高中物理 第十一章 3 简谐运动的回复力和能量教材梳理教案 新人教版选修3-41

简谐运动的回复力和能量疱丁巧解牛知识巧学一、简谐运动的回复力1.定义：振动物体偏离平衡位置后，所受到的使它回到平衡位置的力叫做回复力. 回复力是根据力的效果命名的，它可以是一个力，也可以是多个力的合力，还可以由某个力的分力提供.例如：如图11-3-1，水平方向的弹簧振子，弹力充当回复力.如图11-3-2所示，竖直方向的弹簧振子弹力和重力的合力充当回复力.如图11-3-3，m随M一起振动，m的回复力是静摩擦力. 图11-3-1 图11-3-2 图11-3-3深化升华 回复力是根据力的作用效果命名的，它可以是弹力，也可以是其他力（包括摩擦力），或几个力的合力或某个力的分力.进行受力分析时，不要凭空多画一个力回复力.（1）回复力的大小：与偏离平衡位置的位移大小成正比.（2）回复力的方向：总是指向平衡位置.联想发散 位移方向总是背离平衡位置，回复力方向总是指向平衡位置，所以回复力的方向总是与位移方向相反.（3）回复力的效果：总是使质点回到平衡位置.2.简谐运动的动力学特征 回复力F=-kx, 即回复力的大小跟位移大小成正比，“-”号表示回复力与位移的方向相反.深化升华 （1）如果质点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，则质点的运动就是简谐运动.（2）回复力F=-kx中的k是比例系数，并非弹簧的劲度系数，其值由振动系统决定，对水平弹簧振子，回复力仅由弹簧弹力提供，k即为劲度系数，由弹簧决定，与振幅无关，其单位是N/m.（3）回复力为零合外力不为零（如沿圆弧振动时，物体经平衡位置回复力为零，但合外力不为零）.3.简谐运动的运动学特征：a=-. 简谐振动是一种变加速的往复运动，“”号表示加速度a方向与位移x方向相反.4.在简谐运动中，位移、回复力、加速度和速度的变化关系. 如下表所示（参照图11-3-4）：图11-3-4振子的运动AOOAAOOA位移方向水平向左，不断减小方向水平向右，不断增大水平向右，不断减小水平向左，不断增大回复力方向水平向右，大小不断减小水平向左，不断增大水平向左，不断减小水平向右，不断增大加速度水平向右，不断减小水平向左，不断增大水平向左，不断减小水平向右，不断增大速度水平向右，不断增大水平向右，不断减小水平向左，不断增大水平向左，不断减小深化升华 “端点”是运动的转折点，速度必定为零，平衡位置时速度最大.学法一得 （1）振动中的位移都是以平衡位置为起点的，方向总是从平衡位置指向末位置；（2）加速度a的变化与回复力的变化是一致的，位移、回复力、加速度三个物理量同步变化，与速度的变化步调相反.二、简谐运动的能量1.概述：简谐运动的能量：做简谐运动的物体在振动中经过某一位置时所具有的势能和动能之和，称为简谐运动的能量.2.做简谐运动的物体能量的变化规律：只有动能和势能的相互转化，机械能守恒. 振动过程是一个动能和势能不断转化的过程.如图11-3-5所示的水平弹簧振子，振子在AB之间往复运动，在一个周期内的能量转化过程是：图11-3-5AO弹力做正功，弹性势能转化为动能；OB弹力做负功，动能转化为弹性势能；BO弹力做正功，弹性势能转化为动能；OA弹力做负功，动能转化为弹性势能. 不考虑阻力，弹簧振子振动过程中只有弹力做功，在任意时刻的动能与势能之和不变，即机械能守恒.联想发散 对简谐运动来说，一旦供给系统一定的能量，使它开始振动，它就以一定的振幅永不停息地持续振动，简谐运动是一种理想化的振动.3.简谐运动的机械能由振幅决定. 简谐运动中的能量跟振幅有关，振幅越大，振动的能量越大.在简谐运动中，振动的能量保持不变，所以振幅保持不变，只要没有能量损耗，它将永不停息地振动下去，因此简谐运动又称等幅振动.要点提示 实际运动都有一定的能量损耗，所以简谐运动是一种理想化的振动.深化升华 振幅是描述振动强弱的物理量，也是简谐运动的物体能量大小的标志，是描述简谐运动能量的特征物理量.4.在振动一个周期内，动能和势能间完成两次周期性变化，经过平衡位置时动能最大，势能最小；经过最大位移处时，势能最大，动能最小. 振动势能可以是重力势能（例如单摆），可以是弹性势能（例如水平方向振动的弹簧振子），也可以是重力势能和弹性势能之和（例如沿竖直方向振动的弹簧振子）.深化升华 和以前学习势能时一样都要选取零势能位置.我们约定振动势能以平衡位置为零势能位置.典题热题知识点一 简谐运动过程中基本物理量的变化例1弹簧振子在光滑水平面上做简谐运动，在振子向平衡位置运动的过程中( )A.振子所受的回复力逐渐增大B.振子的位移逐渐增大C.振子的速度逐渐减小D.振子的加速度逐渐减小解析：振子位移是指由平衡位置指向振动物体所在位置的位移，因而向平衡位置运动时位移逐渐减小，而回复力与位移成正比，故回复力也减小，由牛顿第二定律a=F/m得，加速度也减小，物体向着平衡位置运动时，回复力与速度方向一致，故物体的速度逐渐增大，正确答案选D.答案：D方法归纳 分析回复力变化时，首先要弄清回复力的来源，是由哪些因素引起的，由哪些力构成，如本题是F=-kx.例2如图11-3-6所示为某一质点的振动图象，由图象可知在t1和t2两时刻，质点的速度v1、v2，加速度a1、a2的正确关系为( )图11-3-6A.v1v2，方向相同 B.v1v2，方向相反C.a1a2，方向相同 D.a1a2，方向相反解析：在t1时刻质点向下向平衡位置运动，在t2时刻质点向下远离平衡位置运动，所以v1与v2的方向相同，但由于在t1时刻质点离平衡位置较远，所以v1v2，a1a2；质点的加速度方向总是指向平衡位置的，因而可知在t1时刻加速度方向向下，在t2时刻加速度方向向上.正确选项为A、D.答案：AD巧解提示 处理图象问题时一定要把图象还原为质点的实际振动过程来分析，图象不是振动问题的运动轨迹.知识点二 简谐运动的能量例3 如图11-3-7所示，一弹簧振子在A、B间做简谐运动，平衡位置为O，已知振子的质量为M，若振子运动到B处时将一质量为m的物体放在M的上面，且m和M无相对运动而一起运动，下述正确的是（ ）图11-3-7A.振幅不变 B.振幅减小C.最大动能不变 D.最大动能减少解析：当振子运动到B点时，M的动能为零，放上m，系统的总能量为弹簧所储存的弹性势能Ep，由于简谐运动过程中系统的机械能守恒，即振幅不变，故A选项正确，当M和m运动至平衡位置O时，M和m的动能和即为系统的总能量，此动能最大，故最大动能不变，C选项正确.答案：AC方法归纳 分析简谐运动的能量问题，要弄清运动质点的受力情况和运动的情况，弄清是什么能之间的转化及转化关系等.例4 做简谐运动的弹簧振子，振子质量为m，最大速度为v，则下列说法正确的是（ ）A.从某时刻算起，在半个周期的时间内，回复力做的功一定为零B.从某时刻算起，在半个周期的时间内，回复力做的功可能是零到mv2之间的某一个值C.从某一时刻算起，在半个周期的时间内，速度变化量一定为零D.从某一时刻算起，在半个周期的时间内，速度变化量的大小可能是零到2v之间的某一值解析：振子在半个周期内刚好到达与初位置关于平衡位置对称的位置，两位置速度大小相等，故由动能定理知，回复力做的功一定为零，则A选项正确，B选项错误；但由于速度反向（初位置在最大位移处时速度均为零），所以在半个周期内速度变化量的大小为初速度大小的两倍，因此在半个周期内速度变化量大小应为0到2v之间的某个值，则C选项错，D选项正确.答案：AD方法归纳 简谐运动过程中回复力为变力，因此求回复力的功应选择动能定理；由于速度变化量与速度均为矢量，故计算时应特别注意方向.知识点三 简谐运动与力学的综合例5 如图11-3-8所示，一质量为M的无底木箱，放在水平地面上，一轻质弹簧一端悬于木箱的上边，另一端挂着用细线连接在一起的两物体A和B，mA=mB=m，剪断A、B间的细线后，A做简谐运动，则当A振动到最高点时，木箱对地面的压力为_.图11-3-8解析：本题考查简谐运动的特点及物体受力情况的分析.剪断细线前A的受力情况：重力：mg，向下；细线拉力：F拉=mg，向下；弹簧对A的弹力：F=2 mg，向上.此时弹簧的伸长量为x=. 剪断细线后，A做简谐运动，其平衡位置在弹簧的伸长量为x=处，最低点即刚剪断细线时的位置，离平衡位置的距离为，由简谐运动的特点知最高点离平衡位置的距离也为，所以最高点的位置恰好在弹簧的原长处，此时弹簧对木箱作用力为零，所以此时木箱对地面的压力为Mg.答案：Mg方法归纳 在一些力学综合题目的处理中，如果能充分考虑简谐运动的对称性，可收到事半功倍的效果.例6如图11-3-9所示，A、B叠放在光滑水平地面上，B与自由长度为L0的轻弹簧相连，当系统振动时，A、B始终无相对滑动，已知mA=3m，mB=m，当振子距平衡位置的位移x=时系统的加速度为a，求A、B间摩擦力Ff与位移x的函数关系.图11-3-9解析：设弹簧的劲度系数为k，以A、B整体为研究对象，系统在水平方向上做简谐运动，其中弹簧的弹力作为系统的回复力，所以对系统运动到距平衡位置时有：k=(mAmBa，由此得k=. 当系统的位移为x时，A、B间的静摩擦力为Ff，此时A、B具有共同加速度a，对系统有：kx=（mA+mB）a k=，a=x. 对A有：Ff=mAa. 代入得,Ff=x.答案：Ff=x.方法归纳 本题综合考查了受力分析、胡克定律、牛顿定律和回复力等概念，解题关键是合理选取研究对象，在不同的研究对象中回复力不同.此题最后要求把摩擦力Ff与位移x的关系用函数来表示，要将物理规律与数学有机结合.问题探究交流讨论探究问题 简谐运动图象有哪些应用？探究过程: 张晴：可以确定振动物体在任一时刻的位移. 李小鹏：确定振动的振幅.图象中最大位移的绝对值就是振幅. 王冬：确定振动的周期和频率.振动图象上一个完整的正弦（或余弦）图形在时间轴上拉开的“长度”表示周期. 刘霞：确定各时刻质点的振动方向.某时刻质点的振动方向的判断，可以根据下一时刻质点的位置进行判断. 赵军：比较不同时刻质点加速度的大小和方向.加速度的大小可以根据位移的大小进行比较，方向始终指向平衡位置.探究结论:任一时刻的位移，振幅，周期；各时刻质点的振动方向；比较不同时刻质点加速度的大小和方向.思维发散探究问题 怎样判断一个振动是否为简谐运动?探究思路：分析一个振动是否为简谐运动，关键是判断它的回复力是否满足其大小与位移成正比，方向总与位移方向相反.证明思路为：确定物体静止时的位置即平衡位置.考查振动物体在任一点受到回复力的特点是否满足：F=-kx.具体处理时可以先找力与位移大小关系，再说明方向关系，也可以先规定正方向同时考虑大小与方向关系. 还要知道F=-kx中的k是个比例系数，是由振动系统本身决定的，不仅仅是指弹簧的劲度系数，关于这点，在学过本章的第四节“单摆”后可以理解得更清楚一些. 证明一个振动是否是简谐运动，还可从运动学角度看其加速度a是否满足a=-，或从位移与时间的关系是否符合正弦规律来判断.探究结论:方法一：（动力学角度）回复力是否满足其大小与位移成正比，方向总与位移方向相反. 方法二：（运动学角度）1.从位移与时间的关系看是否符合正弦规律；2.看位移时间图象是否为正弦曲线.