简谐运动的回复力和能量知识讲解
简谐运动的回复力和能量 课件
2
系统的加速度为a，求A、B间摩擦力Ff与位移x的函数关系．
(1)题中“A、B始终无相对滑动”说明A、 B两物体的运动情况相同，具有相同的加速度； (2)由“当振子距平衡位置的位移x= L0时，系统的加速度为a”
【规律方法】简谐运动中各物理量的分析方法 解答此类问题需要熟练掌握做简谐运动的物体在某一时刻(或 某一位置)的位移x、回复力F、加速度a、速度v这四个矢量的 相互关系.其关系如下: (1)由定义知:F∝x,方向相反. (2)由牛顿第二定律知:a∝F,方向相同. (3)由以上两条可知:a∝x,方向相反. (4)v和x、F、a之间的关系:当v、a同向(即v、F同向,也就是v、 x反向)时,v一定增大;当v、a反向(即v、F反向,也就是v、x同 向)时,v一定减小.
m
二、简谐运动过程中各量的变化 振子以O点为平衡位置做简谐运动，如图所示：
各物理量的变化规律为：
(1)简谐运动中在最大位移处，x、F、a、Ep最大， v=0,Ek=0;在平衡位置处，x=0,F=0,a=0,Ep最小，v、Ek最 大. (2)简谐运动中振动系统的动能和势能相互转化，机械能的总 量不变，即机械能守恒.
【标准解答】选A、B.本题可结合如图所示的弹簧振子的振动 情况具体分析,不难发现,在振子从平衡位置(t=0)向右(正方 向)运动到正向最大位移的过程中,其速度由正向最大值减小 到零,A正确;在振子从负向最大位移处开始运动时,经 周T 期
4
回到平衡位置时,振子向右(正方向)速度最大,B正确;若物体 从正向位移向平衡位置运动时,物体的负向速度逐渐增大,C错 误;若物体从平衡位置向负向最大位移处运动,则物体的负向 速度逐渐减小,D错误.
11.3 简谐运动的回复力和能量(解析版)
11.3 简谐运动的回复力和能量(解析版)简谐运动的回复力和能量（解析版）简谐运动是物理学中的一种基本运动形式，也是许多实际问题的基础模型。
本文将解析简谐运动中的回复力和能量的相关概念和计算方法。
一、简谐运动的回复力简谐运动的回复力是指物体在偏离平衡位置后所受的恢复力，该力的大小与偏离平衡位置的距离成正比，方向与偏离方向相反。
简谐运动的回复力服从胡克定律，可以表示为F = -kx，其中F为回复力的大小，k为回复力常数，x为偏离平衡位置的距离。
回复力的大小与物体的质量无关，只与被拉伸或压缩的弹簧的劲度系数k和偏离平衡位置的距离x有关。
当物体偏离平衡位置越远时，回复力的大小越大，当物体回到平衡位置时，回复力为零。
二、简谐运动的能量简谐运动的能量可以分为势能和动能两部分。
1. 势能势能是物体由于位置变化而具有的能量。
对于简谐运动，物体的势能可以表示为Ep = 1/2kx^2，其中Ep为势能，k为回复力常数，x为偏离平衡位置的距离。
当物体处于平衡位置时，势能为零，当物体偏离平衡位置越远时，势能越大。
2. 动能动能是物体由于运动而具有的能量。
对于简谐运动，物体的动能可以表示为Ek = 1/2mv^2，其中Ek为动能，m为物体的质量，v为物体的速度。
由于简谐运动的速度与物体的位置关系是正弦函数，因此动能也是随位置变化而变化的。
三、简谐运动的总能量守恒对于简谐运动系统来说，总能量是守恒的，即势能和动能的和保持不变。
当物体在偏离平衡位置时，势能增加，动能减小；当物体回到平衡位置时，势能减小，动能增加。
在一个简谐周期内，势能和动能交换，但总能量保持不变。
总能量可以表示为E = Ep + Ek。
在简谐运动中，总能量的大小等于势能的最大值等于动能的最大值。
四、总结简谐运动的回复力和能量是描述该运动的两个重要概念。
回复力的大小与偏离平衡位置的距离成正比，方向与偏离方向相反。
势能是由于位置变化而产生的能量，动能是由于运动而产生的能量。
简谐运动的回复力和能量
练习1:做简谐运动的物体，当位移为负 值时，以下说法正确的是 （ ）
B
A．速度一定为正值，加速度一定为正值
B．速度不一定为正值，但加速度一定为正值
C．速度一定为负值，加速度一定为正值
D．速度不一定为负值，加速度一定为负值
2、在简谐运动中，振子每次经过同一位 置时，下列各组中描述振动的物理量总
是相同的是 （ BCD ）
Ｏ． 比敕部长。他出生在耶亚琼克亚皇国的铁饼奇峰，绰号：石肘砂锅！年龄看上去大约十七八岁，但实际年龄足有九千多岁，身高一米七左右，体重约 九十多公斤。此人最善使用的兵器是『褐光晨魔灌木丛壶』，有一身奇特的武功『紫鸟彩怪蛋黄指』，看家的魔法是『蓝光望神水珠仙诀』，另外身上还带着一件奇异 的法宝『黄云鳄怪苍蝇针』。他有着单薄的亮蓝色皮球般的身材和怪异的紫红色路灯一样的皮肤，显得极为神气又飘忽不定，他头上是崭新的中灰色粉条似的秀发，戴 着一顶显赫的暗青色螃蟹一样的幽灵金珑帽，他上穿高贵的亮白色豆包一般的柴刀疾宁神光甲，下穿威风的的纯蓝色香肠造型的拉杆仙月长裤，脚穿异形的深灰色水牛 一般的杏仁浪云靴。另外这人身后还有着高大的暗白色蛋糕般的五片鳞甲。整个形象的确绝对的病态同时还隐现着几丝猜疑……Ｏ． 比敕部长长着精悍的灰蓝色野 猪一样的脑袋和短小的青远山色马心造型的脖子，最出奇的是一张粗犷的雪白色海蜇一样的脸，配着一只粗犷的淡紫色折扇般的鼻子。鼻子上面是一对笨拙的海蓝色马 鞍般的眼睛，两边是高
D．振子在振动过程中，系统的机械能一定守 恒
4、关于弹簧振子做简谐运动时的能 量，下列说法正确的有 （ ）
ABC
A．等于在平衡位置时振子的动能
B．等于在最大位移时弹簧的弹性势能
C．等于任意时刻振子动能与弹簧弹性 势能之和
D．位移越大振动能量也越大
简谐运动的回复力和能量
简谐运动的回复力和能量简谐运动是一种在物理学中经常出现的现象，它是指一种物体在作往复振动时，其位移随时间变化呈现出正弦曲线的运动。
简单来说，就是物体在一定的位置上来回振动，比如一个摆锤在悬挂在绳子上摆动，或者是一个弹簧在振动。
这种运动具有回复力和能量的特点，下面将分别进行讨论。
回复力的定义和特点在简谐运动中，回复力指的是弹性势能的作用力，它是当物体离开平衡位置时，受到的恢复力，使物体朝向平衡位置方向移动。
回复力的大小和方向与物体离开平衡位置的距离成正比，反向指向平衡位置。
具体来说，回复力的公式为F = -kx，其中k是弹性系数，x是物体离开平衡位置的距离。
回复力对于简谐运动来说是一个非常重要的特性，因为它是使物体朝向平衡位置恢复的力量，同时也是振动维持的关键因素。
在简谐运动中，振动的频率、周期和振幅都取决于回复力的大小和弹性系数的变化。
当振幅变大时，回复力也会变大，当弹性系数增大或减小时，回复力的大小也会发生相应的变化。
能量的定义和特点能量是指物体的运动状态所具有的“有用”的物理量。
在简谐运动中，能量由动能和势能组成，它们之间通过运动的转化实现互相转换。
简谐运动的总能量等于动能和势能的和，它是一个守恒量，也就是说在运动过程中能量的总和始终保持不变。
具体来说，当物体在平衡位置附近振动时，它具有最小的动能和弹性势能；当物体脱离平衡位置时，弹性势能会转化为动能，同时物体有更大的动能；当物体到达到最远的位置时，它的动能最大，而弹性势能为零。
这意味着，简谐运动所产生的能量是从一种形式到另一种形式的转化。
简谐运动是一种常见的物理现象，它具有回复力和能量的特点。
回复力是指物体朝向平衡位置方向恢复的力量；能量由动能和势能组成，是物体运动状态的“有用”物理量。
回复力和能量是简谐运动的关键特性，它们直接决定了运动的频率、周期和振幅变化，因此在研究简谐运动时非常重要。
高中物理之简谐运动的回复力和能量知识点
高中物理之简谐运动的回复力和能量知识点回复力使振动物体回到平衡位置的力（1）回复力是以效果命名的力。
性质上回复力可以是重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力等，它可能是几个力的合力，也可能是某个力或某个力的分力。
如在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧在伸长和压缩时产生的弹力；在竖直方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。
（2）回复力的作用是使振动物体回到平衡位置。
回复力的方向总是“指向平衡位置”。
（3）回复力是是振动物体在振动方向上的合外力，但不一定是物体受到的合外力。
理解（1）平衡位置是振动物体最终停止振动后振子所在的位置。
（2）平衡位置是回复力为零的位置，但平衡位置不一定是合力为零的位置。
（3）不同振动系统平衡位置不同。
竖直方向的弹簧振子，平衡位置是其弹力等于重力的位置；水平匀强电场和重力场共同作用的单摆，平衡位置在电场力与重力的合力方向上。
简谐运动的动力学特征F回＝-kx ，a回＝－kx/m，其中k为比例系数，对于弹簧振子来说，就等于弹簧的劲度系数。
负号表示回复力的方向与位移的方向相反。
也就是说简谐运动是在跟对平衡位置的位移大小成正比、方向总是指向平衡位置的力作用下的振动。
弹簧振子在平衡位置时F回=0。
当振子振动过程中，位移为x时，由胡克定律（弹簧不超出弹性限度），考虑到回复力的方向跟位移的方向相反，有F回= -kx，k为弹簧的劲度系数，所以弹簧振子做简谐运动。
简谐运动的能量特征振动过程是一个动能和势能不断转化的过程，总的机械能守恒。
振动物体总的机械能的大小与振幅有关，振幅越大，振动的能量越大。
习题解析1.（多项选择）某时刻的波形图．图是一个弹簧振子的示意图，O是它的平衡位置，在B、C之间做简谐运动，规定以向右为正方向，图是它的速度v随时间t变化的图象．下面的说法中正确的是（）A．t＝2s时刻，它的位置在O点左侧4cm处B．t＝3s时刻，它的速度方向向左C．t＝4s时刻，它的加速度为方向向右的最大值D．它的一个周期时间为8s2.在简谐运动中，振子每次经过同一位置时，下列各组中描述振动的物理量总是相同的是（）A．速度，加速度，动能B．加速度，回复力，位移C．加速度，动能，位移D．位移，动能，回复力习题演练答案1.根据振动图像可知是从经过B向左计时，T=8s，因此从B 到O要0.25T即2s，其位置应该为X=0cm，故A错；T=3s 时，质点在O到C图中，所以它的速度方向向左；t＝4 s时刻，质点在C处，位移向左最大，所以回复力与位移方向相反，即它的加速度为方向向右的最大值，C对；以上分析表明BCD正确。
简谐运动的回复力和能量 课件
解析:由题图可知,B、D、F 时刻振子在平衡位置,具有最大动能,
此时振子的速率最大;A、C、E 时刻振子在最大位移处,具有最大势
能,此时振子的速度为 0。B、F 时刻振子向负方向运动,D 时刻振子
向正方向运动,可知 D 时刻与 B、
F 时刻虽然速率相同,但方向相反。
A、E 两时刻振子的位移相同,C 时刻振子的位移虽然大小与 A、E
最大位移处,势能最大,动能最小。振动系统的机械能与振幅有关,振
幅越大,机械能就越大。
一、
Hale Waihona Puke 简谐运动的回复力1.回复力的来源
(1)回复力是指将振动的物体拉回到平衡位置的力,同向心力一
样是按照力的作用效果来命名的。
(2)回复力可以由某一个力提供,如水平弹簧振子的回复力即为
弹簧的弹力;也可能是几个力的合力,如竖直悬挂的弹簧振子的回复
力是弹簧弹力和重力的合力;还可能是某一力的分力。归纳起来,回
复力一定等于振动物体在振动方向上所受的合力。分析物体的受
力时不能再加上回复力。
2.关于 k 值
公式 F=-kx 中的 k 指的是回复力与位移的比例系数,而不一定是
弹簧的劲度系数,系数 k 由振动系统自身决定。
3.加速度的特点
根据牛顿第二定律得 a==-x,表明弹簧振子做简谐运动时,振
成两次周期性的转化。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。
5.能量大小:如果选取平衡位置为零势能点,弹簧振子振动时的
能量就等于振子在平衡位置的动能或在最大位移处的势能。
6.能量的对称性: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。
简谐运动的回复力和能量
C．t＝1.0 s 时振子的速度为零，加速度为负的最大值
D．t＝1.5 s 时振子的速度为零，加速度为负的最大值
随堂练习2：
如图所示两木块A和B叠放在光滑水平面上，质量分别为m和M，A与B之间的最大静
摩擦力为Ffm，B与劲度系数为k的轻质弹簧连接构成弹簧振子，为使A和B在振动过程
作业布置：
将弹簧振子竖直放置时，将小球
向下拉一定距离后释放，小球是
否做简谐运动？运动过程中的能
量如何转化？
最大
减小
弹力做功不改
变系统机械能。
0
增大
不变
0
0
最大
简谐运动的对称性：
（1）时间对称性：
① 质点来回通过相同两点的
时间相等（top=tpo）；
② 质点经过关于平衡位置对
称的两段距离所用时间相
等（。
P
P，
top， top
tpo
（2）位移和加速度的对称性：
= −2
2
=
=
= −
弹簧振子的周期
只与质量和弹簧
的劲度系数有关，
与振幅无关。
= 2
随堂练习1：
悬挂在竖直方向上的弹簧振子，周期为 2 s，从最低点的位置向上运动时开始计时，它
的振动图象如图所示，由图可知( A )
A．t＝1.25 s 时振子的加速度为正，速度为正
线，这样的运动叫做简谐运动；
特征判断
2. 如果质点所受的力与它偏离平衡位置的
大小成正比，并总指向平衡位置，质点
的运动就是简谐运动。
随堂练习3：
一质量分布均匀的正方形木块竖直放在水中，把木块往上提起一段
简谐运动的回复力和能量
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂巩固 5．简谐运动的能量 振动系统的机械能跟＿＿＿＿有关，＿＿＿越 大，机械能就越大，振动越强。一个确定的简谐运 动是＿＿＿＿，势能振动。
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂练习
1．简谐运动的回复力 ( D ) A．可以是恒力 B．可以是方向不变而大小变化的力 C．可以是大小不变而方向改变的力 D．一定是变力
பைடு நூலகம்
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂练习 1．关于简谐运动，下列说法中正确的是 （ B ） A．物体振动的最大位移等于振幅 B．物体离开平衡位置的最大距离叫振幅 C．振幅随时间做周期性变化 D．物体两次通过平衡位置的时间叫周期
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂练习
10．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3－4所示，下列 结论正确的是 ( A ) A．小球在O位置时，动能最大，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，回复力一直做正功 D．小球从B到O的过程中，振动的能量不断增加
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂巩固 3．简谐运动的动力学定义 如果质点所受的＿＿＿＿与它偏离＿＿＿＿的 ＿＿＿＿大小成＿＿＿比，并且始终指向平衡位置 （即与位移方向相反），质点的运动就是＿＿＿＿。 4．简谐运动的能量 在简谐运动中，振动的过程就是＿＿＿＿能和 ＿＿＿能互相转化的过程。在最大位移处，＿＿最， 大，＿＿为零。在平衡位置处，动能＿＿＿，势能 ＿＿＿；振动系统的机械能＿＿＿。
§11.3 简谐运动的回复力和能量
课堂练习
6．关于弹簧振子做简谐运动时的能量，下列说法正确的 有 （ ABC ） A．等于在平衡位置时振子的动能 B．等于在最大位移时弹簧的弹性势能 C．等于任意时刻振子动能与弹簧弹性势能之和 D．位移越大振动能量也越大
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
kx2
Ek
1 2
mv2
a kx m
EEk Ep
（1）关于平衡位置的 对称点 ①a、F、X大小相同，方向相反； 动能势能相同
②V大小相同，方向不一定 （2）先后通过同一位置
①a、F、X，动能势能相同
②V大小相同，方向相反
3
(多选)在物体做简谐运动的过程中，t1、t2 两时刻物体 分别处在关于平衡位置对称的两点，则从 t1 至 t2 这段时间物
体的( ABD ) X大小相同 → EP相同 → Ek相同
A．t1、t2 两时刻动能一定相同
B．t1、t2 两时刻势能一定相同
C．速度一定先增大，后减小
D．加速度可能先增大，后减小，再增大
Aa
O
bB
振子连续两次通过P位置，下列 各量哪些是相同的？
位移（ √ ） 回复力（ √ ） 加速度（ √ ） 动能（ √ ）
势能（ √ ） 速率（ √ ） 速度（ × ） 动量（ × ）
x
A
O PB
二.简谐运动的能量
简谐运动中动能和势能在发生相互转化，但机械 能的总量保持不变，即机械能守恒。
简谐运动的能量由劲度系数和振幅决定.
E12kA2 12mm2
试画出物体在做简谐运动时的Ek-t和Ep-t及E-t图象
E
机械能
势能
0A O B
证明:平衡状态时有:
KX0 K（X+X0)
mg
mg
F 当向下拉动x长度时弹簧所 受的合外力为
Fk(xx0)-mg kxkx0-mg
kx
振动方向上合力F与位移X 方向相反，故 F= - kx成立， 该振动为简谐运动
分析总结：结合下图完成下表
A
O
B
A
FO B
F
A A－O
O
O－B
B
x 向左最大 向左减小 0
课本第12页第一题
kx 0
mgsin
x O
分析： 沿振动方向有两个力，
弹簧的弹力和重力的分力， 二者的合力提供回复力
设平衡时弹簧的伸长量为x0，则有 mgsinkx0
此时回复力为零，该位置为平衡位置记为O。
若拉长x，则弹力为F∕=k(x0+x)
此时回复力F=F∕-mgsinθ=kx，而F方向与x方向相反。
正确的是( BC)
A．在第 1 s 内，质点速度逐渐增大
B．在第 2 s 内，质点速度逐渐增大
C．在第 3 s 内，动能转化为势能
D．在第 4 s 内，动能转化为势能
A
O
B
FkxEp
1 2
kx2
Ek
1 mv2 2
a kx m
EEk Ep
8
(多选)如下图所示，一弹簧振子在 A、B 间做简谐
运动，平衡位置为 O，已知振子的质量为 M，若振子运动到 B
2.特点: 方向始终指向平衡位置,按力的作用效果命名
.3 来源： 振动方向上的合外力 4.公式： Fkx
5.简谐运动的动力学特点（条件）：
如果质点所受的回复力与它偏离平衡位置的位
移大小成正比，方向相反（始终指向平衡位置）,质点
的运动就是简谐运动。 6.简谐运动的运动学特点：
a kx m
1
如下图所示，对做简谐运动的弹簧振子 m 的受
O
B
F↓
X↓ → V↑
D．振子的加速度逐渐减小
a↓
.简谐运动的特点：
1、回复力与位移成正比而方向相 反，总是指向平衡位置。
2、简谐运动是一种理想化的运动， 振动过程中无阻力，所以振动系 统机械能守恒。
3、简谐运动是一种非匀变速运动。 4、具有往复性，对称性、周期性
简谐振动中的对称关系
FkxEp
1 2
力分析，正确的是( A )
N
F
mg
A．重力、支持力、弹簧的弹力
效果力
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
做一做 证明:竖直悬挂的弹簧振子做简谐运动
证明步骤： 1、找平衡位置 2、找回复力 3、找F=kx 4、找方向关系
做一做 证明:竖直悬挂的弹簧振子做简谐运动
Fkx
a
kx m
O X=0 F=0 a=0 Ep=0 E Ekm
Vm
B Xm Fm am Epm E Ek= 0 V=0
Ep
1 2
kx2
EEk Ep
Ek
1 2
mv2
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( D )
A
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
故 F= - kx成立 该振动为简谐运动
6
(多选)弹簧振子在光滑水平面内做简谐运动的过程中，
下列说法正确的是( BC )
A．在平衡位置时它的机械能最大 B．在最大位移处它的弹性势能最大 C．从平衡位置到最大位移处它的动能减小 D．从最大位移到平衡位置处它的机械能减小
A
O
B
7
(多选)如下图所示是某一质点做简谐运动的图象，下列说法
向右增大 向右最大
v0
向右增大 向右最大 向右减小 0
F、a 向右最大 向右减小 0
向左增大 向左最大
动能 动能为0 动能增大 动能最大 动能减小 动能为0
势能 势能最大 势能减小 势能为0 势能增大 势能最大
总机 械能
不变
A 位移：Xm 回复力：Fm 加速度：am 势能：Epm 总机械能： E 动能：Ek= 0 速度：V=0
复习回顾
1、描述简谐运动的物理量 振幅：描述振动强弱； 周期和频率：描述振动快慢; 相位：描述振动步调. 2、简谐运动的表达式：
xAsi nt ()
第三节 简谐运动的回复力和能量
一.简谐运动的回复力
回复力：振动物体偏离平衡位置后，所受到的
使它回到平衡位置的力。
Fkx
一.简谐运动的回复力
1.定义: 使振子回到平衡位置的力
处时将一质量为 m 的物体放到 M 的上面，且 m 和 M 无相对
运动而一起运动，下述正确的是( ABC )
A．振幅不变
？若在o点轻放m则
B．周期增大
应选（ BD ）
C．最大动能不变
A．2T
B．T
T C.2
T D.4
小结
1、回复力：使振动物体回到平衡位置的力.
2、简谐运动回复力的特点：如果质点所受 的回复力与它偏离平衡位置的位移大小成正 比，方向相反,（始终指向平衡位置）,质点 的运动就是简谐运动。
Fkx
3、简谐运动中动能和势能在发生相互转 化，但机械能的总量保持不变，即机械能 守恒.
动能 t
三.简谐运动中各个物理量的变化规律
从平衡位置开始计时，取向右为正方 向
Fkx
a kx m
4
(多选)物体做简谐运动的过程中，下述物理量中保持不变的
是( AD)
A．振幅
B．动能
C．势能
D．机械能
5
振动的物体都具有周期性，若简谐运动的弹簧振子的周期为 T，
那么它的动能、势能变化的周期为( C )