人教版(浙江专用)高中物理选择性必修第一册第2章机械振动3简谐运动的回复力和能量同步训练课件.ppt

3简谐运动的回复力和能量课前·基础认知课堂·重难突破素养·目标定位随堂训练素养·目标定位目标素养1.掌握简谐运动回复力的特征,能准确分析回复力的来源,形成正确的物理观念,培养科学思维能力。2.理解简谐运动的规律,掌握在一次全振动过程中位移、加速度、速度和能量的变化规律。3.会用能量守恒的观点,分析水平弹簧振子中动能、势能、总能量的变化规律,培养分析解决实际问题的能力。知识概览课前·基础认知一、简谐运动的回复力1.回复力。2.简谐运动的动力学定义。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,质点的运动就是简谐运动。微思考1做简谐运动的质点,任意时刻回复力(不为零)的方向总与位移的方向相反吗?提示:是的。回复力是指向平衡位置的,而位移是以平衡位置为起点指向质点所在位置的,所以二者的方向总是相反的。二、简谐运动的能量1.弹簧振子的状态与能量的关系。(1)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。(2)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。2.弹簧振子的能量。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。(1)小球到达最大位移时,动能为0,势能最大。(2)小球通过平衡位置时,动能最大,势能为0。(3)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。微思考2对于一个确定的振动系统,简谐运动的能量由什么决定?提示:振幅。振幅越大,系统的能量越大。课堂·重难突破一对回复力和加速度的理解重难归纳1.回复力的来源。(1)回复力是指将振动的物体拉回到平衡位置的力,同向心力一样是按照力的作用效果来命名的。(2)回复力可以由某一个力提供,如水平弹簧振子的回复力即为弹簧的弹力;也可以是几个力的合力,如竖直悬挂的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力;还可以是某一力的分力。归纳起来,回复力一定等于振动物体在振动方向上所受的合力。分析物体的受力时不能再加上回复力。2.简谐运动的回复力的特点。(1)由F=-kx知,简谐运动的回复力大小与振子的位移大小成正比,回复力的方向与位移的方向相反,即回复力的方向总是指向平衡位置。(2)公式F=-kx中的k指的是回复力与位移的比例系数,而不一定是弹簧的劲度系数,系数k由振动系统自身决定,与振幅无关。(3)根据牛顿第二定律得,,表明弹簧振子做简谐运动时振子的加速度大小也与位移大小成正比,加速度方向与位移方向相反。3.回复力的规律:因x=Asin(ωt+φ),故回复力F=-kx=-kAsin(ωt+φ),可见回复力随时间按正弦规律变化。弹簧振子从平衡位置到达最大位移处的过程中,回复力如何变化?从最大位移处向平衡位置运动的过程中呢?提示:由回复力F=-kx可知,从平衡位置到达最大位移处的过程中,回复力逐渐增大,方向一直指向平衡位置;从最大位移处向平衡位置运动的过程中,回复力逐渐减小,方向一直指向平衡位置。典例剖析一质量为m的小球,通过一根轻质弹簧悬挂在天花板上,如图所示。(1)小球在振动过程中的回复力实际上是。(2)该小球的振动是否为简谐运动?答案:(1)弹簧的弹力和小球的重力的合力(2)是简谐运动解析:(1)此振动过程的回复力实际上是弹簧的弹力与小球的重力的合力。(2)设向下为正方向,小球静止时弹簧已经有了一个伸长量h,设弹簧的劲度系数为k,由平衡条件得kh=mg①当小球向下偏离平衡位置的距离为x时,回复力即合外力为F回=mg-k(x+h)②将①代入②式得F回=-kx,可见小球所受合外力与它的位移的关系符合简谐运动的受力特点,该小球的振动是简谐运动。规律总结判断振动是否为简谐运动的方法1.运动学方法:找出质点的位移与时间的关系,若遵从正弦函数的规律,即它的振动图像(x-t图像)是一条正弦曲线,就可判定此振动为简谐运动。不过通常的问题中很少应用这个方法进行判断。2.动力学方法:找出回复力和位移的关系,若满足F=-kx的规律,就可以判定此振动为简谐运动。此方法是既简单又常用的方法,操作步骤如下:

(1)物体静止时的位置即为平衡位置,并且规定正方向;

(2)在振动过程中任选一位置(平衡位置除外),对物体进行受力分析;

(3)将力沿振动方向进行分解,求出振动方向上的合力;

(4)判定振动方向上的合力与位移的关系是否符合F=-kx。学以致用(多选)如图所示,弹簧振子中小球在光滑水平杆上的A、B之间做往复运动,下列说法正确的是()A