题目
弹簧的劲度系数为k,振子的质量为m则做简谐运动的弹簧振子的振动角频率为( )A. sqrt((k)/(m))B. sqrt((2k)/(m))C. sqrt((m)/(k))D. 2sqrt((k)/(m))
弹簧的劲度系数为$k$,振子的质量为$m$则做简谐运动的弹簧振子的振动角频率为( )
A. $\sqrt{\frac{k}{m}}$
B. $\sqrt{\frac{2k}{m}}$
C. $\sqrt{\frac{m}{k}}$
D. $2\sqrt{\frac{k}{m}}$
题目解答
答案
A. $\sqrt{\frac{k}{m}}$
解析
本题考查简谐运动中弹簧振子振动角频率的计算,解题思路是根据简谐运动的动力学方程推导出振动角频率的表达式。
对于做简谐运动的弹簧振子,根据胡克定律,弹簧的弹力$F = -kx$,其中$k$是弹簧的劲度系数,$x$是振子偏离平衡位置的位移,负号表示弹力的方向与位移方向相反。
根据牛顿第二定律$F = ma$,其中$m$是振子的质量,$a$是振子的加速度。
由于加速度$a=\frac{d^{2}x}{dt^{2}}$,将$F = -kx$和$a=\frac{d^{2}x}{dt^{2}}$代入牛顿第二定律$F = ma$中,可得:
$m\frac{d^{2}x}{dt^{2}}=-kx$
将上式变形为$\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+\frac{k}{m}x = 0$
对于简谐运动的标准方程$\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+\omega^{2}x = 0$,其中$\omega$就是振动角频率。
对比$\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+\frac{k}{m}x = 0$和$\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+\omega^{2}x = 0$,可得$\omega^{2}=\frac{k}{m}$
因为角频率$\omega\gt{}0$,所以对$\omega^{2}=\frac{k}{m}$两边同时开平方,得到$\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}$