|
例1:一弹簧振子作简谐运动,下列说法中正确的有:
A.若位移为负值,则速度一定为正值,加速度也一定为正值
B.振子通过平衡位置时,速度为零,加速度最大
C.振子每次通过平衡位置时,加速度相同,速度也一定相同
D.振子每次通过同一位置时,其速度不一定相同,但加速度一定相同
分析:如图所示,因为弹簧振子的位移是以平衡位置O为起点的,设向右为正,则当振子在OB段时,位移为正,在OA段时位移为负。可见当振子由O向A运动时其位移为负值,速度也是负值,故A错.

振子在平衡位置时,回复力为零,加速度a为零,但速度最大,故B错.
振子在平衡位置O时,速度方向可以是不同的(可正、可负),故C错.
由a=-kx/m知, x同a反向,但振子在该点的速度方向可以向左,也可以向右,故D正确.
可见,分析简谐运动各量变化关系时,要和实际弹簧振子运动联系起来,画出草图来分析.
答:D
例2:如图所示,在光滑水平面上,用两根劲度系数分别为 、 的轻弹簧系住一个质量为m的小球。开始时,两弹簧均处于原长,后使小球向左偏离x后放手,可以看到小球将在水平面上作往复振动。试问小球是否作简谐运动?

分析:为了判断小球的运动性质,需要根据小球的受力情况,找出回复力,确定它能否写成F=-kx的形式
解答:以小球为研究对象,竖直方向处于力平衡状态,水平方向受到两根弹簧的弹力作用,设小球位于平衡位置O左方某处时,偏离平衡位置的位移为x,则
左方弹簧受压,对小球的弹力大小为:
f1=k1x,方向向右
右方弹簧被拉伸,对小球的弹力大小为:
f2=k2x,方向向右
小球所受的回复力等于两个弹力的合力,其大小为:
F=f1+f2=(k1+k2)x,方向向右
令k=kl+k2,上式可写成:
F=kx
由于小球所受回复力的方向与位移x的方向相反,考虑方向后,上式可表示为:
F=-kx
所以,小球将在两根弹簧的作用下,沿水平面作简谐运动.
说明:由本题可归纳出判断物体是否作简谐运动的一般步骤:确定研究对象(整个物体或某一部分)-→分析受力情况-→找出回复力-→表示成F=-kx的形式(可以先确定F的大小与x的关系,再定性判断方向).
例3:如图1所示,弹簧上端与一木板相连结,质量为m的物体放在木板上,与木板一起在竖直方向上做简谐运动。当振幅为A时,物体对木板的最大压力是物体重量的1.5倍,则物体对木板的最小压力是多大?要使物体在振动中不离开木板,振幅不能超过多大?
分析:物体做简谐运动时,所需的回复力由木板的支持力及物体所受重力的合力提供。当物体运动到最低点时,木板向上的加速度最大,物体对木板的压力也最大。当物体运动到最高点时,木板向下的加速度最大,因此物体对木板的压力最小.如果木板向下的加速度等于或大于g,则物体对木板的压力就等于零,物体与木板就要分离了.
解答:当物体运动到最低点时,设木板的支持力为N下,则所受回复力为
F=N下-mg
如图2所示.因为这时物体振动的位移大小等于振幅A,设弹簧的劲度系数为k,则这时的回复力又可表示为
F=kA
由以上两式可得
kA=N下-mg=1.5mg-mg=mg/2
∴ k=mg/2A ①
当物体运动到最高点时,物体位移的大小又等于振幅A,设这时木板支持力的大小为N上,如图3所示。同理有
kA=mg-N上
如图3所示。所以
N上=mg-kA=mg/2 ②
这也就是物体在振动过程中对木板的最小压力。
由上式可见,物体对木板的最小压力与物体的振幅A有关,A越大,N上越小。若振幅大到某一值A′,使N上=0,这时物体就要脱离木板。由②式可得:
kA′=mg-0 A′=mg/k, ③
再将①式代入上式,便得
A′=2A
即要使物体在振动中不离开木板,振幅不能超过2A
例4:弹簧振子的固有周期为0.45s,振幅为5cm,从振子经过平衡位置开始计时,经2.5s小球的位置及通过的路程各多大?
分析:简谐运动是一种周期性的运动,每经过一个周期振子就回到初始状态.
解答:由题设条件,简谐运动的周期T和运动时间分别为
T=0.4s,t=2.5s
运动时间的周期数为

因而,2.5S末物体在最大位移处,即位移大小等于5cm
振子每一个周期通过的路程为
S1=4A=4×5cm=20cm
所以2.5s内通过的路程为

例5:见下表
如果表中给出的是做简谐运动的物体的位移x或速度V与时刻的对应关系,T是振动周期,下列选项中正确的是:
A.若甲表示位移x,则丙表示相应的速度v
B.若丁表示位移x,则甲表示相应的速度v
C.若丙表示位移x,则甲表示相应的速度v
D.若乙表示位移x;则丙表示相应的速度v
分析:只要牢固掌握简谐运动的基础知识,理解质点的位移、速度随时间的变化关系,运用简捷的解题方法,便可迅速选出正确答案,下表给出简谐运动一个周期内位移x和速度v随时间的变化关系,(设开始时质点位于平衡位置且向+x方向运动)
利用上表分析得出正确答案
解答:A、B
|