新教材粵教版高中物理選擇性必修第一冊(cè)第二章機(jī)械振動(dòng) 知識(shí)點(diǎn)考點(diǎn)解題方法規(guī)律歸納總結(jié)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

第二章機(jī)械振動(dòng)

第一節(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).......................................................-1-

第二節(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的描述.................................................-7-

第三節(jié)單擺...........................................................-12-

第四節(jié)用單擺測(cè)量重力加速度..........................................-17-

第五節(jié)受迫振動(dòng)共振................................................-22-

第一節(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

知識(shí)點(diǎn)一認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

1.機(jī)械振動(dòng)

物體(或者物體的一部分)在某一中心位置(平衡位置)兩側(cè)所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng).

2.彈簧振子

把一個(gè)有孔的小球安裝在彈簧的一端,彈簧的另一端固定,小球和彈簧穿在

光滑的水平桿上,使其能在桿上自由滑動(dòng),小球和水平桿之間的摩擦可以忽略不

計(jì),小球的運(yùn)動(dòng)視為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),這樣的系統(tǒng)稱為彈簧振子.

3.回復(fù)力

(1)方向:總是指向平衡位置.

(2)作用效果:使振子能返回平衡位置.

(3)公式:F=~kx,負(fù)號(hào)表示回復(fù)力的方向跟振子偏離平衡位置的位移方向相

反.

4.簡(jiǎn)諧振動(dòng)

物體在跟平衡位置的位移大小成正比,并且總指向平衡位置的回復(fù)力的作用

下的振動(dòng).

5.振幅

物體振動(dòng)時(shí)離開平衡位置的最大距離.

6.周期

物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間,用T表示.

7.頻率

物體在一段時(shí)間內(nèi)全振動(dòng)的玄數(shù)與所用時(shí)間之比,用/表示.周期和頻率的關(guān)

系為了=/

知識(shí)點(diǎn)二簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量特征

對(duì)水平彈簧振子,當(dāng)振子在位移最大處時(shí),彈簧彈性勢(shì)能最大,振子動(dòng)能為

雯;當(dāng)振子在平衡位置時(shí),彈簧彈性勢(shì)能為雯,振子動(dòng)能最大.彈簧振子在振動(dòng)

過程中,機(jī)械能守恒.

□考點(diǎn)1平衡位置與回復(fù)力

令情境探究

豎直方向的彈簧振子模型如圖所示,請(qǐng)思考以下問題:

(1)在平衡位置處,彈簧的彈力等于零嗎?

(2)該彈簧振子的回復(fù)力是由什么力提供的?

提示:(1)不等于零.

(2)由小球重力和彈簧的彈力的合力提供.

1.對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的平衡位置的認(rèn)識(shí)

(1)從物體受力特點(diǎn)看:物體在平衡位置所受合力不一定為零,而是沿振動(dòng)方

向的合力為零.

(2)從速度角度看:平衡位置是振動(dòng)中速度最大的位置.

2.機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn)

(1)物體在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng).

(2)機(jī)械振動(dòng)是一種周期性運(yùn)動(dòng).

3.回復(fù)力的理解

(1)回復(fù)力的方向總是指向平衡位置.總與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)位移的方向相反.

(2)回復(fù)力的效果是使偏離平衡位置的物體返回到平衡位置,是產(chǎn)生振動(dòng)的條

件.

(3)回復(fù)力可以是振動(dòng)物體所受的某一個(gè)力,也可以是物體所受幾個(gè)力的合力.

【典例1]如圖所示,對(duì)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的彈簧振子M的受力情況分析正確的

是()

A,重力、支持力、彈簧的彈力

B.重力、支持力、彈簧的彈力、回復(fù)力

C.重力、支持力、回復(fù)力、摩擦力

D.重力、支持力、摩擦力、彈簧的彈力

A[彈簧振子的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中忽略了摩擦力,C、D錯(cuò);回復(fù)力為效果力,受力

分析時(shí)不分析此力,B錯(cuò):故振子只受重力、支持力及彈簧給它的彈力,A對(duì).]

□考點(diǎn)2簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量的變化規(guī)律

1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中相關(guān)量的變化規(guī)律

(1)變化規(guī)律:當(dāng)物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),它偏離平衡位置的位移X、回復(fù)力只加

速度速度。、動(dòng)能叫、勢(shì)能耳及振動(dòng)能量E,遵循一定的變化規(guī)律,可列表如

下:

物理量XV

FaEkEPE

遠(yuǎn)離平衡位置

增大增大增大減小減小增大不變

運(yùn)動(dòng)

最大位移處最大最大最大零零最大不變

靠近平衡位置

減小減小減小增大增大減小不變

運(yùn)動(dòng)

平衡位置零零零最大最大最小不變

(2)兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn).

①平衡位置是速度大小、位移方向、回復(fù)力方向和加速度方向變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn);

②最大位移處是速度方向變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn).

(3)一個(gè)守恒:簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能和勢(shì)能之間相互轉(zhuǎn)化,但總的能量守恒.

2.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性

如圖所示,物體在A與8間運(yùn)動(dòng),。點(diǎn)為平衡位置,任取關(guān)于。點(diǎn)對(duì)稱的C、

D兩點(diǎn),則有:

IIII?

ACODB

(1)時(shí)間對(duì)稱.

(2)位移、回復(fù)力、加速度大小對(duì)稱.

(3)速率、動(dòng)能對(duì)稱.

【典例2】如圖所示,質(zhì)量為機(jī)的物體A放在質(zhì)量為M的物體8上,B與

彈簧相連,它們一起在光滑水平面上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),振動(dòng)過程中,A、B之間無(wú)相對(duì)

滑動(dòng),設(shè)彈簧的勁度系數(shù)為A,求當(dāng)物體離開平衡位置的位移為x時(shí),8對(duì)A的摩

擦力大小.

【圾瞅頗測(cè)

/77777777777777777777777777777'

[思路點(diǎn)撥](1)應(yīng)用整體法、隔離法思考.

(2)8對(duì)A的摩擦力是A做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力.

[解析]A、B兩物體組成的系統(tǒng)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力由彈簧的彈力提供,當(dāng)

物體離開平衡位置的位移為無(wú)時(shí),回復(fù)力大小廣=心,A和8的共同加速度大小a

Fkx

=-T£—=^-,而物體A做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力由A受到的靜摩擦力提供,由此

M+mM+m

可知B對(duì)A的摩擦力大小

mkx

[答案]

M+m

廠.......規(guī)富方法............................

分析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意的問題

(1)位移、速度、加速度和回復(fù)力都是矢量,它們要相同,必須大小相等、方

向相同.

(2)回復(fù)力是變力,大小、方向發(fā)生變化,加速度也隨之發(fā)生變化.

(3)要注意簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期性和對(duì)稱性,由此判定振子可能的路徑,從而確定

各物理量及其變化情況.

口考點(diǎn)3振幅、周期和頻率

畬情境探究

如圖所示,思考探究下面兩個(gè)問題

!g<CO:O:ftK>J

'/X/////>

s&rciioioioi

,//7、/////z//z/?z/z,

210cm:10cm

^777

甲COB

(1)振子振幅與位移最大值有什么關(guān)系?

(2)圖乙中振子振幅為多少?

提示:(1)振幅是振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離;位移是振動(dòng)物體相對(duì)平

衡位置的位置變化;位移的最大值等于振幅.

⑵10cm.

1.對(duì)全振動(dòng)的理解

(1)振動(dòng)特征:一個(gè)完整的振動(dòng)過程.

(2)物理量特征:位移(幻、加速度(。)、速度(。)等各物理量第一次同時(shí)與初始狀

態(tài)相同.

(3)時(shí)間特征:歷時(shí)一個(gè)周期.

(4)路程特征:振幅的4倍.

2.振幅和振動(dòng)系統(tǒng)能量的關(guān)系

對(duì)一個(gè)確定的振動(dòng)系統(tǒng)來說,系統(tǒng)能量?jī)H由振幅決定,振幅越大,振動(dòng)系統(tǒng)

能量越大.

3.振幅與路程的關(guān)系

振動(dòng)中的路程是標(biāo)量,是隨時(shí)間不斷增大的,其中常用的定量關(guān)系是:

(1)一個(gè)周期內(nèi)的路程為4倍的振幅.

(2)半個(gè)周期內(nèi)的路程為2倍的振幅.

4.振幅與周期的關(guān)系

在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中,一個(gè)確定的振動(dòng)系統(tǒng)的周期(或頻率)是固定的,與振幅無(wú)關(guān).

【典例3】如圖所示,彈簧振子在B、。間振動(dòng),0為平衡位置,BO=OC

=5cm,若振子從8到C的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是Is,則下列說法正確的是()

麗而孤

1\AAAAA7W\AAAJIWB

A.振子從8經(jīng)。到。完成一次全振動(dòng)

B.振動(dòng)周期是1s,振幅是10cm

C.經(jīng)過兩次全振動(dòng),振子通過的路程是20cm

D.從8開始經(jīng)過3s,振子通過的路程是30cm

[思路點(diǎn)撥](1)振子從8經(jīng)。到。的時(shí)間為3「

(2)振子的振幅是5cm,完成一次全振動(dòng)的路程為振幅的4倍.

D[振子從OfC僅完成了半次全振動(dòng),所以周期T=2X1s=2s,振幅A

=BO=5cm.彈簧振子在一次全振動(dòng)過程中通過的路程為4A=20cm,所以兩次

全振動(dòng)中通過路程為40cm,3s的時(shí)間為1.5T,所以振子通過的路程為30cm.故

D正確,A、B、C錯(cuò)誤.]

廠.......規(guī)律C方法.............................

振幅與路程的關(guān)系

振動(dòng)中的路程是標(biāo)量,是隨時(shí)間不斷增大的.一個(gè)周期內(nèi)的路程為振幅的4

倍,半個(gè)周期內(nèi)的路程為振幅的2倍.

(1)若從特殊位置開始計(jì)時(shí),如平衡位置、最大位移處,(周期內(nèi)的路程等于振

幅.

(2)若從一般位置開始計(jì)時(shí),(周期內(nèi)的路程與振幅之間沒有確定關(guān)系,路程可

能大于、等于或小于振幅.

訓(xùn)練角度2振動(dòng)物體的路程

4.一個(gè)物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),周期是T,振幅是A,那么物體()

A.在任意梟通過的路程一定等于A

B.在任意彳內(nèi)通過的路程一定等于2A

C.在任意子內(nèi)通過的路程一定等于3A

D.在任意T內(nèi)通過的路程一定等于2A

B[物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),是變加速運(yùn)動(dòng),在任意孑內(nèi)通過的路程不一定等于A,

故A錯(cuò)誤;物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),在任意號(hào)內(nèi)通過的路程一定等于2A,故B正確:物

體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),在任意子內(nèi)通過的路程不一定等于3A,故C錯(cuò)誤;物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)

動(dòng),在一個(gè)周期內(nèi)完成一次全振動(dòng),位移為零,路程為4A,故D錯(cuò)誤.]

第二節(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的描述

知識(shí)點(diǎn)一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的函數(shù)描述

1.描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)位移一時(shí)間圖像的函數(shù)表達(dá)式為x=Acos(0/+°).式中A是

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅,0為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的角頻率.

2.①與T、/的關(guān)系為:(o=y=21if.

知識(shí)點(diǎn)二簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像描述

1.相位'初相

位移一時(shí)間函數(shù)x=cos(①f+卬)中的a>t+(p叫作相位,而對(duì)應(yīng)r=0時(shí)的相位他

叫作初相.

2.相位差

對(duì)于頻率相同、相位不同的振子,相位差=+(①/+。2)=01—02,

表示兩個(gè)頻率相同的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)先卮關(guān)系.

3.圖像信息

如圖所示,從圖像上可知周期和振幅.還可知道任一時(shí)刻的位移大小和方向.

□考點(diǎn)1簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式

畬情境探究

某彈簧振子的振動(dòng)圖像如圖所示,將彈簧振子從平衡位置拉開4cm后放開,

同時(shí)開始計(jì)時(shí),

討論:(1)該振動(dòng)的周期、頻率分別是多少?

(2)寫出該振動(dòng)的正弦函數(shù)表達(dá)式.

提示:⑴周期T=0.4s頻率/=2.5Hz.

(2)x=4sin(57r?+2)cm.

1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)表達(dá)式x=Asincot的理解

(l)x:表示振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于平衡位置的位移.

(2)4表示振幅,描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)振動(dòng)的強(qiáng)弱.

27r

(3)。:角頻率,它與周期、頻率的關(guān)系為“=亍=2呼可見。、八/相當(dāng)于

一個(gè)量,描述的都是振動(dòng)的快慢.

2.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式x=Asin(初+網(wǎng))的理解

⑴式中(而+外)表示相位,描述做周期性運(yùn)動(dòng)的物體在各個(gè)不同時(shí)刻所處的不

同狀態(tài),是描述不同振動(dòng)的振動(dòng)步調(diào)的物理量.它是一個(gè)隨時(shí)間變化的量,相當(dāng)

于一個(gè)角度,相位每增加2兀,意味著物體完成了一次全振動(dòng).

(2)式中外表示r=0時(shí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)所處的狀態(tài),稱為初相位或初相.

(3)相位差:即某一時(shí)刻的相位之差.兩個(gè)具有相同。的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),設(shè)其初相

位分別為801和802;其相位差△9=(初+州2)—(0)/+夕01)=9()2—肥01.當(dāng)k(p=0時(shí),

兩質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)一致;當(dāng)八夕二兀時(shí),兩質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)完全相反.

【典例1】一物體沿x軸做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),振幅為12cm,周期為2s.當(dāng),=0

時(shí),位移為6cm,且向x軸正方向運(yùn)動(dòng),求:

(1)初相位;

(2)f=0.5s時(shí)物體的位置.

[思路點(diǎn)撥]①關(guān)鍵條件是:r=o時(shí),位移為6cm,且向X軸正方向運(yùn)動(dòng).

②先假設(shè)函數(shù)表達(dá)式,由f=0時(shí)尤=6cm求出初相夕.

[解析](1)設(shè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式為x=Asin(co/+s),

A=12cm,T=2s,eo=于,f=0時(shí),x=6cm,

代入上式得,6cm=12sin(0+^>)cm,

解得sins=或,

、7171

因這時(shí)物體向x軸正方向運(yùn)動(dòng),故應(yīng)取8=不即其初相為

(2)由上述結(jié)果可得:

x=4sin初+8)=12sin(兀f+看)cm,

所以x=12sin代+方)cm=⑵喏兀cm=6小cm.

[答案](琮⑵6小cm處

r.......規(guī)律<方法...........................

初相位的兩種求解方法

(1)確定振幅A、角頻率①及,=0時(shí)刻的位移x,然后利用x=Asin(①f+s),求

出初相位(p.

(2)設(shè)平衡位置處的質(zhì)點(diǎn)向正方向運(yùn)動(dòng)〃(〃<1)個(gè)周期可到達(dá)/=0時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)所在

處,則初相位夕=〃,2兀.

D考點(diǎn)2簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像

畬情境探究

如圖所示,在彈簧振子的小球上固定安置一記錄用的鉛筆P,在下面放一條白

紙帶,鉛筆可在紙上留下痕跡.

討論:(1)振子振動(dòng)時(shí)白紙不動(dòng),畫出的軌跡是怎樣的?

(2)振子振動(dòng)時(shí),勻速拖動(dòng)白紙時(shí),畫出的軌跡又是怎樣的?

提示:(1)是一條平行于小球運(yùn)動(dòng)方向的線段.

(2)是一條正弦曲線.

1.圖像形狀

正(余)弦曲線.

2.物理意義

表示振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻偏離平衡位置的位移,是位移隨時(shí)間的變化規(guī)律.

3.圖像應(yīng)用

⑴任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)位移的大小和方向.如圖甲所示,質(zhì)點(diǎn)在力、及時(shí)刻的位移分

別為XI和一X2.

(2)任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向:看下一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置,如圖乙中。點(diǎn),下一

時(shí)刻離平衡位置更遠(yuǎn),故。點(diǎn)此刻沿x軸正方向振動(dòng).圖乙中b點(diǎn),下一時(shí)刻離

平衡位置更近,故b此刻沿尤軸正方向振動(dòng).

(3)某段時(shí)間內(nèi)位移、速度、加速度的變化情況判斷:先判斷質(zhì)點(diǎn)在這段時(shí)間

內(nèi)的振動(dòng)方向,從而確定各物理量的變化.如圖甲所示,質(zhì)點(diǎn)在力時(shí)刻到m時(shí)刻

這段時(shí)間內(nèi),離平衡位置的位移變小,故質(zhì)點(diǎn)正向平衡位置運(yùn)動(dòng),速度增大,位

移和加速度都變??;質(zhì)點(diǎn)在力時(shí)刻到/2時(shí)刻這段時(shí)間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)遠(yuǎn)離平衡位置運(yùn)動(dòng),

則速度為負(fù)值且減小,位移、加速度增大.

【典例2】如圖甲所示,輕彈簧上端固定,下端系一質(zhì)量為機(jī)=1kg的小球,

小球靜止時(shí)彈簧伸長(zhǎng)量為10cm.現(xiàn)使小球在豎直方向上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),從小球在最

低點(diǎn)釋放時(shí)開始計(jì)時(shí),小球相對(duì)平衡位置的位移隨時(shí)間r變化的規(guī)律如圖乙所示,

重力加速度g取10m/s2.

(1)寫出小球相對(duì)平衡位置的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系式;

(2)求出小球在0?12.9s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程和12.9s時(shí)刻的位置;

(3)小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)加速度的大小.

is

OK

甲乙

2兀5兀

[解析](1)由振動(dòng)圖像可知:A=5cm,T=1.2s,則①=亍=亍rad/s,

小球相對(duì)平衡位置的位移隨時(shí)間的變化關(guān)系式:

5兀

y=Acosa)Z(cm)=5cos^(cm).

(2)12.9S=1()1T,則小球在0?12.9s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總路程:43A=215cm;12.9s

時(shí)刻的位置:y=0,即在平衡位置.

(3)小球在平衡位置時(shí)彈簧伸長(zhǎng)量10cm,則:仁箕=言"N/m=100N/m,

小球在最高點(diǎn)時(shí),彈簧伸長(zhǎng)5cm,則mg—kNx'=ma,

解得a=5m/s2.

5兀

[答案](l)y=5cos^~z(cm)(2)215cm平衡位置(3)5m/s2

廠.......規(guī)WcT5法.......................

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的應(yīng)用技巧

(1)判斷質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的位移大小和方向.

質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的位移大小看質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置距離的大小即可,也可比較圖

像中縱坐標(biāo)值的大小.方向由坐標(biāo)值的正負(fù)判斷或質(zhì)點(diǎn)相對(duì)平衡位置的方向判斷.

(2)判斷質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的加速度(回復(fù)力)大小和方向.

由于加速度(回復(fù)力)的大小與位移大小成正比,方向與位移方向相反,所以只

要從圖像中得出質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移大小和方向即可.

第三節(jié)單擺

1.單擺模型

如果懸掛物體的繩子的使維和質(zhì)量可以忽略不計(jì),繩長(zhǎng)比物體的尺寸大很多,

物體可以看作質(zhì)點(diǎn),這樣的裝置可以看作單擺,單擺是實(shí)際擺的理想模型.

2.單擺的運(yùn)動(dòng)

若單擺的擺角小于生,單擺的擺動(dòng)可看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).

3.單擺的回復(fù)力

重力mg沿圓弧切線方向的分力F為單擺擺球的回復(fù)力.

4.單擺的固有周期

(1)特點(diǎn):?jiǎn)螖[的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期與裝置的固有因素有關(guān),和外界條件無(wú)關(guān),故

稱固有周期.

(2)公式:式中L為單擺的擺長(zhǎng),g為重力加速度.

□考點(diǎn)1單擺模型的回復(fù)力及運(yùn)動(dòng)情況

畬情境探究

如圖所示,一根細(xì)線上端固定,下端連接一個(gè)金屬小球,用手使小球偏離豎

直方向一個(gè)夾角,然后釋放.

討論:

(1)小球受到哪些力的作用?

(2)向心力和回復(fù)力分別是由什么力提供的?

提示:(1)小球受重力和細(xì)線的拉力.

(2)細(xì)線的拉力和重力沿細(xì)線方向的分力的合力提供向心力.小球重力沿圓弧

切線方向的分力提供回復(fù)力.

1.單擺的回復(fù)力

(1)單擺受力:如圖所示,受細(xì)線拉力和重力作用.

(2)向心力來源:細(xì)線拉力和重力沿徑向的分力的合力.

(3)回復(fù)力來源:重力沿圓弧切線方向的分力F=mgsin。提供了使擺球振動(dòng)的

回復(fù)力.

2.單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的推證

在偏角很小時(shí),sin。得,又回復(fù)力F=mgsm仇所以單擺的回復(fù)力為尸=一竿

x(式中x表示擺球偏離平衡位置的位移,L表示單擺的擺長(zhǎng),負(fù)號(hào)表示回復(fù)力廠與

位移x的方向相反),由此知回復(fù)力符合尸=一乙,單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).

【典例1】振動(dòng)的單擺小球通過平衡位置時(shí),關(guān)于小球受到的回復(fù)力及合力

的說法中正確的是()

A.回復(fù)力為零,合力不為零,方向指向懸點(diǎn)

B.回復(fù)力不為零,方向沿軌跡的切線

C.合力不為零,方向沿軌跡的切線

D.回復(fù)力為零,合力也為零

[思路點(diǎn)撥](1)考慮擺動(dòng)情況,小球在平衡位置回復(fù)力為零.

(2)考慮圓周運(yùn)動(dòng)情況,小球在平衡位置所受合外力不為零.

A[單擺的回復(fù)力不是它的合力,而是重力沿圓弧切線方向的分力;當(dāng)擺球

運(yùn)動(dòng)到平衡位置時(shí),回復(fù)力為零,但合力不為零,因?yàn)樾∏蜻€有向心力,方向指

向懸點(diǎn)(即指向圓心).]

廠......規(guī)富方法............................

單擺中的回復(fù)力

(1)單擺振動(dòng)中的回復(fù)力不是它受到的合外力,而是重力沿圓弧切線方向的一

個(gè)分力.單擺振動(dòng)過程中,有向心力,這是與彈簧振子不同之處.

(2)在最大位移處時(shí),因速度為零,所以向心力為零,故此時(shí)合外力也就是回

復(fù)力.

⑶在平衡位置處時(shí),由于速度不為零,故向心力也不為零,即此時(shí)回復(fù)力為

零,但合外力不為零.

口考點(diǎn)2單擺的周期

畬情境探究

央視新聞2019年3月1日消息,“嫦娥四號(hào)''著陸器已于上午7點(diǎn)52分自主

喚醒,中繼前返向鏈路建立正常,平臺(tái)工況正常,目前正在進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置,按計(jì)

劃開始第三月晝后續(xù)工作.假設(shè)將一單擺隨“嫦娥四號(hào)”著陸器帶至月球表面,

單擺在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)其周期與在地球上相比有何變化?并說明原因.

提示:變大,月球表面的重力加速度比地球表面小.

1.單擺的周期公式:

2.對(duì)周期公式的理解

(1)單擺的周期公式在單擺偏角很小時(shí)成立(偏角為5。時(shí),由周期公式算出的周

期和精確值相差0.01%).

(2)公式中L是擺長(zhǎng),即懸點(diǎn)到擺球球心的距離,即L=/我十小

(3)公式中g(shù)是單擺所在地的重力加速度,由單擺所在的空間位置決定.

(4)周期T只與L和g有關(guān),與擺球質(zhì)量相及振幅無(wú)關(guān).所以單擺的周期也叫

固有周期.

3.擺長(zhǎng)的確定

(1)圖(a)中,甲、乙在垂直紙面方向擺起來效果是相同的,所以甲擺的擺長(zhǎng)為

£sina,這就是等效擺長(zhǎng),其周期7=2^^|且.圖(b)中,乙在垂直于紙面方向

擺動(dòng)時(shí),與甲擺等效;乙在紙面內(nèi)小角度擺動(dòng)時(shí),與丙擺等效.

甲乙丙

(b)

(2)如圖(c)所示,小球在光滑的半徑較大的圓周上做小幅度(0很小)的圓周運(yùn)動(dòng)

時(shí),可等效為單擺,小球在A、B間做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),周期T=2cJ|.

4.公式中重力加速度g的變化與等效

(1)若單擺系統(tǒng)只處在重力場(chǎng)中且處于靜止?fàn)顟B(tài),g由單擺所處的空間位置決

定,即且=智,式中火為物體到地心的距離,M為地球的質(zhì)量,g隨所在位置的

高度的變化而變化.另外,在不同星球上“和R也是變化的,所以g也不同,g

=9.8m/s2只是在地球表面附近時(shí)的取值.

(2)等效重力加速度:若單擺系統(tǒng)處在非平衡狀態(tài)(如加速、減速、完全失重狀

態(tài)),則一般情況下,g值等于擺球相對(duì)靜止在自己的平衡位置時(shí),擺線所受的張

力與擺球質(zhì)量的比值.如圖所示,球靜止在平衡位置。時(shí),F(xiàn)T=mgsin0,等效加

速度g'=J=gsin9.

【典例2]一個(gè)單擺的擺長(zhǎng)為I,在其懸點(diǎn)。的正下方0.19/處有一釘子P(如

圖所示),現(xiàn)將擺球向左拉開到A,使擺線偏角,<5。,放手后使其擺動(dòng),求出單擺

的振動(dòng)周期.

[思路點(diǎn)撥](1)左邊和右邊擺長(zhǎng)不同.

(2)單擺的周期等于兩個(gè)擺周期之和的一半.

[解析]擺球釋放后到達(dá)右邊最高點(diǎn)8處,由機(jī)械能守恒可知8和A等高,

則擺球始終做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).擺球做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的擺長(zhǎng)有所變化,它的周期為兩個(gè)不同

單擺的半周期的和.

小球在左邊的周期為T\=2

小球在右邊的周期為72=2:

g

則整個(gè)單擺的周期為:

廠......規(guī)律方法..............................

求單擺周期的方法

(1)明確單擺的運(yùn)動(dòng)過程,看是否符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件.

(2)在運(yùn)用T=2cJ|時(shí),要注意L和g是否發(fā)生變化,如果發(fā)生變化,則分

別求出不同L和g時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間.

(3)改變單擺振動(dòng)周期的途徑是:

①改變單擺的擺長(zhǎng).

②改變單擺的重力加速度(如改變單擺的位置或讓單擺失重或超重).

(4)明確單擺振動(dòng)周期與單擺的質(zhì)量和振幅沒有任何關(guān)系.

訓(xùn)練角度2單擺的振動(dòng)圖像

3.(多選)如圖為甲、乙兩單擺的振動(dòng)圖像,則()

ax/cm

A.由圖像可知兩單擺周期之比為2:1

B.若甲、乙兩單擺在同一地點(diǎn)擺動(dòng),則甲、乙兩單擺的擺長(zhǎng)之比/甲:/乙=2:1

C.若甲、乙兩單擺在同一地點(diǎn)擺動(dòng),則甲、乙兩單擺的擺長(zhǎng)之比/甲:/乙=4:1

D.若甲、乙兩擺擺長(zhǎng)相同,且在不同的星球上擺動(dòng),則甲、乙兩擺所在星球

的重力加速度之比g甲:g乙=4:1

AC[由題中圖像可知T甲:7\=2:1,若兩單擺在同一地點(diǎn),則兩擺擺長(zhǎng)之

比/甲:/乙=4:1,若兩擺擺長(zhǎng)相等,則所在星球的重力加速度之比為g,:g0=

1:4.]

第四節(jié)用單擺測(cè)量重力加速度

一、實(shí)驗(yàn)器材

長(zhǎng)約1m的細(xì)線、球心開有小孔的金屬小球、帶有鐵夾的鐵架臺(tái)、長(zhǎng)約1m

的毫米刻度尺、秒表、游標(biāo)卡尺.

二'實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),由周期公式T=2;rJ|,可得g=等.因此,測(cè)出單擺

擺長(zhǎng)和振動(dòng)周期,便可計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?

用秒表測(cè)量30?50次全振動(dòng)的時(shí)間,計(jì)算平均做一次全振動(dòng)的時(shí)間,得到的

便是振動(dòng)周期.

三'實(shí)驗(yàn)步驟

1.取長(zhǎng)約1m的細(xì)線,細(xì)線的一端連接小球,另一端用鐵夾固定在鐵架臺(tái)上,

讓擺球自由下垂,如圖所示.

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.用刻度尺測(cè)擺線長(zhǎng)度Lo,用游標(biāo)卡尺測(cè)小球的直徑d.測(cè)量多次,取平均

值,計(jì)算擺長(zhǎng)L=〃)+今

3.將小球從平衡位置拉至一個(gè)偏角小于5。的位置并由靜止釋放,使其在豎直

面內(nèi)振動(dòng).待振動(dòng)穩(wěn)定后,從小球經(jīng)過平衡位置時(shí)開始用秒表計(jì)時(shí),測(cè)量N次全

振動(dòng)的時(shí)間則周期7=(.如此重復(fù)多次,取平均值.

4.改變擺長(zhǎng),重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次.

5.將每次實(shí)驗(yàn)得到的L、T代入8=47筆r2/計(jì)算重力加速度,取平均值,即為測(cè)

得的當(dāng)?shù)刂亓铀俣?

四'數(shù)據(jù)處理

1.平均值法:每改變一次擺長(zhǎng),將相應(yīng)的L和T代入公式g=警中求出g

值,最后求出g的平均值.設(shè)計(jì)如表所示實(shí)驗(yàn)表格.

五、注意事項(xiàng)

1.選擇材料時(shí)應(yīng)選擇細(xì)而不易伸長(zhǎng)的線,比如用單根尼龍絲、絲線等,長(zhǎng)度

一般不應(yīng)短于1m,小球應(yīng)選用密度較大的金屬球,直徑最好不超過2cm.

2.單擺懸線的上端不可隨意卷在鐵夾的桿上,應(yīng)夾緊在鐵夾中,以免擺動(dòng)時(shí)

擺線下滑、擺長(zhǎng)改變.

3.注意擺動(dòng)時(shí)控制擺線偏離豎直方向不超過5。.

4.擺球擺動(dòng)時(shí),要使之保持在同一個(gè)豎直平面內(nèi),不要形成圓錐擺.

5.計(jì)算單擺的振動(dòng)次數(shù)時(shí),應(yīng)以擺球通過最低點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí),以后擺球應(yīng)從

同一方向通過最低點(diǎn)時(shí)計(jì)數(shù),要多測(cè)幾次全振動(dòng)的時(shí)間,用取平均值的辦法求周

期.

六'誤差分析

1.本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身是否符合要求,即:懸點(diǎn)是否

固定,是單擺還是復(fù)擺,球、線是否符合要求,振動(dòng)是圓錐擺還是同一豎直平面

內(nèi)的振動(dòng),以及測(cè)量哪段長(zhǎng)度作為擺長(zhǎng)等.

2.本實(shí)驗(yàn)的偶然誤差主要來自時(shí)間(單擺周期)的測(cè)量上.因此,要注意測(cè)準(zhǔn)

時(shí)間(周期),要從擺球通過平衡位置開始計(jì)時(shí),最好采用倒數(shù)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)的方法,不

能多記或漏記振動(dòng)次數(shù).為了減小偶然誤差,應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量后取平均值.

3.本實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)度(擺線長(zhǎng)、擺球的直徑)的測(cè)量時(shí),讀數(shù)讀到毫米位即可,時(shí)

間的測(cè)量中,秒表讀數(shù)的有效數(shù)字的末位在“秒”的十分位即可.

【典例11(1)某同學(xué)在探究影響單擺周期的因素時(shí)有如下操作,請(qǐng)判斷是否

恰當(dāng)(選填"是"或"否”).

①把單擺從平衡位置拉開約5。釋放.()

②在擺球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí).()

③把秒表記錄擺球一次全振動(dòng)的時(shí)間作為周期.()

(2)該同學(xué)改進(jìn)測(cè)量方法后,得到的部分測(cè)量數(shù)據(jù)見表.用螺旋測(cè)微器測(cè)量其

中一個(gè)擺球直徑的示數(shù)如圖,該球的直徑為mm.根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以初步

判斷單擺周期隨的增大而增大.

數(shù)據(jù)組編號(hào)擺長(zhǎng)/mm擺球質(zhì)量/g周期/S

1999.332.22.0

2999.316.52.0

3799.232.21.8

4799.216.51.8

5501.132.21.4

6501.116.51.4

[解析]單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)要求擺角小,單擺從平衡位置拉開約5°釋放滿足此條

件;因?yàn)樽畹忘c(diǎn)位置固定、容易觀察,所以在擺球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí);

擺球一次全振動(dòng)的時(shí)間太短,不易讀準(zhǔn),誤差大,應(yīng)測(cè)多個(gè)周期的時(shí)間求平均值;

由表中數(shù)據(jù)可以初步判斷單擺周期隨擺長(zhǎng)的增大而增大.

[答案](1)①是②是③否

(2)20.685(20.683-20.687均正確)擺長(zhǎng)

【典例2]在做“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)時(shí),用擺長(zhǎng)L和周期T

計(jì)算重力加速度的公式是g=.若已知擺球直徑為2.00cm,讓刻度尺的

零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)擺線的懸點(diǎn),擺線豎直下垂,如圖所示,則單擺擺長(zhǎng)是m.若測(cè)

定了40次全振動(dòng)的時(shí)間為75.2s,單擺擺動(dòng)周期是.

為了提高測(cè)量精度,需多次改變L值,并測(cè)得相應(yīng)的T值.現(xiàn)將測(cè)得的六組

數(shù)據(jù)標(biāo)示在以L為橫坐標(biāo),以P為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系上,即圖中用“?”表示的點(diǎn),

則:

(1)單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足的條件是.

(2)試根據(jù)圖中給出的數(shù)據(jù)點(diǎn)作出P和L的關(guān)系圖線,根據(jù)圖線可求出g=

m/s2.(結(jié)果取兩位有效數(shù)字)

[解析]由可知g=^^.

由圖可知:

擺長(zhǎng)L=(88.50-1.00)cm=87.50cm=0.8750m.

7=布=1.88s.

(1)單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件是擺角小于5°.

(2)把在一條直線上的點(diǎn)連在一起,誤差較大的點(diǎn)平均分布在直線的兩側(cè),如

A7^4712A/47r2

答案圖所示,則直線斜率攵=近.由8=%聲=丁,可得g=9.8m/s2(9.9m/s2也

正確).

T2/s2

2.0口」」』」,」.工」,工1」一11」一1」一

0.60.70.80.91.0Um

4兀

[答案1卞0.87501.88s

⑴擺角小于5。(2)如圖所示9.8m/s2(或9.9m/s?)

【典例3】甲、乙兩個(gè)學(xué)習(xí)小組分別利用單擺測(cè)量重力加速度.

(1)甲組同學(xué)采用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置.

0.5l.O^hS^.O2.53.0i/s

①為比較準(zhǔn)確地測(cè)量出當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值,除秒表外,在下列器材中,

還應(yīng)該選用.(用器材前的字母表示)

a.長(zhǎng)度接近1m的細(xì)繩

b.長(zhǎng)度為30cm左右的細(xì)繩

c.直徑為1.8cm的塑料球

d.直徑為1.8cm的鐵球

e.最小刻度為1cm的米尺

f.最小刻度為1mm的米尺

②該組同學(xué)先測(cè)出懸點(diǎn)到小球球心的距離L,然后用秒表測(cè)出單擺完成〃次全

振動(dòng)所用的時(shí)間九請(qǐng)寫出重力加速度的表達(dá)式g=.(用所測(cè)物理量表示)

③在測(cè)量擺長(zhǎng)后,測(cè)量周期時(shí),擺球振動(dòng)過程中懸點(diǎn)。處擺線的固定出現(xiàn)松

動(dòng),擺長(zhǎng)略微變長(zhǎng),這將會(huì)導(dǎo)致所測(cè)重力加速度的數(shù)值________.(選填“偏

大”“偏小”或“不變”)

(2)乙組同學(xué)在圖甲所示裝置的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)速度傳感器,如圖乙所示.將

擺球拉開一小角度使其做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),速度傳感器記錄了擺球振動(dòng)過程中速度隨時(shí)

間變化的關(guān)系,如圖丙所示的?!皥D線.

①由圖丙可知,該單擺的周期T=s;

②更換擺線長(zhǎng)度后,多次測(cè)量,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)作出r-L圖線,

并根據(jù)圖線擬合得到方程T2=4.041.由此可以得出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=

m/s?.(取兀2=9.86,結(jié)果保留3位有效數(shù)字)

[解析](1)①根據(jù)7=2;^,|得g=警,知需要測(cè)量擺長(zhǎng),即擺線長(zhǎng)和小球

的直徑,擺線應(yīng)選1m左右的不可伸長(zhǎng)的線,小球應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小的金屬

球,測(cè)量擺線長(zhǎng)的米尺的最小刻度應(yīng)為1mm,故選a、d、f.

②因?yàn)樨怚g=rjQ-.

③擺長(zhǎng)略微變長(zhǎng),則擺長(zhǎng)的測(cè)量值偏小,則導(dǎo)致測(cè)得的重力加速度偏小.

(2)①由。”圖線可知,單擺的周期T=2.0s.

②由T=21/1,得于2=程,

yo<5

4兀2

即圖線的斜率上=?=4.04,

O

解得gg9.76m/s2.

4兀2〃2乙

[答案]⑴①adf@—p~③偏小(2)①2.0②9.76

第五節(jié)受迫振動(dòng)共振

知識(shí)點(diǎn)一受迫振動(dòng)的頻率

1.等幅振動(dòng):振幅丕變的振動(dòng).

2.阻尼振動(dòng):振幅逐漸減小的振動(dòng).

3.受迫振動(dòng):在外界驅(qū)動(dòng)力作用下的振動(dòng).

4.固有頻率:物體自由振動(dòng)的頻率,只與它們自身的參數(shù)有關(guān),稱為固有頻

率.

知識(shí)點(diǎn)二共振

1.條件:驅(qū)動(dòng)力的周期(或頻率)虹振動(dòng)系統(tǒng)的固有周期(或固有頻率).

2.特征:共振時(shí),物體受迫振動(dòng)的振幅最大.

知識(shí)點(diǎn)三共振的應(yīng)用與防止

1.共振的應(yīng)用

在需要利用共振時(shí),應(yīng)使驅(qū)動(dòng)力頻率接近或等于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率,振動(dòng)

將更劇烈.

2.共振的防止

考點(diǎn)1阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的比較

畬情境探究

甲乙

(1)如圖甲所示,生活中會(huì)見到陣風(fēng)吹過樹枝,使樹枝左右搖擺,一會(huì)兒樹枝

就會(huì)停下來,樹枝的運(yùn)動(dòng)是阻尼振動(dòng)嗎?

(2)如圖乙所示,蕩秋千的小朋友在一旁小朋友的不斷推動(dòng)下不停地?cái)[動(dòng).秋

千的運(yùn)動(dòng)是受迫振動(dòng)嗎?

提示:(1)是.(2)是.

三者對(duì)比列表:

振動(dòng)類型簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)阻尼振動(dòng)受迫振動(dòng)

產(chǎn)生條件不受阻力作用受阻力作用受阻力和驅(qū)動(dòng)力作用

頻率固有頻率頻率不變驅(qū)動(dòng)力頻率

振幅不變減小大小變化不確定

振動(dòng)圖像形狀不確定

彈簧振子振動(dòng),單擺敲鑼打鼓發(fā)出的聲揚(yáng)聲器紙盆振動(dòng)發(fā)

實(shí)例

做小角度擺動(dòng)音越來越弱聲、鐘擺的擺動(dòng)

【典例1】(多選)一單擺在空氣中振動(dòng),振幅逐漸減小.下列說法正確的是

()

A.機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式的能

B.后一時(shí)刻的動(dòng)能一定小于前一時(shí)刻的動(dòng)能

C.后一時(shí)刻的勢(shì)能一定小于前一時(shí)刻的勢(shì)能

D.后一時(shí)刻的機(jī)械能一定小于前一時(shí)刻的機(jī)械能

[思路點(diǎn)撥](1)在阻尼振動(dòng)中,振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能減小,即動(dòng)能和勢(shì)能之和減

小.

(2)在一段較短的時(shí)間內(nèi),動(dòng)能和勢(shì)能不一定都減小,關(guān)鍵要看動(dòng)能與勢(shì)能之

間是如何轉(zhuǎn)化的.

AD[單擺振動(dòng)過程中,因不斷克服空氣阻力做功,使機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,

選項(xiàng)A和D對(duì);雖然單擺總的機(jī)械能在逐漸減小,但在振動(dòng)過程中動(dòng)能和勢(shì)能仍

不斷地相互轉(zhuǎn)化,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能時(shí),動(dòng)能逐漸減小,勢(shì)能逐漸增大,而勢(shì)能轉(zhuǎn)

化為動(dòng)能時(shí),勢(shì)能逐漸減小,動(dòng)能逐漸增大,所以不能斷言后一時(shí)刻的動(dòng)能(或勢(shì)

能)一定小于前一時(shí)刻的動(dòng)能(或勢(shì)能),選項(xiàng)B、C錯(cuò).]

廠.......規(guī)富方法........-

阻尼振動(dòng)的三個(gè)特點(diǎn)

(1)振幅逐漸減小,最后停止振動(dòng).

(2)系統(tǒng)的機(jī)械能逐漸減少,最后耗盡.

(3)周期、頻率不隨振幅的變化而變化.

訓(xùn)練角度2受迫振動(dòng)

2.如圖所示的裝置,彈簧振子的固有頻率是4Hz.現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)把手,給彈簧

振子以周期性的驅(qū)動(dòng)力,測(cè)得彈簧振子振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的頻率為1Hz,則把手轉(zhuǎn)

動(dòng)的頻率為()

A.1HzB.3HzC.4HzD.5Hz

A[受迫振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)力的頻率,把手轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為1Hz,選項(xiàng)A正

確.]

□考點(diǎn)2共振的特點(diǎn)

畬情境探究

洗衣機(jī)在把衣服脫水完畢后,電動(dòng)機(jī)還要轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)才能停下來.該過程中洗

衣機(jī)先振動(dòng)得比較小,然后有一陣子振動(dòng)得很劇烈,然后振動(dòng)慢慢減小直至停下

來.

思考討論:1

(1)開始時(shí),洗衣機(jī)為什么振動(dòng)比較小?

(2)期間劇烈振動(dòng)的原因是什么?

提示:(1)開始時(shí),洗衣機(jī)的固有頻率與脫水桶的頻率相差較遠(yuǎn).

(2)劇烈

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