学年高考物理主题2第I部分机械振动3简谐运动的回复力和能量学案必修1Word下载.docx
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(4)回复力的大小与速度大小无关,速度增大时,回复力可能增大,也可能减小.( ×
2.如图1所示的弹簧振子,O为平衡位置,B、C为最大位移位置,以向右的方向为正方向,则振子从B运动到O的过程中,位移方向为________,大小逐渐________;
回复力方向为________,大小逐渐________;
振子速度方向为________,大小逐渐________;
动能逐渐________;
势能逐渐________.(选填“正”“负”“增大”或“减小”)
图1
答案 正 减小 负 减小 负 增大 增大 减小
如图所示为一个水平方向的弹簧振子模型(水平杆光滑),O点为振子的平衡位置,A、O间和B、O间距离都是x.
(1)振子在O点时受到几个力的作用?
分别是什么力?
(2)振子在A、B点时受到哪些力的作用?
(3)除重力、支持力、弹簧弹力外,振子在O、A、B点还受到回复力的作用吗?
回复力有什么特点?
答案
(1)两个力.重力、支持力.
(2)A点:
重力、支持力、弹簧向右的弹力;
B点:
重力、支持力、弹簧向左的弹力.
(3)不受.回复力是指将振动的物体拉回到平衡位置的力,是按照力的作用效果来命名的,不是一种新型的力,所以分析物体的受力时,不分析回复力.
回复力可以由某一个力提供(如弹力),也可能是几个力的合力,还可能是某一个力的分力,归纳起来,回复力一定等于物体沿振动方向所受的合力.
1.回复力
(1)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)回复力的性质
回复力是根据力的效果命名的,可能由合力、某个力或某个力的分力提供.它一定等于振动物体在振动方向上所受的合力,分析物体受力时不能再加上回复力.例如:
如图2甲所示,水平方向的弹簧振子,弹力充当回复力;
如图乙所示,竖直方向的弹簧振子,弹力和重力的合力充当回复力;
如图丙所示,m随M一起振动,m的回复力由静摩擦力提供.
图2
2.回复力公式:
F=-kx
(1)k是比例系数,其值由振动系统决定,与振幅无关.只有水平弹簧振子,回复力仅由弹力提供,k为劲度系数.
(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.
3.简谐运动的加速度
由F=-kx及牛顿第二定律F=ma可知:
a=-
x,加速度a与位移x的大小成正比,方向与位移方向相反.
4.物体做简谐运动的判断方法
(1)简谐运动的回复力满足F=-kx;
(2)简谐运动的振动图象是正弦曲线.
例1
(多选)如图3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3
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
答案 AD
解析 弹簧振子运动过程中受重力、支持力和弹簧弹力,回复力是根据效果命名的力,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.
如图所示为水平弹簧振子,振子在A、B之间往复运动.
(1)从A到B的运动过程中,振子的动能如何变化?
弹簧弹性势能如何变化?
振动系统的总机械能是否变化?
(2)如果把振子振动的振幅增大,振子回到平衡位置的动能是否增大?
振动系统的机械能是否增大?
(3)实际的振动系统有空气阻力和摩擦阻力,能量是否损失?
理想化的弹簧振动系统,忽略空气阻力和摩擦阻力,能量是否损失?
答案
(1)振子的动能先增大后减小 弹簧的弹性势能先减小后增大 总机械能保持不变
(2)振子回到平衡位置的动能增大 系统的机械能增大 (3)实际的振动系统,能量逐渐减小 理想化的弹簧振动系统,能量不变.
1.简谐运动中,振动系统的动能和势能相互转化,平衡位置处动能最大,势能最小;
最大位移处动能为零,势能最大,但总的机械能不变.
2.对于同一个振动系统,振幅越大,振动的能量越大.
3.简谐运动是一种无能量损失的振动,所以其振幅保持不变,又称为等幅振动.
例2
如图4所示,一水平弹簧振子在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______,振子振动时动能和______相互转化,总机械能______.
(2)振子在振动过程中,下列说法中正确的是________.
A.振子在平衡位置,动能最大,弹性势能最小
B.振子在最大位移处,弹性势能最大,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,动能与弹性势能之和保持不变
(3)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.最大动能减小
答案
(1)振幅 弹性势能 守恒
(2)ABD (3)AC
解析
(1)简谐运动的能量取决于振幅,振子振动时动能和弹性势能相互转化,总机械能守恒.
(2)振子在平衡位置两侧往复运动,在平衡位置处速度达到最大,动能最大,弹性势能最小,所以A正确;
在最大位移处速度为零,动能为零,此时弹簧的形变量最大,弹性势能最大,所以B正确;
振幅的大小与振子的位置无关,在任意时刻只有弹簧的弹力做功,所以机械能守恒,所以C错误,D正确.
(3)振子运动到B点时速度恰为零,此时放上m,系统的总能量即为此时弹簧储存的弹性势能,由于简谐运动中机械能守恒,所以振幅保持不变,选项A正确,B错误;
由于机械能守恒,所以最大动能不变,选项C正确,D错误.
三、简谐运动中各物理量的变化
1.如图5所示为水平的弹簧振子示意图,振子运动过程中各物理量的变化情况如表所示.
图5
振子的运动
A→O
O→A′
A′→O
O→A
位移
方向
向右
向左
大小
减小
增大
回复力
加速度
速度
振子的动能
弹簧的势能
系统总能量
不变
2.说明:
(1)简谐运动中各个物理量对应关系不同.位置不同,则位移不同,加速度、回复力不同,但是速度、动能、势能可能相同,也可能不同.
(2)简谐运动中的最大位移处,F、a、Ep最大,Ek=0;
在平衡位置处,F=0,a=0,Ep=0,Ek最大.
(3)位移增大时,回复力、加速度和势能增大,速度和动能减小;
位移减小时,回复力、加速度和势能减小,速度和动能增大.
例3
(2018·
金华市十校高二上学期期末联考)如图6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,振子的位移x与时间t的关系图象如图乙所示,下列说法正确的是( )
图6
A.t=0.8s时,振子的速度方向向右
B.t=0.2s时,振子在O点右侧6cm处
C.t=0.4s和t=1.2s时,振子的加速度相同
D.从t=0.4s到t=0.8s的时间内,振子的动能逐渐增大
答案 D
解析 由题图乙知,t=0.8s时,图象切线的斜率为负,说明振子的速度为负,即振子的速度方向向左,故A错误.在0~0.4s内,振子做减速运动,不是匀速运动,所以t=0.2s时,振子不在O点右侧6cm处,故B错误.t=0.4s和t=1.2s时,振子的位移大小相等、方向相反,由a=-
,知加速度大小相等、方向相反,故C错误.t=0.4s到t=0.8s的时间内,振子的位移减小,正向平衡位置靠近,速度逐渐增大,动能逐渐增大,故D正确.
例4
如图7所示,平台沿竖直方向做简谐运动,一物体置于振动平台上始终随平台振动,两者保持相对静止.以下说法正确的是( )
图7
A.振动平台位于最高点时,物体对平台的压力最大
B.振动平台位于最低点时,物体对平台的压力最大
C.物体速度最大时,对平台的压力最大
D.物体加速度最大时,对平台的压力最大
答案 B
[学科素养] 通过对例3、例4的分析,一方面让学生进一步了解了简谐运动中的各物理量之间的关系,另一方面也提高了学生获取和处理信息的能力,体现了“物理观念”与“科学思维”的学科素养.
1.(简谐运动的回复力)(多选)关于简谐运动的回复力,以下说法正确的是( )
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
C.简谐运动中回复力的公式为F=-kx,其中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合力一定为零
答案 AB
解析 根据简谐运动的定义可知,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,故A正确,C错误;
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,故B正确;
做简谐运动的物体每次经过平衡位置回复力为零,但是合力不一定为零,故D错误.
2.(简谐运动中各物理量的变化)(2018·
诸暨牌头中学高二上学期期中)如图8所示,虚线和实线分别为甲、乙两个弹簧振子做简谐运动的图象,则下列说法正确的是( )
图8
A.任意时刻,甲振子的位移都比乙振子的位移大
B.t=0时,甲、乙两振子的振动方向相反
C.前2s内,甲、乙两振子的加速度均为正值
D.第2s末,甲的加速度达到其最大值,乙的速度达到其最大值
解析 简谐运动的图象反映了振子的位移与时间的关系,甲振子的位移有时比乙振子的位移大,有时相同,有时比乙振子的位移小,故A错误;
根据切线斜率的正负表示速度的方向可知,t=0时,甲、乙两振子的振动方向相反,故B正确;
由a=-
分析可知,前2s内乙振子的加速度为正值,甲振子的加速度为负值,故C错误;
第2s末甲的位移等于零,加速度为零,通过平衡位置,速度达到其最大值,乙的位移达到最大值,加速度达到其最大值,速度为零,故D错误.
3.(简谐运动的能量)(2018·
沈阳市郊联体高二上学期期末)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9所示,下列结论正确的是( )
图9
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
答案 C
解析 振子经过平衡位置时,速度最大,位移为零,所以在O位置时动能最大,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弹性势能相互转化,且总量保持不变,即振动的能量保持不变,故D错误.
4.(简谐运动的表达式及各物理量的变化)如图10所示为一弹簧振子的振动图象,试完成以下问题:
图10
(1)写出该振子简谐运动的表达式;
(2)在第2s末到第3s末这段时间内,弹簧振子的加速度、速度、动能和弹性势能各是怎样变化的?
(3)该振子前100s的总位移是多少?
路程是多少?
答案
(1)x=5sin
t(cm)
(2)见解析 (3)0 5m
解析
(1)简谐运动图象的一般表达式是x=Asin(ωt+φ0),由振动图象可得振幅A=5cm,初相φ0=0,周期T=4s,则角速度ω=
=
rad/s
故该振子简谐运动的表达式为x=5sin
t(cm)
(2)由题图可知,在t=2s时,振子恰好通过平衡位置,此时加速度为零,随着时间的延续,位移为负值且不断增大,即离开平衡位置的距离变大,回复力变大,加速度指向平衡位置且变大,速度不断变小,动能不断减小,弹性势能逐渐增大.当t=3s时,加速度达到最大,速度等于零,动能等于零,弹性势能达到最大值.
(3)振子经一周期位移为零,路程为4×
5cm=20cm,前100s刚好经过了25个周期,所以前100s振子位移x=0,振子路程s=25×
20cm=500cm=5m.
一、选择题
考点一 简谐运动的回复力和加速度
1.对于弹簧振子的回复力和位移的关系,下列图中正确的是( )
解析 由简谐运动的回复力公式F=-kx可知,C正确.
2.如图1甲所示,一弹簧振子在A、B间做简谐运动,O为平衡位置,图乙是弹簧振子做简谐运动时的位移—时间图象,则关于弹簧振子的加速度随时间的变化规律,下列四个图象中正确的是( )
解析 加速度与位移的关系为a=-
,而x=Asinωt,所以a=-
sinωt,则可知C选项正确.
3.(多选)如图2所示,一竖直放置的轻弹簧下端固定在水平地面上,质量为m的小球从弹簧正上方高为h处自由下落到弹簧上端A点,然后压缩弹簧到最低点C,若小球放在弹簧上可静止在B点,小球运动过程中空气阻力忽略不计,则下列说法正确的是( )
A.B点位于AC连线中点的上方B.B点位于AC连线中点的下方
C.小球在A点的回复力等于mgD.小球在C点的回复力大于mg
答案 ACD
解析 小球放在弹簧上,可以静止于B点,知B点为平衡位置,若小球从A点由静止释放,平衡位置在A点和最低点的中点,而小球从弹簧的正上方自由下落,最低点需下移,但是平衡位置不变,可知B点位于AC连线中点的上方,故A正确,B错误;
小球在A点所受弹力为零,则小球在A点所受的合力为mg,即回复力为mg,故C正确;
若从A点静止释放,到达最低点时,加速度与A点对称,大小为g,但是C点所处的位置在A点关于平衡位置对称点的下方,小球在C点的回复力大于mg,故D正确.
4.(2018·
房山区高二检测)如图3所示,A、B两物体组成弹簧振子,在振动过程中,A、B始终保持相对静止,下列给定的四幅图中能正确反映振动过程中物体A所受摩擦力Ff与振子相对平衡位置位移x关系的图线为( )
解析 设弹簧的劲度系数为k,振子距平衡位置的位移为x时系统的加速度为a,根据牛顿第二定律有kx=-(mA+mB)a,所以当位移为x时,整体的加速度a=-
,隔离对A分析,则摩擦力Ff=mAa=-
kx,B正确.
考点二 简谐运动的能量
5.如图4所示为某个弹簧振子做简谐运动的振动图象,由图象可知( )
A.在0.1s时,由于位移为零,所以振动能量为零
B.在0.2s时,振子具有最大势能
C.在0.35s时,振子具有的能量尚未达到最大值
D.在0.4s时,振子的动能最大
解析 弹簧振子做简谐运动,振动能量不变,选项A错;
在0.2s时位移最大,振子具有最大势能,选项B对;
弹簧振子的振动能量不变,在0.35s时振子具有的能量与其他时刻相同,选项C错;
在0.4s时振子的位移最大,动能为零,选项D错.
6.如图5所示,一根用绝缘材料制成的劲度系数为k的轻质弹簧,左端固定,右端与质量为m、带电荷量为+q的小球相连,静止在光滑、绝缘的水平面上.在施加一个场强为E、方向水平向右的匀强电场后,小球开始做简谐运动.那么( )
A.小球到达最右端时,弹簧的形变量为
B.小球做简谐运动的振幅为
C.运动过程中小球的机械能守恒
D.运动过程中小球的电势能和弹簧的弹性势能的总量不变
答案 A
解析 小球做简谐运动的平衡位置是弹簧拉力和电场力平衡的位置,此时弹簧形变量为
,则小球做简谐运动的振幅为
,小球到达最右端时,弹簧形变量为
,A对,B错.电场力做功,故机械能不守恒,C错.运动过程中,小球的动能、电势能和弹簧的弹性势能的总量不变,D错.
7.(2018·
武汉高二检测)如图6所示,质量为M的物块钩在水平放置的左端固定的轻质弹簧的右端,构成一弹簧振子,物块可沿光滑水平面在BC间做简谐运动,振幅为A.在运动过程中将一质量为m的小物块轻轻地放在M上,第一次是当M运动到平衡位置处O时放在上面(有机械能损失),第二次是当M运动到最大位移处C时放在上面,观察到第一次放后的振幅为A1,第二次放后的振幅为A2,则( )
A.A1=A2=AB.A1<
A2=A
C.A1=A2<
AD.A2<
A1=A
解析 振子运动到C点时速度恰为0,此时放上小物块,系统的总能量即为此时弹簧储存的弹性势能,不变,故振幅不变,即A2=A;
振子运动到平衡位置时速度最大,弹簧的弹性势能为零,放上小物块后,系统的机械能减小,根据能量守恒定律可得机械能转化为弹性势能的总量减小,故弹簧的最大伸长(压缩)量减小,即振幅减小,所以A1<
A,故A1<
A2=A,B正确.
8.(2018·
南昌高二检测)如图7所示,一水平弹簧振子在光滑水平面上的B、C两点间做简谐运动,O为平衡位置.已知振子由完全相同的P、Q两部分组成,彼此拴在一起.当振子运动到B点的瞬间,将P拿走,则以后Q的运动和拿走P之前相比有( )
A.Q的振幅不变,通过O点的速率减小
B.Q的振幅不变,通过O点的速率增大
C.Q的振幅增大,通过O点的速率增大
D.Q的振幅减小,通过O点的速率减小
解析 振幅为偏离平衡位置的最大距离,即速度为零时的位移大小,振子到B点时速度为零,OB间距等于振幅,此时拿走P,振子速度仍然为零,故Q的振幅不变;
简谐运动中势能和动能之和守恒,到达B点时,动能为零,弹性势能最大,此时拿走P,系统机械能不变,回到O点时动能不变,根据Ek=
mv2,振子质量减小,速率一定增大,B正确.
考点三 简谐运动中各物理量的变化
9.(多选)如图8所示是某一质点做简谐运动的振动图象,下列说法正确的是( )
A.在第1s内,质点速度逐渐增大
B.在第1s内,质点加速度逐渐增大
C.在第4s内,质点的动能逐渐增大
D.在第4s内,质点的势能逐渐增大
答案 BC
解析 在第1s内,质点由平衡位置向正向最大位移处运动,速度减小,位移增大,回复力和加速度都增大,故A错误,B正确;
在第4s内,质点由负向最大位移处向平衡位置运动,速度增大,位移减小,动能增大,势能减小,故C正确,D错误.
10.(多选)如图9为某一质点的振动图象,由图可知,在t1和t2两时刻|x1|>|x2|,质点速度v1、v2与加速度a1、a2的关系正确的是( )
A.|v1|<|v2|,方向相同
B.|v1|<|v2|,方向相反
C.|a1|>|a2|,方向相同
D.|a1|>|a2|,方向相反
解析 在t1时刻,质点向平衡位置运动,在t2时刻,质点远离平衡位置运动,故速度v1与v2方向相同,由于|x1|>|x2|,所以|v1|<|v2|,A对,B错;
在t1和t2时刻,质点离开平衡位置的位移方向相反,因而回复力方向相反,加速度方向相反,但|x1|>|x2|,t1时刻回复力大于t2时刻回复力,故|a1|>|a2|,C错,D对.
二、非选择题
11.如图10所示,弹簧下面挂一个质量为m的物体,物体在竖直方向做振幅为A的简谐运动,当物体振动到最高点时,弹簧正好为原长.重力加速度为g,则物体在振动过程中:
(1)物体在竖直方向做简谐运动的过程中物体的机械能是否守恒?
________.
A.守恒 B.不守恒 C.不确定
(2)物体在最高点回复力的大小________在最低点回复力的大小.(选填“大于”“小于”或“等于”)
(3)系统的最大弹性势能等于________.
(4)物体在最低点所受弹力等于________.
答案
(1)B
(2)等于 (3)2mgA (4)2mg
解析
(1)物体在竖直方向做简谐运动的过程中,由于弹簧的弹力对物体做功,因此物体的机械能不守恒.
(2)物体在竖直方向做简谐运动,根据对称性可知,物体在最高点回复力的大小等于在最低点回复力的大小.
(3)从最高点到最低点,动能变化为0,重力势能减小2mgA,则弹性势能增加2mgA,而在最高点弹性势能为0,则系统在最低点弹性势能最大为2mgA.
(4)物体在最高点时回复力大小为mg,方向竖直向下.由对称性知,在最低点时回复力大小也等于mg,方向竖直向上,则有mg=F弹-mg,得F弹=2mg.
12.(2018·
馆陶一中高二下学期期中)如图11所示,倾角为α的斜面体(斜面光滑且足够长)固定在水平地面上,斜面顶端与劲度系数为k、自然长度为L的轻质弹簧相连,弹簧的另一端连接着质量为m的物块.压缩弹簧使其长度为
L时将物块由静止开始释放(物块做简谐运动),重力加速度为g.
图11
(1)求物块处于平衡位置时弹簧的长度;
(2)物块做简谐运动的振幅是多少;
答案
(1)L+
(2)
+
解析
(1)物块平衡时,受重力、支持力和弹簧的弹力.
根据平衡条件,有:
mgsinα=k·
Δx
解得Δx=
故弹簧的长度为L+
(2)物块做简谐运动的振幅为A=Δx+
L=
.