题目
一质量为m的物体在光滑水平面上作简谐振动,当运动到位移最大处时一块粘土正好自其竖直上方落在物体上,则其振幅将()A. 变大B. 变小C. 不变D. 不确定
一质量为m的物体在光滑水平面上作简谐振动,当运动到位移最大处时一块粘土正好自其竖直上方落在物体上,则其振幅将()
A. 变大
B. 变小
C. 不变
D. 不确定
题目解答
答案
C. 不变
解析
本题考查简谐振动的能量以及动量守恒定律的应用。解题的关键思路是分析粘土落在物体上前后系统的能量变化情况,通过比较能量来判断振幅是否改变。
步骤一:明确简谐振动的能量与振幅的关系
简谐振动的总能量公式为$E = \frac{1}{2}kA^{2}$,其中$E$是总能量,$k$是劲度系数,$A$是振幅。由此可知,在劲度系数$k$不变的情况下,振幅$A$的大小取决于系统的总能量$E$。
步骤二:分析粘土落在物体上前后系统的能量
当物体运动到位移最大处时,速度$v = 0$,此时物体的动能$E_{k}=0$,系统的总能量$E$就等于物体的弹性势能$E_{p}=\frac{1}{2}kx_{max}^{2}$,这里$x_{max}$是最大位移,也就是振幅$A$,所以$E=\frac{1}{2}kA^{2}$。
在粘土自竖直上方落在物体上的瞬间,由于是竖直方向的碰撞,水平方向上系统不受外力,根据动量守恒定律,水平方向的动量守恒。而在位移最大处物体水平速度为$0$,粘土竖直落下,水平方向动量为$0$,所以碰撞后系统水平方向的速度依然为$0$。
同时,碰撞过程是在极短时间内完成的,物体还来不及发生位移,即弹簧的形变量不变,所以弹簧的弹性势能不变。又因为水平速度为$0$,动能也为$0$,那么系统的总能量就没有发生变化。
步骤三:根据能量不变判断振幅是否改变
因为系统总能量$E$不变,且$E = \frac{1}{2}kA^{2}$,$k$为弹簧的劲度系数,是一个定值,所以振幅$A$也不变。