幅,在T内的行程必定为两2个振幅,可是在T内的行程则可能大于、等于或小于一个振幅,至于等于多少,这与T初时辰振动物体所在的4 4地点相关.2.解题阻碍(1)对称法破解周期计算问题.简谐运动拥有对称性,如物体在均衡地点双侧的对称点上,答复力大小、加快度大小、位移大小、速度大小、动能和势能都各自分别相等.对称性还表此刻过程量的相等上,如从某点抵达最大地点和从最大地点再回到这一点所需要的时间相等;质点从某点向均衡地点运动时,抵达均衡地点的时间和它从均衡地点再运动到这一点的对称点所用的时间相等;振动物体在对于均衡地点对称的随意两段上运动所需的时间相等.[例 1]一质点在均衡地点O 邻近做简谐运动,从它经过均衡地点起开始计时,经0.13 s 质点第一次经过M 点.再经0.1 s 第二次经过M 点,则质点振动周期的可能值为多大?分析 :将物理过程模型化.画出详细化的图景如图9— 2— 3 所示.设质点从均衡地点O 那么质点从O 到 M 运动时间为0.13 s,再由 M 经最右端 A 返回 M 经历时间为0.1 s;如图向右运动到M9— 2—4 所示.点,M图 9—2—3图9—2—4图此外有一可能就是M 点在 O 点左方,如图9— 2—5 所示,质点由点历时 0.13 s,再由 M 点向左经最左端A′点返回M 点历时 0.1 s.依据以上剖析,质点振动周期共存在两种可能性.9—2— 5O 点经最右方 A 点后向左经过O 点抵达如图 9— 2— 4 所示,能够看出 O→ M→A 历时 0.18 s,依据简谐运动的对称性,可获得T1=4× 0.18 s=0.72 s.另一种可能如图 9—2— 5 所示,由 O→ A→M 历时 t1=0.13 s,由 M →A′历时 t2= 0.05 s.设 M→O 历时 t ,则 4(t+ t2)= t1+ 2t2+t.解得 t= 0.01 s,则 T2= 4(t+ t2 )= 0.24 s.因此周期的可能值为 0.72 s 和 0.24 s.评论:此题考虑问题要全面,不要漏解,最常扔掉的那个可能周期值为0.24 s.此外,求解此题一定理解在实质振动过程中,哪一段上所用的时间为一个周期.并且为解问题形象直观,一般要画出过程表示图.(2)2 倍振幅法破解振子行程的计算问题.T T 简谐运动的物体,在一个T 内的行程为 4 个振幅, 2 内的行程为 2 个振幅,故当物体在t= n 2 (n= 1,2,3)时间内经过的行程s 为: s=2nA(n =1,2, 3 ).这类计算质点振动中经过行程的方法,称作 2 倍振幅法.[例 2]有一振动的弹簧振子,频次为 5 Hz ,从振子经均衡地点开始计时,在 1 s 内经过的行程为 80 cm ,则振子的振幅为 ________ cm .分析:由频次 f =5 Hz ,则知振动周期 T =1= 1= 0.2 s .在时间 t = 1 s 内,达成半振动次数 n =t =f51T210.则依 2 倍振幅法s =2nA = 2× 10× A = 80 cm因此振幅 A =s80 cm = 4 cm .2n 2 10【同步达纲练习】1.以下对于简谐运动振幅、周期和频次的说法哪些正确 A .振幅是矢量,方向从均衡地点指向最大位移处 B .周期和频次的乘积是一个常数C .振幅增添,周期也必定增添,而频次减小D .做简谐运动的物体,其频次是固定的,与振幅没关2.一个弹簧振子的振幅是A ,若在 t 的时间内物体运动的行程是 s ,则以下关系中可能正确的选项是(包含一定正确的 )A . t = 2T , s = 8AB . t = T/2, s =2AC . t = T/4, s = AD . t =T/4, s > A3.一质点做简谐运动,振幅是 4 cm 、频次是 2.5 Hz ,该质点从均衡地点起向正方向运动,经 2.5 s 质点的位移和行程分别是 (选初始运动方向为正方向 )A . 4 cm , 24 cmB .- 4 cm ,100 cmC . 0 cm , 100 cmD . 4 cm , 100 cm4.一弹簧振子做简谐运动,周期为TA .若 t 时辰和 (t + t) 时辰振子运动速度的大小相等、方向相反,则t 必定等于 T的整数倍2B .若 t 时辰和 (t + t)时辰振子运动位移的大小相等、方向同样,则t 必定等于 T 的整数倍C .若 t = T,则在 t 时辰和 (t +t)时辰弹簧的长度必定相等2D .若 t =T ,则在 t 时辰和 (t + t)时辰振子运动的加快度必定同样5.一弹簧振子分别拉离均衡地点 5 cm 和 1cm 处松手,使它们都做简谐运动,则前后两次振幅之比为________,周期之比为 ________,答复力的最大值之比为 ________.6.有一个弹簧振子,当振幅为4 cm 时,达成 10 次全振动所需的时间为5 s ;当振幅减为 2cm 时,达成20 次全振动所需的时间为 ________s .7.某质点从均衡地点向右做简谐运动,经0. 1 s 速度第 1 次减小到 0.5 m/s ,又经 0.2 s ,速率第 2 次出现0.5 m/s .再经 ________ s 速率第 3 次出现 0.5 m/s ,振动的频次是 ________Hz .参照答案【同步达纲练习】1. BD 2. ABCD3. D 提示: T= 1 = 0.4 s, 2.5= 6T+T,故 x= 4 cm, s=6× 4 A+ A= 25 A= 100 cm.f 44.D提示:相差T奇数倍的两时辰的振子的位移一定大小相等、方向相反,并且速度大小相等、方向也2相反;对弹簧振子,相差半个周期的两时辰,可能对应的是弹簧伸长最长和缩短最短时的地点,故弹簧长度不等.5. 5∶ 1, 1∶ 1, 5∶16. 10提示:振幅改变时周期不变.7. 0.2, 1.25提示:周期T=0.8 s.。
9.2 振幅、周期和频率教学目标:1.知道简谐运动的振幅、周期和频率的含义。
2.理解周期和频率的关系。
3.知道振动物体的固有周期和固有频率,并正确理解与振幅无关。
重点难点:振幅、周期和频率的物理意义;理解振动物体的固有周期和固有频率与振幅无关。
教学方法:实验观察、讲授、讨论,计算机辅助教学。
教具:弹簧振子,音叉,投影仪,计算机,大屏幕,自制CAI课件教学过程1.新课引入上节课讲了简谐运动的现象和受力情况。
我们知道振子在回复力作用下,总以某一位置为中心做往复运动。
现在我们观察弹簧振子的运动。
将振子拉到平衡位置O的右侧,放手后,振子在O点的两侧做往复运动。
振子的运动是否具有周期性?在圆周运动中,物体的运动由于具有周期性,为了研究其运动规律,我们引入了角速度、周期、转速等物理量。
为了描述简谐运动,也需要引入新的物理量,即振幅、周期和频率。
【板书】二振幅、周期和频率(或投影)2.新课讲授实验演示:观察弹簧振子的运动,可知振子总在一定范围内运动。
说明振子离开平衡位置的距离在一定的数值范围内,这就是我们要学的第一个概念——振幅。
【板书】1、振动的振幅(或投影)在弹簧振子的振动中,以平衡位置为原点,物体离开平衡位置的距离有一个最大值。
如图所示(用投影仪投影),振子总在AA’间往复运动,振子离开平衡位置的最大距离为OA或OA’,我们把OA或OA’的大小称为振子的振幅。
【板书】(1)、振幅A:振动物体离开平衡位置的最大距离。
(或投影)我们要注意,振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离,而不是最大位移。
这就意味着,振幅是一个数值,指的是最大位移的绝对值。
【板书】振幅是标量,表示振动的强弱。
(或投影)实验演示:轻敲一下音叉,声音不太响,音叉振动的振幅较小,振动较弱。
重敲一下音叉,声音较响,音叉振动的振幅较大,振动较强。
振幅的单位和长度单位一样,在国际单位制中,用米表示。
【板书】(2)、单位:m(或投影)由于简谐运动具有周期性,振子由某一点开始运动,经过一定时间,将回到该点,我们称振子完成了一次全振动。
机械振动、振幅周期和频率一、教学目标1.在物理知识方面的要求:(1)知道什么是机械振动;(2)知道怎样描述机械振动。
2.通过观察演示实验,让学生明确机械振动的共同特点,从而总结出机械振动的定义,进而引出表示机械振动的物理量。
3.在物理方法的教学中,由于这部分内容在教材中只介绍一个轮廓,把定量的讨论放低,只做定性的研究,要用定性的语言来叙述和分析比较复杂的物理现象,因此在教学过程中要注重学生用语言来叙述和分析比较复杂物理过程的培养。
二、重点、难点分析1.重点(1)明确产生机械振动的条件。
(2)对表示机械振动的位移、速度、加速度等物理量特点的理解。
(3)对回复力概念的理解和判断。
(4)对表示机械振动的物理量(振幅、周期、频率)的掌握。
2.难点是机械振动这种复杂运动形式的理解和描述。
三、教具演示机械振动的弹簧振子、单摆、大口瓶与鱼漂等。
四、主要教学过程(一)引入新课演示几种振动:弹簧振子,单摆,在大口水瓶中上下振动的鱼漂。
让学生观察上述运动的共同特点——往复性。
(二)教学过程设计1.机械振动(1)机械振动的定义:物体或物体的一部分在平衡位置附近来回做往复运动叫做机械振动,常常简称振动。
(2)产生机械振动的条件平衡位置:振动停止时物体所在的位置。
回复力:使振动物体回到平衡位置的力。
分析水平的弹簧振子的振动过程,可以请学生说:当振子离开平衡位置时,能够使振子回到平衡位置的力是哪个力?这个力的特点是怎样的?再分析图1弹簧下端的物体的振动。
将物体由平衡位置向下拉下一小段距离后释放,当物体在平衡位置下方时,重物所受合外力向上指向平衡位置;当重物在平衡位置上方时,重物所受合外力向下指向平衡位置。
就是说,重物偏离平衡位置后,总受到一个指向平衡位置的力的作用,在这个力的作用下,重物将回到平衡位置,这个合力就是回复力,在这个实验中回复力是由重力和弹簧的合力来充当的。
回复力是根据力的效果来命名的。
产生机械振动的条件:(1)物体离开平衡位置后,受到回复力的作用;(2)运动中物体所受到的阻力足够小。