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简谐运动中弹簧振子周期公式的证明

2016-11-11张晓琳

中学物理·高中 2016年10期
关键词:匀速圆周弹簧投影

张晓琳

高考越来越注重对基本知识、基本规律的考查,如:2015年北京卷23.(1)、2014年北京卷24.(1)、2013年北京卷24.(1)b等.我们复习时不能再是只通过做题来回顾知识,而是要把做题的时间省出来一些,去思考和自己推导学习到的概念和模型,真正通过思考与推导变成自身的理解.

但高中物理中有些公式或结果是直接给出而没有推导或证明过程的,如简谐运动中弹簧振子的周期公式T=2πmk等.那么,此问题真的不能用中学的方法证明吗?其实不然,下面我就用中学所学的方法证明之.

1参考圆的建立

简谐运动:

(1)动力学特征:F=-kx,a=Fm=-kmx.

(2)参考圆:由实验可得,做匀速圆周运动的质点(弹簧振子m)在其直径上的投影的运动,是以圆心O为平衡位置的简谐运动.通常称这样的圆为参考圆,半径大小为简谐运动振幅A.

2证明过程

方法一利用机械能守恒定律.

既然匀速圆周运动在x轴的投影为简谐运动,那么振子从P点经时间t运动到任意一点N的线速度v的水平速度v2,与N到x轴的投影M的速度vM大小相等,方向相同.

方法二利用简谐振动方程求解,如图2所示.

匀速圆周运动在x轴的投影为简谐运动,那么振子从P点经时间t运动到任意一点N到x轴的投影为M点.

若规定沿x轴方向为正方向,则M点的位移方程——(x是对平衡位置的位移)

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