物理:弹簧和谐波

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例子问题

例子问题1:弹簧和谐波

一个平衡悬挂的物体被弹簧固定在天花板上的固定表面上。物体从天花板上被拉下来,然后被释放,允许以简谐运动运动。物体不会因摩擦或空气阻力而损失能量。下面哪个选项会增加物体通过平衡位置的频率?

可能的答案:

提高质量

增加弹簧的刚度

增加向下拉的位移

减小向下拉力的位移

正确答案:

增加弹簧的刚度

解释

这个问题的重点是理解简谐运动。确定质量运动的频率或周期/秒的公式如下,其中弹簧和的弹簧是常数吗是物体的质量。

注意,频率并不取决于物体最初移动的距离。如果物体移位得更多,它经过平衡位置时移动得更快。然而,它穿过平衡位置的频率不会比它被移位的次数少。

增加所附物体的质量将增加公式中的分母,因此将减少谐波运动的频率。

增加弹簧常数,,会增加公式的分子,这将导致运动频率的增加。弹簧常数与弹簧的刚度成正比;因此,增加刚度将增加频率。

例子问题1:弹簧和谐波

一个平衡悬挂的物体被弹簧固定在天花板上的固定表面上。物体从天花板上被拉下来,然后被释放,以简谐运动运动。物体不会因摩擦或空气阻力而损失能量。在什么点上,弹簧对物体的作用力最大?

可能的答案:

从平衡位置出发的最大位移

这些答案都没有

就在它经过平衡位置之前

在平衡位置

正确答案:

从平衡位置出发的最大位移

解释

弹簧对物体施加的最大力是在与平衡位置的最大位移处。这可以从弹簧力的公式中看出。

是位移和是弹簧常数。公式右边为负的原因是因为弹簧产生的力与位移的方向相反。在物体运动的整个过程中,弹簧常数保持不变,因此当产生最大的力时(位移)是最大的。

例子问题1:弹簧和谐波

a的周期是多少固定在弹簧上的块,弹簧常数为它被压缩后和发布?

可能的答案:

正确答案:

解释

最适合解决这个问题的方程是,在那里是运动的频率,弹簧是恒定的吗是质量。

求解周期有两种方法。

,我们可以先解出频率,然后解出.第二种方法是重新排列方程,直接求解.两种方法都可以使用;这只是个人喜好的问题。

使用第一种方法,我们可以代入问题中的给定值。

现在,我们需要取频率的倒数来解出周期。

因为周期是频率的倒数,所以答案是

观察这个方程,我们可以看到弹簧被拉伸或压缩的距离对周期或频率没有影响。

示例问题4:弹簧和谐波

弹簧是用来从天花板上悬挂物体的。它的弹性常数是弹簧上有一株植物,被拉长了7厘米。

附在弹簧上的植物的质量是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

胡克定律被写成,其中k是弹簧常数,和是弹簧位置的变化。

因为这是向上的力,它将抵消植物对弹簧的向下的力,我们可以使这些力相等。

示例问题5:弹簧和谐波

一个弹簧的常数是.这意味着悬浮在弹簧上的物体会引起下列哪一种结果?

可能的答案:

把弹簧加长

把弹簧加长

缩短弹簧

把弹簧加长

缩短弹簧

正确答案:

把弹簧加长

解释

胡克定律给出了弹簧力的公式:

弹簧上的扭曲力,无论是变长还是变短,都与弹簧相反,因此有负号。在我们的问题中,扭曲力是由作用在物体上的重力引起的,允许我们设弹簧的力等于物体上的重力的反方向。

用我们给出的弹簧常数、质量和重力加速度的值来求合成位移。

把物体挂在弹簧上,会使它大约拉伸

例子问题1:弹簧和谐波

考虑以下系统:

如果弹簧储存了100J的势能并且系统处于平衡状态,弹簧的常数是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

解决这个问题有几个步骤。首先我们需要知道弹簧的张力。从那里我们可以计算弹簧常数,知道它储存的势能。

让我们画出所有的力来帮助可视化系统:

如果系统处于平衡状态,那么所有的力都消掉了。把力分成它们的分量,我们得到:

x分量:

分量:

我们可以同时解出T1和T2的方程。因为我们只需要知道T2,让我们重新排列T1的第一个方程:

将这个代入第二个方程,得到:

对T2重新安排:

用已知的值,我们可以解出T2:

这是弹簧的张力。我们可以写出两个关于弹簧的方程

我们唯一不知道的变量是而且,所以我们可以同时解这两个方程。我们想要的我们重新排列第一个方程

将这个代入第二个方程,得到:

重新安排的

我们知道了力和势能,可以解出

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