(2)在摆角很小时,sin θ≈θ=,G1=Gsin θ=x,G1方向与摆球位移方向相反,所以回复力表示为F回=-G1=-.令k=,则F回=-kx.因此,在摆角θ很小时,单摆做简谐运动.(摆角一般不超过5°)
2.单摆做简谐运动的规律:单摆做简谐运动的位移随时间变化的图象是一条正弦(或余弦)曲线.回复力、加速度、速度、动能、势能都随时间做周期性变化,其变化规律与弹簧振子相同.例如当摆球到达最低点(平衡位置)时,位移、回复力、水平加速度都等于零,而速度、动能都最大,而到达最高点(最大位移处)时,位移、回复力都最大,速度、动能都等于零.
(1)单摆振动的回复力为摆球重力沿圆弧切线方向的分力,回复力不是摆球所受的合外力.
(2)摆球经过平衡位置时,回复力为零,沿圆弧切线方向的加速度为零,但合外力和向心加速度都不等于零.
(3)单摆的摆动不一定都是简谐运动,只有单摆做小角度(摆角小于5°)摆动时才认为是简谐运动.
一单摆做小角度摆动,其振动图象如图所示,以下说法正确的是( )
A.t1时刻摆球速度最大,摆球的回复力最大
B.t2时刻摆球速度为零,悬线对它的拉力最小
C.t3时刻摆球速度为零,摆球的回复力最小
D.t4时刻摆球速度最大,悬线对它的拉力最大
[解析] t1、t3时刻,摆球位移最大,速度为零,由F=-x知,回复力最大,故A、C错误;t2、t4时刻,摆球通过平衡位置,速度最大,线的拉力最大,故B错误,D正确.
[答案] D
关于单摆的回复力的三点提醒
(1)单摆振动中的回复力不是它受到的合力,而是重力沿圆弧切线方向的一个分力.单摆振动过程中,有向心力,这是与弹簧振子不同之处.
(2)在最大位移处时,因速度为零,所以向心力为零,故此时合力也就是回复力.