1、机械振动和机械波知识点总结 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020机械振动和机械波知识点总结机械振动和机械波一、知识结构二、重点知识回顾1机械振动 （一）机械振动物体（质点）在某一中心位置两侧所做的往复运动就叫做机械振动，物体能够围绕着平衡位置做往复运动，必然受到使它能够回到平衡位置的力即回复力。回复力是以效果命名的力，它可以是一个力或一个力的分力，也可以是几个力的合力。产生振动的必要条件是：a、物体离开平衡位置后要受到回复力作用。b、阻力足够小。（二）简谐振动1. 定义：物
2、体在跟位移成正比，并且总是指向平衡位置的回复力作用下的振动叫简谐振动。简谐振动是最简单，最基本的振动。研究简谐振动物体的位置，常常建立以中心位置（平衡位置）为原点的坐标系，把物体的位移定义为物体偏离开坐标原点的位移。因此简谐振动也可说是物体在跟位移大小成正比，方向跟位移相反的回复力作用下的振动，即F=kx，其中“”号表示力方向跟位移方向相反。2. 简谐振动的条件：物体必须受到大小跟离开平衡位置的位移成正比，方向跟位移方向相反的回复力作用。3. 简谐振动是一种机械运动，有关机械运动的概念和规律都适用，简谐振动的特点在于它是一种周期性运动，它的位移、回复力、速度、加速度以及动能和势能（重力势能和弹
3、性势能）都随时间做周期性变化。（三）描述振动的物理量，简谐振动是一种周期性运动，描述系统的整体的振动情况常引入下面几个物理量。1. 振幅：振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离，常用字母“A”表示，它是标量，为正值，振幅是表示振动强弱的物理量，振幅的大小表示了振动系统总机械能的大小，简谐振动在振动过程中，动能和势能相互转化而总机械能守恒。2. 周期和频率，周期是振子完成一次全振动的时间，频率是一秒钟内振子完成全振动的次数。振动的周期T跟频率f之间是倒数关系，即T=1/f。振动的周期和频率都是描述振动快慢的物理量，简谐振动的周期和频率是由振动物体本身性质决定的，与振幅无关，所以又叫固有周期和固有频
4、率。（四）单摆：摆角小于5的单摆是典型的简谐振动。细线的一端固定在悬点，另一端拴一个小球，忽略线的伸缩和质量，球的直径远小于悬线长度的装置叫单摆。单摆做简谐振动的条件是：最大摆角小于5，单摆的回复力F是重力在圆弧切线方向的分力。单摆的周期公式是T=。由公式可知单摆做简谐振动的固有周期与振幅，摆球质量无关，只与L和g有关，其中L是摆长，是悬点到摆球球心的距离。g是单摆所在处的重力加速度，在有加速度的系统中（如悬挂在升降机中的单摆）其g应为等效加速度。（五）振动图象。简谐振动的图象是振子振动的位移随时间变化的函数图象。所建坐标系中横轴表示时间，纵轴表示位移。图象是正弦或余弦函数图象，它直观地反映出
5、简谐振动的位移随时间作周期性变化的规律。要把质点的振动过程和振动图象联系起来，从图象可以得到振子在不同时刻或不同位置时位移、速度、加速度，回复力等的变化情况。 （六） 机械振动的应用受迫振动和共振现象的分析 （1）物体在周期性的外力（策动力）作用下的振动叫做受迫振动，受迫振动的频率在振动稳定后总是等于外界策动力的频率，与物体的固有频率无关。 （2）在受迫振动中，策动力的频率与物体的固有频率相等时，振幅最大，这种现象叫共振，声音的共振现象叫做共鸣。2机械波中的应用问题 1. 理解机械波的形成及其概念。 （1）机械波产生的必要条件是：有振动的波源；有传播振动的媒质。 （2）机械波的特点：后一质点重
6、复前一质点的运动，各质点的周期、频率及起振方向都与波源相同。 （3）机械波运动的特点：机械波是一种运动形式的传播，振动的能量被传递，但参与振动的质点仍在原平衡位置附近振动并没有随波迁移。 （4）描述机械波的物理量关系： 注：各质点的振动与波源相同，波的频率和周期就是振源的频率和周期，与传播波的介质无关，波速取决于质点被带动的“难易”，由媒质的性质决定。 2. 会用图像法分析机械振动和机械波。振动图像，例：波的图像，例：振动图像与波的图像的区别横坐标表示质点的振动时间横坐标表示介质中各质点的平衡位置表征单个质点振动的位移随时间变化的规律表征大量质点在同一时刻相对于平衡位置的位移相邻的两个振动状态
7、始终相同的质点间的距离表示振动质点的振动周期。例：相邻的两个振动始终同向的质点间的距离表示波长。例：振动图像随时间而延伸，而以前的形状保持不变，例：波动图像一般随时间的延续而改变（）时的波形图保持不变，例：方法1方法2质点振动方向与平移波形法：如图所示，一列横波向右传播，判断M点的振动方向。设想在极短时间内波向右平移，则下一刻波形如虚线上M正下方向的M点，由此知M点应向下振动。反之，已知M向下振动，波形应该右移，故波是向右传播的。质点振动比较法：波向右传播，右边M点的振动落后于左边的P点，故M点重复P点的振动，P点在M点的下方，应“追随”P点的运动，故M点向下振动，即“波向右传，M点向下运动”
8、；“波向左传，M点向上运动”。波传播方向的判定三、【典型例题分析】 【例1】单摆的运动规律为：当摆球向平衡位置运动时位移变_，回复力变_，加速度变 ，加速度a与速度的方向 ，速度变 ，摆球的运动性质为_，摆球的动能变_，势能变_；当摆球远离平衡位置运动时位移变_，回复力变_，加速度变_，加速度a与速度的方向_，速度变_，摆球的运动性质为_，摆球的动能变_，势能变_、【例2】 如图61所示，一个轻弹簧竖直固定在水平地面上，将一个小球轻放在弹簧上，M点为轻弹簧竖直放置时弹簧顶端位置，在小球下落的过程中，小球以相同的动量通过A、B两点，历时1s，过B点后再经过1s，小球再一次通过B点，小球在2s内通
9、过的路程为6cm，N点为小球下落的最低点，则小球在做简谐运动的过程中：（1）周期为 ；（2）振幅为 ；（3）小球由M点下落到N点的过程中，动能EK、重力势能EP、弹性势能EP的变化为 ；（4）小球在最低点N点的加速度大小 重力加速度g（填、）。分析：（1）小球以相同动量通过A、B两点，由空间上的对称性可知，平衡位置O在AB的中点；再由时间上的对称性可知，tAO=tBO=, tBN = tNB =，所以tONtOBtBN1s，因此小球做简谐运动的周期T4tON=4s。（2）小球从A经B到N再返回B所经过的路程，与小球从B经A到M再返回A所经过的路程相等。因此小球在一个周期内所通过的路程是12cm
10、，振幅为3cm。（3）小球由M点下落到N点的过程中，重力做正功，重力势能减少；弹力做负功，弹性势能增加；小球在振幅处速度为零，在平衡位置处速率最大，所以动能先增大后减小。（4）M点为小球的振幅位置，在该点小球只受重力的作用，加速度为g，方向竖直向下，由空间对称性可知，在另一个振幅位置（N点）小球的加速度大小为g，方向竖直向上。解答：4s；3cm；EK先增大后减小，EP减少，EP 增加；。说明：分析解决本题的关键是正确认识和利用简谐运动的对称性，其对称中心是平衡位置O，尤其小球在最低点N点的加速度值，是通过另一个振动最大位移的位置M来判断的。如果小球是在离弹簧最上端一定高度处释放的，而且在整个运
11、动过程中，弹簧始终处于弹性形变中，那么小球与弹簧接触并运动的过程可以看成是一个不完整的简谐运动。因为小球被弹簧弹起后，在弹簧处于原长时与弹簧分离，这个简谐运动有下方振动最大位移的位置，但无上方振动最大位移的位置，那么小球在运动过程中的最大加速度将大于重力加速度。【例3】 已知某摆长为1m的单摆在竖直平面内做简谐运动，则：（1）该单摆的周期为 ；（2）若将该单摆移到表面重力加速度为地球表面重力加速度14倍的星球表面，则其振动周期为 ；（3）若在悬点正下方摆长中点处钉一光滑小钉，则该小球摆动的周期为 。分析：第一问我们可以利用单摆周期公式计算出周期；第二问是通过改变当地重力加速度来改变周期的。只要
12、找出等效重力加速度，代入周期公式即可得解。第三问的情况较为复杂，此时小球的摆动已不再是一个完整的单摆简谐运动。但我们注意到，小球在摆动过程中，摆线在与光滑小钉接触前后，分别做摆长不同的两个简谐运动，所以我们只要求出这两个摆长不同的简谐运动的周期，便可确定出摆动的周期。解答：（1）依据，可得T=2s。 （2）等效重力加速度为，则依据，可得s。 （3）钉钉后的等效摆长为：半周期摆长为L11m，另半周期摆长为L2。 则该小球的摆动周期为： s说明：单摆做简谐运动的周期公式是我们学习各种简谐运动中唯一给出定量关系的周期公式。应该特别注意改变周期的因素：摆长和重力加速度。例如：双线摆没有明确给出摆长，需
13、要你去找出等效摆长；再例如：把单摆放入有加速度的系统中，等效重力加速度将发生怎样的变化。比如把单摆放入在轨道上运行的航天器中，因为摆球完全失重，等效重力加速度为0，单摆不摆动。把单摆放入混合场中，比如摆球带电，单摆放入匀强电场中，这时就需要通过分析回复力的来源从而找出等效重力加速度。这类问题将在电学中遇到。【例4】一弹簧振子做简谐运动，振动图象如图63所示。振子依次振动到图中a、b、c、d、e、f、g、h各点对应的时刻时，（1）在哪些时刻，弹簧振子具有：沿x轴正方向的最大加速度；沿x轴正方向的最大速度。（2）弹簧振子由c 点对应x轴的位置运动到e点对应x轴的位置，和由e点对应x轴的位置运动到g
14、点对应x轴的位置所用时间均为。弹簧振子振动的周期是多少（3）弹簧振子由e点对应时刻振动到g点对应时刻，它在x轴上通过的路程是6cm，求弹簧振子振动的振幅。分析：（1）弹簧振子振动的加速度与位移大小成正比，与位移方向相反。振子具有沿x轴正方向最大加速度，必定是振动到沿x轴具有负向的最大位移处，即图中f点对应的时刻。振子振动到平衡位置时，具有最大速度，在h点时刻，振子速度最大，再稍过一点时间，振子的位移为正值，这就说明在h点对应的时刻，振子有沿x轴正方向的最大速度。（2）图象中c点和e点，对应振子沿x轴从+7cm处振动到7cm处。e、f、g点对应振子沿x轴，从7cm处振动到负向最大位移处再返回到7
15、cm处。由对称关系可以得出，振子从c点对应x轴位置振动到g点对应x轴位置，振子振动半周期，时间为，弹簧振子振动周期为T=。（3）在e点、g点对应时间内，振子从x轴上7cm处振动到负向最大位移处，又返回7cm处行程共6cm，说明在x轴上负向最大位移处到7cm处相距3cm，弹簧振子的振幅A=10cm。解答：（1）f点；h点。（2）T=。（3）A=10cm。说明：本题主要考察结合振动图象如何判断在振动过程中描述振动的各物理量及其变化。讨论振子振动方向时，可以把振子实际振动情况和图象描述放在一起对比，即在x 轴左侧画一质点做与图象描述完全相同的运动形式。当某段图线随时间的推移上扬时，对应质点的振动方向
16、向上；同理若下降，质点振动方向向下。振动图象时间轴各点的位置也是振子振动到对应时刻平衡位置的标志，在每个时刻振子的位移方向永远背离平衡位置，而回复力和加速度方向永远指向平衡位置，这均与振动速度方向无关。因为振子在一个全振动过程中所通过的路程等于4倍振幅，所以在t时间内振子振动n个周期，振子通过的路程就为4nA。【例6】 一弹簧振子做简谐运动，周期为T，以下说法正确的是（ ）A. 若t时刻和(t+t)时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则t一定等于T的整数倍B. 若t时刻和(t+t)时刻振子运动速度的大小相等、方向相反，则t一定等于T/2的整数倍C. 若tT/2，则在t时刻和(t+t)时刻振子
17、运动的加速度大小一定相等D. 若tT/2，则在t时刻和(t+t)时刻弹簧的长度一定相等 分析：如图64所示为物体做简谐运动的图象。由图象可知，在t1、t2两个时刻，振子在平衡位置同侧的同一位置，即位移大小相等，方向相同，而，所以选项A错误。在t1时刻振子向远离平衡位置方向振动，即具有正向速度，在t2时刻振子向平衡位置方向振动，即具有负向速度，但它们速度大 小相等。而。所以选项B错误。因为，振子在这两个时刻的振动情况完全相同，所以具有相同的加速度，选项C正确。因为，振子在这两个时刻位于平衡位置的两侧，即若t1时刻弹簧处于伸长状态，则t3时刻弹簧处于压缩状态。所以选项D错误。 解答：选项C正确。说
18、明：做简谐运动的物体具有周期性，即物体振动周期的整数倍后，物体的运动状态与初状态完全相同。做简谐运动的物体具有对称性，即描述振动的物理量的大小（除周期和频率外）在关于平衡位置对称的两点上都相等，但矢量的方向不一定相同。做简谐运动的物体具有往复性，即当物体振动回到同一点时，描述振动的物理量的大小（除周期和频率外）相同，但矢量的方向不一定相同。【例7】在某介质中，质点O在t0时刻由平衡位置开始向上振动。经第一次向上振动到最大位移处。同时，产生的横波水平向右传播了50cm。在O点右侧有一点P，与O点相距8m。求：（1）这列横波的波速；（2）波动传播到P点，P点刚开始振动时的速度方向；（3）从O点开始
19、振动到P点第一次到达波峰位置所需时间分析：由题目所给条件可知：振源在内振动了14周期，波对应向右传播14个波长，从而可以确定波长和周期，进而求出波速。因为波匀速向前传播，所以波从O点传播到P点所用时间OP距离波速。当波传播到P点时，O点的振动形式也传播到了P点，因而P点的起振方向与O点起振方向相同，即为竖直向上，P点由平衡位置第一次到达波峰还在需要时间。解答：（1）由题意知：周期T=4=(s) 波长=4=2(m) 波速m/s) （2）P点刚开始振动时的速度方向为竖直向上。 （3）设所求时间为t，则 （s）说明：题目本身并不难，但要求对机械波的形成和传播能有一个正确的理解，在多数有关机械波的高考
20、题目中也是这样体现的。随着波的传播，振动形式和能量在传播，所以波动涉及到的每一个质点都要把振源的振动形式向外传播，即进行完全重复的振动，其刚开始的振动方向一定与振源的起振方向相同。【例8】如图6-10所示，甲为某一简谐横波在t=时刻的图象，乙为参与波动的某一质点的振动图象。（1）两图中的AA、OC各表示什么物理量量值各是多少（2）说明两图中OA B段图线的意义（3）该波的波速为多大（4）画出再经过0 .25s后的波动图象和振动图象。（5）甲图中P点此刻的振动方向。分析：依据波动图象和振动图象的物理意义来分析判断。注意振动图象和波动图象的区别与联系。解答：（1）甲图中的AA表示振幅A和x=1m处
21、的质点在t=时对平衡位置的位移，振幅A=,位移y=；甲图中OC表示波长，大小=4m。乙图中AA即是质点振动的振幅，又是t=时质点偏离平衡位置的位移，振幅A=,位移y=;OC表示质点振动的周期，大小T=。（2）甲图中的OAB段图线表示O到B之间的各质点在t=时相对平衡位置的位移，OA间各质点正向着平衡位置运动，AB间各质点正在远离平衡位置运动。乙图中的OAB段图线表示该质点在t=0时间内振动位移随时间变化的情况，在0内该质点正远离平衡位置运动，在内该质点正向平衡位置运动。（3）由v=/t可得波速 v=m/s= 4m/s（4）再过，波动图象向右平移x=vt=4m=1m=/4;振动图象在原有的基础上
22、向后延伸T/4，图象分别如图6-11丙、丁所示（5）已知波的传播方向（或某质点的振动方向）判定图象上该时刻各质点的振动方向（或波的传播方向），常用方法如下：a带动法：根据波动过程的特点，利用靠近波源的点带动它邻近的离波源稍远的点的特性，在被判定振动方向的点P附近图象上靠近波源一方找一点P，若在P点的上方，则P带动P向上运动，如图所示；若P在P点的下方，则P带动P向下运动。b微平移法：将波形沿波的传播方向做微小移动x/4，根据质点P相对平衡位置位移的变化情况判断质点P的运动方向。c口诀法：沿波的传播方向看，“上山低头，下山抬头”，其中“低头”表示质点向下运动，“抬头” 表示质点向上运动。故P向上
23、振动。说明：波动图象和振动图象的形状相似，都是正弦或余弦曲线，其物理意义有本质的区别，但它们之间又有联系，因为参与波动的质点都在各自的平衡位置附近振动，质点振动的周期也等于波动的周期。【例9】如图611所示，一列在x轴上传播的横波t0时刻的图线用实线表示，经t时，其图线用虚线表示。已知此波的波长为2m，则以下说法正确的是：（ ）A. 若波向右传播，则最大周期为2sB. 若波向左传播，则最大周期为2sC. 若波向左传播，则最小波速是9m/sD. 若波速是19m/s，则波的传播方向向左分析:首先题目中没有给出波的传播方向，因而应分为两种情况讨论。例如波向右传播，图中实线所示横波经过传播的距离可以为
24、, +)m, +2)m,其波形图均为图中虚线所示。因而不论求周期最小值还是求周期的最大值，都可以先写出通式再讨论求解。解答：如果波向右传播，传播的距离为（+n）m（n1,2,3），则传播速度为m/s，取n=0时对应最小的波速为1m/s，根据周期，得最大的周期为2s。因此选项A是正确的； 如果波向左传播，传播的距离为（n） m（n=1,2,3），则传播速度为m/s ，取n=1时对应最小的波速为9m/s，根据周期，得最大的周期为s。因此选项C是正确的，B是错误的；在向左传播的波速表达式中，当取n=2时，计算得波速为19 m/s，因此选项D是正确的。说明：1. 在已知两个时刻波形图研究波的传播问题时
25、，因为波的传播方向有两种可能,一般存在两组合理的解。又由于波的传播在时间和空间上的周期性，每组解又有多种可能性。为此，这类问题的解题思路一般为：先根据波的图象写出波的传播距离的通式，再根据波速公式列出波速或时间的通式，最后由题目给出的限制条件，选择出符合条件的解。2. 本题还可以直接考虑：例如对选项A：因为波长一定，若周期最大，则波速必最小，波在相同时间内（）传播距离必最短，即为。由此可知最小波速为1m/s，从而依据波速公式可求出最大周期为2s。其它各选项同理考虑。这样做的主要依据是波是匀速向前传播的，紧抓波速、传播距离、传播时间三者的关系，其实波速公式也是这三者关系的一个体现。【例10】绳中
26、有列正弦横波，沿x轴传播，图中612中a、b是绳上两点，它们在x轴方向上的距离小于一个波长。a、b两点的振动图象如图613所示。试在图612上a、b之间画出t=时的波形图。分析：首先我们先由振动图象确定t=时a、b 两质点在波形图上的位置以及振动方向，然后在一列已经画好的常规波形图上按题意截取所需波形既可。因为题中没给波的传播方向，所以要分两种情况讨论。解答：由振动图象可知：t=时，质点a处于正向最大位移处（波峰处），质点b处于平衡位置且向下振动。先画出一列沿x轴正方向传播的波形图，如图614所示。在图左侧波峰处标出a点。b点在a的右测，到a点距离小于1个波长的平衡位置，即可能是b1、b2两种
27、情况。而振动方向向下的点只有b2。题中所求沿x轴正方向传播的波在a、b之间的波形图即为图614中ab2段所示。画到原题图上时波形如图615甲（实线）所示。同理可以画出波沿x轴负方向传播在a、b之间的波形图，如图615乙（虚线）所示。说明：1. 分析解决本题的关键是要搞清楚振动图象和波动图象的区别和联系。振动图象详细描述了质点位移随时间的变化，但要找该质点在波中的位置，就必须关心所画波形图对应哪个时刻，进而由振动图象找到在这个时刻该质点的位置及振动方向。如果已知质点的振动方向、机械波的传播方向和机械波的波形中的任意两个，就可以对第三个进行判断，这也是贯穿整个机械波这部分内容的基本思路和方法。值得
28、注意的是：如果已知质点的振动方向、波的传播方向，再判断机械波的波形时，由于机械波传播的周期性，可能造成波形的多解。例如本题中没有“a、b在x轴方向上的距离小于一个波长”这个条件，就会造成多解现象。本题还可以利用“同侧法”来画图。“同侧法” 是来判断质点的振动方向、机械波的传播方向和机械波的波形三者关系的方法。其结论是：质点的振动方向、机械波的传播方向必在质点所在波形图线的同一侧。例如图616(甲) 所示是一列沿x轴正方向传播的简谐波图象，若其上M点的振动方向向下，则该点的振动方向与波的传播方向在M点所在图线的同侧；如图616（乙）图所示，若其上M点的振动方向向上，则该点的振动方向与波的传播方向
29、在M点所在图线的两侧。依据“同侧法”的判定，质点M的振动方向向下 。 对于本题中沿x轴正方向传播的情况，因为质点b振动方向向下，波沿x轴正方向传播，为保证波传播方向、质点振动方向在该点图线的“同侧”，波形图只能是图617中实线所示。图线若为虚线所示，则波传播方向、质点振动方向在该点图线的“两侧”。同理对沿x轴负方向传播的情况。有时我们还可以用图像平移法画图。【例19】从一条弦线的两端，各发生一如图624所示的脉冲横波，它们均沿弦线传播，速度相等，传播方向相反。已知这两个脉冲的宽度均为L，当左边脉冲的前端到达弦中的a点时，右边脉冲的前端正好到达与a相距L/2的b点。请画出此时弦线上的脉冲波形。分
30、析：依据波的叠加原理：当左边的脉冲波前端向右传播到a点，而右边的脉冲前端向左传到b点，此时，两列脉冲波有半个波长是重叠的。在重叠的区域内，即在a、b之间，当左脉冲引起质点振动的位移方向向下时，而右脉冲引起质点振动的位移方向向上，或反之，但位移大小相等，叠加结果相互抵消，此时弦线上出现的波形如图625所示。说明：此题是依据波的叠加原理而求解的。“叠加”的核心是位移的叠加，即在叠加区域内每一质点的振动位置由合位移决定。质点振动速度由合速度决定。【例20】如图626所示，S1、S2是振动情况完全相同的两个机械波波源，振幅为A，a、b、c三点分别位于S1、S2连线的中垂线上，且abbc。某时刻a是两列
31、波的波峰相遇点，c是两列波的波谷相遇点，则 （ ）A、a处质点的位移始终为2AB、c处质点的位移始终为2AC、b处质点的振幅为2AD、c处质点的振幅为2A分析：因为两个波源的频率相同，振动情况也相同，而a、b、c三点分别到两个波源的距离之差均为0，依判断条件可知该三个点的振动都是加强的，即各点振动的振幅均为两波振幅之和2A。解答：选项CD是正确的。说明：对于稳定的干涉现象中的振动始终加强的点，应理解为两列波传到该点的振动位移及振动方向完全一致，使得该点的振动剧烈，表现为该质点振动的振幅始终最大，而不是位移最大。如本题中的a点此时刻在波峰处，但过1/4周期该点会振动到平衡位置；b点位于ac中点，该时刻它位于平衡位置，但过1/4周期该点会振动到波峰位置。所以a、b、c所在这条线为振动加强区域。对于稳定的干涉现象中的振动始终减弱的点，应理解为两列波传到该点的振动位移及振动方向相反，使得该点的振动减弱，
