5.6 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi)

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

本节(5.6)把三角函数从”数学对象”变成”刻画现实周期的模型”:用一个带参数的三角函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x + \varphi) 去描述匀速圆周运动等周期现象。这一页(5.6.1)是全书唯一只有”问题 + 思考”、没有正式练习的节——它回答一个问题:筒车上的盛水筒,距离水面的高度随时间怎么变? 答案是一个正弦型函数,而 5.6.2 将逐一研究 AA、ω\omega、φ\varphi 三个参数对图象的影响。

学完这一节,你要能:说清盛水筒高度由哪些量决定,理解为什么高度是时间 t 的正弦型函数,并把”匀速圆周运动”翻译成 H=h+rsin⁡(ωt+φ)H = h + r\sin(\omega t + \varphi)。

一、问题:筒车与匀速圆周运动

筒车是我国古代的水利灌溉工具(《农政全书》中有图),盛水筒随轮子做匀速圆周运动。在水流量稳定的情况下,每个盛水筒的运动规律相同:转轮匀速转动,盛水筒转一周,高度变化完成一个周期。因为运动有周期性,自然想到用三角函数刻画。

二、思考:哪些量决定盛水筒的高度?

把筒车抽象成几何图形(图 5.6-3):设经过 tt s 后,盛水筒 MM 从点 P0P_0 运动到点 PP。盛水筒相对水面的高度 HH 由五个量决定:

  1. hh:转轮中心 OO 到水面的距离(固定的”基准高度”);
  2. rr:筒车的半径(盛水筒到圆心的距离,恒定);
  3. ω\omega:筒车转动的角速度(每秒钟转过的弧度数);
  4. φ\varphi:盛水筒的初始位置 P0P_0 对应的角(起始时刻的”相位”);
  5. tt:经过的时间(自变量)。

三、建立模型:H=h+rsin⁡(ωt+φ)H = h + r\sin(\omega t + \varphi)

设初始位置 P0P_0 在单位圆上对应的角为 φ\varphi(把圆心放到坐标系原点)。盛水筒以角速度 ω\omega 逆时针匀速转动,tt s 后转过 ωt\omega t,此时位置 PP 对应的角为 ωt+φ\omega t + \varphi。PP 相对圆心的纵坐标是 rsin⁡(ωt+φ)r\sin(\omega t + \varphi)(圆心在原点时,“相对圆心的高度”);再加上圆心相对水面的高度 hh,就得到盛水筒相对水面的高度:

H=h+rsin⁡(ωt+φ).H = h + r\sin(\omega t + \varphi).

为什么是这个形式:匀速圆周运动的”周而复始”对应正弦函数”一波接一波”;角速度 ω\omega 决定振动的快慢(周期 T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega},即转一周所需时间),半径 rr 决定振动的幅度(最高 h+rh + r、最低 h−rh - r),初始位置 φ\varphi 决定”从哪开始振”。三者互不影响、各管一项——这正是三角函数模型刻画周期现象的能力所在。

四、怎么读这一页

  1. 对照图 5.6-3,自己在纸上画出盛水筒 MM 的位置:初始角 φ\varphi,tt s 后角变成 ωt+φ\omega t + \varphi,纵坐标就是 rsin⁡(ωt+φ)r\sin(\omega t + \varphi)——把”几何转动”翻译成”代数表达式”;
  2. 检验模型的合理性:t=0t = 0 时 H=h+rsin⁡φH = h + r\sin\varphi(初始位置的高度);当 φ=0\varphi = 0(从最右侧开始)时 H=h+rsin⁡ωtH = h + r\sin\omega t,与”正弦曲线”一致;
  3. 回答”思考”:把五个量分类——h,r,ω,φh, r, \omega, \varphi 是刻画”这台筒车长什么样”的参数,tt 是自变量;模型 H=h+rsin⁡(ωt+φ)H = h + r\sin(\omega t + \varphi) 就是 5.6.2 的 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x + \varphi) 形式(A=rA = r,x=tx = t)。

下一节 5.6.2:研究 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x + \varphi) 中 AA、ω\omega、φ\varphi 对图象的影响(振幅、周期、相位),并会用图象变换作出这类函数的图象、用它解决实际问题(如摩天轮)。

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5.6 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi)

我们知道,单位圆上的点,以(1,0)为起点,以单位速度按逆时针方向运动,其运动规律可用三角函数加以刻画。对于一个一般的匀速圆周运动可以用怎样的数学模型刻画呢?下面先看一个实际问题。

5.6.1 匀速圆周运动的数学模型

问题 筒车是我国古代发明的一种水利灌溉工具,因其经济又环保,至今还在农业生产中得到使用(图 5.6-1)。明朝科学家徐光启在《农政全书》中用图画描绘了简车的工作原理(图 5.6-2)。

图5.6-1

图5.6-2

假定在水流量稳定的情况下,筒车上的每一个盛水筒都做匀速圆周运动。你能用一个合适的函数模型来刻画盛水筒(视为质点)距离水面的相对高度与时间的关系吗?

因筒车上盛水筒的运动具有周期性,可以考虑利用三角函数模型刻画它的运动规律.

思考

与盛水筒运动相关的量有哪些?它们之间有怎样的关系?

如图 5.6-3,将筒车抽象为一个几何图形,设经过 t s 后,盛水筒 M 从点 P0P_{0} 运动到点 P。由筒车的工作原理可知,这个盛水筒距离水面的高度 H,由以下量所决定:筒车转轮的中心 O 到水面的距离 h,筒车的半径 r,筒车转动的角速度 ω\omega ,盛水筒的初始位置 P0P_{0} 以及所经过的时间 t。

下面我们分析这些量的相互关系,进而建立盛水筒 MM 运动的数学模型.