题目
有两根倔强系数同为 k 弹簧并联在一起,一端固定,在另一端挂一质量为 m 的重物,使其构成一竖挂的弹簧谐振子,则此系统的振动周期为____Two stubbornness coefficients k are the same. The springs are connected in parallel. If one end is fixed and a weight of mass is hung on the other end to form a vertical spring resonator, the vibration period of the system is____A. 2pisqrt((m)/(k))B. 2pisqrt((2m)/(k))C. 2pisqrt((m)/(2k))D. pisqrt((m)/(k))
有两根倔强系数同为 $k$ 弹簧并联在一起,一端固定,在另一端挂一质量为 $m$ 的重物,使其构成一竖挂的弹簧谐振子,则此系统的振动周期为____
Two stubbornness coefficients $k$ are the same. The springs are connected in parallel. If one end is fixed and a weight of mass is hung on the other end to form a vertical spring resonator, the vibration period of the system is____
A. $2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$
B. $2\pi\sqrt{\frac{2m}{k}}$
C. $2\pi\sqrt{\frac{m}{2k}}$
D. $\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$
题目解答
答案
两根倔强系数均为 $ k $ 的弹簧并联,等效劲度系数为 $ k_{\text{总}} = 2k $。根据弹簧振子周期公式:
\[
T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k_{\text{总}}}} = 2\pi \sqrt{\frac{m}{2k}}
\]
竖直悬挂时,重力仅影响静止位置,不影响振动周期。因此,系统的振动周期为 $ T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{2k}} $。
答案:C. $ 2\pi\sqrt{\frac{m}{2k}} $
解析
本题考查弹簧振子的周期公式以及弹簧并联时等效劲度系数的计算。解题思路如下:
- 首先明确弹簧并联时等效劲度系数的计算方法。当两个弹簧并联时,它们所受的外力相同,而各自的伸长量不同,根据胡克定律$F = kx$(其中$F$是弹簧所受的力,$k$是劲度系数,$x$是弹簧的伸长量),对于两个劲度系数都为$k$的弹簧并联,设它们共同受到的外力为$F$,各自的伸长量为$x_1$和$x_2$,则$F = kx_1=kx_2$,且总伸长量$x = x_1 + x_2$。又因为$F = k_{总}x$($k_{总}$为等效劲度系数),将$x_1=\frac{F}{k}$,$x_2=\frac{F}{k}$代入$x = x_1 + x_2$可得$x=\frac{F}{k}+\frac{F}{k}=\frac{2F}{k}$,再结合$F = k_{总}x$,即$F = k_{总}\times\frac{2F}{k}$,两边同时约去$F$,解得$k_{总}=2k$。
- 然后根据弹簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k_{总}}}$(其中$T$是周期,$m$是振子的质量,$k_{总}$是等效劲度系数)来计算系统的振动周期。
- 最后需要注意的是,当弹簧振子竖直悬挂时,重力会使弹簧有一个初始的伸长量,改变了弹簧振子的平衡位置,但并不影响其振动周期。
将$k_{总}=2k$代入周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k_{总}}}$,可得$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{2k}}$。