题目
一轻弹簧,上端固定,下端挂有质量为m的重物,其自由振动的周期为T。今已知振子离开平衡位置为x时,其振动速度为v,加速度为a。则下列计算该振子劲度系数的公式中,错误的是:( )A. k=4pi^2m/T^2B. k=ma/xC. k=mv_(max)^2/x_(max)^2D. k=mg/x
一轻弹簧,上端固定,下端挂有质量为$m$的重物,其自由振动的周期为$T$。今已知振子离开平衡位置为$x$时,其振动速度为$v$,加速度为$a$。则下列计算该振子劲度系数的公式中,错误的是:( )
A. $k=4\pi^2m/T^2$
B. $k=ma/x$
C. $k=mv_{\max}^2/x_{\max}^2$
D. $k=mg/x$
题目解答
答案
D. $k=mg/x$
解析
本题考查弹簧振子的劲度系数计算,需结合简谐运动的动力学规律和胡克定律进行判断。关键点在于:
- 周期公式:$T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$,可推导出$k=\dfrac{4\pi^2m}{T^2}$;
- 动力学关系:回复力$F=ma=kx$,速度与位移关系$v_{\max}=\sqrt{\dfrac{k}{m}}x_{\max}$;
- 平衡位置的伸长量:$x_0=\dfrac{mg}{k}$,但题目中$x$是振动位移,非平衡伸长量。
错误选项混淆了平衡位置的伸长量与振动位移,导致公式错误。
选项A:$k=\dfrac{4\pi^2m}{T^2}$
根据周期公式$T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$,变形得$k=\dfrac{4\pi^2m}{T^2}$,正确。
选项B:$k=\dfrac{ma}{x}$
简谐运动中,回复力$F=ma=kx$,故$k=\dfrac{F}{x}=\dfrac{ma}{x}$,正确。
选项C:$k=\dfrac{mv_{\max}^2}{x_{\max}^2}$
最大速度$v_{\max}=\sqrt{\dfrac{k}{m}}x_{\max}$,平方后得$k=\dfrac{mv_{\max}^2}{x_{\max}^2}$,正确。
选项D:$k=\dfrac{mg}{x}$
平衡位置的伸长量为$x_0=\dfrac{mg}{k}$,但题目中$x$是振动位移,与$x_0$无关。若用$k=\dfrac{mg}{x}$,当$x=0$(平衡位置)时公式无意义,错误。