3. 简谐运动的图像和公式PPT及专用教学设计内容

第三节:

简谐运动的图像和公式

内容分析：本节内容是在上一节了解了简谐运动的位移特点的基础上，以简谐运动为例，学习描述振动特点的物理量，为描述其他振动奠定基础。进而使学生了解不同的运动形式运用不同的物理量描述。是本节的重点内容。

一、学习目标

1、理解振幅、周期和频率的概念，知道全振动的含义。

2、了解简谐运动位移方程中各量的物理意义，能依据振动方程描绘振动图象,能运用简谐运动的图像解决问题。

3、了解初相和相位差的概念，理解相位的物理意义，理解同向和反向的意义。

4、通过实验法得到简谐振动的图像，培养学生认真、严谨、实事求是的科学态度。

二、教学过程

（一）、初步感知了解初相和相位差的概念，理解相位的物理意义。

上节课我们学习了简谐运动，简谐运动也是一种往复性的运动，所以研究简谐运动时我们也有必要像匀速圆周运动一样引入周期、频率等能反映其本身特点的物理量。本节课我们就来学习描述简谐运动的几个物理量。

（二）、探究与学习

1．振幅

演示：在铁架台上悬挂一竖直方向的弹簧振子，分别把振子从平衡位置向下拉不同的距离，让振子振动。

现象：①两种情况下，弹簧振子振动的范围大小不同；②振子振动的强弱不同。

在物理学中，我们用振幅来描述物体的振动强弱。

（1）物理意义：振幅是描述振动

的物理量。

（2）定义：振动物体离开平衡位置的

，叫做振动的振幅。

（3）单位：在国际单位制中，振幅的单位是米（m）。

（4）振幅和位移的区别

①振幅是指振动物体离开平衡位置的最大距离；而位移是振动物体所在位置与平衡位置之间的距离。

②对于一个给定的振动，振子的位移是时刻变化的，但振幅是不变的。

③位移是矢量，振幅是标量。

④振幅等于最大位移的数值。

2．周期和频率

（1）全振动

从O点开始，一次全振动的完整过程为：O→A→O→A′→O。从A点开始，一次全振动的完整过程为：A→O→A′→O→A。从A＇点开始，一次全振动的完整过程为：A′→O→A→O→A′。

在判断是否为一次全振动时不仅要看是否回到了原位置，而且到达该位置的振动状态（速度）也必须相同，才能说完成了一次全振动。只有物体振动状A′

态再次恢复到与起始时刻完全相同时，物体才完成一次全振动。

[来源:Z。xx。k.Com]O

A

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振动物体以相同的速度相继通过同一位置所经历的过程，也就是连续的两次位置和振动状态都相同时所经历的过程，叫做一次全振动。

一次全振动是简谐运动的最小运动单元，振子的运动过程就是这一单元运动的不断重复。

（2）周期和频率

演示：在两个劲度系数不同的弹簧下挂两个质量相同的小球，让这两个弹簧振子以相同的振幅振动，观察到振子振动的快慢不同。

为了描述简谐运动的快慢，引入了周期和频率。

①周期：做简谐运动的物体完成一次全振动所需的时间，叫做振动的周期，单位：s。

②频率：单位时间内完成的全振动的次数，叫频率，单位：Hz，1Hz=1 s-1。

③周期和频率之间的关系：T= 1f[来源学_科_网Z_X_X_K]

④研究弹簧振子的周期

问题：猜想弹簧振子的振动周期可能由哪些因素决定? 演示：两个不同的弹簧振子（弹簧不同，振子小球质量也不同），学生观察到：两个弹簧振子的振动不同步，说明它们的周期不相等。

猜想：影响弹簧振子周期的因素可能有：振幅、振子的质量、弹簧的劲度系数。

注意事项：

a．秒表的正确读数及使用方法。

b．应选择振子经过平衡位置的时刻作为开始计时的时刻。

tc．振动周期的求解方法：T= ，t表示发生n次全振动所用的总时间。

nd．给学生发秒表，全班同学同时测讲台上演示的弹簧振子的振动周期。

实验验证：弹簧一端固定，另一端系着小球，让小球在竖直方向上振动。

实验一：用同一弹簧振子，质量不变，振幅较小与较大时，测出振动的周期T1和T1′，并进行比较。

结论：弹簧振子的振动周期与振幅大小

。

实验二：用同一弹簧，拴上质量较小和较大的小球，在振幅相同时，分别测出振动的周期T2和T2′，并进行比较。

结论：弹簧振子的振动周期与振子的质量

，质量较小时，周期较

。

实验三：保持小球的质量和振幅不变，换用劲度系数不同的弹簧，测出振动的周期T3和T3′，并进行比较。

结论：弹簧振子的振动周期与弹簧的劲度系数

，劲度系数较大时，周期较

。

通过上述实验，我们得到：弹簧振子的周期由振动系统本身的

和

决定，而与

无关。

（简谐运动的周期公式T=2πm，式中m为振子的质量，k为比例常数）

k⑤固有周期和固有频率

对一个确定的振动系统，振动的周期和频率只与振动系统本身有关，所以把周期和频率叫做固有周期和固有频率。

3．相位

（观察和比较两个摆长相等的单摆做简谐运动的情形）

演示：将并列悬挂的两个等长的单摆（它们的振动周期和频率相同），向同一侧拉起相同的很小的偏角同时释放，让它们做简谐运动。

现象：两个简谐运动在同一方向同时达到位移的最大值，也同时同方向经过平衡位置，第 2

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两者振动的步调一致。

对于同时释放的这两个等长单摆，我们说它们的相位相同。

演示：将两个单摆拉向同一侧拉起相同的很小的偏角，但不同时释放，先把第一个放开，当它运动到平衡位置时再放开第二个，让两者相差1/4周期，让它们做简谐运动。

现象：两者振动的步调不再一致了，当第一个到达另一侧的最高点时，第二个小球又回到平衡位置，而当第二个摆球到达另一方的最高点时，第一个小球又已经返回平衡位置了。与第一个相比，第二个总是滞后1/4周期，或者说总是滞后1/4全振动。

对于不同时释放的这两个等长单摆，我们说它们的相位不相同。

要详尽地描述简谐运动，只有周期（或频率）和振幅是不够的，在物理学中我们用不同的相位来描述简谐运动在一个全振动中所处的不同阶段。

相位是表示物体振动步调的物理量，用相位来描述简谐运动在一个全振动中所处的阶段。

4．简谐运动的表达式

（1）简谐运动的振动方程

既然简谐运动的位移和时间的关系可以用正弦曲线或余弦曲线来表示，那么若以x代表质点对于平衡位置的位移，t代表时间，根据三角函数知识，x和t的函数关系可以写成

x=Asin（ωt+）

公式中的A代表振动的振幅，ω叫做圆频率，它与频率f之间的关系为：ω=2πf；公式中的（ωt+）表示简谐运动的相位，t=0时的相位叫做初相位，简称初相。

（2）两个同频率简谐运动的相位差

设两个简谐运动的频率相同，则据ω=2πf，得到它们的圆频率相同，设它们的初相分别为1和2，它们的相位差就是（ωt+2）－（ωt+1）=2－1 三、例题及课堂练习

例1：如图1是弹簧振子的振动图像，试回答下列问题：

(1)振动的振幅、周期、频率各是多少？

(2)如果从O点算起，到图线上哪一点为止振子完成了一次全振动？从A点算起呢？

(3)从零到1.6 s时间内，哪些点的动能最大？哪些点的势能最大？

规律总结：简谐运动图像问题的分析方法

解此类题时，首先要理解x－t图像的意义，其次要把x－t图像与质点的实际振动过程联系起来。再充分利用图像的直观性，把图像与振动过程联系起来，图像上的一个点表示振动中的一个状态(位置、振动方向等)，图像上的一段对应振动的一个过程，关键是判断好平衡位置、最大位移及振动方向。

π例2：物体A做简谐运动的振动位移为xA＝3cos(100t＋) m，物体B做简谐运动的振动位移2π为xB＝5cos(100t＋) m。比较A、B的运动

(

) 6第 3

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A．振幅是矢量，A的振幅是6 m，B的振幅是10 m B．周期是标量，A、B周期相等为100 s C．A振动的频率fA等于B振动的频率fB

D．A振动的频率fA大于B振动的频率fB 课堂练习：

1.某简谐运动的位移与时间关系为：x=0.1sin（100πt＋π）cm, 由此可知该振动的振幅是______cm，频率是 Ｈz，零时刻振动物体的速度与规定正方向_____（填“相同”或“相反”). 2．如图2所示是用频闪照相的方法获得的弹簧振子的位移－时间图像，下列有关该图像的说法正确的是 (

)

A．该图像的坐标原点是建立在弹簧振子小球的平衡位置

B．从图像可以看出小球在振动过程中是沿横轴方向移动的

C．为了显示小球在不同时刻偏离平衡位置的位移，让底片沿垂直x轴方向匀速运动

D．图像中小球的疏密显示出相同时间内小球位置变化快慢不同

3.某一弹簧振子的振动图象如图所示，则由图象判断下列说法正确的是（

）

A、振子偏离平衡位置的最大距离为10cm B、1s到2s的时间内振子向平衡位置运动

C、2s时和3s时振子的位移相等，运动方向也相同

D、振子在2s内完成一次往复性运动

4. 某弹簧振子的振动图象如图所示，根据图象判断。下列说法正确的是（ ）

A、第1s内振子相对于平衡位置的位移与速度方向相反

B、第2s末振子相对于平衡位置的位移为-20cm C、第2s末和第3s末振子相对于平衡位置的位移均相同，但瞬时速度方向相反

D、第1s内和第2s内振子相对于平衡位置的位移方向相同，瞬时速度方向相反。

（四）讨论：

①一个物体运动时其相位变化多少就意味着完成了一次全振动?

（相位每增加2π就意味着发生了一次全振动）

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②甲和乙两个简谐运动的相位差为3π/2，意味着什么?

（甲和乙两个简谐运动的相位差为3π/2，意味着乙总是比甲滞后3/2个周期或3/2次全振动）

（3）相位的应用

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