物体做简谐运动的判定有以下几种:

解决问题的思路:
1.尝试列出运动方程,看是否与简谐运动方程在形式上一致;
2.尝试写出受力情况,看是否与简谐运动受力形式一致;
3.在“机械能守恒”情况下尝试写出势能的表达式,看是否与简谐运动的一致。
高级班试题第1题:
如图,竖直的光滑墙面上有A和B两个钉子,二者处于同一水平高度,间距为l,有以原长为l、劲度系数为k的轻橡皮筋,一端固定在A,另一端系一质量为m=kl/(4g)的小球,其中g为重力加速度。钉子和小球都可视为质点,小球和任意物体碰撞都是完全非弹性碰撞球儿不发生粘连。现将小球由水平向右拉伸到与A距离2l的C点,B钉恰好处于橡皮筋下面并始终与之光滑接触。初始时刻小球获得大小为
、方向竖直向下的速度,试确定此后小球沿竖直方向的速度为零的时刻。
解析:
首先受力分析并列出牛顿定律(水平、竖直方向正交分解,以B点为坐标原点)

可以看出在水平、竖直方向分别满足简谐运动规律(竖直方向以
位置为平衡位置)。现只考虑竖直方向,则在最低处竖直方向速度为零。

得速度:

将初始条件带入:

解得结果为:



当
时,解得:

下面判断是否会出现碰撞问题(小球与钉子A或B等高时)
此时

解得:

此后小球在竖直方向做简谐运动,水平方向无运动。

批改中出现的问题:
虽然本题是考试的第一题,但是得分情况很不好。大部分孩子做这道题出现在思路上没有突破口,上来就尝试书写运动方程,但是没有运用正确的正交分解,而且写出机械能守恒定律的表达式却不知如何进一步使用。本题的正确且明朗的思路是:根据题目所要求的内容(竖直方向速度为0)获得在竖直方向分析的思路,从而知道在竖直方向和水平方向进行正交分解。
拓展与在高考中(高中常规内容考查)中的应用:
涉及橡皮筋内容,在高考题中常见将其在两个特定方向(轨迹是直线)分解,其中一个方向的分力不变(从而物块与接触面的正压力也不变,滑动摩擦力不变),在另一个方向的弹力与该方向的位移成正比,与本题思路相同。
拓展二:
从能量角度:在平衡位置附近,系统的势能可以用泰勒展开公式写成:

因为是以平衡位置为位移的起点,即
,故在平衡位置处小范围简谐振动,
其中

如果也能够将动能表达出来,

下面是中级班第6题:
一边长为a的菱形,其各边间通过铰链连接,四个顶点处可视为质量为m、电荷量为q的相同质点。忽略其他部分的质量,忽略摩擦。
(1)当菱形的顶角(锐角)多大时,该体系的电势能最小
(2)若体系初始顶角略偏离静电势能最小的情况,则之后体系会周期变化,求其变化周期。
解析:
设其顶角(锐角)为θ,则体系的电势能为:

求势能对顶角的导数:

解得:

对其在
处求二阶导数得结果为正,故最小势能时顶角为
,此时

(3)

该处的动能为:

以角位移、角速度为对应位移和速度,则有

(在理论力学中,有用广义坐标来表示能量,用所谓的拉格朗日方程解决小振动问题,可以近似理解为本题所谓的对应关系)
本题有从力角度的分析结果,此处不赘述。
夜雨聆风