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精品课件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精品课件ppt，共25页。PPT课件主要包含了机械振动，弹簧振子模型，答1存在力，思考与讨论，建立模型简谐运动等内容，欢迎下载使用。

复习回顾：简谐运动及其描述
位移x:总是从平衡位置指向振子位置.
1.定义:物体在平衡位置附近所做的往复运动. 2.特点: 对称性; 周期性
1.小球看成质点; 2.忽略弹簧质量; 3.忽略阻力.
1.定义法:位移随时间按正弦规律变化.
新课引入： 做圆周运动的物体，总是围绕着中心转动而不飞出去，是因为向心力的作用。 做简谐运动的物体总是以平衡位置为中心左右做往复运动。它的受力有又何“与众不同”？ 本节课我们就来研究做简谐运动的动力学特点和能量变化的规律
思考1:弹簧振子为什么会做往复运动?
思考2:这个力有什么特点?
物体做简谐运动时，所受的合力有什么特点？
1、方向总是与位移方向相反2、大小与位移大小成正比3、总是指向平衡位置
由于力F的方向总是与物体偏离平衡位置的位移X的方向相反，即总是指向平衡位置。它的作用总是要把物体拉回到平衡位置。所以称为回复力
振动物体受到的使它回到平衡位置的力
一、简谐运动的回复力
（“回复力”是按力的作用效果命名）可以是一个力也可以是某个力的分力，还可以是几个力的合力。
注意：“-”表示回复力方向始终与位移方向相反，k—回复力与位移的比例系数.式中 k 是比例系数，并不是弹簧的劲度系数（水平弹簧振子中的k 才为弹簧的劲度系数），其值由振动系统决定，与振幅无关。
做简谐运动的物体受力特点: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。
即回复力满足F= -kx 的运动就是简谐运动
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.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、弹簧弹力和回复力的作用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
总结：简谐运动的判断方法
（1）运动学方法判断：找出质点的位移与时间关系，若遵从正弦函数的规律，即x—t图像是一条正弦曲线，即可判定为简谐运动。（基本不用这个方法）
（2）动力学方法判断：找出质点振动方向上的合力与位移关系，若满足F=-kx，就可判定此振动为简谐运动。
(1)运动学法：振动图像;(2)动力学法：F=- kx.
思考证明：竖直方向振动的弹簧振子所做的振动是简谐运动吗?
寻找方法：根据所学知识
如图所示,挂在竖直弹簧下面的小球,静止于O点，用手向下拉一段距离到A点,然后放手,小球在AA/之间上下振动。
证明:竖直悬挂的弹簧振子做简谐运动
证明步骤：1.找平衡位置b;2.找任一位置（如b处）回复力F ;3.找F、x大小关系;4.找F、x方向关系.
证明:平衡状态时有: mg=kx0 当向下拉动x长度时弹簧所受的 合外力为F（回复力） F=F弹 - mg =k(x+x0)-mg =kx+kx0-mg =kx，与x方向相反 (符合简谐运动的条件)
总结：正确分析受力，找出回复力是关键
动力学方法判断是否为简谐运动的步骤：（1）确定平衡位置，然后以平衡位置为原点,沿运动方向建立直线坐标系。（2）在振动过程中任选一位置（平衡位置除外，偏离平衡位置的位移为x处），对质点进行受力分析;（3）求出振动方向上的合力即回复力;（4）判断振动方向上的合力与位移的关系是否符合F=-kx即可。
当堂练习2.把图中倾角为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。
分析：沿振动方向有两个力，弹簧的弹力和重力的分力，二者的合力提供回复力
规定沿斜面向下为正方向
小球静止时回复力为零，该位置为平衡位置记为O。
设平衡时弹簧的伸长量为x0，则有
若拉长x，则弹力为F弹=k(x0+x) 物体的回复力 F =k(x0+x)-mgsinθ = kx 方向与位移方向相反
思考：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？
假设 P、Q 为最大位移处，O为平衡位置
二、简谐运动中的能量变化规律
思考：加速度如何变化？
根据牛顿第二定律得
总结：1.做简谐运动质点位移X、回复力F、加速度a，同步变化；2.简谐运动是变加速运动；
3.简谐运动中动能和势能在发生相互转化，但总能量（动能和势能之和——机械能，又称为简谐运动能量）保持不变 ；4.振动能量由振幅决定；
5.简谐运动中的各个物理量变化规律
F、V、a 、x 、Ek 、Ep 都随物体的振动做周期性的变化
6.对称性——关于平衡位置对称两个位置
F、V、a 、x 、Ek 、Ep 大小相等
对简谐运动能量的深刻认识(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:当振动系统自由振动后,如果不考虑阻力作用,系统只发生动能和势能的相互转化,机械能守恒。
思考：简谐运动的物体都具有周期性，若简谐运动的弹簧振子的周期为T，那么它的动能、势能变化的周期为(　　) A．2T B．T C.T/2 D.T/4
例：一弹簧振子在光滑水平面A、B间做简谐运动,平衡位置为O，
3.关于弹簧振子做简谐运动时的能量，下列说法正确的有
A．等于在平衡位置时振子的动能 B．等于在最大位移时弹簧的弹性势能 C．等于任意时刻振子动能与弹簧弹性势能之和 D．位移越大振动能量也越大
4.当一弹簧振子在竖直方向上做简谐运动时，下列说法正确的
A．振子在振动过程中，速度相同时，弹簧的长度一定相等B．振子从最低点向平衡位置运动过程中，弹簧弹力始终做负功C．振子在振动过程中的回复力由弹簧的弹力和振子的重力的合力提供D．振子在振动过程中，系统的机械能一定守恒