题目
一沿水平方向振动的弹簧振子,弹簧的劲度系数为k=40N/m,初始动能为0.2J,初始势能为0.6J。则:其振幅为 ____ ;位移x= ____ 时,动能与势能相等;位移是振幅的一半时,势能为 ____ 。
一沿水平方向振动的弹簧振子,弹簧的劲度系数为k=40N/m,初始动能为0.2J,初始势能为0.6J。则:其振幅为 ____ ;位移x= ____ 时,动能与势能相等;位移是振幅的一半时,势能为 ____ 。
题目解答
答案
解:沿水平方向振动的弹簧振子,初始动能为0.2J,初始势能为0.6J,则系统的总机械能为:E总=0.2J+0.6J=0.8J
当小球的位移最大时,其弹性势能等于总机械能,为0.8J,根据:${E}_{P}=\frac{1}{2}k{x}^{2}$
代入数据可得:x=0.2m
则该弹簧振子的振幅为0.2m;
当动能与势能相等时,小球的动能与弹簧的弹性势能都是0.4J,则:${E}_{P}′=\frac{1}{2}k{x′}^{2}$
代入数据可得:$x′=0.1\sqrt{2}$m
位移是振幅的一半时,x″=0.1m,弹性势能为:${E}_{p}″=\frac{1}{2}kx{″}^{2}$=$\frac{1}{2}×40×0.{1}^{2}$J=0.2J
故答案为:0.2m;$0.1\sqrt{2}$m;0.2J
当小球的位移最大时,其弹性势能等于总机械能,为0.8J,根据:${E}_{P}=\frac{1}{2}k{x}^{2}$
代入数据可得:x=0.2m
则该弹簧振子的振幅为0.2m;
当动能与势能相等时,小球的动能与弹簧的弹性势能都是0.4J,则:${E}_{P}′=\frac{1}{2}k{x′}^{2}$
代入数据可得:$x′=0.1\sqrt{2}$m
位移是振幅的一半时,x″=0.1m,弹性势能为:${E}_{p}″=\frac{1}{2}kx{″}^{2}$=$\frac{1}{2}×40×0.{1}^{2}$J=0.2J
故答案为:0.2m;$0.1\sqrt{2}$m;0.2J
解析
步骤 1:计算系统的总机械能
根据题意,初始动能为0.2J,初始势能为0.6J。因此,系统的总机械能为:
\[ E_{总} = 0.2J + 0.6J = 0.8J \]
步骤 2:计算振幅
当小球的位移最大时,其弹性势能等于总机械能,即0.8J。根据弹性势能公式:
\[ E_{P} = \frac{1}{2}kx^{2} \]
代入数据可得:
\[ 0.8J = \frac{1}{2} \times 40N/m \times x^{2} \]
解得:
\[ x = 0.2m \]
因此,该弹簧振子的振幅为0.2m。
步骤 3:计算动能与势能相等时的位移
当动能与势能相等时,小球的动能与弹簧的弹性势能都是0.4J。根据弹性势能公式:
\[ E_{P}′ = \frac{1}{2}kx′^{2} \]
代入数据可得:
\[ 0.4J = \frac{1}{2} \times 40N/m \times x′^{2} \]
解得:
\[ x′ = 0.1\sqrt{2}m \]
步骤 4:计算位移是振幅的一半时的势能
位移是振幅的一半时,x″=0.1m,根据弹性势能公式:
\[ E_{P}″ = \frac{1}{2}kx{″}^{2} \]
代入数据可得:
\[ E_{P}″ = \frac{1}{2} \times 40N/m \times (0.1m)^{2} = 0.2J \]
根据题意,初始动能为0.2J,初始势能为0.6J。因此,系统的总机械能为:
\[ E_{总} = 0.2J + 0.6J = 0.8J \]
步骤 2:计算振幅
当小球的位移最大时,其弹性势能等于总机械能,即0.8J。根据弹性势能公式:
\[ E_{P} = \frac{1}{2}kx^{2} \]
代入数据可得:
\[ 0.8J = \frac{1}{2} \times 40N/m \times x^{2} \]
解得:
\[ x = 0.2m \]
因此,该弹簧振子的振幅为0.2m。
步骤 3:计算动能与势能相等时的位移
当动能与势能相等时,小球的动能与弹簧的弹性势能都是0.4J。根据弹性势能公式:
\[ E_{P}′ = \frac{1}{2}kx′^{2} \]
代入数据可得:
\[ 0.4J = \frac{1}{2} \times 40N/m \times x′^{2} \]
解得:
\[ x′ = 0.1\sqrt{2}m \]
步骤 4:计算位移是振幅的一半时的势能
位移是振幅的一半时,x″=0.1m,根据弹性势能公式:
\[ E_{P}″ = \frac{1}{2}kx{″}^{2} \]
代入数据可得:
\[ E_{P}″ = \frac{1}{2} \times 40N/m \times (0.1m)^{2} = 0.2J \]