高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册2 简谐运动的描述精品巩固练习
展开第2.2课 简谐运动的描述
解题要点梳理:
x=Asin(ωt+φ) T=1f ω=2πT=2πf
x=Asin(2πTt+φ) x=Asin(2πft+φ)
相位差:Δφ=φ2-φ1
基础巩固
1.(2022·江苏·东台创新高级中学高二阶段练习)一个弹簧振子做简谐运动的周期为T,振幅为A,下列说法正确的是( )
A.在T时间内,振子发生的位移一定为零,路程一定是4A
B.在时间内,振子发生的位移一定是零,路程可以大于A
C.在时间内,振子发生的位移一定是2A,路程一定是2A
D.在时间内,振子发生的位移一定是A,路程也是A
【答案】A
【解析】A.在T时间内,振子完成一次全振动,振子发生的位移为零,路程为4A,故A正确;BD.若从平衡位置计时,经过周期,振子发生的位移是A,路程为A;若不是从平衡位置出发,则路程可能大于A,可能小于A,振子发生的位移可能是零,故BD错误;C.若振子从平衡位置开始计时,经过周期,振子发生的位移为0,故C错误。故选A。
2.(2022·全国·高三课时练习)一竖直悬挂的弹簧振子,下端装有一记录笔,在竖直面内放置有一记录纸,当振子上下振动时,以速率,水平向左匀速拉动记录纸,记录笔在纸上留下如图所示的图像。记录笔与记录纸之间的摩擦和空气阻力都可忽略不计。、、、为纸上印迹的已知位置坐标( )
A.振子平衡位置的纵坐标是
B.该弹簧振子的振动周期为
C.振子在坐标位置时加速度最大
D.匀速拉动纸带的速率增大为原来的2倍,振子振动的周期变为原来的
【答案】C
【详解】A.根据简谐振动对称性可知,平衡位置纵坐标为,故A错误;B.由图像可知,振子在一个周期内沿x方向的位移为,水平速度为v,则振子的周期
3.(2022·云南·马关县第一中学校高二阶段练习)如图所示的弹簧振子水平放置,忽略各种阻力时,它将在COB之间来回往复的做简谐振动,其中O点为平衡位置,简谐振动的振幅为A,弹簧的劲度系数为k,原长为L,弹簧振子的周期为T,小球质量为m,且规定向右为位移的正方向。请由此判断下列说法正确的是( )
A.从C到O,位移为负并且增大,从O到B,位移为正并且增大
B.从C到O,速度为负并且增大,从O到B,速度为正并且减小
C.设t=0时刻,若小球在O点且正向右运动,则小球的位移时间关系为
D.设t=0时刻,若小球刚好在B点,则小球的位移时间关系为
【答案】C
【详解】A.简谐运动的位移是相对平衡位置的位移;从C到O,位移向左,为负,并且减小;从O到B,位移为正并且增大,A错误;B.从C到O,靠近平衡位置,速度为正并且增大;从O到B,远离平衡位置,速度为正,并且减小,B错误;C.设t=0时刻,若小球在O点且正向右运动,则小球的位移与时间关系为正弦函数关系,所以有,由角速度和周期关系,可得
C正确;D.设t=0时刻,若小球刚好在B点,则小球的位移与时间关系为余弦函数关系,结合C中分析,所以,D错误。故选C。
4.(2022·重庆巴蜀中学高二期末)一位游客在长寿湖边欲乘游船,当日风浪很大,游船上下浮动。可把游艇浮动简化成竖直方向的简谐运动,振幅为20cm,周期为3.0s。当船到达平衡位置时,甲板刚好与码头地面平齐。已知地面与甲板的高度差不超过10cm时,游客能舒服地登船。在一个周期内,游客能舒服地登船的时间是( )
A.0.5s B.1.0s C.1.5s D.2.0s
【答案】B
【解析】假设t=0时刻船刚好到达平衡位置且向上运动,则船的振动方程可写为,在一个周期内的时刻为,,,
其中满足题意要求的时间范围是、、,所以在一个周期内,游客能舒服地登船的时间是,故选B。
5.(2022·全国·高二)(多选)如图甲所示,悬挂在竖直方向上的弹簧振子,在C、D两点之间做简谐运动,O点为平衡位置。振子到达D点时开始计时,以竖直向上为正方向,一个周期内的振动图像如图乙所示,下列说法不正确的是( )
A.振子在O点受到的弹簧弹力等于零
B.振子在C点和D点的加速度相同
C.时,弹簧的弹性势能最大
D.振子在内通过的路程一定为
【答案】ABC
【详解】A.振子在O点受到的合力等于零,弹簧弹力与其自身重力平衡,故A错误;B.由简谐运动的对称性可知,振子在C点和D点的加速度大小相同,方向相反,故B错误;C.由乙图可知,时,振子在C,弹簧形变不是最大,弹性势能不是最大,故C错误;D.由乙图可知,周期为,经过半个周期即内,振子通过的路程为两个振幅,即为6cm,故D正确。本题选不正确项,故选ABC。
6.(2022·全国·高三课时练习)如图所示,一个轻质弹簧下端挂一小球,小球静止。现将小球向下拉动距离A后由静止释放,并开始计时,小球在竖直方向做简谐运动,周期为T。经时间,小球从最低点向上运动的距离_____(选填“大于”、“小于”或“等于”);在时刻,小球的动能______(选填“最大”或“最小”)。
【答案】 小于 最大
【详解】根据简谐振动的位移公式,则时有,所以小球从最低点向上运动的距离为,则小球从最低点向上运动的距离小于。
在时,小球回到平衡位置,具有最大的振动速度,所以小球的动能最大。
7.(2022·全国·高二专题练习)一个小球和轻质弹簧组成的系统,按x1=5sin(8πt+π) cm的规律振动。
(1)求该振动的周期、频率、振幅和初相;
(2)另一简谐运动表达式为x2=5sin(8πt+1.5π) cm,求它们的相位差。
【答案】(1)0.25s,4Hz,5cm,;(2)
【解析】(1)根据振动方程知该振动的角频率ω=8π rad/s,振幅为5cm,初相是π,则周期为
频率
(2)x1与x2的相位差
8.(2022·广东·北京师范大学珠海分校附属外国语学校高二期中)如图所示为一弹簧振子的振动图象,试完成以下问题:
(1)写出该振子简谐运动的表达式.
(2)在第2s末到第3s末这段时间内,弹簧振子的加速度、速度、动能和弹性势能各是怎样变化的?
(3)该振子在前100s的总位移是多少?路程是多少?
【答案】(1)该振子简谐运动的表达式x="Asinωt=5sin0.5πt" cm.
(2)在第2s末到第3s末这段时间内,弹簧振子的位移负向逐渐增大,速度减小,动能减小,弹性势能增大,加速度逐渐增大
(3)该振子在前100s的总位移为零,路程为5m
【详解】(1)弹簧振子的周期为 T=4s,则公式ω==0.5π rad/s;振幅 A=5cm故该振子简谐运动的表达式为 x=Asinωt=5sin0.5πt cm.
(2)第2s末到第3s末这段时间内,据图可知,振子的位移负向逐渐增大,速度减小,动能减小,弹性势能增大,加速度逐渐增大;当3s末时,振子的位移最大,加速度最大,速度为零,动能为零,弹性势能最大.
(3)因n===25,而振子在一个周期内通过的路程是4A,所以振子在前100s的总路程是:S=25×4A=100×5cm=500cm=5m;总位移为0.
答:(1)该振子简谐运动的表达式x=Asinωt=5sin0.5πt cm.
(2)在第2s末到第3s末这段时间内,弹簧振子的位移负向逐渐增大,速度减小,动能减小,弹性势能增大,加速度逐渐增大
(3)该振子在前100s的总位移为零,路程为5m.
能力提升
9.(2022·四川遂宁·高二期末)(多选)如图所示,质量为m的物体放在弹簧上,在竖直方向上做简谐运动,当振幅为A时,物体对弹簧的最大压力是物重的1.9倍,则下列说法正确的是( )
A.物体对弹簧的最小压力为0.1mg
B.若在物体运动到最低点时加上一质量为0.1m的物体,随弹簧一起振动(不分离),则振动的振幅将增大
C.物体在振动过程中机械能守恒
D.要使物体在振动过程中不离开弹簧,则振幅不能超过
【答案】AD
【详解】A.当物体运动到最低点时,对弹簧压力最大,此时由牛顿第二定律得,由题意知,所以,当木块运动到最高点时,对弹簧弹力最小,此时由牛顿第二定律得
,由运动的对称性知,最高点与最低点的加速度大小相等,即,代入求得
,选项A正确;B.若在物体运动到最低点时加上一质量为0.1m的物体,随弹簧一起振动(不分离),其平衡位置降低,则振动的振幅将减小,选项B错误;C.在振动过程中,只有重力和弹簧的弹力做功,物体与弹簧组成的系统机械能守恒,但物体机械能不守恒,选项C错误;D.在最高点或最低点有,解得,物体在平衡位置下方处于超重状态,不可能离开弹簧,只有在平衡位置上方可能离开弹簧。要使物体在振动过程中恰好不离开弹簧,物体在最高点的加速度
a=g,此时弹簧的弹力为零。若振幅再大,物体便会脱离弹簧。物体在最高点刚好不离开弹簧时,回复力为重力,所以,则振幅,要使物体在振动过程中不离开弹簧,则振幅不能超过,选项D正确。故选AD。
10.(2022·河北·模拟预测)一个质点在平衡位置O点附近做机械振动。若从O点开始计时,经过3s质点第一次经过M点(如图所示);再继续运动,又经过2s它第二次经过M点;则该质点第三次经过M点还需要的时间是________或________。
【答案】 14s s
【详解】当开始计时,质点从O点向右时,由简谐振动的对称性,结合题意有
,,而,则有,所以质点第三次到达M点还需要的时间为
,当开始计时,质点从O点向左运动时,由简谐振动的对称性,结合题意有,,,而,则有,,所以质点第三次到达M点还需要的时间为。
11.(2022·湖北·宜昌英杰学校高二开学考试)(多选)甲、乙两弹簧振子,振动图象如图所示,则可知( )
A.甲振子在这一时刻的位移为
B.在内,甲乙两振子路程之比1:1
C.两个振子的振动频率之比
D.甲乙两个振子的振幅之比为2:1
【答案】BCD
【详解】A.甲振子的振动方程为,则在时,其位移为,A错误;B.由于,甲乙都是从平衡位置开始运动的,则在内,甲振子通过的路程为,乙振子通过的路程为
,可见此过程甲乙两振子路程之比为1:1,B正确;C.由图知,甲振子振动的周期为,乙振子振动的周期为,根据公式,可知,甲乙两个振子的振动频率之比为
,C正确;D.由图知,甲振子的振幅为,乙振子的振幅为,可见甲乙两个振子的振幅之比为2:1,D正确。故选BCD。
12.(2022·北京西城·高二期末)如图所示,一轻质弹簧下端系一质量为m的物块,组成一竖直的弹簧振子,在物块上装有一记录笔,在竖直面内放置有记录纸。当弹簧振子沿竖直方向上下自由振动时,以速率v水平向左匀速拉动记录纸,记录笔在纸上留下如图所示的余弦型函数曲线印迹,图中的、、、、为记录纸上印迹的位置坐标值,P、Q分别是印迹上纵坐标为和的两个点。若空气阻力、记录笔的质量及其与纸之间的作用力均可忽略不计,则下列说法正确的是( )
A.该弹簧振子在P点时的加速度最大,在Q点时的加速度最小
B.若拉纸的速度v变大,该弹簧振子的振幅不变,周期会变长
C.在记录笔留下PQ段印迹的过程中,物块所受合力的冲量为零
D.在弹簧振子的运动过程中,物块和弹簧所组成系统的动量和机械能都守恒
【答案】C
【详解】A.该弹簧振子在P点时的加速度向下最大,在Q点时的加速度是向上最大,选项A错误;
B.弹簧振子的振幅和周期由振子本身决定,与拉动纸的速度大小无关;若拉纸的速度v变大,该弹簧振子的振幅不变,周期也不变,选项B错误;C.在记录笔留下PQ段印迹的过程中,振子的初末速度都为零,动量变化量为零,则物块所受合力的冲量为零,选项C正确;D.在弹簧振子的运动过程中,物块和弹簧所组成系统的合外力不为零,则动量不守恒;因只有弹力和重力做功,则物块和弹簧所组成系统的机械能守恒,选项D错误。故选C。
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