高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 简谐运动的回复力和能量教学演示课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 简谐运动的回复力和能量教学演示课件ppt，共39页。PPT课件主要包含了弹簧的弹力，重力和弹簧弹力的合力，回复力，平衡位置，机械能守恒，理想化的模型，答案AD，答案A，答案AB，答案ACD等内容，欢迎下载使用。

3　简谐运动的回复力和能量
知识点一 　简谐运动的回复力
1.观察图甲、乙中的弹簧振子的简谐运动,分析下列问题.
(1)使图甲、乙中弹簧振子离开平衡位置后再次回到平衡位置的力分别为 、 .
(2)通过上述运动情景,猜想这种力的大小与什么因素有关?方向如何?
答案:与物体离开平衡位置的距离有关.方向与物体的位移方向相反,总是指向平衡位置.
2.做简谐运动的物体总是需要力来使其回到平衡位置,这个力称为 ,大小与它偏离平衡位置位移的大小成 ,方向总是指向 .
知识点二　简谐运动的能量(理想化模型)
1.分析左栏图甲、乙中的弹簧振子的简谐运动,系统中都包含哪些能量?这些能量是如何相互转化的?
答案:图甲中弹簧振子系统中的能量包括动能和弹性势能,图乙中弹簧振子系统中的能量包括动能、弹性势能、重力势能.通过重力或弹力做功来实现能量转化.
2.根据生活经验猜想怎样改变系统的总能量?
答案:改变振幅、改变劲度系数等.
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 和 相互转化的过程.简谐运动中,振动系统的 ,而在实际运动中都有一定的能量损耗,因此,简谐运动是一种 .
1.回复力的方向总是与位移的方向相反.( )2.回复力的方向总是与加速度的方向相反.( )3.水平弹簧振子运动到平衡位置时,回复力为0,因此系统的能量一定为0.( )4.速度增大时,回复力可能增大,也可能减小.( )
探究一　简谐运动的回复力
右图为弹簧振子的模型,请分析并回答问题.
1.请分别讨论振动小球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?
答案:当振动小球在平衡位置右侧时,弹力F的方向向左,位移x的方向向右,F与x的方向相反;当振动小球在平衡位置左侧时,弹力F的方向向右,位移x的方向向左,F与x的方向相反.
答案: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.弹簧振子在运动过程中,回复力F与位移x之间存在着什么样的关系?
答案:回复力F与位移x的关系为F=-kx.
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?
【典例1】(多选)如图所示,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( )
A.振动小球在运动过程中受重力、支持力和弹簧弹力的作用B.振动小球在运动过程中受重力、支持力、弹簧弹力和回复力的作用C.振动小球由A向O运动过程中,回复力逐渐增大D.振动小球由O向B运动过程中,回复力的方向指向平衡位置
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,选项A正确,选项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,此过程回复力逐渐减小,选项C错误;回复力总是指向平衡位置,选项D正确.
【变式】在上述弹簧振子的运动中,振动小球由A向O运动过程中加速度大小是如何变化的?方向如何?
答案:根据牛顿第二定律,在上述弹簧振子的运动中,振动小球由A向O运动的过程中加速度大小不断减小,方向由A指向O.
探究二　简谐运动的证明
如图所示,弹簧劲度系数为k,在弹簧下端挂一个重物,质量为m,重物静止.在竖直方向将重物下拉一段距离(未超过弹簧的弹性限度),然后无初速度释放,重物在竖直方向上下振动(不计空气阻力).
1.试分析重物上下振动回复力的来源.
答案:重物在竖直方向上下振动的过程中,在竖直方向上受到了重力和弹簧弹力的作用,振动的回复力是重力与弹簧弹力的合力提供的.
2.试证明该重物做简谐运动.
(1)求物块处于平衡位置时弹簧的长度.(2)求物块做简谐运动的振幅.
(3)选物块的平衡位置为坐标原点,沿斜面向下为正方向建立坐标轴,用x表示物块相对于平衡位置的位移,证明物块做简谐运动.
探究三　简谐运动的能量及其他的运动参量的变化
小明同学要探究简谐运动中能量的变化,制作了一水平放置的弹簧振子,如图所示,并测量和计算出了振动小球一个周期内经过位置A、O、B时的动能、势能和机械能,如表所示.
1.从A到B的运动过程中,小球的动能如何变化?弹簧弹性势能如何变化?
答案:小球的动能先增大后减小,弹簧弹性势能先减小后增大.
2.振动系统的总机械能是否变化?为什么会有这种变化?根据上表猜想,如果是理想的弹簧振子,那么能量间会有什么规律?
答案:变化.摩擦力使得系统的总机械能减小.如果忽略摩擦力,那么弹簧振子的机械能守恒.
3.在最大位移处振子的能量有什么特点?在平衡位置处振子的能量有什么特点?如果增加振幅,弹簧振子的能量会怎么变化?
答案:在最大位移处弹簧振子的势能最大,动能最小,为0;在平衡位置处弹簧振子的动能最大,势能最小,为0.增加振幅,弹簧振子的能量会增加.
1.简谐运动中各物理量的变化规律如图所示,水平弹簧振子在A、B之间做往复运动.
2.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.3.对于同一个振动系统,振幅越大,振动的能量越大.4.简谐运动忽略阻力造成的能量损耗,即没有能量损耗,因此简谐运动是一种理想化的振动状态.在同一次振动中其振幅保持不变,又称为等幅振动.
【典例3】把一个小球套在光滑细杆上,球与轻弹簧相连组成弹簧振子,小球沿杆在水平方向上做简谐运动.平衡位置为O,小球在A、B间振动,如图所示,下列结论正确的是( )
A.小球在O位置时,动能最大,加速度最小B.小球在A、B位置时,动能最大,加速度最大C.小球从A经O到B的过程中,回复力一直做正功D.小球从B到O的过程中,振动的能量不断增加
解析:小球在平衡位置时,动能最大,加速度为0,在A、B位置时,势能最大,动能为0,加速度最大,因此选项A正确,选项B错误.小球靠近平衡位置时,回复力做正功;远离平衡位置时,回复力做负功,选项C错误.振动过程中总能量不变,选项D错误.
对简谐运动能量的三点认识(1)决定因素:对于一个确定的振动系统,简谐运动的能量由振幅决定,振幅越大,系统的能量越大.(2)能量获得:系统开始振动的能量是通过外力做功由其他形式的能转化来的.(3)能量转化:简谐运动是理想化模型,不考虑阻力作用,系统只发生动能和势能的相互转化,机械能守恒.
1.(多选)关于简谐运动的回复力,下列说法正确的是( )A.简谐运动的回复力不可能是恒力B.做简谐运动的物体的加速度方向与位移方向总是相反的C.简谐运动回复力公式F=-kx中k是弹簧的劲度系数,x是弹簧的长度D.做简谐运动的物体每次经过平衡位置时所受合力一定为0
解析:根据简谐运动的概念可知,物体做简谐运动时,受到的回复力为F=-kx,k是比例系数,x是物体相对平衡位置的位移,回复力不可能是恒力,选项A正确,选项C错误;质点的回复力方向总是指向平衡位置,与位移方向相反,根据牛顿第二定律,加速度的方向与回复力的方向相同,所以做简谐运动的物体的加速度方向与位移方向总是相反的,选项B正确;做简谐运动的物体每次经过平衡位置回复力为0,但是合力不一定为0,选项D错误.
2.(多选)如图所示,物体A与滑块B一起在光滑水平面上做简谐运动,A、B之间无相对滑动,已知轻质弹簧的劲度系数为k,A、B的质量分别为m和m',重力加速度为g,下列说法正确的是( )
3.如图甲所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在A、B两点之间做简谐运动.取向右为正方向,振动物体的位移x与时间t的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.t=0.8 s时,振子的速度方向向右B.t=0.2 s时,振子在O点右侧6 cm处C.t=0.4 s和t=1.2 s时,振动物体的加速度相同D.从t=0.4 s到t=0.8 s的时间内,振动物体的动能逐渐增大
4.如图所示,一个质量m=1 kg的小球连接在轻质弹簧的一端,弹簧的另一端固定,该弹簧的劲度系数k=100 N/m,小球穿在光滑杆上,能够自由滑动.不加任何外力作用时,小球静止在O点位置.现将小球向右拉至A点,然后由静止释放,小球将做简谐运动,B点是小球向左运动的最远距离.其中lOA=10 cm,小球运动到A点时弹簧的弹性势能为1 J,不计其他阻力.求:
(1)小球在B点的位移大小和加速度大小;(2)小球在振动过程中的最大速度大小.
情境与问题　如图甲所示,在升降机的顶部安装了一个能够显示拉力的传感器,传感器下方挂上一轻质弹簧,弹簧下端挂一质量为m的小球,若升降机在匀速运行过程中突然停止,并以此时为0时刻,在后面一段时间内传感器显示弹簧拉力F的大小随时间t变化的图像如图乙所示,自由落体加速度为g,则( )
A.升降机停止前在向下运动B.0~t1时间小球处于失重状态,t1~t2时间小球处于超重状态C.t1~t3时间小球向下运动,动能先减小后增大D.t3~t4时间弹簧弹性势能的减少量大于小球动能的增加量
解析:初始时刻弹簧伸长,弹力的大小等于重力,由图像看出,升降机停止运动后弹簧的拉力先变小,即小球向上运动,小球运动是由于其具有惯性,所以升降机停止前小球是向上运动的,即升降机停止前在向上运动,选项A错误.0~t1时间拉力小于重力,小球处于失重状态,t1~t2时间拉力也小于重力,小球也处于失重状态,故选项B错误.t1时刻弹簧的拉力是0,说明t1时刻弹簧处于原长状态,t1时刻之后弹簧的拉力又开始增大说明弹簧开始变长,所以t1~t3时间小球向下运动,t1~t3时间内,弹簧对小球的弹力先小于重力,后大于重力,小球所受的合力方向先向下后向上,小球先加速后减速,动能先增大后减小,故选项C错误.t3~t4时间内,小球向上运动,小球的重力势能增大,动能增大,弹簧的弹性势能减小,根据系统机械能守恒得知,弹簧弹性势能的减少量大于小球动能的增加量,故选项D正确.