Question

9．如圖1所示，用一根不可伸長的輕質(zhì)細線將小球懸掛在天花板上的O點，現(xiàn)將小球拉離平衡位置，使細線與豎直方向成一夾角（該夾角小于5°）后由靜止釋放．小球的大小和受到的空氣阻力忽略不計．
（1）證明小球的運動是簡諧運動；
（2）由傳感器測得小球偏離平衡位置的位移隨時間變化的規(guī)律如圖2所示，求小球運動過程中的最大速度值．

Answer 1

分析 （1）簡諧運動的特征是F=-kx．單擺的回復力是重力沿圓弧切線方向的分力，在擺角θ＜5°，sinθ≈$\frac{x}{L}$，得到單擺的回復力與位移的關系式，即可證明．
（2）由圖2可得到擺球的振幅A=0.08m，周期T=2s．根據(jù)單擺的周期公式救出擺長，由機械能守恒得最大速度．

解答 解：（1）設小球偏角為θ時離開平衡位置的位移為x，擺長為L，θ＜5°，則：
  x=θL
  sinθ≈θ
小球受到的回復力大小：F=mgsinθ
聯(lián)立解得：$F=\frac{mg}{L}x$
且因F與x方向相反，故有F=-$\frac{mg}{L}$x，則小球做簡諧運動．
ⅱ．由圖2可知擺球的振幅A=0.08m，周期T=2s   
以擺球為研究對象：由周期公式：$T=2π\(zhòng)sqrt{\frac{L}{g}}$
由機械能守恒：$mgL（1-cosθ）=\frac{1}{2}mv_{max}^2$
由三角函數(shù)知識：$1-cosθ=2{sin^2}\frac{θ}{2}≈\frac{θ^2}{2}$
由圓的知識：$θ=\frac{A}{L}$
聯(lián)立解得：$v_{max}^{\;}=0.08πm/s$
答：
（1）證明見上．
（2）小球運動過程中的最大速度值為0.08πm/s．

點評 解決本題的關鍵要關鍵掌握簡諧運動的特征，圍繞這個特征分析單擺的回復力與位移的關系，從而進行證明．