物理学中,力与运动关系密切,而力的空间积累效果——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

,且在下列情境中,均不计空气阻力。
(1)劲度系数为

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

,以竖直向下为正方向建立坐标轴

,如图所示,用

表示小物块由平衡位置向下发生的位移。求小物块的合力

与

的关系式,并据此说明小物块的运动是否为简谐运动;

(2)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,推到小物块振动位移为

时系统总势能

的表达式。
(3)如图所示为理想单摆,摆角

最够小,可认为是简写运动。其平衡位置记为

点。若已知摆球的质量为

,摆长为

,在偏角很小时,摆球对于

点的位移

的大小与

角对应的弧长、弦长都近似相等,即近似满足:

。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

的表达式。
