第五章 · 第七节
三角函数的应用
简谐运动 · 潮汐模型 · 交流电 · 数学建模

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 掌握三角函数模型在实际问题中的应用
  • 能从实际问题中提取参数建立三角函数模型
  • 理解简谐运动的数学描述
  • 会用三角函数解决潮汐、交流电等实际问题
知识点一:简谐运动
简谐运动模型
物体在回复力作用下做的周期性运动,位移 y 随时间 t 的变化规律为:y = A·sin(ωt + φ)。其中 A 为振幅,T=2π/|ω| 为周期,f=1/T 为频率,φ 为初相。
简谐运动的特征
  • 振幅 A:物体偏离平衡位置的最大距离
  • 周期 T:完成一次完整振动所需时间
  • 频率 f:单位时间内振动的次数(赫兹 Hz)
  • 初相 φ:t=0 时的相位,决定起始位置
知识点二:潮汐模型
潮汐周期模型
海水受日月引力产生周期性涨落,水深 h 与时间 t 的关系可用 h(t) = A·sin(ωt + φ) + b 描述。其中 A 为潮差的一半,b 为平均水深,T=2π/|ω| 为潮汐周期(约12小时25分)。
知识点三:交流电模型
交流电模型
交流电压 u 随时间 t 变化的规律:u(t) = U_m·sin(ωt + φ)。其中 U_m 为峰值电压,ω=2πf 为角频率(f 为频率,我国交流电 f=50Hz),φ 为初相。有效值 U = U_m/√2。
简谐运动
y=Asin(ωt+φ)
振幅A 周期T=2π/|ω|
潮汐模型
h=Asin(ωt+φ)+b
A潮差半 b平均水深
交流电
u=U_m sin(ωt+φ)
U有效=U_m/√2
建模步骤
审题→建模→求解→还原
实际→数学→实际
知识点四:三角函数建模的一般步骤
建模流程
审题:理解实际情境,确定变量和周期
建模:设 y=Asin(ωt+φ)+b,确定各参数
求解:代入数据计算,求所需结果
还原:将数学结果还原为实际结论

🎬 动画讲解

📢
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🧪 互动实验:潮汐水位模拟

💡 调节潮汐参数,观察水位随时间的变化,确定船只安全进出港时间
⚙ 潮汐模型 h=Asin(ωt+φ)+b
最高水位8.0
最低水位2.0
周期(小时)12.0
📋 实验结论
潮汐水位 h=Asin(ωt+φ)+b,最高水位 b+A,最低水位 b−A。船只吃水深度 d 需满足 d≤h 时才能进出港。通过调节参数可确定安全时间窗口。

📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1简谐运动
弹簧振子做简谐运动,振幅 A=4cm,周期 T=2s,初相 φ=0。求:(1) 运动方程;(2) t=0.5s 时的位移。
🔍 解题过程
1由 T=2π/|ω| 得 ω=2π/T=2π/2=π,故运动方程 y=4sin(πt)。
2t=0.5 时,y=4sin(π×0.5)=4sin(π/2)=4×1=4cm。
✅ (1) y=4sin(πt)(cm);(2) t=0.5s 时位移 4cm。
例题 2潮汐问题
某港口水深 h(t)=3sin(πt/6)+5(米),船吃水 4 米需安全富余 1 米。求一天内能进港的时间段。
🔍 解题过程
1安全条件:h(t)≥4+1=5米,即 3sin(πt/6)+5≥5,sin(πt/6)≥0。
2sin(πt/6)≥0 时 πt/6∈[2kπ,(2k+1)π],即 t∈[12k, 12k+6]。一天内 t∈[0,6]∪[12,18](小时)。
✅ 一天内 0~6 时和 12~18 时可安全进出港。

🚀 拓展提升

交流电的有效值

交流电 u=U_m sin(ωt+φ) 的有效值 U=U_m/√2≈0.707U_m。我国家用交流电 220V 是有效值,峰值约 311V,频率 50Hz,周期 0.02s。

三角函数建模的关键

  • 确定周期:从实际数据找周期 T,再算 ω=2π/T
  • 确定振幅:从最大值和最小值求 A=(max−min)/2
  • 确定平衡位置:b=(max+min)/2
  • 确定初相:代入一个已知点求 φ

三角函数应用的广泛性

三角函数模型广泛应用于物理学(振动、波、交流电)、天文学(潮汐、天体运动)、工程学(信号处理、建筑力学)等领域,是描述周期现象的最重要数学工具。

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题★☆☆ 基础
简谐运动 y=5sin(2t) 的振幅是?
A2
B5
C10
Dπ
第 2 题★☆☆ 基础
交流电 u=311sin(100πt) 的频率是?(我国民用交流电)
A50 Hz
B100 Hz
C311 Hz
D0.02 Hz
第 3 题★★☆ 巩固
某潮汐水位 h=2sin(πt/6)+4(米),则最高水位是?
A2 米
B6 米
C4 米
D8 米
第 4 题★★☆ 巩固
交流电 u=U_m sin(ωt) 的有效值 U = ?
AU_m / √2
BU_m × √2
CU_m / 2
DU_m
第 5 题★★★ 拓展
弹簧振子振幅 3cm,周期 1s,初相 0。求 t=1/4s 时的位移(cm)。

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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恭喜你完成了「三角函数的应用」的学习,也完成了高中数学必修第一册的全部24节课程!

📌 本节核心要点:
① 简谐运动:y=Asin(ωt+φ),A振幅,T=2π/|ω|周期
② 潮汐模型:h=Asin(ωt+φ)+b,最高b+A,最低b−A
③ 交流电:u=U_m sin(ωt+φ),有效值U=U_m/√2
④ 建模步骤:审题→建模→求解→还原
⑤ 三角函数是描述周期现象的重要工具

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涵盖:集合与逻辑、不等式、函数、指数对数、三角函数
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