题目
15、质量 M = 1.2 kg 的物体,挂在一个轻弹簧上振动.用秒表测得此系统在 45 s 内振动了 90次.若在此弹簧上再加挂质量 m = 0.6 kg 的物体,而弹簧所受的力未超过弹性限度.则该系统新的振动周期为_________________.
15、质量 M = 1.2 kg 的物体,挂在一个轻弹簧上振动.用秒表测得此系统在 45 s 内振动了 90
次.若在此弹簧上再加挂质量 m = 0.6 kg 的物体,而弹簧所受的力未
超过弹性限度.则该系统新的振动周期为_________________.
题目解答
答案
15. 0.61 s 3 分
解析
本题考查弹簧振子的周期公式,解题思路是先根据已知条件求出弹簧的劲度系数,再计算新系统的振动周期。
- 计算原系统的周期$T_1$:
已知系统在$t = 45s$内振动了$n = 90$次,根据周期的定义,周期是完成一次全振动所需的时间,可得原系统的周期$T_1$为:
$T_1=\frac{t}{n}=\frac{45}{90}s = 0.5s$ - 根据弹簧振子的周期公式求出弹簧的劲度系数$k$:
弹簧振子的周期公式为$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$,其中$m$是振子的质量,$k$是弹簧的劲度系数。
对于原系统,$M = 1.2kg$,$T_1 = 0.5s$,代入周期公式可得:
$0.5 = 2\pi\sqrt{\frac{1.2}{k}}$
等式两边同时平方可得:
$0.5^2 = (2\pi)^2\times\frac{1.2}{k}$
$0.25 = 4\pi^2\times\frac{1.2}{k}$
解出$k$的值为:
$k = 4\pi^2\times\frac{1.2}{0.25}$ - 计算新系统的质量$M_{new}$:
在此弹簧上再加挂质量$m = 0.6kg$的物体,则新系统的质量为:
$M_{new}=M + m = 1.2 + 0.6 = 1.8kg$ - 计算新系统的振动周期$T_2$:
将$M_{new}=1.8kg$和$k = 4\pi^2\times\frac{1.2}{0.25}$代入弹簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$,可得:
$T_2 = 2\pi\sqrt{\frac{1.8}{4\pi^2\times\frac{1.2}{0.25}}}$
$= 2\pi\sqrt{\frac{1.8\times0.25}{4\pi^2\times1.2}}$
$= 2\pi\times\frac{\sqrt{1.8\times0.25}}{2\pi\sqrt{1.2}}$
$=\sqrt{\frac{1.8\times0.25}{1.2}}$
$=\sqrt{\frac{0.45}{1.2}}$
$=\sqrt{0.375}$
$\approx 0.61s$