题目
质量100g的物体作谐振动,其振幅为100g,周期100g,当100g时,位移为100g,求:(1)100g时,物体所在位置; (2)100g时,物体所受力的大小和方向; (3)由起始位置运动到100g处所需的最少时间;(4)在100g处,物体的速度。
质量的物体作谐振动,其振幅为
,周期
,当
时,位移为
,求:
(1)时,物体所在位置;
(2)时,物体所受力的大小和方向;
(3)由起始位置运动到处所需的最少时间;
(4)在处,物体的速度。
题目解答
答案
根据题目给出的信息,我们可以得到以下几个关键数据:
质量
振幅
周期
位移
(1) 时,物体所在位置:
由于振动是谐振动,我们可以使用正弦函数来描述物体的位置。谐振动的一般方程为:
其中,为初相位。
根据题目给出的信息, 时,位移为 0.1m,因此我们可以得到初相位 φ:
∴
∴
将 代入方程,得到物体所在位置:
所以,时,物体所在位置约为
。
(2) 时,物体所受力的大小和方向:
谐振动的力学模型中,物体所受的恢复力 F 是与位移 x 成正比的,即 ,其中 k 是弹性系数。
由于振动是谐振动,我们可以使用角频率 来描述弹性系数 k,其中
。
所以,物体所受力的大小为:
将给定的数据代入公式,得到物体所受力的大小:
物体所受力的方向与位移方向相反,所以物体所受力的方向为正方向(向上)。
所以,时,物体所受力的大小约为
,方向为向上。
(3) 由起始位置运动到 处所需的最少时间:
由于物体是谐振动,它在振动过程中会经过位移 x 两次,一次是从最大位移到 x,另一次是从 x 到最大位移的反向位移。
所以,物体从起始位置运动到 处所需的最少时间为一个周期的一半,即
。
所以,由起始位置运动到处所需的最少时间为
。
(4) 在处,物体的速度:
谐振动的速度 v 可以通过对位移函数 求导得到。
∵
∴
将 代入公式,得到物体在
处的速度:
所以,在 处,物体的速度约为
。