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专题18 机械振动
目录
题型一 简谐运动的基本特征及应用.............................................................................................1
类型1 简谐运动基本物理量的分析......................................................................................1
类型2 简谐运动的周期性与对称性......................................................................................5
类型3 弹簧振子的动力学、能量特征分析..........................................................................8
题型二 简谐运动的表达式和图像的理解和应用.......................................................................15
题型三 单摆及其周期公式...........................................................................................................21
类型1 单摆的受力特征及周期公式的应用........................................................................22
类型2 单摆的振动图像及运动学特征................................................................................27
题型四 受迫振动和共振...............................................................................................................31
类型1 受迫振动概念及规律的理解应用............................................................................32
类型2 共振曲线的应用........................................................................................................34
类型3 “驱动摆”的分析.......................................................................................................36
题型一 简谐运动的基本特征及应用
对简谐运动的理解
受力特点
回复力F=-kx,F(或a)的大小与x 的大小成正比,方向相反
运动特点
靠近平衡位置时,a、F、x 都减小,v 增大;远离平衡位置时,a、F、x 都增
大,v 减小
能量
振幅越大,能量越大.在运动过程中,动能和势能相互转化,系统的机械能
守恒
周期性
做简谐运动的物体的位移、回复力、加速度和速度均随时间做周期性变化,
变化周期就是简谐运动的周期T;动能和势能也随时间做周期性变化,其变化
周期为
对称性
(1)如图所示,做简谐运动的物体经过关于平衡位置O 对称的两点P、P′(OP=
OP′)时,速度的大小、动能、势能相等,相对于平衡位置的位移大小相等
(2)物体由P 到O 所用的时间等于由O 到P′所用时间,即tPO=tOP′
(3)物体往复过程中通过同一段路程(如OP 段)所用时间相等,即tOP=tPO
(4)相隔或(n 为正整数)的两个时刻,物体位置关于平衡位置对称,位移、速
度、加速度大小相等,方向相反
类型1 简谐运动基本物理量的分析
【例1】如图所示,质量为m 的物块放置在质量为M 的木板上,木板与弹簧相连,它们一
起在光滑水平面上做简谐运动,周期为T,振动过程中m、M 之间无相对运动,设弹簧的
劲度系数为k,物块和木板之间的动摩擦因数为μ,则下列说法正确的是( )
1
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A.若t 时刻和(t+Δt)时刻物块受到的摩擦力大小相等,方向相反,则Δt 一定等于
的整数倍
B.若Δt=
,则在t 时刻和(t+Δt)时刻弹簧的长度一定相同
C.研究木板的运动,弹簧弹力充当了木板做简谐运动的回复力
D.当整体离开平衡位置的位移为x 时,物块与木板间的摩擦力大小等于
kx
【例2】.一根用绝缘材料制成的轻弹簧,劲度系数为k,一端固定,另一端与质量为m、
带电量为
的小球相连,静止在光滑绝缘的水平面上,当施加一水平向右的匀强电场E 后
(如图所示),小球开始作简谐运动,关于小球运动有如下说法中正确的是( )
A.球的速度为零时,弹簧伸长
B.球做简谐运动的振幅为
C.运动过程中,小球的机械能守恒
D.运动过程中,小球动能的改变量、弹性势能的改变量、电势能的改变量的代数和为
零
【例3】.(2023 春·北京大兴·高三统考期中)如图所示,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10cm。小球经过O 点开始计时并向右运动,经
过0.5s 首次到达B 点,下列说法正确的是( )
A.弹簧振子的振幅是10cm
B.当振子运动到B 时,位移大小是10cm
C.弹簧振子的周期是1s
D.振子由O 运动到B 的过程中速度减小
【例4】对于下面甲、乙、丙、丁四种情况,可认为是简谐运动的是( )
2
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①甲:倾角为
的光滑斜面上的小球沿斜面拉下一段距离,然后松开,空气阻力可忽略不
计
②乙:粗细均匀的木筷,下端绕几圈铁丝,竖直浮在较大的装有水的杯中。把木筷往上提
起一段距离后放手,木筷就在水中上下振动
③丙:小球在半径为R 的光滑球面上的A、B(
)之间来回运动
④丁:小球在光滑固定斜面上来回运动
A.只有①
B.只有①②
C.只有①②③
D.都可以
类型2 简谐运动的周期性与对称性
【例1】弹簧振子以O 点为平衡位置做简谐振动。从O 点起振开始计时,振子第一次到达
M 点用了0.3 秒,又经过0.2 秒第二次通过M 点,则振子第三次通过M 点还要经过的时间
可能是( )
A.
秒
B.
秒
C.1.4 秒
D.1.6 秒
【例2】.(2023 春·甘肃武威·高三武威第六中学校考期中)一质点做简谐运动,先后以
相同的速度依次通过A、
两点,历时1s;质点通过
点后再经过1s 又第二次通过
点。
在这
内质点通过的总路程为12
,则质点的振动周期和振幅分别是( )
A.3s,
B.4s,
C.4s,
D.2s,
【例3】如图所示,倾角
的光滑斜面固定在水平地面上,斜面底端有一垂直于斜面
的固定挡板,A、B 两物体固定于轻弹簧两端,其中B 的质量为
。对物体B 施加一
沿斜面向下大小为20N 的压力F,使B 静止于P 点。撤掉力F,当B 运动至最高点时,A 恰
好要离开挡板。重力加速度
,弹簧始终处于弹性限度内。下列说法正确的是(
)
A.弹簧恢复原长时B 的速度达到最大
B.物块B 运动过程中最大加速度为
C.物块A 的质量为2kg
D.物块A 受挡板支持力的最大值为30N
【例4】.如图所示。将质量为m 的小球悬挂在一轻质弹簧下端,静止后小球所在的位置
为O 点(图中未标出)。现将小球从O 点向下拉至弹簧对小球的弹力大小为2mg(g 为重
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力加速度),然后释放,已知小球在运动过程中弹簧始终在弹性限度内,不计空气阻力。
则小球位于最高点时弹簧的弹力大小为( )
A.2mg
B.0
C.mg
D.
mg
类型3 弹簧振子的动力学、能量特征分析
【例1】.动量p 随位移x 变化的图像称作相轨,它在理论物理、近代数学分析的发展中扮
演了重要的角色。如图甲所示,光滑水平面上有一弹簧振子。现以弹簧原长时物块的位置
为坐标原点O,取向右为正方向,建立
坐标系。当物块偏离O 点的位移为x 时,弹簧振
子的弹性势能为
,其中k 为弹簧的劲度系数。当弹簧振子的机械能为E 时,该弹簧振
子的部分
图像如图乙中曲线所示,M 和N 分别为曲线与x 轴和p 轴的交点。下列说法
正确的是( )
A.曲线
是抛物线的一部分
B.曲线
对应物块从O 点向最左侧运动的过程
C.该弹簧振子的振幅为
D.当物块运动到振幅的
处,其动量大小为其动量最大值的
【例2】.轻弹簧上端连接在箱子顶部中点,下端固定一小球,整个装置静止在水平地面
上方。现将箱子和小球由静止释放,箱子竖直下落h 后落地,箱子落地后瞬间速度减为零
且不会反弹。此后小球运动过程中,箱子对地面的压力最小值恰好为零。整个过程小球未
碰到箱底,弹簧劲度系数为k,箱子和小球的质量均为m,重力加速度为g。忽略空气阻力,
弹簧的形变始终在弹性限度内。下列说法正确的是( )
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A.箱子下落过程中,箱子机械能守恒
B.箱子落地后,弹簧弹力的最大值为3mg
C.箱子落地后,小球运动的最大速度为
D.箱子与地面碰撞损失的机械能为
【例3】.如图,一倾角为45°的光滑斜面固定在水平地面上,其底端固定一劲度系数为k
的轻质弹簧,自然状态下弹簧上端距斜面顶端距离为l。将质量为m 的物块(可视为质
点)从斜面顶端由静止释放,经时间t 弹簧的最大压缩量为
。已知弹簧弹性势能表
达式为
,其中x 是弹簧形变量,k 为弹簧劲度系数,则下列说法正确的是( )
A.物块速度为零时的压缩量为
B.物块的最大动能为
C.物块运动过程中的最大加速度为
D.物块自开始压缩弹簧到分离前,做简谐振动
【例4】.如图甲,“笑脸弹簧小人”由头部、弹簧及底部组成,将弹簧小人静置于桌面
上,轻压头部后静止释放,小人不停上下振动,非常有趣.可将其抽象成如图乙所示的模
型,头部的质量为m,弹簧质量不计,劲度系数为k,底部的质量为
.已知当弹簧形变
量为x 时,其弹性势能
,不计一切摩擦和空气阻力,重力加速度大小为g,弹簧
始终在弹性限度内,下列说法中正确的是( )
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A.将弹簧小人静置于桌面上,轻压头部后由静止释放,底部不离开桌面,下压的最大
距离为
B.将弹簧小人静置于桌面上,轻压头部后由静止释放,底部不离开桌面,压力做功的
最大值为
C.若弹簧小人在振动过程中底部恰好不离开桌面,则弹簧的最大弹性势能为
D.若刚释放时头部的加速度大小为g,则小人在运动过程中头部的最大速度为
题型二 简谐运动的表达式和图像的理解和应用
1.由图像可获取的信息
(1)振幅A、周期T(或频率f)和初相位φ0(如图所示)。
(2)某时刻振动质点离开平衡位置的位移。
(3)某时刻质点速度的大小和方向:曲线上各点切线的斜率的大小和正负分别表示各时刻质
点的速度大小和方向,速度的方向也可根据下一相邻时刻质点的位移的变化来确定。
(4)某时刻质点的回复力和加速度的方向:回复力总是指向平衡位置,回复力和加速度的方
向相同。
(5)某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能和势能的变化情况。
2.简谐运动的对称性(如图)
(1)相隔Δt=nT(n=1,2,3…)的两个时刻,弹簧振子在同一位置,位移和速度都相同。
(2)相隔Δt=(n+)T(n=0,1,2…)的两个时刻,弹簧振子的位置关于平衡位置对称,位移
等大反向(或都为零),速度也等大反向(或都为零)。
【例1】如图所示,是一个质点的振动图像,根据图像回答下列问题:
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(1)振动的振幅;
(2)振动的频率;
(3)在t=0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.7 s 时质点的振动方向;
(4)质点速度首次具有负方向最大值的时刻和位置;
(5)质点运动的加速度首次具有负方向最大值的时刻和位置;
(6)在0.6 s 至0.8 s 这段时间内质点的运动情况。
(7)振动质点离开平衡位置的最大距离;
(8)写出此振动质点的运动表达式;
(9)振动质点在0~0.6 s 的时间内通过的路程;
(10)振动质点在t=0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.7 s 时的振动方向;
(11)振动质点在0.6~0.8 s 这段时间内速度和加速度是怎样变化的?
(12)振动质点在0.4~0.8 s 这段时间内的动能变化是多少?
【例2】“五一”的大明湖波光粼粼,吸引了很多游客。湖面上一点O 以0.1m 振幅上下振
动,形成圆形水波(不考虑水波传播过程中的振幅衰减),如图所示,同一直线上A、O、
B 三点,OA 间距离为2.1m,OB 间距离为1.5m。某时刻O 点处在波峰位置,观察发现1.4s
后此波峰传到A 点,此时O 点正通过平衡位置向上运动,OA 间还有一个波峰。将水波近
似为简谐波。
(1)求此水波的传播速度、周期和波长。
(2)以O 点处在平衡位置向下振动为0 时刻(此时各点已经起振),请画出B 点的振动图
像。并判断此时刻之后8.1s 时B 点的位移。
【例3】一弹簧振子A 的位移
随时间变化的关系式为
,位移
的单位为
m,时间的单位为s,则( )
A.弹簧振子的振幅为0.2m
B.弹簧振子的周期为1.25s
C.在t=0.2s 时,振子的运动速度为0
D.若另一弹簧振子B 的位移
随时间变化的关系式为
,则B 的振幅
和周期分别是A 的振幅和周期的2 倍
【例4】一个在
轴方向做简谐运动的质点其部分振动图像如图所示,振动周期为
,则该
质点在0 到
时间内走过的路程为( )
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A.
B.
C.
D.
【例5】.一个小球与轻弹簧连接套在光滑水平细杆上,在A、B 间做简谐运动,O 点为
AB 的中点。以O 点为坐标原点,水平向右为正方向建立坐标系,得到小球振动图像如图所
示。下列结论正确的是( )
A.小球振动的频率是2Hz
B.
时,小球在A 位置
C.
时,小球经过O 点向右运动
D.小球的振动方程是
【例6】.如图甲所示质量为m 的B 木板放在水平面上,质量为2m 的物块A 通过一轻弹簧
与其连接。给A 一竖直方向上的初速度,当A 运动到最高点时,B 与水平面间的作用力刚
好为零。从某时刻开始计时,A 的位移随时间变化规律如图乙,已知重力加速度为g,空气
阻力不计,下列说法正确的是( )
A.物块A 做简谐运动,回复力由弹簧提供
B.物体B 在
时刻对地面的压力大小为
C.物体A 在运动过程中机械能守恒
D.物体A 的振动方程为
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题型三 单摆及其周期公式
1.单摆的受力特征
(1)回复力:摆球重力沿与摆线垂直方向的分力,F 回=-mgsin θ=-x=-kx,负号表示回
复力F 回与位移x 的方向相反。
(2)向心力:摆线的拉力和摆球重力沿摆线方向分力的合力提供向心力,
F 向=FT-mgcos θ。
(3)两点说明
①当摆球在最高点时,F 向==0,FT=mgcos θ。
②当摆球在最低点时,F 向=m,F 向最大,FT=mg+m。
2.周期公式T=2π 的两点说明
(1)l 为等效摆长,表示从悬点到摆球重心的距离。
(2)g 为当地重力加速度。
类型1 单摆的受力特征及周期公式的应用
【例1】图甲是用力传感器对单摆做小角度摆动过程进行测量的装置图,图乙是与力传感
器连接的计算机屏幕所显示的
图像,其中F 的最大值
,已知摆球质量
,重力加速度取
,
取
,不计摆线质量及空气阻力。下列说法正确的
是( )
A.单摆周期为
B.单摆摆长为
C.F 的最小值
D.若仅将摆球质量变为
,单摆周期不变
【例2】如图,半径为R 光滑圆弧面上有一个质量为m 小球,把它从最低点移开一小段距
离,放手后,小球以最低点为平衡位置左右摆动,且可近似认为其运动为简谐振动。
(1)求小球做简谐振动的周期T;
(2)已知做简谐振动的物体,所受的回复力与其偏离平衡位置的位移存在正比例关系。求
小球做简谐振动时回复力与偏离平衡位置位移的比例系数k 是多少。 (空气阻力可忽略,
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重力加速度为g,当偏离角度θ 很小时,可认为sinθ≈tanθ≈θ,且可认为小球偏离平衡位置
的位移与小球到圆弧圆心的连线垂直)
【例3】.如图所示,已知该单摆的摆长为
,摆球的质量为
,摆动时最大偏角
为5°。已知
,
,
。求:
(1)振动的周期;
(2)摆球的最大回复力;
(3)摆球运动的最大动能。
【例4】.随着祖国航天事业的蓬勃发展,在未来的某天,中国航天员也将登上月球。如
图,假设航天员在月球上做了一次单摆实验,将质量为m 的摆球从平衡位置O 点左侧的A
点由静止释放,已知摆长为L,摆线偏离竖直方向的最大夹角
,月球半径为地
球半径的
,月球质量为地球质量的
,地球表面处的重力加速度为g,求:
(1)月球表面处的重力加速度的大小;
(2)摆球从静止释放到第一次经过平衡位置的时间内,摆球重力冲量的大小;
(3)摆球从静止释放到第二次经过平衡位置的时间内所走的路程。
【例5】.如图甲所示,O 点为单摆的固定悬点,将力传感器接在摆球与O 点之间。
时刻在A 点释放摆球,摆球在竖直面内的A、C 之间来回摆动,其中B 点为运动中的最低
位置。图乙为细线对摆球的拉力大小F 随时间t 变化的曲线。已知摆长为
,A、B 之间
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的最大摆角为
(取
,
)。求:
(1)当地的重力加速度大小;
(2)摆球在A 点时回复力的大小;
(3)摆球运动过程中的最大动能。
类型2 单摆的振动图像及运动学特征
【例1】图甲是一个单摆振动的情形,O 是它的平衡位置,B、C 是摆球所能到达的最远位
置,设摆球向右运动为正方向,图乙是这个单摆的振动图像,根据图像:
(1)写出摆球相对平衡位置的位移随时间的变化关系式;
(2)若当地的重力加速度为
,取
,求单摆的摆长。
【例2】(2023·全国·高三专题练习)单摆在
两点之间做简谐运动,
点为平衡位置,
如图甲所示,单摆的振动图像如图乙所示(向右为正方向),取重力加速度大小
,下列说法正确的是( )
A.单摆的振幅为
B.单摆的摆动频率为
C.
时,摆球在
点
D.单摆的摆长为
【例3】如图甲所示,一单摆做小角度摆动,从某次摆球由左向右通过平衡位置时开始计
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时,相对平衡位置的位移x 随时间t 变化的图像如图乙所示。不计空气阻力,重力加速度g
取10m/s2。对于这个单摆的振动过程,下列说法正确的是( )
A.单摆的位移x 随时间t 变化的关系式为x=8sin(2πt)cm
B.单摆的摆长约为2.0m
C.从t=0.5s 到t=1.0s 的过程中,摆球的重力势能逐渐减小
D.从t=0.5s 到t=1.0s 的过程中,摆球所受回复力逐渐增大
【例4】.如图甲所示,一个单摆做小角度摆动,以向右的方向作为摆球偏离平衡位置的
位移的正方向,得到摆球相对平衡位置的位移x 随时间变化的图像,如图乙所示,不计空
气阻力。对于这个单摆的振动过程,下列说法正确的是( )
A.
时,摆球所受回复力最大,方向向右
B.
时,摆球偏离平衡位置位移最大,方向向右
C.从
到
的过程中,摆球的重力势能逐渐增大
D.该单摆摆长约为2m
【例5】.如图为某单摆的振动图像,重力加速度g 取
,下列说法正确的是
( )
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A.摆长为1.6m,起始时刻速度最大
B.摆长为2.5m,起始时刻速度为零
C.摆长为1.6m,A、C 点的速度相同
D.摆长为2.5m,A、B 点的速度相同
题型四 受迫振动和共振
1.简谐运动、受迫振动和共振的关系比较
振动
项目
简谐运动
受迫振动
共振
受力情况
仅受回复力
受驱动力作用
受驱动力作用
振动周期或频率
由系统本身性质决
定,即固有周期T0或
固有频率f0
由驱动力的周期或频
率决定,即T=T 驱或
f=f 驱
T 驱=T0或f 驱=f0
振动能量
振动物体的机械能不
变
由产生驱动力的物体
提供
振动物体获得的能量
最大
常见例子
弹簧振子或单摆
(θ≤5°)
机械工作时底座发生
的振动
共振筛、声音的共鸣
等
2.对共振的理解
(1)共振曲线:如图所示,f 与f0越接近,振幅A 越大;当f=f0时,振幅A 最大。
(2)做受迫振动的系统机械能不守恒,系统与外界时刻进行能量交换。
类型1 受迫振动概念及规律的理解应用
【例1】.一物体做受迫振动,驱动力的频率小于该物体的固有频率。当驱动力的频率逐
渐增大的过程中,该物体的振幅( )
A.一定逐渐增大
B.一定逐渐减小
C.可能先增大,后减小
D.可能先减小,后增大
【例2】如图甲所示,一个有固定转动轴的竖直圆盘转动时,固定在圆盘上的小圆柱带动
一个T 形支架在竖直方向振动,T 形支架的下面系着一个由弹簧和小球组成的振动系统。
圆盘静止时,让小球做简谐运动,其振动图像如图乙所示。圆盘匀速转动时,小球做受迫
振动,小球振动稳定时,下列说法正确的是( )
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A.小球振动的固有频率是4 Hz
B.小球做受迫振动时周期一定是4 s
C.圆盘转动周期在4 s 附近时,小球振幅显著增大
D.圆盘转动周期在4 s 附近时,小球振幅显著减小
【例3】把一个筛子用四根弹簧支起来,筛子上安一个电动偏心轮,它每转一周,给筛子
一个驱动力,这样就做成了一个共振筛,如图所示.筛子做自由振动时,完成10 次全振动
用时15 s.在某电压下,电动偏心轮转速是36 r/min.已知增大电压可使偏心轮转速提高,
增加筛子质量,可以增大筛子的固有周期.那么要使筛子的振幅增大,下列做法正确的是(
)
A.提高输入电压
B.降低输入电压
C.减小筛子质量
D.减小筛子质量
【例3】(多选)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率,工程技术人员利用松果的惯性发
明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置,如图甲、乙所示.则( )
A.针对不同树木,落果效果最好的振动频率可能不同
B.随着振动器频率的增加,树干振动的幅度一定增大
C.打击杆对不同粗细树干打击结束后,树干的振动频率相同
D.稳定后,不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同
类型2 共振曲线的应用
【例1】一个单摆在地面上做受迫振动,其共振曲线(振幅A 与驱动力频率f 的关系图线)
如图所示,则下列说法正确的是( )
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A.此单摆的固有周期约为2 s
B.此单摆的摆长约为1 m
C.若摆长增大,单摆的固有频率减小
D.若摆长增大,共振曲线的峰将向右移动
E.此单摆的振幅是8 cm
【例2】.同一地点,甲、乙单摆在驱动力作用下振动,其振幅A 随驱动力频率f 变化的图
像如图所示,下列说法正确的是( )
A.若驱动力的频率为f0,乙单摆振动的频率大于f0
B.若驱动力的频率为f0,乙单摆振动的频率等于f0
C.若驱动力的频率为3f0,甲、乙单摆振动的振幅相同
D.若驱动力的频率为3f0,甲、乙单摆振动的频率均为3f0
【例3】正在运转的机器,当其飞轮以角速度ω0匀速转动时,机器的振动并不强烈;切断
电源,飞轮的转动逐渐慢下来,在某一小段时间内机器却发生了强烈的振动;此后,飞轮
转速继续变慢,机器的振动也随之减弱。在机器停下来之后,若重新启动机器使飞轮转动
的角速度从0 较慢地增大到ω0,在这一过程中( )
A.机器不一定会发生强烈振动
B.机器一定会发生强烈振动
C.若机器发生强烈振动,则当时飞轮角速度为ω0
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D.若机器发生强烈振动,则当时飞轮角速度肯定小于ω0
类型3 “驱动摆”的分析
【例1】如图甲所示,在一条张紧的绳子上挂几个摆,a、c 摆的摆长相同且小于b 摆的摆
长。当a 摆振动的时候,通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力,使其余各摆也振动起来。
图乙是c 摆稳定以后的振动图像,重力加速度为g,不计空气阻力,则( )
A.a、b、c 单摆的固有周期关系为T=T<T
B.b、c 摆振动达到稳定时,c 摆振幅较大
C.由图乙可知,此时b 摆的周期大于t0
D.a 摆的摆长为
【例2】如图所示,当A 振动起来后,通过绷紧的水平绳迫使B、C 振动起来,对于三个摆
球振动过程的描述中,下列说法正确的是( )
A.B 的振幅比C 的小
B.A、B、C 三个单摆的振幅相同
C.只有A、C 两个单摆的周期相同
D.A、B、C 三个单摆的周期均不相同
【例3】如图所示,在一根张紧的绳子上悬挂几个摆球,可以用一个单摆(称为“驱动
摆”)驱动另外几个单摆。下列说法中正确的是( )
A.驱动摆只把振动形式传播给其它单摆,不传递能量
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B.如果驱动摆的摆长为L,则其它单摆的振动周期都等于
C.某个单摆摆动过程中多次通过同一位置时,速度和加速度都相同
D.如果某个单摆的摆长等于驱动摆的摆长,则这个单摆的频率最大
【例4】.单摆M、N、O、P 自由振动时,振动图像分别如图甲、乙、丙、丁所示。现将
单摆M、N、O、P 悬挂在如图所示支架的细线上,并保持各自的摆长不变,使其中一个单
摆振动,经过足够长的时间,其他三个都可能振动起来。不计空气阻力。下列判断正确的
是( )
A.若使M 振动起来,P 不会振动
B.若使M 振动起来,稳定时N 振动的周期仍小于2s
C.若使P 振动起来,稳定时N 比M 的振幅大
D.若使O 振动起来,稳定时M 的振动周期等于3s
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