题目
一物体悬挂在弹簧上做竖直振动,其加速度为a=-ky,式中k为常量,y是以平衡位置为原点所测得的坐标.假定振动的物体在坐标y0处的速度为v0,试求速度v与坐标y的函数关系式.
一物体悬挂在弹簧上做竖直振动,其加速度为a=-ky,式中k为常量,y是以平衡位置为原点所测得的坐标.假定振动的物体在坐标y0处的速度为v0,试求速度v与坐标y的函数关系式.
题目解答
答案
a=dv/dt=-ky = (dv/dy) * (dy/dt )= (dv/dy) * v
同时对两边积分,两边的积分上下限分别是v、v0,y、y0
得到
v=土√((v02+ k * (y0)2 -k * y2 )
同时对两边积分,两边的积分上下限分别是v、v0,y、y0
得到
v=土√((v02+ k * (y0)2 -k * y2 )
解析
本题考查的知识是通过加速度与坐标的关系,求解速度与坐标的函数关系,解题思路是利用加速度的定义式,结合速度与坐标的关系进行积分运算。
- 首先明确加速度的定义式:
加速度$a = \frac{dv}{dt}$,已知$a = -ky$。 - 然后根据速度与坐标的关系$v=\frac{dy}{dt}$,对$a$进行变形:
$a=\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dy}\cdot\frac{dy}{dt}=\frac{dv}{dy}\cdot v$。 - 接着将$a = -ky$代入$a=\frac{dv}{dy}\cdot v$中,得到:
$-ky=\frac{dv}{dy}\cdot v$。 - 最后对等式两边进行积分:
对$-ky=\frac{dv}{dy}\cdot v$两边同时积分,积分上下限分别是$v$、$v_0$,$y$、$y_0$。
$\int_{v_0}^{v}-ky\mathrm{d}y=\int_{v_0}^{v}v\mathrm{d}v$。
先计算左边的积分:
$\int_{v_0}^{v}-ky\mathrm{d}y=-\frac{1}{2}ky^2\big|_{v_0}^{v}=-\frac{1}{2}k(v^2 - v_0^2)$。
再计算右边的积分:
$\int_{v_0}^{v}v\mathrm{d}v=\frac{1}{2}v^2\big|_{v_0}^{v}=\frac{1}{2}(v^2 - v_0^2)$。
令$-\frac{1}{2}k(v^2 - v_0^2)=\frac{1}{2}(v^2 - v_0^2)$,化简可得:
$v^2 = v_0^2 + k(y_0^2 - y^2)$,即\\(v^2 = v_0^2 + k(y_0^2 - y^2)\),开方得到$v = \pm\sqrt{v_0^2 + k(y_0^2 - y^2)}$。