题目
质量为m的物体和倔强系数为k的轻质弹簧组成一弹簧振子. 其作简谐振动振幅为A. 则该振动系统的振动能量为E=( ).A. (1)/(2)kA^2B. kA^2C. (1)/(4)kA^2D. 2kA^2
质量为$m$的物体和倔强系数为$k$的轻质弹簧组成一弹簧振子. 其作简谐振动振幅为$A$. 则该振动系统的振动能量为$E=$( ).
A. $\frac{1}{2}kA^2$
B. $kA^2$
C. $\frac{1}{4}kA^2$
D. $2kA^2$
题目解答
答案
A. $\frac{1}{2}kA^2$
解析
本题考查简谐振动系统能量的计算。解题思路是明确简谐振动系统的总能量等于弹簧的最大弹性势能,而弹簧的弹性势能公式为$E_p=\frac{1}{2}kx^2$,其中$k$是弹簧的倔强系数,$x$是弹簧的形变量。在简谐振动中,当振子运动到最大位移处(即位移为振幅$A$)时,弹簧的形变量最大,此时弹簧的弹性势能达到最大值,也就是振动系统的总能量。
下面进行详细计算:
已知弹簧的倔强系数为$k$,振幅为$A$,根据弹簧弹性势能公式$E_p = \frac{1}{2}kx^2$,当$x = A$时,弹簧的最大弹性势能$E_{p_{max}}=\frac{1}{2}kA^2$。
因为简谐振动系统的总能量$E$等于弹簧的最大弹性势能,所以$E = E_{p_{max}}=\frac{1}{2}kA^2$。
对各选项进行分析:
- 选项A:$\frac{1}{2}kA^2$,与我们计算得到的结果一致,该选项正确。
- 选项B:$kA^2$,与正确结果相比多了一个系数$2$,该选项错误。
- 选项C:$\frac{1}{4}kA^2$,系数与正确结果不符,该选项错误。
- 选项D:$2kA^2$,系数过大,与正确结果不符,该选项错误。