高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2章 机械振动第1节 简谐运动公开课ppt课件

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1.知道机械振动、平衡位置、弹簧振子的概念。2.掌握简谐运动的特点,会根据回复力的特点判断物体是否做简谐运动。3.会用动力学的方法分析简谐运动中位移、速度、回复力和加速度的变化规律。4.会用能量守恒的观点分析弹簧振子中动能、势能、总能量的变化规律。
思考：这些运动的共同点是什么？
思考：一切发声的物体都在振动,比如蜜蜂翅膀抖动和古筝琴弦振动,那么振动是怎样产生的?
提示:由于发声的物体总是存在一个指向平衡位置的回复力作用,因而产生了振动。
2.回复力:(1)方向:总是指向平衡位置。(2)作用效果:总是要把物体拉回到平衡位置。(3)来源:回复力可由振动物体受到的某一个力来提供,也可由振动物体受到的几个力的合力来提供。
1.定义:物理学中将物体(或物体的某一部分)在某一位置附近的往复运动称为机械振动,简称振动。这个位置称为平衡位置。
3.平衡位置:振动物体所受回复力为0的位置。
(1)弹簧振子：弹簧振子是指小球和弹簧所组成的系统，是一种理想化模型。(2)振子模型：常见的有水平弹簧振子和竖直弹簧振子。如图所示，图中球与杆之间的摩擦力及空气阻力可以忽略，且弹簧的质量与小球的质量相比可以忽略。
（3）研究弹簧振子的运动：
要点提示 ：物体总会受到指向平衡位置的回复力的作用。
（1）简谐运动的模型——弹簧振子①弹簧振子是一个理想化模型,跟前面学习的质点、点电荷等一样,是为研究问题而抓住主要因素、忽略次要因素的一种科学的处理方法。①实际物体看作弹簧振子的四个条件a.弹簧的质量比物体的质量小得多,可以认为整体质量集中于物体上;b.构成弹簧振子的物体体积可忽略,可以认为物体是一个质点;c.忽略物体与水平面之间的摩擦力,不计空气阻力;d.物体从平衡位置被拉开的位移在弹簧弹性限度内。
③两种弹簧振子的比较
④能量特征:机械能守恒。
（2）简谐运动的位移①振动位移可用从平衡位置指向振子所在位置的有向线段表示,方向为从平衡位置指向振子所在位置,大小为平衡位置到该位置的距离。②位移的表示方法:以平衡位置为坐标原点,以振动所在的直线为坐标轴,规定正方向,则某时刻振子偏离平衡位置的位移可用该时刻振子所在位置的坐标来表示。
（3）简谐运动的速度①物理含义:速度是描述振子在平衡位置附近振动快慢的物理量。在所建立的坐标轴上,速度的正、负号表示振子运动方向与坐标轴的正方向相同或相反。②特点:振子在平衡位置速度最大,在两最大位移处速度为零。
（4）加速度①产生:水平弹簧振子的加速度是由弹簧弹力产生的。②方向特点:与弹簧弹力方向相同,总是指向平衡位置,始终和位移方向相反。③大小变化规律:远离平衡位置运动,振子的加速度增大;向平衡位置运动,振子的加速度减小。平衡位置,振子的加速度为零;最大位移处,振子的加速度最大。
规律方法 分析物体做简谐运动的回复力的方法一、明确回复力是效果力,不是物体受到的一种新性质力;二、明确回复力是沿振动方向上力的合力;三、对物体进行受力分析,沿振动方向上力的合力提供回复力。
要点提示 设振子的平衡位置为O点,向下为正方向,静止时弹簧的形变量为x0,则有kx0=mg,当弹簧向下发生位移x时,弹簧弹力F=k(x+x0),而回复力F回=mg-F=mg-k(x+x0)=-kx,即回复力满足F回=-kx的条件,故物块做简谐运动。
解析 以木块为研究对象,设水密度为ρ,静止时木块浸入水中Δx深,当木块被压入水中x后所受力如图所示,则F回=mg-F浮①又F浮=ρgS(Δx+x)②由①②两式,得F回=mg-ρgS(Δx+x)=mg-ρgSΔx-ρgSx因为mg=ρgSΔx,所以F回=-ρgSx即F回=-kx(k=ρgS)所以木块的振动为简谐运动。
解析 以小球为研究对象进行受力分析,小球在竖直方向处于受力平衡状态,水平方向受到两根弹簧的弹力作用。设小球位于平衡位置左方某处时,偏离平衡位置的位移为x。左方弹簧受压,对小球的弹力大小为F1=k1x,方向向右。右方弹簧被拉,对小球的弹力大小为F2=k2x,方向向右。小球所受的回复力等于两个弹力的合力,其大小为F=F1+F2=(k1+k2)x,方向向右。令k=k1+k2,上式可写成:F=kx。由于小球所受回复力的方向与位移x的方向相反,考虑方向后,上式可表示为F=-kx。所以小球将在两根弹簧的作用下,在水平面内做简谐运动。答案 是
四 简谐运动中各个物理量的变化规律
要点提示(1)振子在平衡位置速度最大。(2)加速度先减小后增大。
根据水平弹簧振子图,可分析各个物理量的变化关系
规律方法 判断简谐运动中各个物理量变化情况的思路
变式训练3如图所示,由轻质弹簧下面悬挂一物块组成一个竖直方向振动的弹簧振子,弹簧的上端固定于天花板,当物块处于静止状态时,取它的重力势能为零,现将物块向下拉一小段距离后放手,此后振子在平衡位置附近上下做简谐运动,不计空气阻力,则(　　)A.振子速度最大时,振动系统的势能为零B.振子速度最大时,物块的重力势能与弹簧的弹性势能相等C.振子经平衡位置时,振动系统的势能最小D.振子在振动过程中,振动系统的机械能不守恒
解析 当振子在平衡位置时的速度最大,但是弹簧的弹性势能不为零,故振动系统的势能不为零,选项A错误;在平衡位置时,物块的重力势能与弹簧的弹性势能不一定相等,选项B错误;因为只有重力和弹簧弹力做功,则振子的动能、重力势能及弹性势能守恒,故在平衡位置动能最大时,振动系统的势能最小,选项C正确,D错误。
五 简谐运动的对称性　简谐运动是物体在平衡位置附近做的往复运动,其运动具有对称性的特点。
1.(多选)下列运动中属于机械振动的是(　　)A.树枝在风的作用下运动B.竖直向上抛出的物体的运动C.说话时声带的运动D.匀速圆周运动
解析 物体在平衡位置附近所做的往复运动属于机械振动,故A、C正确;竖直向上抛出的物体到最高点后返回落地,不具有运动的往复性,因此不属于机械振动,故B错误;匀速圆周运动不是在平衡位置附近往复运动,D错误。
2.(多选)关于振动物体的平衡位置,下列说法正确的是(　　)A.加速度改变方向的位置B.回复力为零的位置C.速度最大的位置D.位移最大的位置
解析 振动物体在平衡位置回复力为零,在该位置加速度改变方向,速度达最大值,不是位移最大的位置。故A、B、C正确,D错误。
3.如图所示,对做简谐运动的弹簧振子M的受力情况分析正确的是(　　)
A.重力、支持力、弹簧的弹力B.重力、支持力、弹簧的弹力、回复力C.重力、支持力、回复力、摩擦力D.重力、支持力、摩擦力、弹簧的弹力
解析 弹簧振子的简谐运动中忽略了摩擦力,C、D错;回复力为效果力,受力分析时不分析此力,B错;故振子只受重力、支持力及弹簧给它的弹力,A对。
4.如图所示,一个小球在两个相对的光滑斜面之间往复运动,试说明这个小球是否做简谐运动。
解析 小球不是做简谐运动。因为小球在斜面上运动的过程中,所受力为恒力,故为匀变速运动,而简谐运动是变加速运动。所以不可能是简谐运动。