物理选择性必修 第一册3 简谐运动的回复力和能量教课内容ppt课件

这是一份物理选择性必修 第一册3 简谐运动的回复力和能量教课内容ppt课件，共46页。PPT课件主要包含了目标体系构建，课前预习反馈，简谐运动的回复力，平衡位置，回复力，－kx，简谐运动的能量，机械能，理想化，课内互动探究等内容，欢迎下载使用。
1．初步形成回复力的概念，理解简谐运动的能量。2．利用能量守恒研究弹簧振子，探究弹簧振子系统的机械能守恒。3．养成观察、分析、比较、归纳的良好习惯，激发学生学习物理的积极性。
1.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的位移大小成_________，并且总是指向_______________，质点的运动就是简谐运动。
『判一判』(1)简谐运动的回复力可以是恒力。( 　　)(2)简谐运动平衡位置就是质点所受合力为零的位置。( 　　)(3)回复力的方向总是跟位移的方向相反。( 　　)
『想一想』弹簧下面挂一小钢球如图所示，它所受的力与位移的关系也满足F＝－kx吗？x为弹簧的形变量吗？它振动的回复力由哪些力提供？是简谐运动吗？答案：满足；不是；由弹簧弹力和重力的合力提供；是
解析：设振子的平衡位置为O，向下为正方向，此时弹簧已伸长了x0，设弹簧的劲度系数为k，由平衡条件得kx0＝mg，①当振子偏离平衡位置距离为x时F回＝mg－k(x＋x0)，②由①②得F回＝－kx，所以该振动是简谐运动。
1.振动系统的状态与能量的关系(1)振子的速度与动能：速度不断_________，动能也在不断_________。(2)弹簧形变量与势能：弹簧形变量在不断_________，因而势能也在不断_________。
2．简谐振动的能量振动系统的能量一般指振动系统的____________。振动的过程就是_________和_________互相转化的过程。(1)在最大位移处，_________最大，_________为零；(2)在平衡位置处，_________最大，_________最小；(3)在简谐运动中，振动系统的机械能_________(选填“守恒”或“减小”)，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____________的模型。
3．决定能量大小的因素振动系统的机械能跟_________有关，_________越大，机械能就越大，振动越强。『判一判』(4)做简谐运动的质点，振幅越大其振动的能量就越大。( 　　)(5)弹簧振子在运动过程中机械能守恒。( 　　)(6)通过速度的增减变化情况，能判断回复力大小的变化情况。( 　　)
『选一选』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做简谐运动，它围绕平衡位置O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，动能最小，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，回复力先做正功，后做负功D．小球从B到O的过程中，振动的能量不断减小
解析：振子经过平衡位置时，速度最大，位移为零，所以经过平衡位置动能最大，回复力为零，加速度为零，故A错误；在A、B位置时，速度为零，位移最大，回复力最大，加速度最大，故B错误；由于回复力指向平衡位置，所以振子从A经O到B的过程中，回复力先做正功，后做负功，故C正确；振子的动能和弹簧的势能相互转化，且总量保持不变，即振动的能量保持不变，故D错误。
简谐运动的回复力和加速度
要点提炼1.对回复力的理解(1)回复力是指将振动物体拉回到平衡位置的力，它可以是物体所受的合外力，也可以是一个力或某一个力的分力，而不是一种新的性质力。(2)简谐运动的回复力：F＝－kx。①k是比例系数，并非弹簧的劲度系数(水平弹簧振子中k等于弹簧的劲度系数)，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偏离平衡位置的位移的方向相反。③x是指物体对平衡位置的位移，不一定是弹簧的伸长量或压缩量。④回复力的作用总是把物体拉回平衡位置。
典例剖析1.(多选)如图所示，物体系在两弹簧之间，弹簧劲度系数分别为k1和k2，且k1＝k，k2＝2k，两弹簧均处于自然状态。现在向右拉动物体，然后释放，物体在B、C间振动，O为平衡位置(不计阻力)，设向右为正方向，物体相对O点的位移为x，则下列判断正确的是( )A．物体做简谐运动，OC＝OBB．物体做简谐运动，OC≠OBC．物体所受合力F＝－kxD．物体所受合力F＝－3kx
解析：设物体的位移为x，则物体所受的合力F＝－k1x－k2x＝－(k2＋k1)x＝－3kx，故C错误，D正确；由受力特点知物体做简谐运动，由简谐运动的对称性可得OC＝OB，故A正确，B错误。
规律方法判断一个振动为简谐运动的方法(1)通过对位移的分析，列出位移—时间表达式，利用位移—时间图像是否满足正弦规律来判断。(2)对物体进行受力分析，求解物体所受力在振动方向上的合力，利用物体所受到的回复力是否满足F＝－kx进行判断。
(2023·山东省聊城高二检测)做简谐运动的物体，其加速度a随位移x的变化规律应是图中的哪一个( 　　)
要点提炼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．能量获得开始振动系统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，系统能量不变。
4．理想化模型a．从力的角度分析，简谐运动没考虑摩擦阻力。b．从能量转化角度分析，简谐运动没考虑因阻力做功的能量损耗。
因为动能和势能是标量，所以：(1)在振动的一个周期内，动能和势能间完成两次周期性变化，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)振子运动经过平衡位置两侧的对称点时，具有相等的动能和相等的势能。
典例剖析2.如图所示，弹簧上面固定一质量为m的小球，小球在竖直方向上做振幅为A的简谐运动，当小球振动到最高点时弹簧正好为原长，则小球在振动过程中( 　　)A．小球的最大动能应等于mgAB．弹簧的弹性势能和小球动能总和保持不变C．弹簧的最大弹性势能等于2mgAD．小球在最低点时的弹力大于2mg
如图甲所示，金属小球用轻弹簧连接在固定的光滑斜面顶端。小球在斜面上做简谐运动，到达最高点时，弹簧处于原长。取沿斜面向上为正方向，小球的振动图像如图乙所示。则( 　　)
A．弹簧的最大伸长量为4 mB．t＝0.2 s时，弹簧的弹性势能最大C．t＝0.2 s到t＝0.6 s时间内，小球的重力势能逐渐减小D．t＝0到t＝0.4 s时间内，回复力的冲量为零解析：小球的振幅等于振子位移的最大值，由题图乙知，振幅为A＝2 cm，由于当振子到达最高点时，弹簧处于原长，所以弹簧的最大伸长量为2A＝4 cm，故A错误；由题图乙可知t＝0.2 s时，弹簧处于原长，弹簧的弹性势能最小，为零，故B错误；t＝0.2 s到t＝0.6 s时间内，小球沿斜面向下运动，小球的重力势能逐渐减小，故C正确；t＝0时小球经过平衡位置沿斜面向上运动，t＝0.4 s时小球经过平衡位置沿斜面向下运动，根据动量定理可知回复力的冲量不为零，故D错误。
判断振动是否为简谐运动的方法1．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个位置(平衡位置除外)，对振动物体进行受力分析。3．将力在振动方向上分解，求出振动方向上的合力。
一个质量为m，侧面积为S的正方体木块放在水面上静止(平衡)，如图所示。现用力向下将其压入水中一小距离后撤掉外力，木块在水面上下振动，试判断木块的振动是否为简谐运动。
解析：以木块为研究对象，设静止时木块浸入水中Δx深，有mg＝ρgSΔx，当木块再被压入水中x后所受力如图所示，则F回＝mg－F浮，又F浮＝ρgS(Δx＋x)。由以上两式，得F回＝－ρgSx。即F回＝－kx，(k＝ρgS)。即木块做简谐运动。答案：是简谐运动
一、简谐运动的回复力1．如图所示，对做简谐运动的弹簧振子m的受力分析，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、摩擦力解析：对弹簧振子，分析受力时，只分析实际存在的力，例如重力、支持力，弹簧的弹力；回复力是效果力，是指向平衡位置的合外力，实际不存在。
2.如图所示，弹簧振子B上放一个物块A，在A与B一起做简谐运动的过程中，下列关于A受力的说法中正确的是( 　　)A．物块A受重力、支持力及B对它的大小和方向都随时间变化的摩擦力B．物块A受重力、支持力及弹簧对它的大小和方向都随时间变化的弹力C．物块A受重力、支持力及B对它的回复力D．物块A受重力、支持力及弹簧对它的恒定的弹力
解析：物块A受重力、支持力和摩擦力的作用。重力和支持力二力平衡，摩擦力提供A做简谐运动所需的回复力，由F＝－kx知，摩擦力的大小和方向都随时间变化，故A正确。
3．如图所示的简谐运动图像中，在t1和t2时刻，运动质点相同的量为( 　　)A．加速度 B．位移 C．速度 D．回复力
二、简谐运动的能量4.(多选)(2023·山东省昌乐二中高二下学期月考)如图所示，当一弹簧振子在竖直方向上做简谐运动时，下列说法中正确的是( )
A．振子在振动过程中，速度相同时，弹簧的长度一定相等，弹性势能相等B．振子从最低点向最高点运动的过程中，弹簧弹力始终做正功C．振子在运动过程中的回复力由弹簧弹力和振子重力的合力提供D．振子在运动过程中，系统的机械能守恒
解析：振子在平衡位置两侧往复运动，速度相同的位置可能出现在关于平衡位置对称的两点，这时弹簧长度明显不等，A错误；振子由最低点向最高点运动过程中，弹力一定是先做正功，但过了平衡位置后，弹簧可能是压缩状态下的弹力做负功，也可能一直是拉伸状态下的弹力做正功，所以B错误；振子运动过程中的回复力由振子所受合力提供且运动过程中系统的机械能守恒，故C、D正确。
5.(多选)光滑斜面上物块A被平行斜面的轻质弹簧拉住静止于O点，如图所示，现将A沿斜面拉到B点无初速度释放，物块A在BC范围内做简谐运动，则下列说法正确的是( )A．OB越长，振动能量越大B．在振动过程中，物块A的机械能守恒C．在C点时，物块A与弹簧构成的系统势 能最大，在O点时系统势能最小D．物块A在B点时的机械能最小