题目
一弹簧振子作简谐振动,当位移为振幅的一半时,其动能为总能量的()A. 1/2B. 3/4C. 1/4D. 1/√2
一弹簧振子作简谐振动,当位移为振幅的一半时,其动能为总能量的()
A. 1/2
B. 3/4
C. 1/4
D. 1/√2
题目解答
答案
B. 3/4
解析
本题考查简谐振动的能量相关知识。解题思路是先明确弹簧振子做简谐振动时总能量的表达式,再求出位移为振幅一半时的势能,最后根据总能量等于动能与势能之和求出此时的动能,进而得到动能占总能量的比例。
步骤一:明确弹簧振子简谐振动的总能量表达式
弹簧振子做简谐振动时,其总能量$E$等于最大位移(即振幅$A$)处的弹性势能,根据弹性势能公式$E_p = \frac{1}{2}kx^2$(其中$k$为弹簧的劲度系数,$x$为位移),可得总能量$E=\frac{1}{2}kA^2$。
步骤二:计算位移为振幅一半时的势能
当位移$x = \frac{A}{2}$时,此时的弹性势能$E_{p1}$为:
$E_{p1}=\frac{1}{2}k(\frac{A}{2})^2=\frac{1}{2}k\times\frac{A^2}{4}=\frac{1}{4}\times\frac{1}{2}kA^2$
将总能量$E=\frac{1}{2}kA^2$代入上式,可得$E_{p1}=\frac{1}{4}E$。
步骤三:根据能量守恒求出位移为振幅一半时的动能
因为弹簧振子在振动过程中机械能守恒,即总能量$E$等于动能$E_k$与势能$E_p$之和,所以当位移为振幅一半时,动能$E_{k1}$为:
$E_{k1}=E - E_{p1}$
将$E_{p1}=\frac{1}{4}E$代入上式,可得$E_{k1}=E - \frac{1}{4}E=\frac{3}{4}E$。
步骤四:得出动能占总能量的比例
由$E_{k1}=\frac{3}{4}E$可知,当位移为振幅的一半时,其动能为总能量的$\frac{3}{4}$。