第十一章 单元检测

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第十一章 机械振动(时间:90分钟 满分:100分)一、选择题(本题共10个小题,每小题4分,共40分)图11.如图1所示,劲度系数为k 的轻弹簧一端挂在天花板上,O 点为弹簧自然伸长时下端点的位置.当在弹簧下端挂钩上挂一质量为m 的砝码后,砝码开始由O 位置起做简谐运 动,它振动到下面最低点位置A 距O 点的距离为l 0,则( )A .振动的振幅为l 0B .振幅为l 02C .平衡位置在O 点D .平衡位置在OA 中点B 的上方某一点2.质点沿x 轴做简谐运动,平衡位置为坐标原点O ,质点经过a 点和b 点时速度相同, 所花时间t ab =0.2 s ;质点由b 点再次回到a 点花的最短时间t ba =0.4 s ;则该质点做简谐运动的频率为( )A .1 HzB .1.25 HzC .2 HzD .2.5 Hz 3.关于简谐运动的周期,以下说法正确的是( )A .间隔一个周期的两个时刻,物体的振动情况完全相同B .间隔半个周期奇数倍的两个时刻,物体的速度和加速度可能同时相同C .半个周期内物体动能的变化一定为零D .一个周期内物体势能的变化一定为零 4.图2如图2所示,三根细线于O 点处打结,A 、B 两端固定在同一水平面上相距为L 的两点 上,使AOB 成直角三角形,∠BAO = 30°.已知OC 线长是L ,下端C 点系着一个小球(忽略小球半径),下面说法正确的是( )A .让小球在纸面内摆动,周期T =2π L /gB .让小球在垂直纸面方向摆动,周期T =2π 3L /2gC .让小球在纸面内摆动,周期T =2π 3L /2gD .让小球在垂直纸面内摆动,周期T =2π L /g 5.如图3所示,图3A 、B 分别为单摆做简谐运动时摆球的不同位置.其中,位置A 为摆球摆动的最高位置, 虚线为过悬点的竖直线.以摆球最低位置为重力势能零点,则摆球在摆动过程中( ) A .位于B 处的动能最大 B .位于A 处时势能最大C .在位置A 的势能大于在位置B 的动能D .在位置B 的机械能大于在位置A 的机械能6.某振动系统的固有频率为f 0 ,在周期性驱动力的作用下做受迫振动,驱动力的频率 为f .若驱动力的大小保持不变,下列说法正确的是( ) A .当f <f 0时,该振动系统的振幅随f 增大而减小 B .当f >f 0时,该振动系统的振幅随f 减小而增大 C .该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f 0 D .该振动系统的振动稳定后,振动的频率等于f图47.如图4所示,两个质量分别为M 和m 的小球,悬挂在同一根纸面上,当M 在垂直于纸面的平面内摆动时,下列说法正确的是( )A .两摆的振动周期是相同的B .当两摆的摆长相等时,m 摆的振幅最大C .悬挂M 的竖直细线长度变化时,m 的振幅不变D .m 摆的振幅可能超过M 摆的振幅图58.如图5所示,一个弹簧振子在A 、B 间做简谐运动,O 是平衡位置,以某时刻作为计时零点(t =0),经过14周期,振子具有正方向的最大加速度,那么下列四个x -t 运动图象中能正确反映运动情况的图象是( )9.如图6所示,下列说法正确的是( )图6A .振动图象上的A 、B 两点振动物体的速度相同B .在t =0.1 s 和t =0.3 s 时,质点的加速度大小相等,方向相反C .振动图象上A 、B 两点的速度大小相等,方向相反D .质点在t =0.2 s 和t =0.3 s 时的动能相等 10.一砝码和一轻弹簧构成弹簧振子,图7甲所示的装置可用于研究该弹簧振子的受迫 振动.匀速转动把手时,曲杆给弹簧振子以驱动力,使振子做受迫振动.把手匀速转动的周期就是驱动力的周期,改变把手匀速转动的速度就可以改变驱动力的周期.若保持 把手不动,给砝码一向下的初速度,砝码便做简谐运动,振动图线如图乙所示.当把手 以某一速度匀速转动,受迫振动达到稳定时,砝码的振动图线如图丙所示.若用T 0表示弹簧振子的固有周期,T 表示驱动力的周期,Y 表示受迫振动达到稳定后砝码振动的振 幅,则( )图7A .由图线可知T 0=4 sB .由图线可知T 0=8 sC .当T 在4 s 附近时,Y 显著增大;当T 比4 s 小得多或大得多时,Y 很小11.(10分)在利用单摆测定重力加速度的实验中: (1)实验中,应选用下列哪些器材为好?①1米长细线 ②1 米长粗线 ③10厘米细线④泡沫塑料小球 ⑤小铁球 ⑥110秒刻度停表⑦时钟 ⑧厘米刻度米尺 ⑨毫米刻度米尺 答:____________.图8(2)实验中,测出不同摆长对应的周期值T ,作出T 2-l 图象,如图8所示,T 2与l 的关系式是T 2=____________,利用图线上任两点A 、B 的坐标(x 1,y 1)、(x 2,y 2)可求出图线斜 率k ,再由k 可求出g =____________.(3)在实验中,若测得的g 值偏小,可能是下列原因中的( ) A .计算摆长时,只考虑悬线长度,而未加小球半径 B .测量周期时,将n 次全振动误记为n +1次全振动 C .计算摆长时,将悬线长加小球直径 D .单摆振动时,振幅偏小12.(10分)一个在地球上做简谐运动的单摆.其振动图象如图9所示.则此单摆的摆长 约为______,今将此单摆移至某一行星上,其简谐运动的图象如图10所示.若已知该行星的质量为地球质量的2倍.则该行星表面的重力加速度为地球表面重力加速度的______倍;该行星的半径与地球半径之比为______.图9图10三、计算题(本题共3小题,共40分)13.(12分)几个登山运动员登上一座地图上没有标明高度的山峰,他们只带了一些轻质细绳子、钢卷尺、可当作停表用的手表,山顶上还有形状不规则的石子和矮树,他们知道地球半径为R0,海平面处的重力加速度为g0.请根据以上条件,为他们设计测量山峰海拔高度的方法.(1)写出操作步骤和需要直接测量的物理量(物理量用字母符号表示).(2)推导出用以上直接测出的物理量表示山峰海拔高度的计算式(要求写出推导过程).14.(12分)图11如图11所示,轻弹簧的下端系着A、B两球,m A=100 g,m B=500 g,系统静止时弹簧伸长x=15 cm,未超出弹性限度.若剪断A、B间绳,则A在竖直方向做简谐运动.求:(1)A的振幅多大?(2)A球的最大加速度多大?(g取10 m/s2)15.(16分)将一测力传感器连接到计算机上就可以测量快速变化的力.图12甲中O点为单摆的固定悬点,现将小摆球(可视为质点)拉至A点,此时细线处于张紧状态,释放摆球,则摆球将在竖直平面内的A、B、C之间来回摆动,其中B点为运动中的最低位置,∠AOB=∠COB=θ,θ小于5°且是未知量.图乙表示由计算机得到的小球对摆线的拉力大小F随时间t变化的曲线,且图中t=0时刻为摆球从A点开始运动的时刻.试根据力学规律和题中(包括图中)所给的信息求:(g取10 m/s2)图12(1)单摆的振动周期和摆长; (2)摆球的质量;(3)摆球运动过程中的最大速度.单元检测卷答案解析 第十一章 机械振动1.B2.B [由题意知a 、b 两点关于O 点对称,由t ab =0.2 s 、t ba =0.4 s 知,质点经过b 点后还要继续向最大位移处运动,直到最大位移处,然后再回来经b 点到a 点,则质点由b点到最大位移处再回到b 点所用时间为0.2 s ,则质点做简谐运动的T 4=12t ab +12(t ba -t ab ),解得周期T =0.8 s ,频率f =1T=1.25 Hz.]3.ACD [根据周期的意义知,物体完成一次全振动,所有的物理量都恢复到初始状态, 所以A 、D 正确;当间隔半个周期的奇数倍时,所有的矢量都变得大小相等、方向相反, 故B 选项错误;由于间隔半个周期各矢量大小相等,所以物体的动能必定相等,没有变化,所以C 也正确.经历整数个周期时,物体回到原位置;经历半个周期的奇数倍时, 物体一定在关于平衡位置对称的位置上,必定具有相同的速率、动能,故正确选项为A 、C 、D.]4.A [让小球在纸面内摆动,在摆角很小时,单摆以O 点为圆心,摆长为L ,周期为T=2π Lg.让摆球在垂直纸面内摆动,摆球以OC 的延长线与AB 交点为中心摆动,摆长为L +L 2cos 30°=L +34L ,周期为T ′,T ′=2π 4+34gL .]5.BC [单摆摆动过程中,机械能守恒,在最高点时重力势能最大,最低位置时动能最大,故B 正确,A 错误;在B 点,E B =E k B +E p B =E p A ,故C 正确,D 错误.]6.BD [受迫振动的频率总等于驱动力的频率,D 正确;驱动力频率越接近固有频率, 受迫振动的振幅越大,B 正确.]7.ABD [M 摆动时,m 摆做受迫振动,稳定后,m 摆的振动周期等于驱动力的周期, 即等于M 摆的周期,故选项A 正确;当m 摆长与M 摆长相等时,两者的固有频率相等,而M 摆的固有周期就是使m 做受迫振动的驱动力周期,可见m 摆处于共振状态,选项 B 正确;M 摆摆长发生变化,就是使m 做受迫振动的驱动力周期发生变化,由于m 的固有周期不变,这样两个周期差别就发生了变化,因而m 的振幅也会发生变化,选项C 错误;单摆振动的能量不仅与振幅有关,还跟振动系统的质量有关.如果M 的质量比m 的大得多,从M 向m 传递的能量有可能使m 的振幅大于M 的振幅,选项D 正确.]8.D [从t =0开始经过14周期,振子具有正向的最大加速度,则位移为负的最大值.故D 正确.]9.BC [A 、B 两点位移相同,速度大小相等,但方向相反,因此A 错,C 对.t =0.1 s和t =0.3 s 质点离开平衡位置的位移最大,方向相反,由F =-kx ,a =-kxm可知B 对.T=0.2 s 时,物体通过平衡位置,速度最大,动能最大,而t =0.3 s 时,速度为零,动能 最小,故D 错.]10.AC [图乙是弹簧振子未加驱动力时的周期,故由图线读出的周期为其振动的固有 周期,即T 0=4 s ;图丙是弹簧振子在驱动力作用下的振动图线,做受迫振动的物体,其振动的周期等于驱动力的周期,即T =8 s .当受迫振动的周期与驱动力的周期相同时, 其振幅最大;周期差别越大,其运动振幅越小.由以上分析可知正确选项为A 、C.]11.(1)①⑤⑥⑨ (2)4π2g l 4π2y 2-y 1(x 2-x 1)(3)A解析 (1)实验中摆线要选1 m 左右的细线,摆球质量要大,体积要小,计时要精确即用停表;(2)T 2-l 图象是一条过原点的直线,斜率k =4π2g ,即g =4π2k =4π2y 2-y 1(x 2-x 1);(3)g 值偏小可能是由于摆长偏短或周期偏大造成的,故选项A 正确.12.1 m 1422∶1解析 由题图知,其在地球表面上振动周期T =2 s ,而T =2π l g ,有l =T 2g4π2,近似计算时可取π2=10,g =10 m/s 2,可解得l =1 m.由题图知,在某行星上振动周期T ′=4 s ,而T ′=2π l g ′,则T ′T = gg ′,g ′=g 4.由g =G MR 2,g ′=GM ′R ′2,可得R ′/R = M ′M ·g g ′=22∶1. 13.见解析解析 (1)用细绳和石子做一个单摆悬挂在树上,用钢卷尺量出摆绳长L 1,用手表测出摆动周期T 1,改变摆绳长至L 2,测出摆动周期T 2.(2)由(1)得山顶的重力加速度g =4π2(L 1-L 2)T 21-T 22. 因为地面的重力加速度g 0=GM R 20,山顶的重力加速度g =GM(R 0+h )2,由上述两式可得h =R 02π g 0(T 21-T 22)L 1-L 2-R 0. 14.(1)12.5 cm (2)50 m/s 2解析 (1)设只挂A 球时弹簧伸长量x 1=m A gk .由(m A +m B )g =kx ,得k =(m A +m B )g x,即x 1=m Am A +m Bx =2.5 cm. 振幅A =x -x 1=12.5 cm(2)剪断细绳瞬间,A 受弹力最大,合力最大,加速度最大. 根据牛顿第二定律得F =(m A +m B )g -m A g =m B g =m A a maxa max =m B g m A=5g =50 m/s 2.15.(1)0.4π s 0.4 m (2)0.05 kg(3)0.283 m/s解析(1)由题图乙可知周期T=0.4π s由T=2πlg有l=T2g/4π2解得l=0.4 m(2)小球在B点所受拉力最大,F max=0.510 N 有F max-mg=m v2/l①在A和C点所受拉力最小,F min=0.495 N,有F min=mg cos θ②从A到B的过程中摆球的机械能守恒,有mgl(1-cos θ)=m v2/2③由①②③式消去cos θ和v2有m=(F max+2F min)/3g代入数据得m=0.05 kg(3)由①式解得v≈0.283 m/s。