题目
两弹簧各悬挂一质量相同的物体,以2:1的的频率作振幅相同的简谐振动,则它们的振动能量之比为()A. 1:2B. 3:2C. 2:1D. 4:1
两弹簧各悬挂一质量相同的物体,以$2:1$的的频率作振幅相同的简谐振动,则它们的振动能量之比为()
A. $1:2$
B. $3:2$
C. $2:1$
D. $4:1$
题目解答
答案
D. $4:1$
解析
步骤 1:确定简谐振动周期公式
简谐振动的周期公式为$T=2pi sqrt{dfrac{m}{k}}$,其中$m$是物体的质量,$k$是弹簧的劲度系数。
步骤 2:根据题意列出两个简谐振动的周期公式
设两弹簧的劲度系数分别为${k}_{1}$和${k}_{2}$,振幅均为A,质量均为$m$。则有:
${T}_{1}=2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}$-------------------①
${T}_{2}=2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}$-------------------②
步骤 3:根据频率与周期的关系列出频率公式
频率$f$与周期$T$的关系为$f=dfrac{1}{T}$,则有:
${f}_{1}=dfrac{1}{{T}_{1}}$-------------------------③
${f}_{2}=dfrac{1}{{T}_{2}}$-------------------------④
步骤 4:根据题意列出频率比
根据题意,${f}_{1}$和${f}_{2}$的频率比为$2:1$,则有:
$dfrac{{f}_{1}}{{f}_{2}}=dfrac{2}{1}$--------------------------⑤
步骤 5:解上述方程组求出劲度系数比
将步骤 3 中的频率公式代入步骤 4 中的频率比,得到:
$dfrac{dfrac{1}{{T}_{1}}}{dfrac{1}{{T}_{2}}}=dfrac{2}{1}$
即$dfrac{{T}_{2}}{{T}_{1}}=dfrac{2}{1}$
将步骤 1 中的周期公式代入上式,得到:
$dfrac{2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}}{2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}}=dfrac{2}{1}$
化简得到:
$dfrac{sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}}{sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}}=dfrac{2}{1}$
即$dfrac{sqrt{{k}_{1}}}{sqrt{{k}_{2}}}=dfrac{2}{1}$
进一步化简得到:
$dfrac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=dfrac{4}{1}$-----------------⑥
步骤 6:计算振动能量比
简谐振动的能量公式为$E=dfrac{1}{2}k{A}^{2}$,则有:
$dfrac{{E}_{1}}{{E}_{2}}=dfrac{{displaystyle dfrac{1}{2}{k}_{1}{A}^{2}}}{{displaystyle dfrac{1}{2}{k}_{2}{A}^{2}}}=dfrac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=dfrac{4}{1}$
简谐振动的周期公式为$T=2pi sqrt{dfrac{m}{k}}$,其中$m$是物体的质量,$k$是弹簧的劲度系数。
步骤 2:根据题意列出两个简谐振动的周期公式
设两弹簧的劲度系数分别为${k}_{1}$和${k}_{2}$,振幅均为A,质量均为$m$。则有:
${T}_{1}=2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}$-------------------①
${T}_{2}=2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}$-------------------②
步骤 3:根据频率与周期的关系列出频率公式
频率$f$与周期$T$的关系为$f=dfrac{1}{T}$,则有:
${f}_{1}=dfrac{1}{{T}_{1}}$-------------------------③
${f}_{2}=dfrac{1}{{T}_{2}}$-------------------------④
步骤 4:根据题意列出频率比
根据题意,${f}_{1}$和${f}_{2}$的频率比为$2:1$,则有:
$dfrac{{f}_{1}}{{f}_{2}}=dfrac{2}{1}$--------------------------⑤
步骤 5:解上述方程组求出劲度系数比
将步骤 3 中的频率公式代入步骤 4 中的频率比,得到:
$dfrac{dfrac{1}{{T}_{1}}}{dfrac{1}{{T}_{2}}}=dfrac{2}{1}$
即$dfrac{{T}_{2}}{{T}_{1}}=dfrac{2}{1}$
将步骤 1 中的周期公式代入上式,得到:
$dfrac{2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}}{2pi sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}}=dfrac{2}{1}$
化简得到:
$dfrac{sqrt{dfrac{m}{{k}_{2}}}}{sqrt{dfrac{m}{{k}_{1}}}}=dfrac{2}{1}$
即$dfrac{sqrt{{k}_{1}}}{sqrt{{k}_{2}}}=dfrac{2}{1}$
进一步化简得到:
$dfrac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=dfrac{4}{1}$-----------------⑥
步骤 6:计算振动能量比
简谐振动的能量公式为$E=dfrac{1}{2}k{A}^{2}$,则有:
$dfrac{{E}_{1}}{{E}_{2}}=dfrac{{displaystyle dfrac{1}{2}{k}_{1}{A}^{2}}}{{displaystyle dfrac{1}{2}{k}_{2}{A}^{2}}}=dfrac{{k}_{1}}{{k}_{2}}=dfrac{4}{1}$