简谐振动的运动学描述
简谐运动及其描述(精品课件)
刻，质点位移大小相等、方向
相同
运动学表达式：x＝Asin(ωt＋φ)
3．基本特征 回复力F与位移x大小成正比，回复力的方向与位移方 向相反．此式一方面向我们描述了简谐运动的动力学特征， 另一方面也向我们提供了判断物体是否做简谐运动的依 据．
►疑难详析◄ 1．当物体振动经过平衡位置时，物体受到的合外力
不一定等于零，物体不一定处于平衡状态．例如单摆经过
个运动周期的时间内通过的路程是振幅的4倍，在半个周期 的时间内通过的路程是振幅的2倍，但是在四分之一周期时
间内通过的路程就不一定等于振幅．当物体从平衡位置和
最大位移之间的某一位置开始运动四分之一周期时间通过 的路程就不等于振幅了．
2．判断各时刻振子的速度方向 在简谐运动图象中，用做曲线上某点切线（斜率）的
出的①②③④四条振动图线，可用于表示振动的图象是 (
时t＝0，则图象为①
)
A．若规定状态a B．若规定状态b
时t＝0，则图象为②
C．若规定状态c 时t＝0，则图象为③
D．若规定状态d
时t＝0，则图象为④
图3
[答案] AD
一质点做简谐运 动的图象如图4所示，下列说法正确的 是 速度为负 ( ) A．在0.035 s时，速度为正，加
注意： A．简谐运动的图象不是振动质点的轨迹．
B．简谐运动的周期性，体现在振动图象上是曲线的
重复性．简谐运动是一种复杂的非匀变速运动．但运动的 物点具有简单的周期性、重复性、对称性．所以用图象研
究要比用方程要直观、简便．
►疑难详析◄ 1．振幅与位移、路程的关系
位移的大小总小于等于振幅，做简谐运动的物体在一
发现树枝在10 s内上下振动了12次，将50 g的砝码换成500 g 砝码后，他发现树枝在15 s内上下振动了6次，你估计鸟的
简谐运动的表达式动力学表达式
性，在关于平衡位置对称的两个位置，动能、势 能相等，位移、回复力、加速度大小相等，方向 相反,速度大小相等，方向可能相同，也可能相 反,振动过程相对平衡位置两侧的最大位移值相等.
3.周期性——简谐运动的物体经过相同时间t=nT(n) 为整数,必回复到原来的状态,经时间t=(2n+1) T2 (n为整数)，则物体所处的位置必与原来的位置 关于平衡位置对称，因此在处理实际问题中，
图2 3.简谐运动的能量
简谐运动过程中动能和势能相互转化，机械能 守恒，振动能量与 振幅 有关， 振幅 越大， 能量越大.
二、简谐运动的两种基本模型
弹簧振子（水 平）
单摆
模型示意图
条件 平衡位置
回复力
忽略弹簧质量、 无摩擦等阻力
细线不可伸长、质量 忽略、无空气等阻力、 摆角很小
弹簧处于原长处
最低点
度方向上的力充当向心力，即F向=F-mgcosθ；摆 球重力在平行于速度方向上的分力充当摆球的回复
力.当单摆做小角度摆动时，由于F回=-mgsinθ= - mg x=-kx，所以单摆的振动近似为简谐运动.
l
3.单摆的周期公式 (1)单摆振动的周期公式T=2π l ,该公式提供了
g
一种测定重力加速度g的方法. (2)l为等效摆长,表示从悬点到摆球重心的距离, 要区分摆长和摆线长，悬点实质为摆球摆动所在
2. 简谐运动的描述 （1）描述简谐运动的物理量 ①位移x：由平衡位置指向振动质点所在位置的 有向线段表示振动位移，是矢量. ②振幅A：振动物体离开平衡位置的最大距离， 是标量，表示振动的强弱. ③周期T和频率f:做简谐运动的物体完成 一次 全振动所需要的时间叫周期，而频率则等于单 位时间内完成 全振动的次数 ；它们是表示振动 快慢的物理量.二者互为倒数关系.
简谐振动
1 1 2 2 2 2 m A sin (t 0 ) kA cos 2 (t 0 ) 2 2
简谐振动的能量
1 2 考虑到 k m ，系统总能量为 E kA ，表明 2 简谐振动的机械能守恒。
2
能量平均值
1 T1 1 2 2 2 2 EK m A sin (t 0 ) d t kA T 0 2 4
§15-1 简谐振动
简谐振动：物体运动时，离开平衡位置的位移(或 角位移)按余弦(或正弦)规律随时间变化。
1.简谐振动的特征及其表达式
O
X
F
X
O
F
O
X
简谐振动的特征及其表达式
位移 x 之解可写为： 或
x A cos(t 0 )
i(t 0 )
x Ae
简谐振动的运动学特征:物体的加速度与位移成正 比而方向相反，物体的位移按余弦规律变化。
1 T1 2 1 2 2 EP kA cos (t 0 ) d t kA T 0 2 4
EK EP E 2
上述结果对任一谐振系统均成立。
简谐振动的能量
谐振子的动能、势能和总能量随时间的变化曲线:
E
EP
1 2 E kA 2
O
Ek
t
x
O
x A cos t
t
简谐振动的振幅、周期、频率和相位
(3)相位和初相
相位 (t 0 ) ：决定简谐运动状态的物理量。
初相位 0 ：t=0 时的相位。 相位概念可用于比较两个谐振动之间在振动 步调上的差异。 设有两个同频率的谐振动，表达式分别为： x1 A1 cos(t 10 )
x2 A2 cos(t 20 )
简谐运动的描述(高中物理教学课件)完整版
四.简谐运动的表达式
简谐运动的表达式：x＝Asin（ωt＋φ）
位移 振幅
时刻 初相位
圆频率 ω＝2π/T＝2πf
也可以写成：x Asin(2 t )
T
相位
根据一个简谐运动的振幅、周期、初相位，可以知道做 简谐运动的物体在任意时刻的位移，故振幅、周期、初 相位是描述简谐运动特征的物理量。
三角变换
因为 2 ， T 2 2 m
T
k
振动系统本身性质决 定的。
同时放开的两个小球振动步调总是 一致，我们说它们的相位是相同的；
而对于不同时放开的两个小球，我 们说第二个小球的相位落后于第一个 小球的相位。
如何定量的表示相位呢？
三.相位
1.相位：物理学中把（ωt＋φ）叫作相位，其中φ 叫初相位，也叫初相。 由简谐运动的表达式x＝Asin（ωt＋φ）可以知道， 一旦相位确定，简谐运动的状态也就确定了。 2.相位差：两个具有相同频率的简谐运动的相位 的差值。 如果两个简谐运动的频率相同，其初相分别是φ1 和φ2，当φ1>φ2时，它们的相位差是Δφ＝(ωt＋φ1) －(ωt＋φ2)＝φ1－φ2此时我们常说1的相位比2超前 Δφ，或者说2的相位比1落后Δφ。
x甲 0.5sin(5t )cm 或者x甲 0.5sin 5tcm
x乙
0.2 sin(2.5t
2
)cm
或者x乙 0.2 cos 2.5tcm
注意： 振动物体运动的范围是振幅的两倍。
二.周期和频率
做简谐振动的振子，如果从A点开始运动，经过O点运动到Aˊ点再 经过O点回到A点，这样的过程物体的振动就完成了一次全振动。 如果从B点向左运动算起，经过O点运动到Aˊ点，再经过O点回到 B点，再经A点返回到B点时，这样的过程也是一种全振动。
简谐运动的描述
简谐运动的描述引言简谐运动是物理学中一种重要的运动形式，它在自然界和工程领域中都有广泛的应用。
本文将对简谐运动进行详细描述，并深入探讨其特征、数学表达以及应用。
定义简谐运动是一种周期性运动，其特点是运动体沿着某个轴线上往复振动，并且振动的加速度与位移成正比，且恒定。
在简谐运动中，运动体会围绕平衡位置作周期性的振动，如弹簧振子、摆锤等。
特征简谐运动有以下几个主要特征：1.振幅（Amplitude）：振幅是指运动体离开平衡位置的最大位移。
它决定了简谐运动的最大振幅。
2.周期（Period）：周期是指运动体完成一次完整振动所需的时间。
它与频率的倒数成正比，可以用公式T = 1/f来表示，其中T代表周期，f代表频率。
3.频率（Frequency）：频率是指运动体单位时间内振动的次数。
它与周期的倒数成正比，可以用公式f = 1/T来表示，其中f代表频率，T代表周期。
4.相位（Phase）：相位是指简谐运动的偏移值，用角度来度量。
在简谐运动中，相位角随时间而变化，可以用公式θ = ωt来表示，其中θ代表相位角，ω代表角频率，t代表时间。
5.动能和势能：在简谐运动中，运动体会交替转化为动能和势能。
当运动体离开平衡位置时，具有最大位移和最大动能；当运动体接近平衡位置时，具有最小位移和最小动能，但具有最大势能。
数学表达简谐运动的数学表达可以通过以下公式得到：1.位移（Displacement）：\[x(t) = A \cos(\omega t + \phi)\] 其中，x代表位移，A代表振幅，ω代表角频率（ω = 2πf），t代表时间，φ代表相位角。
2.速度（Velocity）：\[v(t) = -A \omega \sin(\omega t + \phi)\] 其中，v代表速度，A代表振幅，ω代表角频率（ω = 2πf），t代表时间，φ代表相位角。
3.加速度（Acceleration）：\[a(t) = -A \omega^2 \cos(\omega t + \phi)\] 其中，a代表加速度，A代表振幅，ω代表角频率（ω = 2πf），t代表时间，φ代表相位角。
2.2简谐运动的描述
例5.如图 ，弹簧振子的平衡位置为 O 点，在 B、C两点之间做简谐运动。B、C 相距 20 cm。小球经过 B 点时开始计时，经过 0.5 s 首次到达 C 点。 （1）画出小球在第一个周期内的 x-t 图像。 （2）求 5 s 内小球通过的路程及 5 s 末小球的位移。
【思考】 振子的振幅为多大？ 振子的周期为多大？ 振子的圆频率为多少？ 振子的初相是多大？
简谐运动的位移-时间关系
振动图象：正弦曲线
振动方程：
x Asin(t )
振子水 平方向振动 的位移恰好 等于质点做 匀速圆周运 动在竖直方 向的投影。
二.简谐运动的表达式
x Asin(t )
x A sin t （平衡位置处开始计时） x A cos t （最大位移处开始计时）
振幅
相位
离是20 cm，A到B运动时间是2 s，如图所示,则( A．从O→B→O振子做了一次全振动 半个周期
C)
B．振动周期为2 s，振幅是10 cm
C．从B开始经过6 s，振子通过的路程是60 cm
D．从O开始经过3 s，振子处在平衡位置
6s＝1.5T s＝6A＝60cm
1个周期＝4s
3s＝0.75T
例4.(多选)一质点做简谐运动，其位移x与时间t的关系图
标量
矢量
标量
在稳定的振动系统 中不发生变化
大小和方向随时间 做周期性变化
随时间增加
(1)振幅等于位移最大值的数值；(2)振子在一个周期内的 路程等于4个振幅；而振子在一的特点是什么？
往复性-重复性-周期性
2.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要
结论：弹簧振子的周期由振动系统本身
的质量和劲度系数决定，而与振幅无关， 所以常把周期和频率叫做固有周期和固
简谐运动的描述
简谐运动的描述一、简谐运动的概念和特征简谐运动是一种重要的周期性运动，它可以在自然界和人-made系统中观察到。
简谐运动的特征包括：1.周期性：简谐运动是一个重复的过程，物体会在规律的时间间隔内重复相同的运动。
2.能量守恒：简谐运动中物体的总能量保持不变，由动能和势能相互转化，但总能量始终保持恒定。
3.线性回复：简谐运动中，物体的回复力与它的偏离程度成正比，且方向相反，符合胡克定律。
4.最大回复力和最大速度的时刻不一致：简谐运动中，最大回复力与最大速度不会同时发生，它们的时刻相差1/4个周期。
二、简谐运动的数学描述简谐运动可以使用如下的数学描述：一维简谐运动的位移-时间关系：x=Acos(ωt+ϕ)其中， - A为振幅，表示物体偏离平衡位置的最大距离。
- ω为角频率，表示单位时间内的相位变化量。
- t为时间。
- φ为初相位，表示在t=0时刻的位相。
一维简谐运动的速度-时间关系：v=−ωAsin(ωt+ϕ)一维简谐运动的加速度-时间关系：a=−ω2Acos(ωt+ϕ)三、简谐运动的力学模型简谐运动可以通过一维弹簧振子来进行力学建模。
弹簧振子由一个弹簧和一个质量块组成。
当质量块受到外力扰动后，它会围绕平衡位置做简谐振动。
1.弹簧的自由长度为L，当质量块偏离平衡位置时，弹簧受到回复力，使得质量块回到平衡位置。
2.弹簧回复力与质量块的偏离程度成正比，符合胡克定律：F=−kx其中， - F为回复力的大小。
- k为弹簧的劲度系数，描述了弹簧的刚度和回复力的大小。
- x为质量块偏离平衡位置的距离。
四、简谐运动的频率和周期简谐运动的频率和周期和与力学模型中的角频率相关。
频率：简谐运动的频率表示单位时间内完成一个完整周期的次数，用hertz（Hz）作为单位，频率等于角频率除以2π。
周期：简谐运动的周期表示完成一个完整周期所需要的时间，用秒（s）作为单位，周期等于角频率的倒数。
五、简谐运动的实际应用简谐运动是自然界和人-made系统中普遍存在的一种运动形式，其应用十分广泛。
4.1简谐振动
幅为A=0.05m，要使物体一直与板接触，最大频率为
多少？
2
2
mA mg
mA mg
2
简谐振动的能量 以弹簧振子为例 振动系统的能量=系统的动能Ek+系统的势能Ep
k O
m
x
谐振动系统的能量=系统的动能Ek+系统的势能Ep
2
x.v.a.
x
T/4T/4o来自avT
t
0
三、简谐振动的旋转矢量表示法
当
t 0时
A
以 o为
原点旋转矢
量 A的端点
在
投影点的运
o
x0 A cos
x0
x
x 轴上的
动为简谐运
动.
t t 时
A
以 o为 原点旋转矢
t
量 A的端点
o
x
在
x 轴上的
投影点的运 动为简谐运 动.
间间隔为多少？
1 x 4 10 cos( 2 t )( SI ) 3
2
3
T t 0 .5 s 2
例：一质点作简谐振动，周期为 T ，当质点由平衡位置向 x 轴的正
方向运动时，由平衡位置到二分 之一最大位移这段路程所需的最 短时间为多少？ T 12
T t 12
2
v0 2 A x0 ( )
（2）周期 、频率、角频率
周期T ：物体完成一次全振动所需时间。
A cos(t ) A cos(t T ) T
1 频率：单位时间内振动的次数。 T 2 2 2 角频率 T
k m
2
是判断一个物体的运动是否为简谐振动
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9.2.3 简谐振动的能量
以水平弹簧振子为例，来讨论振动系统 的能量. 质量为m 的振子在t 时刻的动能为 1 1 2 E k mv mA2 2 sin2 t 2 2 1 2 2 kA sin t 2 1 2 1 2 系统的势能为 E p kx kA cos 2 t 2 2 1 系统的总能量为 E Ek E p kA2 2
A
1 y 2 2 0.1m 10
2 0
2 v0
于是可该物体的振动方程为
3 y 0.1cos 10t m 2
2.质量为m =0.1kg的物体，以振幅A =0.01m 作简谐振动，其最大加速度为amax=4.0ms-2 ， 求： （1）振动的周期； （2）通过平衡位置 时的动能； （3）总能量； （4）物体在何处 其动能和势能相等？
9.2.4 简谐振动的旋转矢量表示
简谐振动除了用运动学方程（振动方程） 和位移时间曲线（振动曲线）来表示以外， 还可以用旋转矢量表示. 这种几何图示法可 以帮助我们形象直观理解简谐振动中的三要 素. A t x x o x 0
矢量 A 以角速度 沿逆时针旋转,当 t 0 时它与 x 轴的夹角为 ，则在任意刻 t ，矢量 端点在 x 轴上的投影为 x A cos t 上式恰好是沿ox 轴作简谐振动的物体在t 时刻相对于原点的位移. 所以简谐振动可以用 旋转矢量表示. 简谐振动的振幅 旋转矢量 A 的模 简谐振动圆频率 旋转矢量 A 转动角速度
9.2.2 描述简谐振动的三要素
1.振幅A 物体离开平衡位置的最大距离.
它给出了简谐振动的振动范围.
2.周期T 完成一次全振动所需的时间.
频率
表示单位时间内物体完成全振动 的次数. 它是周期的倒数. 1 T
2 2 角频率 T 周期和频率给出了简谐振动往复的快慢 程度.
3.相位（t+） 确定振动系统在任意瞬时运动状态的物 理量（任意瞬时的位移和速度）.
E Ek ,max 2 10 3 J
1 3 E E 1 . 0 10 J E E （ 4） 当 p p k 时， 2 E p Ek 1 2 1 kx m 2 x 2 2 2
故 x 7.07 10 m
2
3.一个作简谐振动的弹簧振子历时四分 之一周期，先后通过相对于平衡位置为对称 的B,C 两点，设简谐振动的振幅为A，试确 定B,C 两点的位置.
2 a A 解（1） max
4.0 amax 1 20 s 1.0 10 2 A
2 T 0.314 s 20
2
（2）因通过平衡位置时的速度最大，所以 1 2 1 Ek ,max mvmax m 2 A2 2 10 3 J 2 2 （3）总能量
d2y m 2 ky dt k 2 令 m 则上式变为 d y 2 2 y 0 dt
2
k
o
m
y y
物体在作简谐振动，只要求出三要素， 即可写出振动方程. mg g kl k 9.8 10s 1 ml l ml m 0.098
以物体处于平衡位置且向下运动时为计 时起点，则y0=0 ，v0= 1ms-1， 于是有 3 , y0 A cos 0 2 2 3 v0 A sin 1 结合此式 2
t2
2
t1
o
T 解 T 2 , B,C 两点对称, 所以 4 2 2 2 xC A xB A cos A 2 4 2
C
B
x
x A o A
对运动学方程求导得振动速度为
t
dx v A sin t dt
对振动速度求导得振动的加速度为
d2x 2 2 x a 2 A cos t dt
从以上两式可知，作简谐振动物体的速 度和加速度是时间的周期函数，而且加速度 和位移成正比但方向相反.
9.2.5 例题分析
1.一个质量为m 的物体系于一倔强系数为 k 的轻弹簧下，挂在固定的支架上，由于物体 的重量使弹簧伸长了l =9.810-2m. 如图所示， 如果给物体一个向下的瞬时冲击力，使它具有 向下的速度v =1ms-1，它就上下振动起来，试 写出振动方程. 解 取挂上物体，物体处于平衡时的位置 为坐标原点o，向下为y 轴的正向，如图所示 当物体偏离平衡位置时它所受的合力为-ky ， 因此动力学方程为
简称简谐振动的 三要素.
对弹簧振子有：
k m
m T 2 k
1 2
k m
怎样用初始条件求振幅和初相位
假设作简谐振动的物体在初始时刻的速 度和位移分别为 v0 和 x0 x0 A cos 则t 0 有 解之可得 v0 A sin 2 v0 v 2 tg A x0 02 x0
9.2 简谐振动的规律
9.2.1 简谐振动的运动学描述 9.2.2 描述简谐振动的三要素 9.2.3 简谐振动的能量 9.2.4 简谐振动的旋转矢量表示 9.2.5 例题分析
9.2.1 简谐振动的运动学描述
简谐振动的运动学方程为 x A cos t
此式表示出了作简谐振动物体的位移随 时间变化的关系. x-t 曲线称之为振动曲线.