题目
9-11 如图(a)所示,两个轻弹簧的劲度系数分别为k1和k 2,物体在光滑斜-|||-面上振动.(1)证明其运动仍是简谐振动;(2)求系统的振动频率.

题目解答
答案

解析
步骤 1:确定物体在平衡位置时的受力情况
物体在平衡位置时,受到重力沿斜面的分力和两个弹簧的弹力。由于物体处于平衡状态,所以有:
$$
mg\sin \theta = k_1x_1 = k_2x_2
$$
其中,$x_1$ 和 $x_2$ 分别是两个弹簧在平衡位置时的伸长量。
步骤 2:分析物体在任意位置时的受力情况
当物体沿斜面移动位移 $x$ 时,两个弹簧的伸长量分别为 $x_1'$ 和 $x_2'$,则有:
$$
x = x_1' + x_2'
$$
此时,物体受到的合力为:
$$
F = mg\sin \theta - k_2(x_2 + x_2') = mg\sin \theta - k_1(x_1 + x_1')
$$
将平衡位置时的受力关系代入上式,得到:
$$
F = -k_2x_2' = -k_1x_1'
$$
步骤 3:推导简谐振动的条件
由上式可知,物体受到的合力与位移成正比,且方向相反,即:
$$
F = -kx
$$
其中,$k = \frac{k_1k_2}{k_1 + k_2}$ 为常量。因此,物体的运动满足简谐振动的条件。
步骤 4:求解系统的振动频率
根据简谐振动的频率公式,有:
$$
v = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k_1k_2}{(k_1 + k_2)m}}
$$
物体在平衡位置时,受到重力沿斜面的分力和两个弹簧的弹力。由于物体处于平衡状态,所以有:
$$
mg\sin \theta = k_1x_1 = k_2x_2
$$
其中,$x_1$ 和 $x_2$ 分别是两个弹簧在平衡位置时的伸长量。
步骤 2:分析物体在任意位置时的受力情况
当物体沿斜面移动位移 $x$ 时,两个弹簧的伸长量分别为 $x_1'$ 和 $x_2'$,则有:
$$
x = x_1' + x_2'
$$
此时,物体受到的合力为:
$$
F = mg\sin \theta - k_2(x_2 + x_2') = mg\sin \theta - k_1(x_1 + x_1')
$$
将平衡位置时的受力关系代入上式,得到:
$$
F = -k_2x_2' = -k_1x_1'
$$
步骤 3:推导简谐振动的条件
由上式可知,物体受到的合力与位移成正比,且方向相反,即:
$$
F = -kx
$$
其中,$k = \frac{k_1k_2}{k_1 + k_2}$ 为常量。因此,物体的运动满足简谐振动的条件。
步骤 4:求解系统的振动频率
根据简谐振动的频率公式,有:
$$
v = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k_1k_2}{(k_1 + k_2)m}}
$$