题目
质量为m,劲度系数为k的弹簧振子放在倾角为alpha 的光滑斜面上,弹簧一端固定,该弹簧振子的频率为( )A.v=dfrac(1)(2pi )sqrt(dfrac(k){msin alpha )}B.v=dfrac(1)(2pi )sqrt(dfrac(k){m)}C.v=dfrac(1)(2pi )sqrt(dfrac(ksin alpha ){m)}D.v=dfrac(1)(2pi )sqrt(dfrac(k){m)}sin alpha
质量为m,劲度系数为k的弹簧振子放在倾角为$\alpha $的光滑斜面上,弹簧一端固定,该弹簧振子的频率为( )
A.$v=\dfrac{1}{2\pi }\sqrt{\dfrac{k}{m\sin \alpha }}$
B.$v=\dfrac{1}{2\pi }\sqrt{\dfrac{k}{m}}$
C.$v=\dfrac{1}{2\pi }\sqrt{\dfrac{k\sin \alpha }{m}}$
D.$v=\dfrac{1}{2\pi }\sqrt{\dfrac{k}{m}}\sin \alpha $
题目解答
答案

解析
本题考查弹簧振子振动频率的计算,解题的关键在于分析弹簧振子在斜面上的受力情况,找出其运动的等效模型,进而确定振动频率。
- 分析弹簧振子在竖直方向的运动情况:
- 当弹簧振子处于竖直方向时,根据牛顿第二定律,物体所受合力$F = ma$,此时弹簧的弹力$F_{弹}=-kx$(负号表示弹力方向与位移方向相反),则有$-kx = ma$。
- 对于弹簧振子的简谐运动,其角频率$\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}$,而频率$v$与角频率$\omega$的关系为$\omega = 2\pi v$,所以可得$v=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$。
- 分析弹簧振子在斜面上的运动情况:
- 当弹簧振子放在倾角为$\alpha$的光滑斜面上时,物体沿斜面方向受到重力的分力$F_{分}=mg\sin\alpha$和弹簧的弹力$F_{弹}=-kx$。
- 设弹簧振子在斜面上的平衡位置为$x_0$,此时物体所受合力为$0$,即$mg\sin\alpha - kx_0 = 0$,解得$x_0=\frac{mg\sin\alpha}{k}$。
- 当弹簧振子相对于平衡位置的位移为$x_1$时,此时弹簧的实际伸长量为$x = x_0 + x_1$,物体所受合力$F=mg\sin\alpha - kx=mg\sin\alpha - k(x_0 + x_1)$,将$x_0=\frac{mg\sin\alpha}{k}$代入可得$F=mg\sin\alpha - k(\frac{mg\sin\alpha}{k}+x_1)=-kx_1$。
- 根据牛顿第二定律$F = ma$,则有$-kx_1 = ma$,这与弹簧振子在竖直方向时的动力学方程形式相同,说明弹簧振子在斜面上的运动也是简谐运动,且其等效劲度系数仍为$k$,质量仍为$m$。
- 所以弹簧振子在斜面上的振动频率和在竖直方向时相同,即$v=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$。