2.
物理学中,力与运动关系密切,而力的空间累积效果——做功,又是能量转化的量度。因此我们研究某些运动时,可以先分析研究对象的受力特点,进而分析其能量问题。已知重力加速度为g,且在下列情境中,均不计空气阻力。
(1)劲度系数为k1的轻质弹簧上端固定,下端连一可视为质点的小物块,若以小物块的平衡位置为坐标原点O,以竖直向下为正方向建立坐标轴Ox,如图所示,用x表示小物块由平衡位置向下发生的位移。
a.求小物块的合力F与x的关系式,并据此说明小物块的运动是否为简谐运动;
b.系统的总势能为重力势能与弹性势能之和。请你结合小物块的受力特点和求解变力功的基本方法,以平衡位置为系统总势能的零势能参考点,推导小物块振动位移为x时系统总势能EP的表达式。
(2)图所示为理想单摆,摆角θ足够小,可认为是简谐运动。其平衡位置记为O'点。
a.若已知摆球的质量为m,摆长为L,在偏角很小时,摆球对于O'点的位移x'的大小与θ角对应的弧长、弦长都近似相等,即近似满足:sinθ≈。请推导得出小球在任意位置处的回复力与位移的比例常数k2的表达式;
b.若仅知道单摆的振幅A,及小球所受回复力与位移的比例常数k2 , 求小球在振动位移为时的动能Ek(用A和k2表示)。