19.簡諧運(yùn)動是一種理想化的運(yùn)動模型,是機(jī)械振動中最簡單、最基本的振動。它具有如下特點(diǎn):
①簡諧運(yùn)動的物體受到回復(fù)力的作用,回復(fù)力F
回的大小與物體偏離平衡位置的位移x成正比,回復(fù)力的方向與物體偏離平衡位置的位移方向相反,即:F
回=-kx,其中k為振動系數(shù),其值由振動系統(tǒng)決定;
②簡諧運(yùn)動是一種周期性運(yùn)動,其周期與振動物體的質(zhì)量的平方根成正比,與振動系統(tǒng)的振動系數(shù)的平方根成反比,而與振幅無關(guān),即:T=2π
。
試論證分析如下問題:
(1)如圖甲,擺長為L、擺球質(zhì)量為m的單擺在AB間做小角度的自由擺動,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。
a.當(dāng)擺球運(yùn)動到P點(diǎn)時(shí),擺角為θ,畫出擺球受力的示意圖,并寫出此時(shí)刻擺球受到的回復(fù)力F
回大?。?br />b.請結(jié)合簡諧運(yùn)動的特點(diǎn),證明單擺在小角度擺動時(shí)周期為T=2π
。
(提示:用弧度制表示角度,當(dāng)角θ很小時(shí),sinθ≈θ,θ角對應(yīng)的弧長與它所對的弦長也近似相等)
(2)類比法、等效法等都是研究和學(xué)習(xí)物理過程中常用的重要方法。長為L的輕質(zhì)絕緣細(xì)線下端系著一個(gè)帶電量為+q,質(zhì)量為m的小球。將該裝置處于場強(qiáng)大小為E的豎直向下的勻強(qiáng)電場中,如圖乙所示;將該裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場中,如圖丙所示。帶電小球在乙、丙圖中均做小角度的簡諧運(yùn)動,請分析求出帶電小球在乙、丙兩圖中振動的周期。
(3)場是物理學(xué)中重要的概念,除了電場和磁場,還有引力場。物體之間的萬有引力就是通過引力場發(fā)生作用的,地球附近的引力場叫做重力場。
a.類比電場強(qiáng)度的定義方法,定義“重力場強(qiáng)度”,并說明兩種場的共同點(diǎn)(至少寫出兩條)
b.類比電場中的電場線,在圖丁地球周圍描繪出“重力場線”。