人教版高中物理必修34讲义资料复习补习资料03简谐运动的回复力和能量单摆提高.docx
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人教版高中物理必修34讲义资料复习补习资料03简谐运动的回复力和能量单摆提高
简谐运动的回复力和能量、单摆
【学习目标】
1.掌握简谐运动的动力学特征,明确回复力的概念。
2.知道简谐运动是一种没有能量损耗的理想情况。
3.理解简谐运动过程中位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化情况。
4.知道什么是单摆。
5.理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动。
6.知道单摆的周期跟什么因素有关,了解单摆的周期公式,并能用来进行有关的计算。
【巩固练习】
一、选择题
1.简谐运动的回复力().
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
2.关于振幅,以下说法中正确的是().
A.物体振动的振幅越大,振动越强烈
B.一个确定的振动系统,振幅越大振动系统的能量越大
C.振幅越大,物体振动的位移越大
D.振幅越大,物体振动的加速度越大
3.做简谐运动的振子每次通过同一位置时,相同的物理量是().
A.速度B.加速度C.位移D.动能
4.(2019福建期末)一个弹簧振子沿x轴做简谐运动,取平衡位置O为x轴坐标原点.从某时刻开始计时,经过四分之一周期,振子具有沿x轴正方向的最大加速度.能正确反映振子位移x与时间t关系的图像是( )
5.汽车在凹凸不平的道路上前进,车厢上下振动.若在某段时间内,车厢做简谐运动.你坐在车厢内,则车厢振动到何位置时,你感到车座对你的支持力最大().
A.当振动到最低点时B.当振动到最高点时
C.当向上振动经过平衡位置时D.当向下振动经过平衡位置时
6.(2019石家庄校级月考)如图所示,弹簧振子在振动过程中,振子从a到b历时0.2s,振子经a、b两点时速度相同,若它从b再回到a的最短时间为0.4s,则该振子的振动频率为( )
A.1HzB.1.25HzC.2HzD.2.5Hz
7.甲、乙两弹簧振子,振动图像如图所示,则可知().
A.两弹簧振子完全相同
B.两弹簧振子所受回复力最大值之比F甲∶F乙=2∶1
C.振子甲速度为零时,振子乙速度最大
D.振子的振动频率之比,甲∶乙=1∶2
8.做简谐运动的弹簧振子,振子质量为m,最大速率为v,则下列说法中正确的是().
A.从某时刻算起,在半个周期的时间内,回复力做的功一定为零
B.从某时刻算起,在半个周期的时间内,回复力做的功可能是零到
之间的某一个值
C.从某时刻算起,在半个周期的时间内,速度变化量一定为零
D.从某时刻算起,在半个周期的时间内,速度变化量的大小可能是零到2v之间的某一个值
9.如图所示,弹簧上面固定一质量为m的小球,小球在竖直方向上做振幅为A的简谐运动,当小球振动到最高点时弹簧正好为原长,则小球在振动过程中().
A.小球最大动能应等于mgA
B.弹簧的弹性势能和小球动能总和保持不变
C.弹簧最大弹性势能等于2mgA
D.小球在最低点时的弹力大于2mg
10.如图所示,光滑槽的半径R远大于小球运动弧长.今有两个小球(视为质点)同时由静止释放,其中甲球开始时离圆槽最低点O点远些,则它们第一次相遇的地点在().
A.O点B.O点偏左C.O点偏右D.无法确定,因为两小球质量关系未定
11.如图所示,用绝缘细丝线悬吊着的带正电小球在匀强磁场中做简谐运动,则().
A.当小球每次通过平衡位置时,动能相同
B.当小球每次通过平衡位置时,速度相同
C.当小球每次通过平衡位置时,丝线拉力相同
D.撤去磁场后,小球摆动周期变大
12.一个单摆,在第一个行星上的周期为T1,在第二个行星上的周期为T2,若这两个行星的质量之比为M1∶M2=4∶1,半径之比R1∶R2=2∶1,则().
A.T1:
T2=1∶1B.T1∶T2=4∶1
C.T1:
T2=2∶1D.T1∶T2=1∶2
13.如图所示,三根细线于O点处打结,A、B端固定在同一水平面上相距为三的两点上,使AOB成直角三角形,∠BAO=30°,已知OC线长是L,下端C点系着一个小球(直径可忽略).下列说法中正确的是().
A.让小球在纸面内摆动,周期
B.让小球在垂直纸面方向摆动,其周期
C.让小球在纸面内摆动,周期
D.让小球在垂直纸面内摆动,周期
二、填空题
14.(2019扬州高三测试)一根轻绳一端系一小球,另一端固定在O点,制成单摆装置.在O点有一个能测量绳的拉力大小的力传感器,让小球绕O点在竖直平面内做简谐振动,由传感器测出拉力F随时间t的变化图像如图所示,则小球振动的周期为s,此单摆的摆长为m(重力加速度g取10m/s2,取π2≈10).
15.有五组同学用单摆测定重力加速度,各组的实验器材、数据如下表所示.若各组同学实验操作水平一样,那么第________组同学测定的结果最准确.若该组同学根据自己测得的实验数据作出单摆的振动图像,如图所示,那么该同学测出的重力加速度大小是________m/s2.
组制
摆球材料
最大偏角
摆长
测全振动次数
1
木
10°
0.40m
10
2
铝
10°
0.50m
20
3
铜
12°
0.60m
30
4
铁
11°
0.80m
40
5
铝
8°
0.80m
50
16.如图所示为一单摆及其振动图像,根据图回答:
(1)单摆的振幅为________,频率为________,摆长约为________;图中所示周期内位移x最大的时刻为________.
(2)若摆球从E指向G为正方向,
为最大摆角,则图像中O、A、B、C点分别对应单摆中________点.一周期内加速度为正且减小,并与速度同方向的时间范围是一势能增加且速度为正的时间范围是________。
(3)单摆摆球多次通过同一位置时,下述物理量变化的是________.
A.位移B.速度C.加速度D.动量E.动能F.摆线张力
(4)当在悬点正下方O'处有一光滑水平细钉可挡住摆线,且
,则单摆周期为________s,挡后绳张力________。
三、解答题
17.一轻弹簧直立在地面上,其劲度系数为k=400N/m,弹簧的上端与盒子A连接在一起,盒子内装物体B,B的上、下表面恰与盒子接触,如图所示,A和日的质量mA=mB=1kg,g取10m/s2,不计阻力,先将A向上抬高使弹簧伸长5cm后从静止释放.A和B一起做上下方向的简谐运动,已知弹簧的弹性势能决定于弹簧的形变大小,试求:
(1)盒子A的振幅;
(2)物体B的最大速率;
(3)当A、B的位移为正的最大和负的最大时,A对B的作用力的大小分别是多少?
18.有一单摆在地面上一定时间内振动了N次,将它移到某高山上,在相同时间内振动了(N-1)次,由此可粗略地推算出此山的高度约为地球半径的多少倍?
【答案与解析】
一、选择题
1.【答案】D
【解析】由F=-kx可知,由于位移的大小和方向在变化,因此回复力的大小和方向也在变化,一定是变力.
2.【答案】A、B
【解析】物体振动的能量由振幅来表示.振幅越大,振动能量越大,振动越强烈.因此A、B两项正确.振幅是质点离开平衡位置的最大距离,与位移无关.而加速度随时间时刻变化,所以C、D两项不正确.
3.【答案】B、C、D
【解析】振子通过同一位置时,位移、加速度的大小和方向都相同.速度的大小相同,但方向不一定相同,因此B、C、D三项正确.
4.【答案】A
【解析】根据F=-kx及牛顿第二定律得
,当振子具有沿x轴正方向的最大加速度时,其具有沿x轴负方向的最大位移,故选项A正确,选项B、C、D错误.
5.【答案】A
【解析】车厢和人在竖直方向做简谐运动时,运动到最低点,加速度向上且最大.由FN-mg=ma,可知FN=mg+ma,FN最大.而在平衡位置时FN-mg=0,FN=mg.在最高点时,加速度方向向下,FN<mg.
6.【答案】B
【解析】由简谐运动的对称性可知,tOb=0.1s,tbc=0.1s,故
,解得T=0.8s,
,选项B正确.
7.【答案】C、D
【解析】由题图可知f甲∶f乙=1∶2,因此振子不相同,A项错误,D项正确.由题图可知C正确.因F甲=k甲A甲,F乙=k乙A乙,由于k甲和k乙关系未知,因此无法判断F甲∶F乙=2∶1,所以B项不正确.
8.【答案】A、D
【解析】相距半个周期的两个时刻,速度的大小相等,方向相反.因此由
可知,A项正确,B项错误.由于在开始计时时速度的大小未知,由Δv=v1-(-v1)=2v1,0≤v1≤v可知,C项错误,D项正确.
9.【答案】C
【解析】小球平衡位置kx0=mg,
当到达平衡位置时,有
,A错.机械能守恒,是动能、重力势能和弹性势能之和保持不变,B错.从最高点到最低点,重力势能全部转化弹性势能Ep=2mgA,最低点加速度大小等于最高点加速度g,据牛顿第二定律F-mg=mg,F=2mg.D错.
10.【答案】A
【解析】由于半径R远大于运动的弧长,所以可以认为小球做简谐运动,其周期都为
,与位移的大小无关.同时到达O点,A项正确.
11.【答案】A
【解析】小球在磁场中运动时,由于洛伦兹力不做功,所以机械能守恒.运动到最低点,小球的速度大小相同,但方向可能不同,A项正确,B项错误.小球左、右通过最低点,向心力相同,洛伦兹力方向相反,所以拉力不同,C项不正确.由于洛伦兹力不提供回复力,因此有无磁场,不影响振动周期,D项错误.
12.【答案】A
【解析】单摆的周期公式为
,同一单摆即有
.又根据万有引力定律
,有
,因此
,故
,故A项正确.
13.【答案】A
【解析】让小球在纸面内摆动,在摆角很小时,单摆以O点为悬点,摆长为L周期为
。
让小球在垂直纸面内摆动,摆球以OC的延长线与AB的交点为中心摆动,摆长为
,周期为
,选项A正确.
二、填空题
14.【答案】
、
【解析】因为一个周期内两次经过平衡位置,经过平衡位置时拉力最大,可知小球的周期为
,
根据:
,得摆长为:
15.【答案】59.74
【解析】第5组同学的单摆摆长适当,偏角小于10°,振动次数较多,误差最小.从振动图像上知T=1.80s,代入公式
,得g=9.74m/s2.
16.【答案】
(1)3cm0.5Hz1m0.5s末和1.5s末
(2)E、G、E、F1.5~2.0s间0~0.5s间
(3)B、D(4)1.5变大
【解析】(4)放钉后改变了摆长.因此单摆周期应分成钉左侧的半个周期,前已求出摆长为1m,所以
;钉右侧的半个周期,
,所以T=t左+t右=1.5s.由受力分析,张力
,因为钉挡绳前后瞬间摆球速度不变,球重力不变,挡后摆线长为挡前的
,所以挡后绳张力变大.
三、解答题
17.【答案】见解析
【解析】
(1)振子在平衡位置时,所受合力为零,设此时弹簧被压缩Δx,则有:
kΔx=(mA+mB)g,
.开始释放时振子处在最大位移处,故振幅A=5cm+5cm=10cm.
(2)由于开始时弹簧的伸长量恰好等于振子在平衡位置时弹簧的压缩量,故弹性势能相等,设振子的最大速率为v,从开始运动到达到平衡位置,应用机械能守恒定律,有
,
.
(3)在最高点,振子受到的重力和弹力方向相同,由牛顿定律得:
(mA+mB)a1=kΔx+(mA+mB)g,a1=20m/s2,方向向下,A对B的作用力方向向下,大小F1=mB(a1-g)=10N;在最低点由简谐运动的对称性有:
a2=20m/s2,方向向上,A对B的作用力方向向上,且F2-mBg=mAa2得,F2=mB(g+a2)=30N.
18.【答案】见解析
【解析】设时间为t,在地面上单摆的周期为
,在高山上,单摆的周期为
。
设地面处的重力加速度为g,高山上的重力加速度为g',由单摆的周期公式可推得
.设高山的高度为h,由万有引力定律得
,
,所以
.山高为
,即山高为地球半径的
倍。