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机械振动与机械波1. 如图所示为一列沿x 轴正方向传播的简谐横波在t 时刻的波形图。
已知该波的周期为T ，a 、b 、c 、d为沿波传播方向上的四个质点，则下列说法中正确的是（ ）A ．在2Tt +时，质点c 的速度达到最大值B ．在2t T +时，质点d 的加速度达到最大值C ．从t 时刻起，质点a 比质点b 先回到平衡位置D ．从t 时刻起，在一个周期内，a 、b 、c 、d 四个质点所通过的路程均为一个波长【解析】波沿x 轴正方向传播，所以质点b 比质点a 先回到平衡位置，选项C 错误；一个周期的时间里，各质点的路程4倍的振幅，而不是一个波长，选项D 错误。
【答案】B 1．图甲为一列简谐横波在t =0.10s 时刻的波形图，P 是平衡位置为x =1 m 处的质点，Q 是平衡位置为x =4 m处的质点，图乙为质点Q 的振动图象，则 A ．t =0.15s 时，质点Q 的加速度达到正向最大 B ．t =0.15s 时，质点P 的运动方向沿y 轴正方向 C ．从t =0.10s 到t =0.25s ，该波沿x 轴正方向传播了6 m D ．从t =0.10s 到t =0.25s ，质点P 通过的路程为30 cm【解析】由乙图中Q 点的振动图象可知t=0.15s 时Q 点在负的最大位移处，故具有正向最大加速度，故Ay/cmy/cm x/m10246 80 t/10-2s105 10 15 20 0 QP甲 乙正确；甲图描述的是t=0.10s 时的波动图象，而根据乙图可知t=0.10s 到t=0.25s 内Q 点将向下振动，这说明在甲图中此时Q 点将向下振动，根据质点振动方向和波传播方向的关系可知，波向左传播，判定出经过四分之一周期即t=0.15s 时质点P 运动方向为Y 轴负方向，故B 错误；根据甲乙两图可知波长和周期，则波速：v=Tλ=40m/s ，故从t=0.10s 到t=0.25s ，波沿x 负方向传播了6m ，而并非沿x 轴正方向传播，故C 错误；质点在一个周期内通过的路程为4个振幅长度，结合0.10s 时P 点的位置可知在t=0.10s 到t=0.25s 的四分之三周期内，质点P 通过的路程小于三个振幅即小于30cm ，故D 错误．故选A ．2.（2013·北京海淀二模，18题）—根弹性绳沿x 轴放置，左端位于坐标原点，用手握住绳的左端，当t= 0时使其开始沿y 轴做简谐运动，在t=0.25s 时，绳上形成如图4所示的波形。
高考物理专题力学知识点之机械振动与机械波分类汇编及答案一、选择题1．一简谐横波沿水平绳向右传播，波速为v ，传播周期为T ，介质中质点的振幅为A 。
绳上两质点M 、N 的平衡位置相距34波长，N 位于M 右方。
设向上为正，在t =0时刻M 位移为2A +，且向上运动；经时间t （t ＜T ），M 位移仍为2A+，但向下运动，则（ ）A ．在t 时刻，N 位移为负，速度向下B ．在t 时刻，N 位移为负，速度向上C ．在t 时刻，N 恰好在波谷位置D ．在t 时刻，N 恰好在波峰位置 2．下列关于简谐振动和简谐机械波的说法正确的是（ ） A ．简谐振动的平衡位置一定是物体所受合外力为零的位置。
B ．横波在介质中的传播速度由波源本身的性质决定。
C ．当人向一个固定的声源跑去，人听到的音调变低了。
D ．当声波从空气进入水中时，声波的频率不变，波长变长。
3．如图所示，弹簧振子以O 点为平衡位置，在M 、N 两点之间做简谐运动．下列判断正确的是（ ）A ．振子从O 向N 运动的过程中位移不断减小B ．振子从O 向N 运动的过程中回复力不断减小C ．振子经过O 时动能最大D ．振子经过O 时加速度最大4．如图是一弹簧振子做简谐运动的图像，下列说法中正确的是（ ）A ．质点振动的振幅为2cmB ．质点振动的频率为4HzC ．在2s 末，质点的加速度最大D ．在2s 末，质点的速度最大5．图甲所示为以O 点为平衡位置、在A 、B 两点间做简谐运动的弹簧振子，图乙为这个弹簧振子的振动图象，由图可知下列说法中正确的是A．在t＝0.2s时，弹簧振子运动到O位置B．在t＝0.1s与t＝0.3s两个时刻，弹簧振子的速度相同C．从t＝0到t＝0.2s的时间内，弹簧振子的动能持续地减小D．在t＝0.2s与t＝0.6s两个时刻，弹簧振子的加速度相同6．关于下列四幅图的说法中，正确的是（）A．图甲中C摆开始振动后，A、B、D三个摆中B摆的振幅最大B．图乙为两列水波产生的干涉图样，这两列水波的频率可以不同C．图丙是波的衍射现象，左图的衍射更明显D．图丁是声波的多普勒效应，该现象说明，当观察者与声源相互靠近时，他听到的声音频率变低了7．一列简谐横波沿x轴传播，t=0时刻的波形如图所示．则从图中可以看出（）A．这列波的波长为5mB．波中的每个质点的振动周期为4sC．若已知波沿x轴正向传播，则此时质点a向下振动D．若已知质点b此时向上振动，则波是沿x轴负向传播的8．弹簧振子以O点为平衡位置，在水平方向上的A、B两点间做简谐运动，以下说法正确的是 ( )A．振子在A、B两点时的速度和加速度均为零B．振子在通过O点时速度的方向将发生改变C．振子的加速度方向总跟速度方向相反D．振子离开O点运动总是减速运动，靠近O点的运动总是加速运动9．一条绳子可以分成一个个小段，每小段都可以看做一个质点，这些质点之间存在着相互作用。
机械振动振动类型：机械振动，交流电中电流和电压的振动，电磁学中电场和磁场的振动等。
这些振的物理本质不同，但遵守的基本规律相同。
机械振动形象直观，最简单的机械振动是简谐运动。
1．简谐运动物体的受力特征：质点离开平衡位置后所受合力是线性回复力 kx F -= 式中 x 为质点相对于平衡位置的位移，k 为力常数。
2．简谐运动的矢量图示分析法：如图所示，矢量OP 绕x 轴上的坐标原点O 沿逆时针方向匀速转动，则P 做匀速圆周运动，P 在x 轴上的投影点Q 的运动就是简谐运动，O 为平衡位置，OP 的长为振幅值。
简谐运动的周期等于圆周运动的周期。
这种用旋转矢量表示简谐运动的方法称为矢量图示法。
P 通过的圆为参考圆。
3．简谐运动的位移、速度和加速度方程 如图，令OP 长为A ，其旋转角速度为ω，在t=0时矢量OP与x 夹角为φ0，则经过时间t ，P 在x 轴上投影点Q 的位移为()0cos φω+==t A OQ x ，此方程即为简谐运动的位移方程。
参考圆上参考点P 的线速度v P 在x 轴上的投影就等于Q 点作简谐运动的速度⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2cos 0πφωt v v P ，式中A v P ω=为速度的幅值。
参考圆上参考点P 的向心加速度a P 在x 轴上的投影就等于Q 点做简谐运动的加速度()0cos φω+-=t a a P 。
其中A a P 2ω=为加速度的幅值。
4．简谐运动的图象图象是从另一角度来描述物体的运动特征的，它与方程相比较具有形象直观的特点。
如下图中的甲、乙、丙三图分别表示简谐运动物体的位移——时间，速度——时间，加速度——时间图象。
2π（或者说落后2），加速度相位比位移相位超前π（或者说落后π）。
5．简谐运动的固有周期和频率由牛顿第二定律和简谐运动的受力特征有 x mk m F a -==回………………① 由位移方程)c o s (0ϕω+=t A x 和加速度方程)c o s (02ϕωω+-=t A a 可得x a 2ω-= ……………②联立①②两式可得m k =2ω，又T πω2=代入可得km T π2=其固有周期由系统本身的特性决定，与其他外部因素无关。
高中物理-机械振动机械波专题(2017-2019)近三年高考真题物理分类汇编-(解析版)(总11页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除专题16 机械振动和机械波1．（2019·新课标全国Ⅰ卷）一简谐横波沿x 轴正方向传播，在t =2T时刻，该波的波形图如图（a ）所示，P 、Q 是介质中的两个质点。
图（b ）表示介质中某质点的振动图像。
下列说法正确的是A ．质点Q 的振动图像与图（b ）相同B ．在t =0时刻，质点P 的速率比质点Q 的大C ．在t =0时刻，质点P 的加速度的大小比质点Q 的大D ．平衡位置在坐标原点的质点的振动图像如图（b ）所示E ．在t =0时刻，质点P 与其平衡位置的距离比质点Q 的大【答案】CDE【解析】由图（b ）可知，在2Tt =时刻，质点正在向y 轴负方向振动，而从图（a ）可知，质点Q 在2T t =正在向y 轴正方向运动，故A 错误；由2Tt =的波形图推知，0t =时刻，质点P 正位于波谷，速率为零；质点Q 正在平衡位置，故在0t =时刻，质点P 的速率小于质点Q ，故B 错误；0t =时刻，质点P 正位于波谷，具有沿y 轴正方向最大加速度，质点Q 在平衡位置，加速度为零，故C 正确；0t =时刻，平衡位置在坐标原点处的质点，正处于平衡位置，沿y 轴正方向运动，跟（b ）图吻合，故D 正确；0t =时刻，质点P 正位于波谷，偏离平衡位置位移最大，质点Q 在平衡位置，偏离平衡位置位移为零，故E 正确。
故本题选CDE 。
2．（2019·新课标全国Ⅱ卷）如图，长为l 的细绳下方悬挂一小球a 。
绳的另一端固定在天花板上O 点处，在O 点正下方34l 的O '处有一固定细铁钉。
将小球向右拉开，使细绳与竖直方向成一小角度（约为2°）后由静止释放，并从释放时开始计时。
高中物理奥赛讲义：机械振动和机械波内容综述：机械振动是质点机械运动的一种重要形态，它比质点的匀速运动、匀变速直线运动都复杂。
机械波是机械振动在介质中的传播，是有相互作用的一系列质点对机械振动的有序传递运动。
对机械振动和机械波的研究有重要意义，在后面还要学习交流电、电磁振荡和电磁波、光波、虽然它们的物理本质和具体形式不同，但很多规律是相同的。
因此，理解和掌握了机械振动和机械波的基本特征和基本规律，对学习有相同规律的其它知识就会触类旁通，容易掌握。
在生产和生活中常见的机械振动和机械波是比较复杂的。
在物理学中，对于一个复杂的运动可以看成是由若干个简单运动合成的，这些简单的运动是一些最基本的运动，掌握了这些基本的运动规律，其合运动规律就清楚了，这是物理学的一种研究方法，简谐运动和简谐波是一种最简单并且是最基本的机械振动和机械波，一些复杂的机械振动和机械波都可以看成是由它们合成的，因此我们主要学习简谐运动和简谐波。
在本期中，阐述质点做简谐运动的条件；介绍简谐运动的一种研究方法参考圆；阐明描述简谐运动的物理量振幅、周期、频率、相位；分析简谐运动方程和图象。
要点讲解：1．质点做简谐运动的条件振动是物体（质点）在一定位置附近的往复运动，这个位置称为平衡位置。
当物体离开平衡位置时，总要受到指向平衡位置的力，这个力称为回复力。
物体在离开平衡位置时必须受到回复力的作用是一切振动的产生条件，但是回复力的规律不同，产生的振动规律也不同。
物体做简谐运动的条件是：物体受回复力F的大小跟位移x的大小成正比，方向跟位移方向相反，写成数学表达式即：F=-Kx（1）在这里要注意正确理解两点:第一，做简谐运动物体的位移是相对于平衡位置的，位移的方向总是由平衡位置指向物体，而回复力总由物体是指向平衡位置，所以回复力总跟位移方向相反，式中的负号表示了这种相反关系．第二，公式中的K表示回复力大小跟位移大小的比例系数。
对于一个确定的简谐运动，K是一个常量，对不同的简谐运动，K有不同的值。
高考物理最新力学知识点之机械振动与机械波图文解析一、选择题1．弹簧振子以O点为平衡位置，在水平方向上的A、B两点间做简谐运动，以下说法正确的是 ( )A．振子在A、B两点时的速度和加速度均为零B．振子在通过O点时速度的方向将发生改变C．振子的加速度方向总跟速度方向相反D．振子离开O点运动总是减速运动，靠近O点的运动总是加速运动2．做简谐运动的物体，下列说法正确的是A．当它每次经过同一位置时，位移可能不同B．当它每次经过同一位置时，速度可能不同C．在一次全振动中通过的路程不一定为振幅的四倍D．在四分之一周期内通过的路程一定为一倍的振幅3．如图为一弹簧振子做简谐运动的位移﹣时间图象，在如图所示的时间范围内，下列判断正确的是（）A．0.2s时的位移与0.4s时的位移相同B．0.4s时的速度与0.6s时的速度相同C．弹簧振子的振动周期为0.9s，振幅为4cmD．0.2s时的回复力与0.6s时的回复力方向相反4．如图所示，A、B两物体组成弹簧振子，在振动过程中，A、B始终保持相对静止，下列给定的四幅图中能正确反映振动过程中物体A所受摩擦力F f与振子对平衡位置位移x关系的图线为A．B．C．D．5．如图是一弹簧振子做简谐运动的图像，下列说法中正确的是（）A．质点振动的振幅为2cmB．质点振动的频率为4HzC．在2s末，质点的加速度最大D．在2s末，质点的速度最大6．一洗衣机在正常工作时非常平稳，当切断电源后，发现洗衣机先是振动越来越剧烈，然后振动再逐渐减弱，对这一现象，下列说法正确的是（）①正常工作时，洗衣机波轮的运转频率比洗衣机的固有频率大；②正常工作时，洗衣机波轮的运转频率比洗衣机的固有频率小；③正常工作时，洗衣机波轮的运转频率等于洗衣机的固有频率；④当洗衣机振动最剧烈时，波轮的运转频率恰好等于洗衣机的固有频率．A．①B．③C．①④D．②④7．下列说法中正确的是（）A．只有横波才能发生干涉，纵波不能发生干涉B．“闻其声而不见其人”现象说明遇到同样障碍物时声波比可见光容易发生衍射C．在受迫振动中，物体振动的频率一定等于自身的固有频率D．发生多普勒效应时，观察者接收的频率发生了变化，是波源的频率变化的缘故8．如图所示是一弹簧振子在水平面做简谐运动的图像，那么振动系统在( )A．t3 和t5具有相同的动能和动量B．t3 和t4具有相同的动能和不同的动量C．t2 和t5时刻振子所受的回复力大小之比为 2:1D．t1 和t4时刻具有相同的加速度和速度9．两个弹簧振子，甲的固有频率是100Hz ，乙的固有频率是400Hz ，若它们均在频率是300Hz 的驱动力作用下做受迫振动，则 （ ）A ．甲的振幅较大，振动频率是100HzB ．乙的振幅较大，振动频率是300HzC ．甲的振幅较大，振动频率是300HzD ．乙的振幅较大，振动频率是400Hz10．图甲所示为以O 点为平衡位置、在A 、B 两点间做简谐运动的弹簧振子，图乙为这个弹簧振子的振动图象，由图可知下列说法中正确的是A ．在t ＝0.2s 时，弹簧振子运动到O 位置B ．在t ＝0.1s 与t ＝0.3s 两个时刻，弹簧振子的速度相同C ．从t ＝0到t ＝0.2s 的时间内，弹簧振子的动能持续地减小D ．在t ＝0.2s 与t ＝0.6s 两个时刻，弹簧振子的加速度相同11．如图所示，质量为m 的物块放置在质量为M 的木板上，木板与弹簧相连，它们一起在光滑水平面上做简谐振动，周期为T ，振动过程中m 、M 之间无相对运动，设弹簧的劲度系数为k 、物块和木板之间滑动摩擦因数为μ，A ．若t 时刻和()t t +∆时刻物块受到的摩擦力大小相等，方向相反，则t ∆一定等于2T 的整数倍 B ．若2T t ∆=，则在t 时刻和()t t +∆时刻弹簧的长度一定相同 C ．研究木板的运动，弹簧弹力充当了木板做简谐运动的回复力 D ．当整体离开平衡位置的位移为x 时，物块与木板间的摩擦力大小等于m kx m M+ 12．下列关于简谐振动和简谐机械波的说法正确的是（ ）A ．简谐振动的平衡位置一定是物体所受合外力为零的位置。
高中物理竞赛机械振动和机械波知识点讲解知识点击1．简谐运动的描述和基本模型⑴简谐振动的描述：当一质点，或一物体的质心偏离其平衡位置x，且其所受合力kk2???xx?a???0)kx??(k?F满足，故得，F mm则该物体将在其平衡位置附近作简谐振动。
⑵简谐运动的能量：一个弹簧振子的能量由振子的动能和弹簧的弹性势能构成，111?222??kx??mkAE即222?F??kx，那么这个物体⑶简谐运动的周期：如果能证明一个物体受的合外力?m2?2??T，式中m一定做简谐运动，而且振动的周期是振动物体的质量。
?k⑷弹簧振子：恒力对弹簧振子的作用：只要m和k都相同，则弹簧振子的振动周期T就是相同的，这就是说，一个振动方向上的恒力一般不会改变振动的周期。
多振子系统：如果在一个振动系统中有不止一个振子，那么我们一般要找振动系统的等效质量。
悬点不固定的弹簧振子：如果弹簧振子是有加速度的，那么在研究振子的运动时应加上惯性力．5⑸单摆及等效摆：单摆的运动在摆角小于l?l和0时可近似地看做是一个简谐运动，振g2T?的含义及值会发生变化。
，在一些“异型单摆”中，动的周期为g（6）同方向、同频率简谐振动的合成：若有两个同方向的简谐振动，它们的圆频率??，则它们的运动学方程分别为和和都是ω，振幅分别为AA，初相分别为2121??)cos(A?t?x111??)cos(A?t?x222x仍应在同一直线因振动是同方向的，所以这两个简谐振动在任一时刻的合位移x?x?x上，而且等于这两个分振动位移的代数和，即21??)tAcos(?x?由旋转矢量法，可求得合振动的运动学方程为这表明，合振动仍是简谐振动，它的圆频率与分振动的圆频率相同，而其合振幅为22??)Acos(?AA?A?2A?121122??sinsinA?A?2211?tan合振动的初相满足??cosA?Acos2112 2．机械波：（1）机械波的描述：如果有一列波沿x 方向传播，振源的振动方程为y=Acosωt，?，那么在离振源x波的传播速度为远处一个质点的振动方程便是x???(t??Acos)y，在此方程中有两个自变量：t和x，当t不变时，这个方程描写?????某一时刻波上各点相对平衡位置的位移；当x不变时，这个方程就是波中某一点的振动方程．（2）简谐波的波动方程：简谐振动在均匀、无吸收的弹性介质中传播所形成的波ox xyo?轴正方向传播，振沿平面内，以波速叫做平面简谐波。
高考物理专题力学知识点之机械振动与机械波分类汇编附解析一、选择题1．如图所示，弹簧振子在A 、B 之间做简谐运动．以平衡位置O 为原点，建立Ox 轴．向右为x 轴的正方向．若振子位于B 点时开始计时，则其振动图像为（ ）A ．B ．C ．D ．2．已知在单摆a 完成10次全振动的时间内，单摆b 完成6次全振动，两摆长之差为1.6 m ．则两单摆摆长l a 与l b 分别为( ) A ．l a ＝2.5 m ，l b ＝0.9 m B ．l a ＝0.9 m ，l b ＝2.5 m C ．l a ＝2.4 m ，l b ＝4.0 mD ．l a ＝4.0 m ，l b ＝2.4 m3．下列关于单摆运动过程中的受力说法，正确的是（ ） A ．单摆运动的回复力是重力和摆线拉力的合力 B ．单摆运动的回复力是重力沿圆弧切线方向的一个分力 C ．单摆过平衡位置时，所受的合力为零 D ．单摆运动的回复力是摆线拉力的一个分力4．如图所示，质量为m 的物块放置在质量为M 的木板上，木板与弹簧相连，它们一起在光滑水平面上做简谐振动，周期为T ，振动过程中m 、M 之间无相对运动，设弹簧的劲度系数为k 、物块和木板之间滑动摩擦因数为μ，A ．若t 时刻和()t t +∆时刻物块受到的摩擦力大小相等，方向相反，则t ∆一定等于2T 的整数倍B ．若2Tt ∆=，则在t 时刻和()t t +∆时刻弹簧的长度一定相同 C ．研究木板的运动，弹簧弹力充当了木板做简谐运动的回复力D ．当整体离开平衡位置的位移为x 时，物块与木板间的摩擦力大小等于mkx m M+5．一列简谐横波沿x轴传播，某时刻的波形如图所示，质点a、b均处于平衡位置，质点a正向上运动．则下列说法正确的是A．波沿x 轴负方向传播B．该时刻质点b正向上运动C．该时刻质点a、b的速度相同D．质点a、b的振动周期相同6．下图表示一简谐横波波源的振动图象．根据图象可确定该波的（）A．波长，波速B．周期，振幅C．波长，振幅D．周期，波速7．一质点做简谐运动的图象如图所示，该质点在t=3.5s时刻( )A．速度为正、加速度为正B．速度为负、加速度为负C．速度为负、加速度为正D．速度为正、加速度为负8．如图所示为一列沿x轴负方向传播的简谐横波在t1＝0时的波形图。
专题六 机械振动和机械波【基本内容】 一、机械振动1、物体在它的平衡位置附近所作的往复运动．如声源的振动、钟摆的摆动等．2、产生振动的条件：有恢复力的作用且所受阻力足够小．3、回复力：物体离开平衡位置时所受到的指向平衡位置的力． 二、简谐振动1、简谐振动：如果一个物体振动的位移按余弦（或正弦）函数的规律时间变化,称这种运动为简谐振动．2、周期与频率：物体进行一次全振动（振动物体运动状态完全重复一次）所需要的时间,称为振动的周期T ；单位时间的全振动次数称为频率ν,2π秒内的全振动次数称为圆频率ω．3、振幅A ：质点离开平衡位置的最大位移的绝对值,称为振幅．4、相位：振动方程中的t ωϕ+称为相位．5、简谐振动的振动曲线：振动位移时间的变化关系曲线称为振动曲线．如图所示．6、旋转矢量表示法如图所示,当矢量OM 绕其始点（坐标原点）以角速度ω做匀速转动时,其末端在x 轴上的投影点P 的运动简谐振动．三、简谐振动的能量与共振1、以弹簧振子为例,简谐振动的能量为 222212121kA kx mv E E E P K =+=+=2、阻尼振动：在阻尼作用下振幅逐渐减少的振动称为阻尼振动,其振动方程为0cos()t x A e t βωϕ-=+式中, β为阻尼因子,ω为振动的圆频率,它与固有圆频率0ω和阻尼因子β关系为ω=3、受迫振动：在周期性外力作用下的振动,称为受迫振动,在稳定情况下,受迫振动是简谐振动,振动频率等于外力的频率,与振动系统的固有频率无关,其振幅为22'22'220(2)()h A βωωω=+- 当强迫力的频率等于系统固有频率时,系统将有最大的振动振幅,这种现象称为共振．强迫力的频率偏离系统的固有频率越大,振幅则越小． 四、两个简谐振动的合成有如下四种形式的合成：1、同方向、同频率的简谐振动合成,合成的结果仍然是与分振动同方向、同频率的简谐振动,合振动的振幅和相分别为A =11221122sin sin tan cos cos A A A A ϕϕϕϕϕ+=+2、同方向、频率相近的简谐振动的合成,合成的结果不再是简谐振动,合振动的振幅随时间缓慢地周期性变化,称为“拍”的频率．拍的频率12ννν=-3、相互垂直的同频率简谐振动的合成,合成运动的轨迹方程是22221212212122cos()sin ()x y xy A A A A ϕϕϕϕ+--=- 4、相互垂直、频率之比为整数比的两简谐振动合成,这时是有一定规律的稳定闭合曲线,形成李萨如图形．五、机械波1、机械振动在弹性媒质中的传播,称为机械波．当质点振动方向和波的传播方向垂直时,称为横波；当振动方向与波的传播方向一致时,称为纵波．2、波的周期（频率）、波长和波速一个完整波通过媒质中某点所需的时间,称为波的周期,在波源和观察（接收）者相对媒质静止时,波的周期就是各媒质元的振动周期,用符号T 表示．单位时间内通过媒质中某点的完整波的数目,称为波的频率,波的频率就是各媒质元的振动频率,用符号ν表示,周期和频率反映了波在时间上的周期性,有关系式 1T ν=．沿波的传播方向上相位差为2π的两点间的距离,一个完整波形的长度,称为波的波长,用符号λ表示,波长反映了波在空间的周期性．单位时间内某振动状态传播的距离,称为波速,又称相速,用符号u 表示,上述各量之间有如下关系u Tλλν==．3、波面和波线波动过程中,介质中振动相位相同的点连成的面称为波阵面,简称波面,而某一时刻,最前面的波面,称为该时刻的波前．沿波的传播方向所作的有向曲线称为波射线,简称波线．六、平面简谐波若波源和波线上各质点都作简谐振动的连续波称为简谐波,简谐波是最基本的波,各种复杂的波都可以看成许多不同频率的简谐波的合成．在波动中,每一个质点都在进行振动,对一个波的完整的描述,应该是给出波动中任一质点的振动方程,这种方程称为波函数,平面简谐在理想的无吸收的均匀无限大介质中传播的波函数表达式为2cos ()cos 2()cos ()x t x y A t A A x ut uT πωϕπϕϕλλ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+=+=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦式中,“-”代表沿轴正方向传播的波,“+”代表沿轴反方向传播的波． 七、波的能量、能流和能流密度波的能量包括媒质中质元的振动动能和因媒质形变产生的弹性势能,可以采用能量密度表示,即媒质单位体积内的波动能量,称为波的能量密度,用ω表示,有222sin dE x A t dV u ωρωω⎛⎫==- ⎪⎝⎭考虑一个周期内能量的平均值,称为平均能量,用ω表示,则有220112T dt A T ωωρω==⎰伴随波的传播,波的能量也在传播,将单位时间通过传播方向上单位面积的(平均)能量,称为平均能流密度,又称波的强度．用符号I 表示,有 I u ω= 八、波的干涉和衍射1、惠更斯原理在波的传播过程中,波阵面上的一点都可以看做是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包迹就成为新的波阵面,这就是惠更斯原理．2、波的叠加原理几列波在同一介质空间相遇时,每一列波都将独立地保持自已原有的特性,并不会因其他波的存在而改变,在它们重叠区域内,一点的振动是各列单独在该点引起振动的矢量和,波的这种性质称为波的叠加原理．3、波的干涉满足相干条件的波在空间相遇叠加时,某些点的振动始终加强,另一些点的振动始终减弱,在空间形成一个稳定的分布,这种现象称为波的干涉,两束相干波的合振幅为A =其中21212()r r πϕϕϕλ∆=---4、波的衍射波在传播中遇到障碍物时改变传播方向,传到障碍“阴影”区域的现象叫做波的衍射．发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比波长小,或者跟波长相差不多． 九、驻波由两列同振幅,相向传播的相干波叠加而成的波,称为驻波,相应的驻波方程为 22cos cos 2y A x ππνλ=十、声波弹性媒质中,各质点振动的传播过程称为“声波”,它是一种机械波．起源于发声体的、振动频率在2020000Hz 的声波能引起人的听觉,又称可听声波,频率在41020Hz - 的机械波称为次声波,频率在48210210Hz ⨯⨯ 的机械波称为超声波．1、声波的反射、干涉和衍射声波遇到障碍物而改变原来传播方向的现象称为声波的反射．围绕发生的音叉转一周听到忽强忽弱的声音,这种现象实际上就是声波的干涉． 由于声波的波长在17cm 17m 之间,声波很容易绕过障碍物进行传播．我们把这一现象叫声波的衍射．2、声音的共鸣共鸣就声音的共振现象． 3乐音与噪音好听、悦耳的声音叫乐音,是由周期性振动的声源发出的．嘈杂刺耳的声音为噪音,是由非周期性振动的声源产生的．4、音调、响度和音品是乐音的三要素 音调：基音频率的高低,基频高则称音调高．响度：声音强弱的主观描述,跟人、声强（单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量）等有关．音品：俗称音色,它反映了不同声源发出的声音具有不同的特色,音品由声音所包含的语言的强弱和频率决定． 十一、多普勒效应当波源、观察者相对传播波的介质运动时,观察接受到的频率偏离波源频率的现象,称为多普勒现象,有如下关系RR sR u u νννν±=式中,R ν为观察接收的频率,依赖于观察者相对于媒质的速率(R v )和波源相对于媒质的速率(s v ),s v 为波源的频率,u 为波速．【例题】例1 如图所示，弹簧下端固定在水平桌面上，当质量为1m 的A 物体连接在弹簧的上端并保持静止时，弹簧被压缩了长度a 。
现有质量为2m 的B 物体，从高为h 处自由落下，试求：1） B 物体和A 物体发生完全非弹性碰撞，弹簧振子的振幅和初位相各为多少？周期多大？2） B 物体和A 物体发生弹性碰撞，弹簧振子的振幅和周期多大？写出振动方程（只考虑一次碰撞）。
设设弹簧的质量可以略去不计，把弹簧开始运动时作为时间的起点，x 轴以向下为正。
解：1）B 和A 粘在一起运动，总质量为12m m +，振动周期22T π== 设平衡位置为O 点，B 和A 发生碰撞处离O 点的位移20,m gb b x k==为初位置。
碰撞后共同速度为012v =，它的方向和x 轴方向相同。
由振动能量公式得()2221200111222m m v kx kA ++= 所以BhA==由初始条件0000cos,sinx A v Aϕωϕ==-，得10tan,tan.vxvxϕωϕω-=-⎛⎫=- ⎪⎝⎭所以1tanϕ-=而000,0.x v<>得32πϕπ<<2）B和A发生弹性碰撞，碰撞后B和A又分开，A物体做简谐振动，周期22T==A物体振动的平衡位置是原来B和A碰撞的位置，所以初始位置x= B和A发生弹性碰撞，所以()()()''221122''2211,1112.222m m v m vm gh m v m v⎧=+⎪⎨=+⎪⎩解得'112v=式中的'1v为A物体振动的初始速度v，由振动的能量公式得221122mv kA=所以12A==由于v方向和x方向相同，初始位置就是平衡位置，所以在用余弦函数表示的振动方程中初位相为2π-，振动方程为12cos 22x A t ππω⎫⎛⎫=-=-⎪ ⎪⎪⎝⎭⎭例2 一弹簧振子,两端为质量都是0.1kg m =、大小不计的物体A 、B ．中间为一静止长度为0l ,劲度系数为0k ,质量可以忽略的理想弹簧,现此振子自某一高度、A 端在下,竖直的自由下落至一水平桌面．开始下落时,A 距桌面的高度为2m H =,开始时弹簧无伸长或压缩,A 与桌面发生弹性碰撞后跃离桌面,当A 第二次接触桌面时,发现弹簧的压缩达到最大．求1）弹簧的劲度系数0k 之值； 2）A 第二次与桌面接触时的速度．解：取x 坐标轴沿竖直方向,原点在桌面,方向向上,振子竖直下落,弹簧无压缩或伸长,故A 、B 均为自由落体,当A 到达桌面时,A 、B 的速度相同,均为0A B V V V ===- （1） 命A 与桌面碰撞之时刻为0t =,即0t =时,A 与桌面发生弹性碰撞而反向．此时有000,,0,,A B A B V V V V X X l ==-== （2）暂不考虑重力之影响,则由图（a ）可知,A 、B 相向运动,压缩弹簧,而产生简谐运动,0t =时,弹簧无形变,由（2）之初条件,可以写出A 作简谐振动之运动方程00()s i n 2()c o s 2A A X t X f t V t Vf t ππ=⎧⎨=⎩ （3）（3）式中,已知0V =0X 、f 待定．由图可知,在振动运动中,A 、B 相向运动,中点M 不动．故振动可视作M 固定的两个振子,振子MA （或MB ）之等效劲度系数为0,2k k k =,故有)())()22f ππ== （4）振子A 之最大振动动能为2012mV ,最大振动势能为()200122k X , ()2200011222mV k X =图（a ）0X = （5） 现在考虑重力的效应,重力的存在使得A 、B 在振动的同时,还在作自由落体运动．在时间0t →的期间,重力使A 产生的位移为22gt -故在0t >时,A 的坐标应为20()sin 2X t X ft gt π=- （6） 弹簧最大压缩时为1t ,此时应有 122f t ππ= （7）1t 时,101(),()0A A X t X V t ==此时,A 与桌面发生第二次碰撞,即应有21011()sin 20X t X ft gt π=-= 由（7）、（8）两式可得022(4)gX f = 代入0X 、f 之值,有()({}1212g ⎡=⎣()()40256k mg h π=代入各量的数值,有00.19N m k =当A 与桌面第二次撞击时,其振动速度为零,故其速度就是1t 时的自由落体速度11()8.0m s V t gt ==例3 如果沿地球的直径挖一条隧道,求物体从此隧道一端自由释放到达另一端所需的时间,设地球是一个密度均匀的球体,不考虑阻力,地球半径为R ,如图（a ）所示．解：考察质量为m 的物体在隧道中离地心距离r 时的受力,它可以看作受两个力：一是半径为r 的球体所产生的引力,一是内外半径为r 和R 的均匀球壳对m 所产生的引力,如图（b ）所示．图（a ）球壳对A 点的物体的m 的引力,等于组成球壳的所有质点对m 产生引力的矢量和,现将球壳分成很多的薄壳层,如图（c ）所示,过A 点可做n 对圆锥体（n 很大）,图中只画出一对,圆锥体将壳层分割成小体积元V ∆,由万有引力定律,它们对A 点的的引力为11212222m m f Gr m mf Gr ∆∆=∆∆=式中1122,m S r m S r ρρ∆=∆∆∆=∆∆ 因为两圆锥体的顶角（立体角）相同,则122212S S r r ∆∆=由以上三式可得 12f f ∆=∆也就是说：1m ∆与2m ∆对m 的引力大小相等、方向相反,合力为零．所以整个壳层上的质点对m 的引力的合力为零．地球对m 的引力,就等于以物体距地心距离的距离r 为半径的球体所产生的引力,力指向地心O ,大小为3323r m MmF GMG r R r R ==其中M 为地球的质量,因2GMg R =,所以 mgF r R= 物体作简谐振动,振动角频率为ω==物体由隧道一端到达另一端所需时间2T t πω===例4圆柱体浮标的小运动．某种海上浮标由一个轻质实心圆柱体和一根刚性匀质细杆图（b ）1S ∆2S ∆A1r 2r 图（c ）连接而成．圆柱体的半径为a ,长度为l ,质量均匀分布,密度为ρ．细杆的质量等于圆柱体的质量,长度等于圆柱体的直径,密度远大于海水密度（海水密度记为0ρ）．设浮标处于如图（a ）所示平衡位置．1）试导出图中θ角与ρρ之间的关系．设细杆体积很小,忽略不计． 2）若浮标因受到某种干扰而竖直下压了一个小量,从而在其平衡位置附近上下振动,如图（b ）所示．试确定这种竖直方向振动的角频率,结果用a 、g 和θ表达（其中g 为重力加速度）．解：1）因为浮标总质量（包括圆柱体和细杆）为 22M a l πρ=浮标排开水的体积小于2a l π,排开水的质量小于20a l πρ,由图（a ）中所示,必有 2202a l a l πρπρ>即02ρρ>利用几何知识易得排开水的体积为 ()2sin cos V laθθθ=-此式中θ取值范围为：0θπ<<．利用平衡条件,浮标重量等于水的浮力,即 ()2202sin cos a l la πρθθθρ=-得到θ与ρρ的关系为图（a ）图（b ）()0111sin cos sin 2222ρθθθθθρππ⎛⎫=-=- ⎪⎝⎭2）取水面为竖直向上z 轴的坐标原点,平衡时与水平面同高的圆柱上一点为代表点（可取在过柱中心竖直方向的直径上的点）,当浮标上下振动时,可用此代表点的坐标进行描述．设运动中浮标的坐标为z （代表点的坐标）．由于浮标重力不变,当z 为正时,浮力减小,合力为负．则重力和浮力的合力为()()()(){}()(){}22020sin cos sin cos sin cos sin cos F la la g gla θθθθθθθθθρρθθθθθθθ=----∆--∆-∆⎡⎤⎣⎦=-∆---∆-∆⎡⎤⎣⎦在小振动情况下,1θ∆ ．利用三角函数公式以及sin ,cos 1θθθ∆≈∆∆≈,并略去二级小量,化简得22002sin 2sin F gla a lg z ρθθρθ=-∆=-这里已利用：sin a z θθ∆= ．这是一个与z 成正比,方向与z 方向相反的线性回复力（此处称准弹簧力）．浮标的动力学方程为()02sin z Ma a lg z ρθ=- 振动角频率为ω=代入1）中结论,最后得ω=例5 两个倔强系数为k ，质量为m 的相同弹簧振子1、2置于光滑水平台面，固定端分别为A B 、，两振子间又用倔强系数为32k 的弹簧相连，如图所示，今使两振子以相同频率作简谐振动，求振动频率。
