探究物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的原因-完整版獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、1.2 探究物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的原因1.掌握簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征，明確回復(fù)力的概念。2.知道簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一種沒(méi)有能量損耗的理想情況。3.理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)在一次全振動(dòng)過(guò)程中，位移、回復(fù)力、加速度、速度、動(dòng)能、勢(shì)能的變化情況。 學(xué)習(xí)目標(biāo)定位知識(shí)儲(chǔ)備區(qū)知識(shí)鏈接1.伸長(zhǎng)(或縮短) 正比 kx2.彈力 勢(shì)能知識(shí)儲(chǔ)備區(qū)3.平衡 拉回4.正比 指向5.機(jī)械能 動(dòng)能 勢(shì)能新知呈現(xiàn)學(xué)習(xí)探究區(qū)一、回復(fù)力使物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)二、研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量三、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中各物理量的變化規(guī)律四、判斷一個(gè)振動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法一、回復(fù)力使物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖1所示為彈簧振子的模型，請(qǐng)分析并回答下列問(wèn)題：圖11.請(qǐng)分別討論振子在平衡位置右側(cè)和

2、左側(cè)時(shí)，所受的彈力F的方向是怎樣的？位移x的方向是怎樣的？F與x的方向有什么關(guān)系？答案當(dāng)振子在平衡位置右側(cè)時(shí)，彈力F的方向向左，位移x的方向向右，F(xiàn)與x的方向相反；當(dāng)振子在平衡位置左側(cè)時(shí)，彈力F的方向向右，位移x的方向向左，F(xiàn)與x的方向相反。2.由胡克定律知，彈簧的彈力F的大小與位移x的大小之間有怎樣的關(guān)系？答案由胡克定律知，彈力F的大小與位移x的大小的關(guān)系為Fkx。3.振子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈力F與位移x之間存在著什么樣的關(guān)系？答案彈力F與位移x的關(guān)系為Fkx。要點(diǎn)提煉1.回復(fù)力(1)回復(fù)力是根據(jù)力的作用效果命名的，它可以是彈力，也可以是其他力(包括摩擦力)，或幾個(gè)力的合力，或某個(gè)力的分力。(2

3、)回復(fù)力的方向總是 ，回復(fù)力為零的位置就是 。指向平衡位置平衡位置2.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征：回復(fù)力F 。(1)k是比例系數(shù)，并非彈簧的勁度系數(shù)(水平彈簧振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)k為勁度系數(shù))。其值由振動(dòng)系統(tǒng)決定，與振幅無(wú)關(guān)。(2)“”號(hào)表示回復(fù)力的方向與位移的方向 。kx相反做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，加速度是如何變化的？答案加速度a ，故加速度隨位移的變化而變化(簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一種變速的往復(fù)運(yùn)動(dòng))。延伸思考例1如圖2所示，彈簧振子在光滑水平桿上的A、B之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是()A.彈簧振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受重力、支持力和彈簧彈力的作用B.彈簧振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受重力、支持力、彈簧彈力和回復(fù) 力作用

4、C.振子由A向O運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，回復(fù)力逐漸增大D.振子由O向B運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，回復(fù)力的方向指向平衡位置圖2解析回復(fù)力是根據(jù)效果命名的力，不是做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體受到的具體的力，它是由物體受到的具體的力所提供的，在此情景中彈簧的彈力充當(dāng)回復(fù)力。故A正確，B錯(cuò)誤；回復(fù)力與位移的大小成正比，由A向O運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位移的大小在減小，故此過(guò)程中回復(fù)力逐漸減小，C錯(cuò)誤；回復(fù)力總是指向平衡位置，故D正確。答案AD問(wèn)題設(shè)計(jì)二、研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量如圖3所示為水平彈簧振子，振子在A、B之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)振子的能量是如何變化的？請(qǐng)完成下表：圖3過(guò)程彈力做功(正、負(fù))能量轉(zhuǎn)化說(shuō)明AO正功彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能不考慮阻力，彈簧振

5、子振動(dòng)過(guò)程中只有彈力做功，在任意時(shí)刻的 和 之和不變，即OB 功 轉(zhuǎn)化為BO 功 轉(zhuǎn)化為OA 功 轉(zhuǎn)化為負(fù)正負(fù)動(dòng)能彈性勢(shì)能彈性勢(shì)能動(dòng)能動(dòng)能彈性勢(shì)能動(dòng)能勢(shì)能機(jī)械能守恒 要點(diǎn)提煉1.彈簧振子在振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，動(dòng)能和勢(shì)能完成兩次周期性的變化，經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)， 最大， 最小，經(jīng)過(guò)最大位移處時(shí)， 最大， 最小。2.彈簧振子振動(dòng)過(guò)程中只有彈力做功，在任意時(shí)刻的動(dòng)能和勢(shì)能之和 ，即 守恒，所以 保持不變。3.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)忽略阻力造成的損耗，即沒(méi)有 損失，因此簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一種理想化的振動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)能勢(shì)能勢(shì)能動(dòng)能不變機(jī)械能振幅能量例2如圖4所示，一彈簧振子在A、B間做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，平衡位置為O，已知振子的質(zhì)量為M。(1)

6、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量取決于 ，振子振動(dòng)時(shí) 能和 能相互轉(zhuǎn)化，總 守恒。圖4解析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量取決于振幅，振子振動(dòng)時(shí)動(dòng)能和彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，總機(jī)械能守恒。振幅動(dòng)彈性勢(shì)機(jī)械能(2)在振子振動(dòng)過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是()A.振子在平衡位置，動(dòng)能最大，勢(shì)能最小B.振子在最大位移處，勢(shì)能最大，動(dòng)能最小C.振子在向平衡位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于振子振幅減小，故總機(jī)械能減小D.在任意時(shí)刻，動(dòng)能與勢(shì)能之和保持不變解析振子在平衡位置兩側(cè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在最大位移處速度為零，動(dòng)能為零，此時(shí)彈簧的形變最大，勢(shì)能最大，所以B正確；在任意時(shí)刻只有彈簧的彈力做功，所以機(jī)械能守恒，D正確；回到平衡位置處速度達(dá)到最大，動(dòng)能最大，勢(shì)能最小，所以A

7、正確；振幅的大小與振子的位置無(wú)關(guān)，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤。答案ABD(3)若振子運(yùn)動(dòng)到B處時(shí)將一質(zhì)量為m的物體放到M的上面，且m和M無(wú)相對(duì)滑動(dòng)而一起運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是()A.振幅不變 B.振幅減小C.最大動(dòng)能不變 D.最大動(dòng)能減小解析振子運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)速度恰為零，此時(shí)放上質(zhì)量為m的物體，系統(tǒng)的總能量即為此時(shí)彈簧儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能，由于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒，所以振幅保持不變，因此選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；由于機(jī)械能守恒，最大動(dòng)能不變，所以選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。AC問(wèn)題設(shè)計(jì)三、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中各物理量的變化規(guī)律如圖5所示，水平彈簧振子在A、B之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)分析振子的運(yùn)動(dòng)情況并完成下表。圖5振子的運(yùn)動(dòng)位移加速度(回復(fù)力

8、)速度動(dòng)能勢(shì)能OB增大，方向 ，方向 ，方向向右減小B最大0最大BO ，方向 ，方向 ，方向O向右增大向左減小增大最大0減小向右減小向左增大向左增大減小000最大最大OA ，方向 ，方向 ，方向向左AAO ，方向 ，方向 ，方向減小增大向左增大向右減小減小增大最大最大最大00減小向左減小向右增大向右增大 要點(diǎn)提煉1.簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中，位移、 、 三者的變化周期相同，變化趨勢(shì)相同，均與 的變化趨勢(shì)相反，是位移、回復(fù)力和加速度方向變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2. 處是速度方向變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3.在一個(gè)周期內(nèi)，動(dòng)能和勢(shì)能完成兩次周期性的變化。回復(fù)力加速度速度平衡位置最大位移例3把一個(gè)小球套在光滑細(xì)桿上，球與輕彈簧相連組成

9、彈簧振子，小球沿桿在水平方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，它圍繞平衡位置O在A、B間振動(dòng)，如圖6所示，下列結(jié)論正確的是()A.小球在O位置時(shí)，動(dòng)能最大，加速度最小B.小球在A、B位置時(shí)，動(dòng)能最大，加速度最大C.小球從A經(jīng)O到B的過(guò)程中，回復(fù)力一直做正功D.小球從B到O的過(guò)程中，振動(dòng)的能量不斷增加圖6解析小球在平衡位置時(shí)動(dòng)能最大，加速度為零，因此A選項(xiàng)正確。小球靠近平衡位置時(shí)，回復(fù)力做正功；遠(yuǎn)離平衡位置時(shí)，回復(fù)力做負(fù)功。振動(dòng)過(guò)程中總能量不變，因此B、C、D選項(xiàng)不正確。答案A四、判斷一個(gè)振動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法例4如圖7所示，在勁度系數(shù)為k，原長(zhǎng)為l0的一端固定的彈簧下端掛一質(zhì)量為m的小物塊，釋放后小物塊做上下振動(dòng)，此

10、時(shí)彈簧沒(méi)有超出彈性限度。證明：小物塊的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。圖7解析如圖所示，物塊在平衡位置O時(shí)，彈簧形變量為x0，且mgkx0，物塊向下運(yùn)動(dòng)x時(shí)，物塊所受重力與彈簧彈力的合力提供物塊所需的回復(fù)力。設(shè)向下為正方向，F(xiàn)mgk(xx0)kx可見(jiàn)物塊所受回復(fù)力的大小與位移的大小成正比，方向與位移方向相反，指向平衡位置，因此小物塊的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。答案見(jiàn)解析課堂要點(diǎn)小結(jié)探究物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的原因回復(fù)力：Fkx與位移大小成正比與位移方向相反能量機(jī)械能動(dòng)能勢(shì)能機(jī)械能守恒忽略摩擦損耗理想模型簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中各物理量的變化規(guī)律課堂要點(diǎn)小結(jié)探究物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的原因物體振動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的證明方法動(dòng)力學(xué)角度：Fkx運(yùn)動(dòng)學(xué)角度：

11、a位移隨時(shí)間的變化：xAsin (t) 或xAcos (t)自我檢測(cè)區(qū)123412341.關(guān)于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力，下列說(shuō)法正確的是()A.可以是恒力B.可以是方向不變而大小變化的力C.可以是方向變化而大小不變的力D.一定是變力D12342.如圖8所示，彈簧振子B上放一個(gè)物塊A，在A與B一起做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，下列關(guān)于A受力的說(shuō)法中正確的是()A.物塊A受重力、支持力及彈簧對(duì)它的恒定的彈力B.物塊A受重力、支持力及彈簧對(duì)它的大小和方向都隨時(shí)間 變化的彈力C.物塊A受重力、支持力及B對(duì)它的恒定的摩擦力D.物塊A受重力、支持力及B對(duì)它的大小和方向都隨時(shí)間變 化的摩擦力圖81234解析物塊A受到重力、支

12、持力和摩擦力的作用。摩擦力提供A做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所需的回復(fù)力，其大小和方向都隨時(shí)間變化，D選項(xiàng)正確。答案D12343.關(guān)于做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體的說(shuō)法正確的是()A.加速度方向與位移方向有時(shí)相同，有時(shí)相反B.速度方向與加速度方向有時(shí)相同，有時(shí)相反C.速度方向與位移方向有時(shí)相同，有時(shí)相反D.加速度方向總是與位移方向相反1234解析回復(fù)力的方向與位移的方向始終相反，而加速度的方向與回復(fù)力的方向始終一致，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，D正確；當(dāng)離開平衡位置時(shí)，速度與位移的方向相同，當(dāng)向平衡位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度與位移的方向相反，故選項(xiàng)B、C正確。答案BCD12344.關(guān)于質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是()A.在某一時(shí)刻，它的速度與回復(fù)力的方向相同，與位移的 方向相反B.在某一時(shí)刻，它的速度、位移和加速度的方向都相同C.在某一段時(shí)間內(nèi)，它的回復(fù)力的大小增大，動(dòng)能也增大D.在某一段時(shí)間內(nèi)，它的勢(shì)能減小，加速度的大小也減小1234解析如圖所示，設(shè)O為質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的平衡位置，它由C經(jīng)過(guò)O到B，又由B經(jīng)過(guò)O到C的一個(gè)周