高中物理第十一章機(jī)械振動第3節(jié)簡諧運動的回復(fù)力和能量選修3-4講解(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第三節(jié) 簡諧運動的回復(fù)力和能量物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面構(gòu)成。教學(xué)目標(biāo)：（一）物理觀念1、理解簡諧運動的運動規(guī)律，掌握在一次全振動過程中位移、回復(fù)力、加速度、速度變化的規(guī)律。2、掌握簡諧運動回復(fù)力的特征。3、對水平的彈簧振子，能定量地說明彈性勢能與動能的轉(zhuǎn)化。（二）科學(xué)思維、科學(xué)探究1、通過對彈簧振子所做簡諧運動的分析，得到有關(guān)簡諧運動的一般規(guī)律性的結(jié)論，使學(xué)生知道從個別到一般的思維方法。2、分析彈簧振子振動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。（三）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教學(xué)用具：CAI課件、水平彈簧振子教

2、學(xué)過程：（一）引入新課教師：前面兩節(jié)課我們從運動學(xué)的角度研究了簡諧運動的規(guī)律，不涉及它所受的力。我們已知道：物體靜止或勻速直線運動，所受合力為零；物體勻變速直線運動，所受合力為大小和方向都不變的恒力；物體勻速圓周運動，所受合力大小不變，方向總指向圓心。那么物體簡諧運動時，所受合力有何特點呢？這節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)簡諧運動的動力學(xué)特征。（二）新課教學(xué)1、簡諧運動的回復(fù)力OAAFF（1）振動形成的原因（以水平彈簧振子為例）問題：（如圖所示）當(dāng)把振子從它靜止的位置O拉開一小段距離到A再放開后，它為什么會在AOA之間振動呢？分析：物體做機(jī)械振動時，一定受到指向中心位置的力，這個力的作用總能使物體回到中心位

3、置，這個力叫回復(fù)力。回復(fù)力是根據(jù)力的效果命名的，對于水平方向的彈簧振子，它是彈力?；貜?fù)力：振動物體受到的總能使振動物體回到平衡位置，且始終指向平衡位置的力，叫回復(fù)力。回復(fù)力是根據(jù)力的作用效果命名的，不是什么新的性質(zhì)的力，可以是重力、彈力或摩擦力，或幾個力的合力，或某個力的分力等。振動物體的平衡位置也可說成是振動物體振動時受到的回復(fù)力為零的位置。形成原因：振子離開平衡位置后，回復(fù)力的作用使振子回到平衡位置，振子的慣性使振子離開平衡位置。（2）簡諧運動的力學(xué)特征問題：彈簧振子振動時，回復(fù)力與位移是什么關(guān)系？分析：由振動過程的分析可知，振子的位移總是相對于平衡位置而言的，即初位置是平衡位置，位移可以

4、用振子的位置坐標(biāo)x來表示，方向始終從平衡位置指向外側(cè)。回復(fù)力的方向始終指向平衡位置，因而回復(fù)力的方向與振子的位移方向始終相反。對水平方向的彈簧振子來說，回復(fù)力就是彈簧的彈力。在彈簧發(fā)生彈性形變時，彈簧振子的回復(fù)力F跟振子偏離平衡位置的位移x成正比，即 F=-kx式中F為回復(fù)力，x為偏離平衡位置的位移，k是勁度系數(shù)，負(fù)號表示回復(fù)力與位移的方向總相反。理論研究表明，如果質(zhì)點所受的力與它偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置，質(zhì)點的運動就是簡諧運動。做簡諧運動的質(zhì)點，回復(fù)力總滿足F=-kx的形式。式中k是比例常數(shù)。這就是簡諧運動的動力學(xué)特征。2、簡諧運動的能量振動具有周期性和重復(fù)性，在振動

5、過程中，相關(guān)物理量的變化情況分析，只需分析一個循環(huán)即可。（用CAI課件模擬彈簧振子的振動，分別顯示分析x、F、a、v、Ek、Ep、E的變化情況）觀察振子從AOAOA的一個循環(huán)，這一循環(huán)可分為四個階段：AO、OA、AO、OA，分析在這四個階段中上述各物理量的變化，并將定性分析的結(jié)論填入表格中。分析：彈簧振子由AO的變化情況分步討論彈簧振子在從AO運動過程中的位移、回復(fù)力、加速度、速度、動能、勢能和總能量的變化規(guī)律。從A到O運動中，位移的方向如何?大小如何變化?由A到O運動過程中，位移方向由OA，隨著振子不斷地向O靠近，位移越來越小。從A到O運動過程中，小球所受的回復(fù)力有什么特點?小球共受三個力：

6、彈簧的拉力、桿的支持力和小球的重力，而重力和支持力已相互平衡，所以回復(fù)力由彈簧彈力提供。所以從AO過程中，據(jù)胡克定律得到：物體所受的合力變小，方向指向平衡位置。從A到O運動過程中，振子的加速度方向如何?大小如何變?據(jù)牛頓第二定律得，小球從A到O運動過程中，加速度變小，方向指向平衡位置。從AO過程中，速度方向如何?大小如何變化?因為物體的速度方向與運動方向一致，從A到O運動過程中，速度方向是從A O。隨著振子不斷地向O靠近，彈簧勢能轉(zhuǎn)化為動能，所以小球的速度越來越大。從A O過程中，動能大小如何變化?動能是標(biāo)量，從A O，大小變化是越來越大。從A O過程中，勢能大小如何變化?勢能是標(biāo)量，從A O

7、，大小變化是越來越小。從A O過程中，總能量大小如何變化?因不考慮各種阻力，因而振動系統(tǒng)的總能量守恒。（讓學(xué)生討論分析振子從OA ，從A O，從OA的運動情況，要求學(xué)生填寫表格，并檢查所填內(nèi)容是否正確）振子的運動AOOAAOOA對O點位移的方向怎樣？大小如何變化？向右減小向左增大向左減小向右增大回復(fù)力的方向怎樣？大小如何變化？向左減小向右增大向右減小向左增大加速度的方向怎樣？大小如何變化？向左減小向右增大向右減小向左增大速度的方向怎樣？大小如何變化？向左增大向左減小向右增大向右減小振子的動能增大減小增大減小彈簧的勢能減小增大減小增大系統(tǒng)總能量不變不變不變不變總結(jié)：回復(fù)力的方向始終指向平衡位置，

8、加速度的方向與回復(fù)力的方向相同，也始終指向平衡位置?；貜?fù)力、加速度的方向總是與位移方向相反。速度方向與位移方向有時一致，有時相反；速度方向與回復(fù)力、加速度的方向也是有時一致，有時相反。因而速度的方向與其它各物理量的方向間沒有必然聯(lián)系。在四個階段中，x、F、a、v、Ek、Ep、E的大小變化可分為兩組，x、F、a、Ep為一組， v、Ek為另一組，每組中各量的變化步調(diào)一致，兩組間的變化步調(diào)相反。整個過程中總能量保持不變。當(dāng)物體向著平衡位置運動時，a、v同向，振子做變加速運動，此時x F a Ep v Ek當(dāng)物體遠(yuǎn)離平衡位置運動時，a、v反向，振子做變減速運動，此時x F a Ep v Ek在平衡位置的兩側(cè)，距平衡位置等距離的點，各量的大小對應(yīng)相等，振子的運動具有對稱性。在上述各量中矢量變化的周期是標(biāo)量變化周期的兩倍。特別說明：以上分析是在忽略摩擦等阻力的條件下進(jìn)行的。實際的運動都具有一定的能量損耗，（三）課堂小結(jié)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道了：1.振動物體都具有能量，能量的大小與振幅有關(guān)。振幅越大，振動的能量也越大。2.對簡諧運動而言，振動系統(tǒng)一旦獲得一定的機(jī)械能，