高中物理 第1章 机械振动 1.2 探究物体做简谐运动的原因学案 沪科版选修3-4-沪科版高二选修3-4物理学案VIP免费

1.2探究物体做简谐运动的原因[学习目标]1.掌握简谐运动的动力学特征，明确回复力的概念.2.知道简谐运动是一种没有能量损耗的理想情况.3.理解简谐运动在一次全振动过程中，位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化情况．1．回复力：振动物体受到的方向总是指向平衡位置，作用总是要把物体拉回到平衡位置的力．2．当物体受到跟位移的大小成正比，方向始终指向平衡位置的合力的作用时，物体的运动就是简谐运动．3．简谐运动的能量，一般指振动系统的机械能．振动的过程就是动能和势能互相转化的过程.一、回复力使物体做简谐运动[导学探究]如图1所示为弹簧振子的模型，请分析并回答下列问题：图1(1)请分别讨论振子在平衡位置右侧和左侧时，所受的弹力F的方向是怎样的？位移x的方向是怎样的？F与x的方向有什么关系？(2)由胡克定律知，弹簧的弹力F的大小与位移x的大小之间有怎样的关系？(3)振子在运动过程中，弹力F与位移x之间存在着什么样的关系？答案(1)当振子在平衡位置右侧时，弹力F的方向向左，位移x的方向向右，F与x的方向相反；当振子在平衡位置左侧时，弹力F的方向向右，位移x的方向向左，F与x的方向相反．(2)由胡克定律知，弹力F的大小与位移x的大小的关系为F＝kx.(3)弹力F与位移x的关系为F＝－kx.[知识深化]1．回复力(1)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．(2)回复力的方向总是指向平衡位置，回复力为零的位置就是平衡位置．2．简谐运动的动力学特征：回复力F＝－kx.(1)k是比例系数，并非弹簧的劲度系数(水平弹簧振子做简谐运动时k为劲度系数)．其值由振动系统决定，与振幅无关．(2)“－”号表示回复力的方向与位移的方向相反．[延伸思考]做简谐运动的物体，在运动的过程中，加速度是如何变化的？答案加速度a＝－，故加速度随位移的变化而变化(简谐运动是一种变速的往复运动)．例1(多选)如图2所示，弹簧振子在光滑水平杆上的A、B之间做往复运动，下列说法正确的是()图2A．弹簧振子运动过程中受重力、支持力和弹簧弹力的作用B．弹簧振子运动过程中受重力、支持力、弹簧弹力和回复力作用C．振子由A向O运动过程中，回复力逐渐增大D．振子由O向B运动过程中，回复力的方向指向平衡位置答案AD解析回复力是根据效果命名的力，不是做简谐运动的物体受到的具体的力，它是由物体受到的具体的力所提供的，在此情景中弹簧的弹力充当回复力．故A正确，B错误；回复力与位移的大小成正比，由A向O运动过程中位移的大小在减小，故此过程中回复力逐渐减小，C错误；回复力总是指向平衡位置，故D正确．二、研究简谐运动的能量[导学探究]如图3所示为水平弹簧振子，振子在A、B之间做往复运动，在一个周期内振子的能量是如何变化的？请完成下表：图3过程弹力做功(正、负)能量转化说明A→O正功弹性势能转化为动能不考虑阻力，弹簧振子振动过程中只有弹力做功，在任意时刻的动能和势能之和不变，即机械能守恒O→B负功动能转化为弹性势能B→O正功弹性势能转化为动能O→A负功动能转化为弹性势能[知识深化]1．弹簧振子在振动的一个周期内，动能和势能完成两次周期性的变化，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．2．弹簧振子振动过程中只有弹力做功，在任意时刻的动能和势能之和不变，即机械能守恒，所以振幅保持不变．3．简谐运动忽略阻力造成的损耗，即没有能量损失，因此简谐运动是一种理想化的振动状态．例2如图4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.图4(1)简谐运动的能量取决于________，振子振动时________能和________能相互转化，总______守恒．(2)(多选)在振子振动过程中，下列说法正确的是()A．振子在平衡位置，动能最大，势能最小B．振子在最大位移处，势能最大，动能最小C．振子在向平衡位置运动时，由于振子振幅减小，故总机械能减小D．在任意时刻，动能与势能之和保持不变(3)(多选)若振子运动到B处时将一质量为m的物体放到M的上面，且m和M无相对滑动而一起运动，下列说法正确的是()A．振幅不变B．振幅减小C．最大动能不变D．最大动能...