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探究一对单摆的回复力及运动特征的理解【情境探究】如图所示,一根细线上端固定,下端连接一个金属小球,用手使小球偏离竖直方向一个夹角,然后释放。(1)小球受到哪些力的作用?(2)什么力提供向心力?(3)什么力提供回复力?要点提示(1)小球受细线的拉力和重力作用。(2)细线的拉力和重力沿径向的分力的合力提供向心力。(3)重力沿圆弧切线方向的分力提供小球振动的回复力。【知识归纳】1.运动规律摆球以悬点为圆心做变速圆周运动,也是以平衡位置为中心的机械振动。2.受力规律(1)在运动过程中只要v≠0,沿半径方向的力的合力不为0,提供向心力。(2)在运动过程中只要不在平衡位置,小球一定受回复力,即重力沿圆弧切线方向的分力。(3)在平衡位置,回复力为零,小球的合力并不为零,合力提供圆周运动的向心力。3.单摆做简谐运动的条件如图所示,在摆角很小时,摆球相对O点的位移x的大小与θ角考虑力F的方向与位移x的方向相反,所以有F=-kx。因此,在摆角θ很小时,单摆做简谐运动。闪光语录单摆的摆动不一定都是简谐运动,只有单摆做小角度摆动时才认为是简谐运动。【应用体验】例题1(多选)关于单摆摆球在运动过程中的受力,下列结论正确的是(AC)A.摆球受重力、摆线的拉力作用B.摆球受重力、摆线的拉力、回复力作用C.摆球的回复力为零时,向心力最大D.摆球的回复力最大时,摆线中的拉力大小比摆球的重力大解析单摆在运动过程中,摆球受重力和摆线的拉力,重力沿圆弧切线的分力提供回复力,故A正确,B错误;在平衡位置处,回复力为零,速度最大,向心力F向=最大,C正确;当回复力最大时,摆球在最大位移处,速度为零,向心力为零,则拉力等于重力沿半径方向的分力,即拉力小于重力,D错误。技巧点拨解决单摆回复力问题的关键解决单摆回复力问题时,一定要分清物体的受力、回复力、向心力之间的关系。针对训练1下列有关单摆运动过程中的受力,说法正确的是(B)A.单摆运动的回复力是重力和摆线拉力的合力B.单摆运动的回复力是重力沿圆弧切线方向的分力C.单摆经过平衡位置时合力为零D.单摆运动的回复力是摆线拉力的一个分力解析单摆运动是在一段圆弧上运动,因此单摆运动过程不仅有回复力,而且有向心力,即单摆的合外力提供向心力,故选项A错误;单摆的回复力是重力沿圆弧切线方向的分力,而不是摆线拉力的分力,故选项B正确,D错误;单摆经过平衡位置时,回复力为零,向心力最大,故其合外力不为零,所以选项C错误。探究二对单摆周期公式的理解及应用【情境探究】假设将一个摆钟(如图所示)带到空间站内,则该摆动的钟摆周期如何变化?要点提示在空间站内钟摆完全失重,回复力为零,等效值g=0,钟摆不摆动。【知识归纳】1.周期公式的成立条件当单摆做偏角很小的振动时,才有T=2π,与单摆的振幅及摆球的质量无关,只与摆长l及单摆所在处的重力加速度g有关。2.对摆长l的理解对于不规则的摆动物体或复合物体,摆长是指摆动轨迹圆弧的圆心到摆动物体重心的长度。图(a)中,摆球半径为r,甲、乙两摆在垂直纸面方向摆起来效果是相同的,所以甲摆的摆长为lsinα+r。图(b)中,乙在垂直纸面方向摆动时,与甲摆等效;乙在纸面内小角度摆动时,与丙摆等效。3.影响g的主要因素只处于重力场中的单摆,周期公式中的g由单摆所在的空间位置决定,即g=,其中M为地球质量,R为到地心的距离。【应用体验】例题2如图所示,长为l的细绳下方悬挂一小球a,绳的另一端固定在天花板上O点处,在O点正下方l的O处有一固定细铁钉。将小球向右拉开,使细绳与竖直方向成一小角度(约为2°)后由静止释放,并从释放时开始计时,当小球a摆至最低位置时,细绳会受到铁钉的阻挡。设小球相对于其平衡位置的水平位移为x,向右为正。下列图像能描述小球在开始一个周期内的x-t关系的是(A)规律方法单摆模型及问题的分析与解答(1)单摆模型指符合单摆规律的运动模型。满足条件:①圆弧运动。②小角度摆动。③回复力F=-kx。(2)首先确认符合单摆模型的条件,然后寻找等效摆长l及等效重力加速度g,最后利用公式T=2π或简谐运动规律分析、解答。针对训练2如图所示,小球(大小不计)在光滑的半径R较大的圆周上AB两点间来回做小幅度(θ很小)的圆周运动,当地重力加速度为g,求小球从A运动到B的时间。解析小球受重力、支持力,重力沿圆弧切线的分力提供回复力,由于θ很小,所以题中装置可等效为单摆,小球在A、B间做简谐运动,学以致用?随堂检测全达标1.(多选)振动着的单摆,经过平衡位置时(CD)A.回复力指向
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