2.1 簡諧運(yùn)動(dòng)（授課PT）-高二物理同步備課系列（人教版2019選擇性必修第一冊） 課件

第二單元機(jī)械振動(dòng)1.簡諧運(yùn)動(dòng)1物理觀念：認(rèn)識機(jī)械振動(dòng)，能運(yùn)用力與運(yùn)動(dòng)的觀念、能量觀念理解機(jī)械振動(dòng)的過程。2科學(xué)思維：通過實(shí)驗(yàn)觀察，認(rèn)識機(jī)械振動(dòng)。會運(yùn)用理想化方法建構(gòu)彈簧振子模型。通過觀察、分析和推理，證明彈簧振子的位移一時(shí)間圖像是正弦曲線，會用圖像描述簡諧運(yùn)動(dòng)。3科學(xué)探究：嘗試用科學(xué)探究的方法研究物理問題：能在觀察和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)；經(jīng)歷探究簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程，能分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)特點(diǎn)，形成結(jié)論。解釋并交流實(shí)踐成果。4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。核

心

素

養(yǎng)一、驅(qū)動(dòng)問題上海中心大廈：位于上海市陸家嘴，現(xiàn)為中國第一高樓、世界第三高樓，于2016年3月竣工。大廈內(nèi)部有一巨型阻尼器，叫“巔峰之眼”。它幫助大廈成功抵御了頂級臺風(fēng)：2019“立奇馬”、2021“燦都”、2021“煙花”、2024“貝碧嘉

”等的瘋狂襲擊。阻尼器守護(hù)了“中國第一高樓。它的工作原理是什么呢，它的擺動(dòng)有什么特點(diǎn)，你準(zhǔn)備怎么研究？點(diǎn)擊播放視頻二、機(jī)械振動(dòng)高中階段我們學(xué)過的運(yùn)動(dòng)形式有哪些?(提示：按運(yùn)動(dòng)軌跡分類)直線運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)變速直線運(yùn)動(dòng)勻變速直線運(yùn)動(dòng)變加速直線運(yùn)動(dòng)拋體運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)平拋運(yùn)動(dòng)斜拋運(yùn)動(dòng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)變速圓周運(yùn)動(dòng)二、機(jī)械振動(dòng)觀察下圖幾個(gè)常見的運(yùn)動(dòng)，具有什么共同特點(diǎn)？小狗蕩秋千的運(yùn)動(dòng)鐘擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)镲片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):

上述物體總是在某一位置附近做往復(fù)性的運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)的共同點(diǎn)是什么？

也稱這中心為平衡位置①圍繞著“中心”位置“中心”意味著具有“對稱性”知道一次完整的運(yùn)動(dòng)情況可推之后的運(yùn)動(dòng)情況②“往復(fù)”運(yùn)動(dòng)“往復(fù)”意味著具有“周期性”

二、機(jī)械振動(dòng)二、機(jī)械振動(dòng)2.特點(diǎn):(1)平衡位置

振動(dòng)停止時(shí)物體所在的位置.------“對稱性”(2)往復(fù)運(yùn)動(dòng)------“周期性”

物體在平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)．1.機(jī)械振動(dòng)定義:二、機(jī)械振動(dòng)想一想：如圖，把一個(gè)有小孔的小球連接在彈簧的一端，彈簧的另一端固定，小球套在光滑的桿上，能夠自由滑動(dòng)。彈簧的質(zhì)量與小球相比可以忽略。小球運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻力很小，也可以忽略。彈簧未形變時(shí)，小球所受合力為0，此時(shí)小球處于O點(diǎn)。把小球拉向右方，然后放開，小球是否會做機(jī)械振動(dòng)？請嘗試從理論證明?！痉治觥浚?）小球在回到O點(diǎn)前，小球做什么運(yùn)動(dòng)？OO提示：小球在回到O點(diǎn)時(shí)，小球做加速運(yùn)動(dòng)。3.實(shí)例分析：（2）小球在回到O點(diǎn)時(shí)，小球做受力情況如何？速度如何？O提示：小球回到O點(diǎn)合力為0，此時(shí)小球速度達(dá)到最大。（3）小球在回到O點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)后將做什么運(yùn)動(dòng)？提示：小球做減速運(yùn)動(dòng)。（4）小球減速至0后，小球會停下來嗎？為什么？O提示：小球不會停下來，因?yàn)槠渌芎狭Σ粸?（5）現(xiàn)在，你能說明小球的運(yùn)動(dòng)是否屬于機(jī)械振動(dòng)了嗎？二、機(jī)械振動(dòng)三、彈簧振子

視頻現(xiàn)場

小球以O(shè)點(diǎn)為中心位置，在O點(diǎn)附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故小球的運(yùn)動(dòng)屬于機(jī)械振動(dòng)。你能用實(shí)驗(yàn)證明嗎？三、彈簧振子1.定義:小球和彈簧所組成的系統(tǒng)稱作彈簧振子，有時(shí)也把這樣的小球稱做彈簧振子或簡稱振子。O點(diǎn)為平衡位置：物體原來靜止時(shí)的位置2.條件:（1）忽略摩擦力等各種阻力；（2）小球看成質(zhì)點(diǎn)；

（3）忽略彈簧質(zhì)量;

（4）彈簧始終在彈性限度內(nèi)。理想模型三、彈簧振子拓展思考：彈簧振子的平衡位置一定在彈簧的原長位置嗎？不一定。如圖所示，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)，其振動(dòng)的平衡位置不在彈簧的原長位置，而是在彈力與重力的合力為零的位置。

要想了解彈簧振子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，就要知道它的位置隨時(shí)間變化的關(guān)系。怎樣才能得到小球位置與時(shí)間的關(guān)系？四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像1.振子在某時(shí)刻的位移：振子的位移x都是相對于平衡位置的位移，以平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，沿振動(dòng)方向建立坐標(biāo)軸。規(guī)定在O點(diǎn)右邊時(shí)位移為正，在左邊時(shí)位移為負(fù)。0MM′2.振子在某段時(shí)間內(nèi)的位移：由初位置指向末位置的有向線段。O→M:M→O:O→M′:M′→O:x的大小增大，方向始終向右。x的大小減小，方向始終向右。x的大小增大，方向始終向左。x的大小減小，方向始終向左。四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像

振子在某時(shí)刻的位移方向總是背離平衡位置．如圖所示，振子在AA′之間振動(dòng)，O為平衡位置，t1時(shí)刻振子在M點(diǎn)的位移為xM，t2時(shí)刻振子在N點(diǎn)的位移為xN。而振子在Δt＝t2－t1時(shí)間內(nèi)的位移為xMN，方向如右圖所示．3.振子在某時(shí)刻的位移與在某段時(shí)間內(nèi)的位移的區(qū)別通常說的振子的位移是指某時(shí)刻的位移，即振子相對平衡位置的位移。因此在研究振動(dòng)時(shí)，字母x具有雙重含義：它既表示小球的位置(坐標(biāo))，又表示振子在某時(shí)刻的位移。四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像怎樣才能得到小球位移與時(shí)間的關(guān)系？1.圖象的建立：用橫坐標(biāo)表示物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t，縱坐標(biāo)表示振動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)過程中相對平衡位置的位移x，建立坐標(biāo)系，如圖．t/sx橫向縱向四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像方法一：毛筆描跡法2.圖像的獲取方式四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像2.圖像的獲取方式方法二：頻閃照相法底片勻速運(yùn)動(dòng)方向

因?yàn)閿z像底片做勻速運(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)刻振子離開平衡位置的位移，也就是位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。xt四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像2.圖像的獲取方式方法三：用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪圖像四、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像假定是正弦曲線，可用刻度尺測量它的振幅和周期，寫出對應(yīng)的表達(dá)式，然后在曲線中選小球的若干個(gè)位置，用刻度尺在圖中測量它們的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，代入所寫出的正弦函數(shù)表達(dá)式中進(jìn)行檢驗(yàn)，看一看這條曲線是否真的是一條正弦曲線。方法一驗(yàn)證法：方法二擬合法：

在圖中，測量小球在各個(gè)位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，把測量值輸入計(jì)算機(jī)中作出這條曲線，然后按照計(jì)算機(jī)提示用一個(gè)周期性函數(shù)擬合這條曲線，看一看彈簧振子的位移——時(shí)間的關(guān)系可以用什么函數(shù)表示。結(jié)論：彈簧振子的振動(dòng)圖像是一條正弦曲線。上述幾種方法得到的小球運(yùn)動(dòng)“x—t”圖象很像正弦曲線，是不是這樣呢？3.圖像的性質(zhì)五、簡諧運(yùn)動(dòng)1、定義：如果質(zhì)點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)的規(guī)律，即它的振動(dòng)圖象（x—t圖象）是一條正弦曲線，這樣的振動(dòng)叫做簡諧運(yùn)動(dòng)。

2、圖象意義:表示一個(gè)振子不同時(shí)刻所在的位置或者一個(gè)振子位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。3.圖像信息①任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位移的大小和方向。如圖甲所示，質(zhì)點(diǎn)在t1、t2時(shí)刻的位移分別為x1和－x2。②任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向：看下一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置，如圖乙中a點(diǎn)，下一時(shí)刻離平衡位置更遠(yuǎn)，故a此刻向上振動(dòng)。我們能從簡諧運(yùn)動(dòng)圖像上獲取哪些信息？五、簡諧運(yùn)動(dòng)五、簡諧運(yùn)動(dòng)③任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的速度、加速度、位移的變化情況及大小比較：看下一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置，判斷是遠(yuǎn)離還是靠近平衡位置，若遠(yuǎn)離平衡位置，則速度越來越小，加速度、位移越來越大，若靠近平衡位置，則速度越來越大，加速度、位移越來越小，如圖乙中b，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，c從負(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。例：如圖甲所示，一彈簧振子在A、B之間做簡諧運(yùn)動(dòng)，O點(diǎn)為小球靜止的位置，其振動(dòng)圖像如圖乙所示，規(guī)定向右的方向?yàn)檎较颍嚫鶕?jù)圖像分析以下問題：(1)在t＝0時(shí)刻，小球所處的位置為_____(選填“A點(diǎn)”“O點(diǎn)”或“B點(diǎn)”)，正在向____(選填“左”或“右”)運(yùn)動(dòng)。O點(diǎn)右(2)A、B兩點(diǎn)間的距離為____cm。6(3)在圖乙中，小球在t＝1s、t＝2s和t＝3s時(shí)所處的位置依次是_____、_____和_____。B點(diǎn)O點(diǎn)A點(diǎn)(4)在t＝2s時(shí)，小球速度的方向與t＝0時(shí)速度的方向_____。(選填“相同”或“相反”)相反(5)小球在前4s內(nèi)的位移等于____cm，其路程為____cm。012典例賞析：課堂小結(jié)簡諧運(yùn)動(dòng)彈簧振子機(jī)械振動(dòng)理想模型彈簧振子的位移--時(shí)間圖像簡諧運(yùn)動(dòng)彈簧振子課堂反饋1.

(多選)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,若以豎直向下為正方向,下列說法正確的是(

)A.鋼球的最低處為平衡位置B.鋼球原來靜止時(shí)的位置為平衡位置C.鋼球振動(dòng)到距原靜止位置下方3cm處時(shí)位移為3cmD.鋼球振動(dòng)到距原靜止位置上方2cm處時(shí)位移為2cm答案:BC解析:振子的平衡位置為振子原來靜止時(shí)的位置,故A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;振動(dòng)中的位移為從平衡位置指向某時(shí)刻振子所在位置的有向線段,豎直向下為正方向,可知C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。課堂反饋2.

(多選)在圖中,當(dāng)振子由A向平衡位置O運(yùn)動(dòng)時(shí),下列說法正確的是(

)A.振子的位移變小B.振子的運(yùn)動(dòng)方向向左C.振子的位移方向向左D.振子的位移變大答案:AB解析:在振動(dòng)中位移的參考點(diǎn)是O點(diǎn),由于振子在O點(diǎn)的右側(cè)由A向O運(yùn)動(dòng),所以振子的運(yùn)動(dòng)方向向左,位移方向向右,且位移變小,故A、B正確。課堂反饋3.(多選)如圖甲所示,一彈簧振子在A、B間振動(dòng),取向右為正方向,振子經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí),其振動(dòng)的x-t圖像如圖乙所示。則下列說法正確的是(

)A.t2時(shí)刻振子在A點(diǎn)B.t2時(shí)刻振子在B點(diǎn)C.在t1~t2時(shí)間內(nèi),振子的位移在增大D.在t3~t4時(shí)間內(nèi),振子的位移在減小答案:AC解析:振子在A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)的位移最大,由于取向右為正方向,所以振子運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)是正向最大位移,運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)是負(fù)向最大位移,則t2時(shí)刻,振子在A點(diǎn),t4時(shí)刻,振子在B點(diǎn),故A項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯(cuò)誤;振子的位移是以平衡位置為起點(diǎn),所以在t1~t2和t3~t4時(shí)間內(nèi)振子的位移都在增大,故C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。課堂反饋4.

(多選)彈簧振子做簡諧運(yùn)動(dòng),振動(dòng)圖像如圖所示,則下列說法正確的是(

)A.t1、t2時(shí)刻振子的速度大小相等,方向相反B.t1、t2時(shí)刻振子的位移大小相等,方向相反C.t2、t3時(shí)刻振子的速度大小相等,方向相反D.t2、t4時(shí)刻振子的位移大小相等,方向相反答案:AD解析:從圖像可以看出,t1、t2時(shí)刻振子位于同一位置,位移大小相等,方向相同,速度大小相等,方向相反,A正確,B錯(cuò)誤;t2、t3時(shí)刻振子位移大小相等,方向相反,速度大小相等,方向相同,C錯(cuò)誤;t2、t4時(shí)刻振子分別位于平衡位置兩側(cè)且對稱,位移大小相等,方向相反,D正確。課堂反饋6.(多選)彈簧振子做簡諧運(yùn)動(dòng),振動(dòng)圖像如圖所示,則下列說法正確的是(

)A.t1、t2時(shí)刻振子的速度大小相等,方向相反B.t1、t2時(shí)刻振子的位移大小相等,方向相反C.t2、t3時(shí)刻振子的速度大小相等,方向相反D.t2、t4時(shí)刻振子的位移大小相等,方向相反答案:AD解析:從圖像可以看出,t1、t2時(shí)刻振子位于同一位置,位移大小相等,方向相同,速度大小相等,方向相反,A正確,B錯(cuò)誤;t2、t3時(shí)刻振子位移大小相等,