简谐运动的特征
1.动力学特征
F=-kx,“-”表示回复力的方向与位移方向相反,k是比例系数,不一定是弹簧的劲度系数。
2.运动学特征
做简谐运动的物体加速度与物体偏离平衡位置的位移大小成正比而方向相反,为变加速运动,远离平衡位置时,x、F、a、Ep均增大,v、Ek均减小,靠近平衡位置时则相反。
3.周期性特征
相隔nT(n为正整数)的两个时刻,物体处于同一位置且振动状态相同。
4.对称性特征
(1)时间对称性:相隔T/2或(2n 1)T/2(n为正整数)的两个时刻,物体位置关于平衡位置对称,位移、速度、加速度大小相等、方向相反。如图甲所示:
O为平衡位置,A、B为振子偏离平衡位置最大位移处,振子t时刻在C点,t+(2n 1)T/2时刻运动到D点,则位移xD=-xC,速度vD=-vC,加速度aD=-aC。
(2)空间对称性:如图乙所示,振子经过关于平衡位置O对称的两点P、P′(OP=OP′)时,速度的大小、动能、势能相等,相对于平衡位置的位移大小相等。
此外,振子由P到O所用时间等于由O到P′所用时间,即tPO=tOP′。振子往复过程中通过同一段路程(如OP段)所用时间相等,即tOP=tPO。
5.能量特征
简谐运动的能量包括动能Ek和势能Ep,简谐运动过程中,系统动能与势能相互转化,系统的机械能守恒。
例 (2021·河北高考)如图,一弹簧振子沿x轴做简谐运动,振子零时刻向右经过A点,2 s时第一次到达B点。已知振子经过A、B两点时的速度大小相等,2 s内经过的路程为5.6 m,则该简谐运动的周期为________ s,振幅为________ m。