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第1节?简谐振动?学案
学习目标:
1.知道简谐振动的概念,掌握简谐振动图像的获取方法;
2.理解简谐振动的图像特点,会根据图像分析简谐振动;
根底知识:
一、什么是机械振动
1.定义
物体(或物体的某一局部)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.
特点:振动是一种往复运动,具有周期性和往复性。
2.平衡位置
振动物体所受回复力为0的位置.
3.回复力
(1)方向:总是指向平衡位置.
(2)作用效果:总是要把振动物体拉回到平衡位置.
(3)来源:回复力是根据力的作用效果命名的力.可能是几个力的合力,也可能是由某一个力或某一个力的分力来提供.
OAA′x
O
A
A′
x
x
1弹簧振子
①小球原静止的位置就是平衡位置。小球在平衡位置附近所做的往复运动,是一种机械振动。
②小球的运动是平动,可以看作质点。
③忽略小球与水平杆之间的摩擦,弹簧的质量与小球质量相比也忽略不计,将小球拉离平衡位置后由静止释放,小球能够自由滑动。这样的系统称为弹簧振子。
弹簧振子是一种理想模型,其主要组成局部是一个质量可以忽略不计的弹簧和一个可视为质点的物体.
2.简谐运动
(1)定义:如果物体所受回复力的大小与位移大小成正比,方向总是与位移方向相反的运动称为简谐运动.如弹簧振子的振动.
(2)简谐运动的动力学特征:回复力F=-kx.
(3)简谐运动的运动学特征:a=-eq\f(k,m)x.
重难点理解:
一、平衡位置与回复力
1.对简谐运动的平衡位置的认识:
(1)从物体受力特点看:物体在平衡位置所受合力不一定为零,而是沿振动方向的合力为零.
(2)从速度角度看:平衡位置是振动中速度最大的位置.
2.机械振动的特点
(1)物体在平衡位置附近做往复运动.
(2)机械振动是一种周期性运动.
3.回复力的理解
(1)回复力的方向总是指向平衡位置.总与简谐运动位移的方向相反.
(2)回复力的效果是使偏离平衡位置的物体返回到平衡位置,是产生振动的条件.
(3)回复力可以是振动物体所受的某一个力,也可以是物体所受几个力的合力.典二、弹簧振子的振动
1.简谐运动中相关量的变化规律
(1)变化规律:当物体做简谐运动时,它偏离平衡位置的位移x、回复力F、加速度a、速度v、动能Ek、势能Ep及振动能量E,遵循一定的变化规律,可列表如下:
物理量
x
F
a
v
Ek
Ep
E
远离平衡
位置运动
增大
增大
增大
减小
减小
增大
不变
最大位移处
最大
最大
最大
零
零
最大
不变
靠近平衡
位置运动
减小
减小
减小
增大
增大
减小
不变
平衡位置
零
零
零
最大
最大
最小
不变
(2)两个转折点
①平衡位置是速度大小、位移方向、回复力方向和加速度方向变化的转折点;
②最大位移处是速度方向变化的转折点.
(3)一个守恒:简谐运动过程中动能和势能之间相互转化,但总的能量守恒.
2.简谐运动的对称性
如下图,物体在A与B间运动,O点为平衡位置,任取关于O点对称的C、D两点,那么有:
(1)时间对称.
(2)位移、回复力、加速度大小对称.
(3)速率、动能对称.
例1、如下图,在光滑水平面上,用两根劲度系数分别为k1、k2的轻弹簧系住一个质量为m的小球,开始时,两弹簧均处于原长,后使小球向左偏离x后放手,可以看到小球将在水平面上作往复振动,试问小球是否作简谐运动?
解析:以小球为研究对象,竖直方向处于力平衡状态,水平方向受到两根弹簧的弹力作用,设小球位于平衡位置O左方某处时,偏离平衡位置的位移为x,那么
左方弹簧受压,对小球的弹力大小为F1=k1x,方向向右。
右方弹簧被拉伸,对小球的弹力大小为F2=k2x方向向右。
小球所受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,沿水平面简谐运动
典例2、如下图,质量为m的物体A放在质量为M的物体B上,B与弹簧相连,它们一起在光滑水平面上做简谐运动,振动过程中,A、B之间无相对滑动,设弹簧的劲度系数为k,求当物体离开平衡位置的位移为x时,B对A的摩擦力大小.
[解析]A、B两物体组成的系统做简谐运动的回复力由弹簧的弹力提供,当物体离开平衡位置的位移为x时,回复力大小F=kx,A和B的共同加速度大小a=eq\f(F,M+m)=eq\f(kx,M+m),而物体A做简谐运动的回复力由A受到的静摩擦力提供,由此可知B对A的摩擦力大小f=ma=eq\f(mkx,M+m).
稳固练习:
1.做简谐运动的质点,先后经过同一点时,以下物理量哪些是不同的〔〕
A.速度B.加速度C.位移
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