机械振动高中物理知识点（高考物理一轮复习之选修3-4之机械振动知识汇总）

【基本概念、规律】

一、简谐运动

1．概念：质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象(x－t图象)是一条正弦曲线的振动．

2．平衡位置：物体在振动过程中回复力为零的位置．

3．回复力

(1)定义：使物体返回到平衡位置的力．

(2)方向：时刻指向平衡位置．

(3)来源：振动物体所受的沿振动方向的合力．

4．简谐运动的表达式

(1)动力学表达式：F＝－kx，其中“－”表示回复力与位移的方向相反．

(2)运动学表达式：x＝Asin (ωt＋φ)，其中A代表振幅，ω＝2πf表示简谐运动的快慢，(ωt＋φ)代表简谐运动的相位，φ叫做初相．

5．描述简谐运动的物理量

二、单摆

1．定义：在细线的一端拴一个小球，另一端固定在悬点上，如果细线的伸缩和质量都不计，球的直径比线的长度短得多，这样的装置叫做单摆．

2．视为简谐运动的条件：θ＜5°.

5．单摆的等时性：单摆的振动周期取决于摆长l和重力加速度g，与振幅和振子(小球)质量都没有关系．

三、受迫振动及共振

1．受迫振动：系统在驱动力作用下的振动．做受迫振动的物体，它的周期(或频率)等于驱动力周期(或频率)，而与物体的固有周期(或频率)无关．

2．共振：做受迫振动的物体，它的固有频率与驱动力的频率越接近，其振幅就越大，当二者相等时，振幅达到最大，这就是共振现象．共振曲线如图所示．

【重要考点归纳】

考点一　简谐运动的五个特征

1．动力学特征

F＝－kx，“－”表示回复力的方向与位移方向相反，k是比例系数，不一定是弹簧的劲度系数．

2．运动学特征

简谐运动的加速度与物体偏离平衡位置的位移成正比而方向相反，为变加速运动，远离平衡位置时x、F、a、E_p均增大，v、E_k均减小，靠近平衡位置时则相反．

3．运动的周期性特征

相隔T或nT的两个时刻振子处于同一位置且振动状态相同．

4．对称性特征

(2)如图所示，振子经过关于平衡位置O对称的两点P、P′(OP＝OP′)时，速度的大小、动能、势能相等，相对于平衡位置的位移大小相等．

(3)振子由P到O所用时间等于由O到P′所用时间，即t_PO＝t_OP′.

(4)振子往复过程中通过同一段路程(如OP段)所用时间相等，即t_OP＝t_PO.

5．能量特征

振动的能量包括动能E_k和势能E_p，简谐运动过程中，系统动能与势能相互转化，系统的机械能守恒．

6.(1)由于简谐运动具有周期性、往复性、对称性，因此涉及简谐运动时，往往出现多解．分析此类问题时，特别应注意，物体在某一位置时，位移是确定的，而速度不确定，时间也存在周期性关系．

(2)相隔(2n＋1)/T/2的两个时刻振子的位置关于平衡位置对称，位移、速度、加速度等大反向．

考点二　简谐运动的图象的应用

某质点的振动图象如图所示，通过图象可以确定以下各量：

1．确定振动物体在任意时刻的位移．

2．确定振动的振幅．

3．确定振动的周期和频率．振动图象上一个完整的正弦(余弦)图形在时间轴上拉开的“长度”表示周期．

4．确定质点在各时刻的振动方向．

5．比较各时刻质点加速度的大小和方向．

6.(1)简谐运动的图象不是振动质点的轨迹，它表示的是振动物体的位移随时间变化的规律；

(2)因回复力总是指向平衡位置，故回复力和加速度在图象上总是指向t轴；

(3)速度方向可以通过下一个时刻位移的变化来判定，下一个时刻位移如果增加，振动质点的速度方向就远离t轴，下一个时刻的位移如果减小，振动质点的速度方向就指向t轴．

考点三　受迫振动和共振

1．自由振动、受迫振动和共振的关系比较

2.对共振的理解

(1)共振曲线：如图所示，横坐标为驱动力频率f，纵坐标为振幅A.它直观地反映了驱动力频率对某振动系统受迫振动振幅的影响，由图可知，f与f₀越接近，振幅A越大；当f＝f₀时，振幅A最大．

(2)受迫振动中系统能量的转化：受迫振动系统机械能不守恒，系统与外界时刻进行能量交换．

3.(1)无论发生共振与否，受迫振动的频率都等于驱动力的频率，但只有发生共振现象时振幅才能达到最大.

(2)受迫振动系统中的能量转化不再只有系统内部动能和势能的转化，还有驱动力对系统做正功补偿系统因克服阻力而损失的机械能．

考点四　实验：用单摆测定重力加速度

1．实验原理

2．实验器材

单摆、游标卡尺、毫米刻度尺、停表．

3．实验步骤

(1)做单摆：取约1 m长的细丝线穿过带中心孔的小钢球，并打一个比小孔大一些的结，然后把线的另一端用铁夹固定在铁架台上，让摆球自然下垂，如图所示．

(2)测摆长：用毫米刻度尺量出摆线长L(精确到毫米)，用游标卡尺测出小球直径D，则单摆的摆长l＝L＋D/2.

(3)测周期：将单摆从平衡位置拉开一个角度(小于5°)，然后释放小球，记下单摆摆动30～50次的总时间，算出平均每摆动一次的时间，即为单摆的振动周期．

(4)改变摆长，重做几次实验．

4．数据处理

5．注意事项

(1)悬线顶端不能晃动，需用夹子夹住，保证悬点固定．

(2)单摆必须在同一平面内振动，且摆角小于10°.

(3)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时，并数准全振动的次数．

(4)小球自然下垂时，用毫米刻度尺量出悬线长L，用游标卡尺测量小球的直径，然后算出摆球的半径r，则摆长l＝L＋r.

(5)选用一米左右的细线．

【思想方法与技巧】

单摆模型的应用

(1)单摆模型指符合单摆规律的模型，须满足以下三个条件：①圆弧运动；②小角度往复运动；③回复力满足F＝－kx.

(2)处理方法：首先确认符合单摆模型的条件，即小球沿光滑圆弧运动，小球受重力、轨道支持力，此支持力类似单摆中的摆线拉力，此装置可称为“类单摆”；然后寻找等效摆长l及等效加速度g；

(3)须注意单摆模型做简谐运动时具有往复性，解题时要审清题意，防止漏解或多解．

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