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。
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