Question

【題目】簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是我們研究過(guò)的一種典型運(yùn)動(dòng)方式。

（1）一個(gè)質(zhì)點(diǎn)做機(jī)械振動(dòng)，如果它的回復(fù)力與偏離平衡位置的位移大小成正比，而且方向與位移方向相反，就能判定它是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。如圖所示，將兩個(gè)勁度系數(shù)分別為k1和k2的輕質(zhì)彈簧套在光滑的水平桿上，彈簧的兩端固定，中間接一質(zhì)量為m的小球，此時(shí)兩彈簧均處于原長(zhǎng)�，F(xiàn)將小球沿桿拉開(kāi)一段距離后松開(kāi)，小球以O為平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)你據(jù)此證明，小球所做的運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

（2）以上我們是以回復(fù)力與偏離平衡位置的位移關(guān)系來(lái)判斷一個(gè)運(yùn)動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。但其實(shí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)也具有一些其他特征，如簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v與其偏離平衡位置的位移x之間的關(guān)系就都可以表示為，v2=v02-ax，其中v0為振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)平衡位置時(shí)的瞬時(shí)速度，a為由系統(tǒng)本身和初始條件所決定的不變的常數(shù)。請(qǐng)你證明，如圖中小球的運(yùn)動(dòng)也滿足上述關(guān)系，并說(shuō)明其關(guān)系式中的a與哪些物理量有關(guān)。已知彈簧的彈性勢(shì)能可以表達(dá)為kx2，其中k是彈簧的勁度系數(shù)，x是彈簧的形變量。

（3）一質(zhì)點(diǎn)沿順時(shí)針?lè)较蛞运俣?/span>v0做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示。請(qǐng)結(jié)合第（2）問(wèn)中的信息，分析論證小球在x方向上的分運(yùn)動(dòng)是否符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)這一特征。

Answer 1

【答案】（1）證明見(jiàn)解析。（2）a等于兩個(gè)彈簧的勁度系數(shù)的和，初速度的大小與開(kāi)始時(shí)的振幅有關(guān)。（3）證明見(jiàn)解析。

【解析】

（1）若小球向右偏離的位移為x，選取向右為正方向，由胡克定律可得，小球受到的合外力：F合=（k1+k2）x，由于k1和k2都是常數(shù)，所以小球受到的合外力與位移成正比，小球做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

（2）小球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中的機(jī)械能包括小球的動(dòng)能與彈簧的彈性勢(shì)能，小球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，設(shè)小球偏離O點(diǎn)的最大位移為A，則通過(guò)平衡位置時(shí)：

若小球向右偏離的位移為x時(shí)的速度為v，則：

即：v2=v02-（k1+k2）x2=v02-ax2

可知其中a等于兩個(gè)彈簧的勁度系數(shù)的和，初速度的大小與開(kāi)始時(shí)的振幅有關(guān)。

（3）當(dāng)質(zhì)點(diǎn)水平方向的位移為x時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度與x軸之間的夾角設(shè)為θ，將質(zhì)點(diǎn)的速度沿x軸方向與y軸方向分解如圖，則：

vy=v0cosθ

而：cosθ=

根據(jù)合速度與分速度的關(guān)系可知：v02=vx2+vy2

整理可得：vx2=v02-v02=v02-ax2