AP物理1:谐波运动的周期和频率

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例子问题

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例子问题1:谐波运动的周期和频率

无摩擦表面上的水平弹簧的弹簧常数为大量的附在弹簧的末端。如果弹簧被拉伸通过平衡点并释放,质量每分钟通过平衡点多少次?

可能的答案:

正确答案:

解释

要解决这个问题,我们需要知道三件事。

  1. 弹簧简谐运动频率的公式
  2. 弹簧常数
  3. 附在弹簧上的物体的质量

已知2和3,所以我们只需要知道1。

频率的公式为:

代入我们的值,我们得到:

现在我们需要将赫兹(周期/秒)转换为周期/分钟。

要得到这些单位:

例子问题2:谐波运动的周期和频率

考虑以下系统:

Pendulum_1

如果钟摆的周期是,绳子的长度是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

我们只需要摆周期的表达式就可以解决这个问题:

重新排列长度,我们得到:

我们有所有这些值,让我们能够解决:

示例问题3:谐波运动的周期和频率

考虑以下系统:

Pendulum_1

如果质量达到最大高度为最小角度是,钟摆的周期是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

首先,我们将使用钟摆周期的方程:

我们唯一没有的值是长度。但是,我们可以根据给定的信息开发一个长度表达式。

第二项描述了钟摆与钟摆顶部高度的距离。因此,我们从摆的最低点减去这个值,得到相对于摆的最低点的高度。我们可以把它改写为:

将此代入周期的原表达式,得到:

我们可以用给定的值来解:

示例问题4:谐波运动的周期和频率

一个质量为1.3千克的物体附着在弹簧上,弹簧的力恒定,,是.这个弹簧-块系统振荡的频率和周期是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

对于进行简谐运动的质量-弹簧系统,利用该方程可以求出振动的频率

已知力常数(或弹簧常数),是.振荡质量也给定为1.3 kg。把这些代入方程,求出频率,.频率的单位是赫兹。

示例问题5:谐波运动的周期和频率

把一个300克的物体附在弹簧上,作周期为0.25 s的简谐运动。如果系统的总能量是3.0 J,振荡的振幅是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

我们已知系统的质量是300g。首先,我们要把这个换算成千克。自,我们可以用

题目还告诉我们振荡的周期,也就是0.25 s。我们可以用下面的公式来求解力常数:

重新排列方程以分离变量,代入求出的已知值

现在我们有了力常数,,我们可以用它来帮助我们找到振荡的振幅。我们还设系统的能量为3.0 j。质量-弹簧振荡系统的能量方程为:

是系统的总势能。现在,代入数值,求解,这是振荡的振幅。

示例问题6:谐波运动的周期和频率

钟摆的长度发生简谐运动的行星在地球上的周期为1.0 s。如果月球上的重力加速度是月球上钟摆的周期是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

摆的周期和它的长度的关系式是

我们知道地球上钟摆的周期,已知的,是1.0 s。我们也知道在地球上.我们可以求出钟摆的长度

现在我们有了钟摆的长度,我们可以用它来计算如果钟摆在月球上,它的振荡周期是多少,在月球上,g和地球上不一样,而是一样

示例问题7:谐波运动的周期和频率

如果钟摆的周期是,它的长度是多少?

可能的答案:

这些都不是

正确答案:

解释

摆的周期公式:

解决。

示例问题8:谐波运动的周期和频率

在实验室里,一名学生通过在弹簧上悬挂重物制造了一个振荡器。学生将振荡器从静止状态中释放出来,并使用传感器和计算机找到振荡器的运动方程:

然后学生用质量为,是原重量的两倍。学生再次释放从休息的重量从同样的位移从平衡。振荡器的新运动方程是什么?

可能的答案:

正确答案:

解释

振子的运动方程为:

换句话说,位置作为时间的函数等于振幅乘以频率(弧度/秒)乘以时间+相位之和的余弦。改变重量的质量只会改变频率,但它取决于质量的平方根。由于质量的增加增加了周期,它使频率减少了

示例问题9:谐波运动的周期和频率

傅里叶变换是一种广泛应用的数学分析技术。在某些应用中,它重构函数变成无穷级数的正弦波。

假设傅里叶变换由级数给出:

在哪里是任意长度和是整数,正弦信号的波长是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

首先,我们要忽略求和符号和因为这些项不影响波长.我们只需要看sin项。

,我们得到正弦曲线:

记住波长

示例问题10:谐波运动的周期和频率

确定频率为的正弦波的周期

可能的答案:

正确答案:

解释

周期由:在哪里是频率。因此,

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