题目
一弹簧振子作简谐振动,当位移为振幅的一半时,其动能为总能量的( )A. (1)/(4)B. (1)/(2)C. (1)/((sqrt(2)))D. (3)/(4)E. ((sqrt(3)))/(2)
一弹簧振子作简谐振动,当位移为振幅的一半时,其动能为总能量的( )
A. $\frac{1}{4}$
B. $\frac{1}{2}$
C. $\frac{1}{{\sqrt{2}}}$
D. $\frac{3}{4}$
E. $\frac{{\sqrt{3}}}{2}$
题目解答
答案
D. $\frac{3}{4}$
解析
考查要点:本题主要考查简谐振动中能量的分配关系,即动能与势能随位移的变化规律。
解题核心思路:
简谐振动的总能量是动能与势能的总和,且总能量保持不变。势能与位移的平方成正比,而动能则由总能量减去势能得到。当位移为振幅的一半时,计算此时的势能占总能量的比例,即可求出动能的比例。
破题关键点:
- 明确总能量 $E = \frac{1}{2}kA^2$(最大势能)。
- 当位移 $x = \frac{A}{2}$ 时,势能 $U = \frac{1}{2}k\left(\frac{A}{2}\right)^2 = \frac{1}{4}E$。
- 动能 $K = E - U = E - \frac{1}{4}E = \frac{3}{4}E$。
步骤1:写出总能量表达式
弹簧振子的总能量 $E$ 在最大位移(振幅 $A$)处全部转化为势能,因此:
$E = \frac{1}{2}kA^2$
步骤2:计算位移为 $\frac{A}{2}$ 时的势能
当位移 $x = \frac{A}{2}$ 时,势能为:
$U = \frac{1}{2}kx^2 = \frac{1}{2}k\left(\frac{A}{2}\right)^2 = \frac{1}{2}k \cdot \frac{A^2}{4} = \frac{1}{8}kA^2$
将总能量 $E = \frac{1}{2}kA^2$ 代入,得:
$U = \frac{1}{4}E$
步骤3:求动能占总能量的比例
动能 $K$ 为总能量减去势能:
$K = E - U = E - \frac{1}{4}E = \frac{3}{4}E$
因此,动能占总能量的比例为 $\frac{3}{4}$。