新教材高中物理第二章机械振动第3节简谐运动的回复力和能量课件新人教版选择性必修第一册

第二章

机械振动第3节

简谐运动的回复力和能量课标解读课标要求素养要求1.理解回复力的概念和特点。2.会用动力学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。3.会用能量守恒的观点分析弹簧振子动能、势能、总能量的变化规律。1.物理观念：理解回复力的概念,能在具体问题中分析回复力的来源。2.科学思维：能应用动力学、能量观点处理简谐运动中位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化规律。要点简谐运动的回复力在_________①的作用下，物体在平衡位置附近做往复运动。如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成_______②，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。回复力正比①（1）回复力的方向总是与位移的方向相反吗？提示回复力的方向总是指向平衡位置，而位移的方向是由平衡位置指向物体所在位置，所以回复力的方向总是与位移的方向相反。（2）回复力为0时，物体所受合力一定为0吗？提示

物体做简谐运动回到平衡位置时，回复力为0，但合力可能不为0。例如：物体沿圆弧做简谐运动，如图所示。当小球运动到圆弧的最低点（平衡位置）时，回复力为0，小球所受的合力用来提供向心力，所以小球所受的合力不为0。

（2）弹簧振子从平衡位置到达最大位移处的过程中，回复力如何变化？从最大位移处向平衡位置运动的过程中呢？

探究点一

简谐运动的回复力

[提示]两个力；重力、支持力。

[提示]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，不是一种另外受到的力，所以分析物体的受力时，不分析回复力。

AD

易错题醒回复力是一种效果力，它不是振动物体另外受到的一种力，所以对振动物体进行受力分析时，切忌添加回复力。

C

CA.B.C.D.探究点二

简谐运动的能量1.你喜欢荡秋千吗？也许你很喜欢却荡不好。要知道，会荡秋千的人，不用别人帮忙助推，就能越摆越高，而不会荡秋千的人始终也摆不起来，知道这是什么原因吗？[提示]观察一下荡秋千高手的动作：他从高处摆下来的时候身子是从直立到蹲下，而从最低点向上摆时，身子又从蹲下到直立起来。由于他从蹲下到站直时，重心升高，无形中就对自己做了功，自身化学能转化为机械能，增大了重力势能。因而，每摆一次秋千，都使荡秋千的人自身机械能增加一些。如此循环往复，总机械能越积越多，秋千就摆得越来越高了。1.简谐运动的能量（1）不考虑阻力，水平弹簧振子振动过程中只有弹力做功，在任意时刻振动系统的动能与势能之和不变，即机械能守恒。（2）简谐运动的机械能的大小由振子的振幅决定对同一振动系统来说，振幅越大，振动的能量越大。如果没有能量损耗，振幅保持不变，它将永不停息地振动下去，因此简谐运动又称等幅振动。（3）动能、势能随位置的变化情况①在最大位移处，势能最大，动能为零。②在平衡位置处，动能最大，势能最小。（4）实际的运动都有一定的能量损耗，所以简谐运动是一种理想化的物理模型。

物理量运动过程位移大小减小增大减小增大方向回复力、加速度大小减小增大减小增大方向速度大小增大减小增大减小方向动能增大减小增大减小势能减小增大减小增大总结：（1）在简谐运动中，位移、回复力、加速度和势能四个物理量同时增大或减小，与速度和动能的变化步调相反。（2）平衡位置是位移、加速度和回复力方向变化的转折点。（3）最大位移处是速度方向变化的转折点。

（1）哪些时刻振子有最大动能？

（2）哪些时刻振子有相同速度？

（3）哪些时刻振子有最大势能？

（4）哪些时刻振子有相同的最大加速度？

规律总结对简谐运动能量的三点认识（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：系统开始振动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，机械能守恒。

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BD

1.如图所示，能正确反映做简谐运动的物体所受回复力与位移关系的图像是(

)A.B.C.D.B

评价检测·素养提升2.弹簧振子在光滑水平面上做简谐运动，在振子向平衡位置运动的过程中(

)A.振子所受的回复力逐渐增大 B.振子的位移逐渐增大C.振子的速度逐渐减小 D.振子的加速度逐渐减小D

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[答案]见解析

[答案]见解析

[答案]见解析

1.（多选）关于简谐运动，以下说法正确的是(

)A.回复力可能是物体受到的合外力B.回复力是根据力的作用效果命名的C.振动中位移的方向是不变的D.物体振动到平衡位置时所受合外力一定等于零AB[解析]回复力可以是某个力，可以是某个力的分力，也可以是几个力的合力，A正确；回复力可以由重力、弹力、摩擦力等各种不同性质的力提供，其作用效果是使物体回到平衡位置，B正确；位移是从平衡位置指向物体所在位置，其方向是不同的，C错误；物体振动到平衡位置时，所受回复力为零，但合外力不一定为零，D错误。2.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(

)CA.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.振子经过平衡位置时，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速度最大，此时重力势能为零，但是弹簧的弹性势能不为零，故振动系统的势能不为零，A、B错误；因为只有重力和弹簧弹力做功，则振子的动能、重力势能及弹簧弹性势能之和守恒，故在平衡位置时动能最大，振动系统的势能最小，C正确，D错误。

C

B

5.如图所示，当一弹簧振子在竖直方向上做简谐运动时，下列说法正确的是(

)AA.振子经过同一位置时，速度大小一定相等B.振子从最低点向平衡位置运动过程中，弹簧弹力始终做负功C.振子在从最低点向平衡位置运动过程中受到重力、弹力和回复力D.振子在平衡位置时，其动能最大，弹簧的弹性势能最小[解析]简谐运动中，振子经过同一位置时速度大小相等，故A正确；振子从最低点向平衡位置运动过程中，弹力的方向与速度的方向同向，故弹力做正功，故B错误；振子在振动过程中的回复力由弹簧的弹力和振子的重力的合力提供，故C错误；振子在平衡位置时，其动能最大，弹簧的弹性势能不是最小，当弹簧形变量最小的时候，弹性势能最小，故D错误。

C

C

A

10.（多选）如图所示为某物体做简谐运动的图像，下列说法中正确的是(

)AB

12.一质点做简谐运动，其位移和时间的关系如图所示。

[答案]变大;变大;变小;变小;变大

（1）简谐运动的能量取决于_______，振子振动时动能和_________能相互转化，总机械能_______。振幅弹性势守恒[解析]振动系统一定时，系统的能量由振幅决定，振子振动时动能和弹性势能相互转化，总机械能守恒。（2）关于振子的振动，下列说法中正确的是(

)A.振子在平衡位置，动能最大，势能最小B.振子在最大位移处，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，动能与势能之和保持不变ABD[解析]振子在平衡位置两侧往复运动，在最大位移处速度为零，动能为零，此时弹簧的形变量最大，势能最大，B正确；在振子运动的过程中，只有弹簧的弹力做功，所以任意时刻动能与势能之和不变，D正确；运动到平衡位置处速度达到最大，动能最大，势能最小，A正确；振幅的大小与振子的位置无关，C错误。

AC

思路导引弹簧振子一定时，系统的能量由振子的振幅决定，此题中就是弹簧的最大形变量，与振子的质量无关。思路总结（1）要明确