题目
同一弹簧振子,在光滑水平面上作一维简谐振动与在竖直悬挂情况下作简谐振动,其振动频率是否相同?如果把它放在光滑斜面上,是否还作简谐振动,振动频率是否改变?当斜面倾角不同时又如何?
同一弹簧振子,在光滑水平面上作一维简谐振动与在竖直悬挂情况下作简谐振动,其振动频率是否相同?如果把它放在光滑斜面上,是否还作简谐振动,振动频率是否改变?当斜面倾角不同时又如何?
题目解答
答案
同一个弹簧振子,在水平面上的一维简谐运动与在竖直方向上的简谐运动,其振动频率相同。如把它放在光滑斜面上,仍作简谐运动,振动频率不变,且不随斜面倾角的变化而变化。
解析
考查要点:本题主要考查弹簧振子在不同受力环境下简谐振动的频率是否变化,核心在于理解简谐振动的周期公式及回复力的决定因素。
解题思路:
- 简谐振动的周期公式为 $T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$,频率 $f=\dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{k}{m}}$,仅与质量 $m$ 和弹簧劲度系数 $k$ 有关。
- 分析不同情况下的有效回复力是否仍满足胡克定律(即 $F=-kx$),若满足,则频率不变。
破题关键:
- 水平方向:弹簧弹力直接提供回复力,公式直接适用。
- 竖直方向:重力改变平衡位置,但回复力仍由弹簧弹力变化决定,有效 $k$ 不变。
- 光滑斜面:重力沿斜面分力改变平衡位置,但回复力仍与位移成正比,频率不变,且与倾角无关。
水平方向振动
- 受力分析:振子仅受弹簧弹力 $F=-kx$,满足胡克定律。
- 结论:周期 $T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$,频率由 $m$ 和 $k$ 决定。
竖直悬挂振动
- 平衡位置:静止时弹簧伸长 $x_0=\dfrac{mg}{k}$。
- 偏离平衡位置:设振子向下移动 $x$,总弹力为 $F_{\text{弹}}=k(x+x_0)$,重力 $mg$ 平衡后,有效回复力为:
$F_{\text{回}}=F_{\text{弹}}-mg = k(x+x_0)-mg = kx$ - 结论:回复力仍为 $F=-kx$,频率不变。
光滑斜面振动
- 平衡位置:重力沿斜面分力 $mgsin\theta$ 与弹簧弹力平衡,伸长 $x_0=\dfrac{mgsin\theta}{k}$。
- 偏离平衡位置:设沿斜面向下移动 $x$,总弹力为 $F_{\text{弹}}=k(x+x_0)$,有效回复力为:
$F_{\text{回}}=F_{\text{弹}}-mgsin\theta = k(x+x_0)-mgsin\theta = kx$ - 结论:回复力仍为 $F=-kx$,频率不变,且与 $\theta$ 无关。