(八)机械振动和机械波专题

2012高三物理专题复习——机械振动和机械波专题

一、知识结构

。

三、【典型例题分析】

【例1】一弹簧振子做简谐运动，振动图象如图6—3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 点对应x 轴的位置所用时间均为0.4s 。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－7cm 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0.8s ，弹簧振子振动周期为T =1.6s 。

（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 =1.6s 。（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2】 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 +Δt )时刻振子运动位移的大小相等、方向相同，则Δt 一定等于T 的整数倍

B. 若t 时刻和(t +Δt )时刻振子运动速度的大小相等、方向相反，则Δt 一定等于T /2的整数倍

C. 若Δt ＝T /2，则在t 时刻和(t +Δt )时刻振子运动的加速度大小一定相等

D. 若Δt ＝T /2，则在t 时刻和(t +Δt )时刻弹簧的长度一定相等

分析：如图所示为物体做简谐运动的图象。由图象可知，在t 1、t 2两个时刻，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T t t t <-=∆12， 所以选项A 错误。 在t 1时刻振子向远离平衡位置方向振动，即具有正向速度，在 t 2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2

12T

t t t <

-=∆。所以选项B 错误。 因为T t t t =-=∆14，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2

13T

t t t =

-=∆，振子在这两个时刻位于平衡位置的两侧，即若t 1时刻弹簧处于伸长状态，则t 3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3】在某介质中，质点O 在t ＝0时刻由平衡位置开始向上振动。经0.1s 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0.1s 内振动了1／4周期，波对应向右传播1／4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

T 4

1

时间。 解答：（1）由题意知：周期T =0.1×4=0.4(s) 波长λ=0.5×4=2(m) ∴波速(5==

T

v λ

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 7.14

1

=+=

T v OP t （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4】如图6-10所示，甲为某一简谐横波在t =1.0s 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 处的质点在t =1.0s 时对平衡位置的位移，振幅A =0.2m,位移y=-0.2m ；甲图中OC 表示波长，大小λ=4m 。乙图中AA ’即是质点振动的振幅，又是t =0.25s 时质点偏离平衡位置的位移，振幅A =0.2m,位移y =-0.2m;OC 表示质点振动的周期，大小T =1.0s 。

（2）甲图中的OA ’B 段图线表示O 到B 之间的各质点在t =1.0s 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OA ’B 段图线表示该质点在t =0~0.5s 时间内振动位移随时间变化的情况，在0~0.25s 内该质点正远离平衡位置运动，在0.25s~0.2s 内该质点正向平衡位置运动。 （3）由v =λ/t 可得波速 v =1

4m/s= 4m/s （4）再过0.25s ，波动图象向右平移图6-10 m