- 简谐运动的回复力和能量
- 共867题
如图所示,在倾角为30°(斜面光滑且足够长)的固定斜面上端用长l0=20cm、劲度系数为k=100N/m的弹簧连接质量均为1kg的物体,A放在B上,将物块从弹簧长度为25cm处由静止开始释放,A、B两物块在以后的运动中一直没有发生相对滑动.
(1)求物块处于平衡位置时弹簧的长度;
(2)从动力学角度证明物块做简谐运动;
(3)当沿斜面向上运动到弹簧长度为28cm时物体A所受摩擦力的大小和方向
(4)整个运动过程中物体A所受摩擦力的最大值为多少.
正确答案
解析
解:(1)物块处于平衡位置时合力为零,则有
2mgsin30°=k(l-l0)
代入得:2×1×10×0.5=100×(l-0.2)
解得 l=0.3m
(2)设AB整体在斜面上平衡时,弹簧伸长量为△l,有:
2mgsin30°-k△l=0
解得:△l=.
当物块的位移为x时,弹簧伸长量为x+△l,整体所受合力为:
F合=2mgsinα-k(x+△l)
联立以上各式可得:F合=-kx,可知物块作简谐运动.
(3)当沿斜面向上运动到弹簧长度为28cm时,由牛顿第二定律得:
对整体:2mgsin30°-k(l1-l0)=2ma
取沿斜面向下为正方向,对A有:mgsin30°+f=ma
联立解得 f=-4N,负号表示A所受摩擦力方向沿接触面向上.
(4)当A运动到最低点时,由牛顿第二定律得:
对整体:kA=2mam;
对A:f-mgsin30°=mam;
其中振幅 A=l-0.25m=0.05m
联立解得物体A所受摩擦力的最大值 f=7.5N
答:
(1)物块处于平衡位置时弹簧的长度为0.3m.
(2)证明见上.
(3)物体A所受摩擦力的大小为4N,方向沿接触面向上.
(4)物体A所受摩擦力的最大值为7.5N.
如图所示,轻质弹簧下挂重为300N的物体A,伸长了3cm,再挂上重为200N的物体B时又伸长了2cm,弹簧均在弹性限度内若将连接A、B两物体的细绳烧断,使A在竖直面内做简谐运动,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:AB、轻质弹簧下挂重为300N的物体A,伸长了3cm,故弹簧的劲度系数为:k==
=10000N/m
若将连接A、B两物体的细绳烧断,物体A将做简谐运动,烧断瞬间,合力充当回复力;
由于细线烧断前是平衡,烧断后先对A的拉力减小了200N,而弹力不变,故合力为200N,故最大回复力为200N,故A、B错误;
CD、刚剪断细线时物体的加速度最大,此处相当于是物体A到达简谐运动的振幅处,故振幅为2cm,故C错误,D正确.
故选:D.
某振子做简谐运动的表达式为x=2sin(2πt+)cm则该振子振动的振幅和周期为( )
正确答案
解析
解:根据简谐运动的表达式为:x=2sin(2πt+)cm得知,该振子振动的振幅A=2cm;
圆频率ω=2πrad/s,则周期为:T==
s=1s.
故选:A.
在水平杆上振动的弹簧振子,如图所示,O是平衡位置,B和C是最大位移处,不计小球与杆间的摩擦,则下列说法不正确的是( )
正确答案
解析
解:A、O点为其平衡位置,则小球每次经过平衡位置时的动能都相同;故A正确;
B、从B到O的过程中,位移越来越小,回复力越来越小,则加速度越来越小;故B错误;
C、从B到0的过程中,小球做加速运动,速度不断增加;故C正确;
D、从B到0的过程中,速度向右,位移向左,故速度和位移的方向相反;故D正确;
本题选错误的,故选:B.
如图所示,将质量为mA=100g的物体A放在弹簧上端,与弹簧不连接.弹簧下端连接一质量为mB=200g的物体B,物体B放在地面上.形成竖直方向的弹簧振子,使A上下振动.弹簧原长为5cm,当系统做小振幅简谐振动时,A的平衡位置离地面为3cm,A、B的厚度可忽略不计,g取10m/s2,求:
(1)弹簧的劲度系数k为多大?
(2)为使A在振动过程中始终不离开弹簧,则振子A的振幅不能超过多大?
(3)若A在振动过程中始终不离开弹簧,当A以最大振幅振动时,B对地面的最大压力为多大?
正确答案
解析
解:(1)振幅很小时,A、B间不会分离,将A和B整体作为振子,当它们处于平衡位置时,根据平衡条件得:
k△x=mAg
又形变量△x=x原-h=0.02m
联立可解得:k=50N/m
(2)在平衡位置时,弹簧的压缩量为△x=0.02m
要使A振动过程中不离开弹簧,A振动的最高点不能高于弹簧的原长处
所以A振动的振幅的最大值A=△x=0.02m=2cm
(3)A以最大振幅A振动时,振动到最低点,弹簧的压缩量最大,根据对称性
此时压缩量△x′=2A=0.04m=4cm
对B受力分析可得:FN=mBg+k△x′
可解得:FN=4N
由牛顿第三定律可得,B对地面的最大压力为FN′=-FN=-4N,负号表示方向竖直向下.
一个弹簧振子的振幅是A,若在△t的时间内物体运动的路程是s,则下列关系中可能正确的是( )
正确答案
解析
解:A、简谐运动中,振子在一个周期T内的路程为4A,故△t=2T时,s=8A,故A错误;
B、简谐运动中,半个周期内的路程为2A,△t=,故2A<s≤4A,故B正确;
C、简谐运动中,半个周期内的路程为2A,△t=,故2A<s≤4A,故C正确;
D、简谐运动中,四分之一周期内的路程不一定等于A,可以大小或小于A,故D正确;
故选:BCD.
一弹簧振子振幅为A,从最大位移处需时间t0第一次到达平衡位置.若振子从最大位移处经过 t0时的速度大小和加速度大小分别为v1和a1; 而振子位移为
A时的速度大小和加速度大小分别为v2和a2.那么( )
正确答案
解析
解:由题意,振子从最大位移处需时间t0第一次到达平衡位置,从最大位移处到平衡位置处运动,振子的速度增大,加速度减小,所以经过时通过的位移小于
,振子越靠近平衡位置速度越大,加速度越小,所以v1<v2,a1>a2.故AD错误,BC正确.
故选BC.
劲度系数为k的轻弹簧竖直悬挂,在其下端挂一质量为m的砝码,然后从弹簧原长处自静止释放砝码,不计摩擦阻力.则( )
正确答案
解析
解:A、设砝码的最大速度为vm.砝码的最大速度时,弹簧弹力大小等于砝码的重力,则得:mg=kx0,得弹簧伸长的长度 x0=.此位置为平衡位置.
在平衡位置以上△x时,弹簧的弹力为:F=k(x0-△x),
砝码受到的合力:F合=mg-F=mg-k(x0-△x)=k△x;
同理可以得出砝码在平衡位置以下△x时,仍然满足:F合=k△x
即砝码受到与离开平衡位置的位移成正比的合外力的作用,且该合力始终最小平衡位置,所以由静止释放砝码后,砝码在重力和弹簧的弹力作用下将做简谐振动.故A错误;
B、当砝码下落到速度为零时,弹簧伸长最大,弹性势能最大,根据对称性可知,此时弹簧伸长量为:
x′=2x0=2,
根据牛顿第二定律得:a==
=
=g,所以弹性势能最大时小球加速度大小为g,故B错误.
C、此时弹簧伸长量为:x′=2,所以砝码偏离平衡位置的最大位移为:x′-x0=
.故C错误;
D、当砝码下落到速度为零时,弹簧伸长最大,弹性势能最大,砝码从静止开始下落到速度为零时,根据动能定理研究得:mg•2+W弹=0-0=0
解得:W弹=-
弹簧弹力做功量度弹性势能的变化,所以最大的弹性势能为,故D正确.
故选:D.
如图所示,物体A和B用轻绳相连,挂在轻弹簧下静止不动,A的质量为m,B的质量为M,弹簧的劲度系数为k.当连接A、B的绳突然断开后,物体A将在竖直方向上做简谐运动,则A振动的振幅为______.
正确答案
解析
解:绳剪断前,弹簧伸长的长度:
x1=;
绳剪断后,A做简谐运动,在平衡位置时,弹簧的拉力与重力平衡,此时弹簧伸长的长度为:
x2=;
所以A振动的振幅为:
A=x1-x2=-
=
故答案为:.
单摆的回复力是绳的拉力T和重力G的合力吗?单摆在平衡位置时,所受合力为零吗?
正确答案
解析
解:单摆摆球的回复力是由重力沿切线方向的分力提供的,不是它所受的合力;
摆球经过平衡位置时所受回复力为零,由于摆球做圆周运动,经过平衡位置时所受合外力指向圆心,不为零.
答:单摆摆球的回复力是由重力沿切线方向的分力提供的,不是它所受的合力;单摆在平衡位置时,所受合力不为零.
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