2.3 简谐运动的回复力和能量 课件 -2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

第二章 机械振动 2.3简谐运动的回复力和能量 学习目标 1、明确回复力：掌握回复力定义，能分析弹簧振子、单摆的回复力来源，记住F = -kx公式及力与位移关系。 2、理解加速度：会推导 ，知道简谐运动是变加速运动。 3、把握能量：清楚动能、势能相互转化，总机械能守恒，理解机械能与振幅的关系。 问题？ 当我们把弹簧振子的小球拉离平衡位置释放后，小球就会在平衡位置附近做简谐运动。小球的受力满足什么特点才会做这种运动呢？ 回复力 根据牛顿运动定律，可以作出以下判断：做简谐运动的物体偏离平衡位置向一侧运动时，一定有一个力迫使物体的运动速度逐渐减小直到减为０，然后，物体在这个力的作用下，运动速度又由0逐渐增大并回到平衡位置；物体由于具有惯性，到达平衡位置后会继续向另一侧运动，这个力使它再一次回到平衡位置。正是在这个力的作用下，物体在平衡位置附近做往复运动。我们把这样的力称为回复力 简谐运动的回复力 做简谐运动的物体受到的回复力有什么特点？下面我们以弹簧振子做简谐运动为例进行分析。 如图2.3-1甲，当小球在O点（平衡位置）时，所受的合力为０；在O点右侧任意选择一个位置P，无论小球向右运动还是向左运动，小球在P点相对平衡位置的位移都为x，受到的弹簧弹力如图2.3-1乙所示。从图中可以看出，迫使小球回到平衡位置的回复力应该是由弹簧弹力提供的，回复力大小为F＝ kx（k为弹簧的劲度系数），方向指向平衡位置。 简谐运动的回复力 同样道理，当小球在O点左侧某一位置Q时，迫使小球回到平衡位置的回复力还是由弹簧弹力提供，大小仍为F＝ kx，方向指向平衡位置（图2.3-1丙）。 从上面的分析可以看出，弹簧对小球的弹力是小球做简谐运动的回复力，这个力的大小与小球相对平衡位置的位移成正比，方向与位移方向相反，可表示为：F＝－ kx，式中“－”号表示F与x反向。 简谐运动的回复力 理论上可以证明，如果物体所受的力具有F＝－ kx的形式，物体就做简谐运动。也就是说：如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，物体的运动就是简谐运动。 简谐运动的能量 弹簧振子中小球的速度在不断变化，因而它的动能在不断变化；弹簧的伸长量或压缩量在不断变化，因而它的势能也在不断变化。弹簧振子的能量变化具有什么规律呢？ 做一做 弹簧振子的势能与弹簧的伸长量有关，动能与小球的速度有关。请在下表中填出图2.3-1中的弹簧振子在各位置的能量。某量为最大值、最小值用“最大”和“最小”表示，某量为零用数字“0”表示，增加和减少分别用“ ”和“ ”表示（假设P、Q为最大位移处）。 做一做 沿水平方向振动的弹簧振子的势能为弹性势能，其大小取决于弹簧的形变量。小球运动远离平衡位置时，势能会增大。与此同时，小球的速度减小，动能减小。小球到达最大位移时，动能为０，势能最大。小球通过平衡位置时，动能最大，势能为０。 理论上可以证明，在弹簧振子运动的任意位置，系统的动能与势能之和都是一定的，遵守机械能守恒定律。 实际的运动都有一定的能量损耗，所以简谐运动是一种理想化的模型。 做一做 当小球运动到最大位移时，动能为０，弹性势能最大，系统的机械能等于最大弹性势能。对于弹簧劲度系数和小球质量都一定的系统，振幅越大，机械能越大。 弹簧振子中能量变化视频 练习与应用 1. 把图2.3-2中倾角为θ的光滑斜面上的小球沿斜面拉下一段距离，然后松开。假设空气阻力可忽略不计，试证明小球的运动是简谐运动。 练习与应用 2. 若想判定以下振动是不是简谐运动，请你陈述求证的思路（可以不进行定量证明），空气阻力可忽略。 （1）粗细均匀的一根木筷，下端绕几圈铁丝，竖直浮在较大的装有水的杯中（图2.3-3）。把木筷往上提起一段距离后放手，木筷就在水中上下振动。 练习与应用 （2）光滑圆弧面上有一个小球，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振动（图2.3-4）。 练习与应用 3. 做简谐运动的物体经过A点时，加速度的大小是 2 m/s2，方向指向 B 点；当它经过 B点时，加速度的大小是3 m/s2，方向指向A点。若 A、B 之间的距离是 10 cm，请确定它的平衡位置。 练习与应用 4. 图 2.3-5 为某物体做简谐运动的图像，在0 1.5 s范围内回答下列问题。 （1）哪些时刻物体的回复力与0.4 s时的回复力相同？ （2）哪些时刻物体的速度与0.4 s时的速度相同？ 练习与应用 （3）哪些时刻物体的动能与0.4 s时的动能相同？ （4）哪段时间物体的加速度在减小？ （5）哪段时间的势能在增大？ $$