大学物理同步辅导与复习自测答案十

一. 选择题:

【 D 】1 （基础训练2） 一劲度系数为k 的轻弹簧截成三等份，取出其中的两根，将它们并联，下面挂一质量为m 的物体，如图13-15所示。则振动系统的频率为 ： (A)

1k 1k

．

(B)

．

2π3m 2πm

图13-15

13k 16k (C) ． (D) ．

2πm 2πm

提示：劲度系数为k 的轻弹簧截成三等份，每份的劲度系数为变为3k ，取出其中2份并联，系统的劲度系数为6k.

【 C 】2、（基础训练3）一长为l 的均匀细棒悬于通过其一端的光滑水平固定轴上，（如图13-16所示），作成一复摆．已知细棒绕通过其一端的轴的转动惯量J =

12

ml ，此摆作微小振动的周期为 3

l l 2l l . (B) 2π. (C) 2π. (D) π. g 2g 3g 3g

(A) 2π

图13-16

提示：均匀的细棒一段悬挂，构成一个复摆，可根据复摆的振动方程求解办法，求出复摆的振动周期。

【 C 】 3 （基础训练4） 一质点作简谐振动，周期为T ．当它由平衡位置向x 轴正方向运动时，从二分之一最大位移处到最大位移处这段路程所需要的时间为 (A) T /12． (B) T /8． (C) T /6． (D) T /4．

提示：从从二分之一最大位移处到最大位移处这段路程在旋转矢量图上，矢量转过的角

1

π3位移为，对应的时间为T/6.

【 B 】 4、（基础训练7）当质点以频率ν 作简谐振动时，它的动能的变化频率为

(A) 4 ν． (B) 2 ν ． (C) ν． (D)

1

． 2

提示：当质点作频率ν 作简谐振动时，振动方程可以表示为x =A cos(2πvt +φ0) ，质点的运动速度为

dx

=-2πvA s i 2πn vt +(φ0) ，动能可以表示为dt

1-cos 2(2πvt +φ0) 12111

E k =mv x =m [-2πvA sin(2πvt +φ0)]2=kA 2sin 2(2πvt +φ0) =kA 2

22222

v x =

[ B ] 5、（基础训练8） 图中所画的是两个简谐振动的振动曲线．若这两个简谐振动可叠加，则合成的余弦振动的初相为

(A) π． (B) π．

2

A/ (C) π． (D) 0． 2

提示：使用谐振动的矢量图示法，

合振动的初始状态为 -初相位为π

【 B 】 6、（自测提高5）一简谐振动曲线如图所示．则振动

周期是 (A) 2.62 s． (B) 2.40 s． (C) 2.20 s． (D)

2.00 s． 提示：使用谐振动的矢量图示法，初始状态旋转矢量位于第四此过程经历时间为1s 2.4s

二 填空题

1、(基础训练12) 一系统作简谐振动, 周期为T ，以余弦函数表达振动时，初相为零．在0≤t ≤T 范围内，系统在t =_ T/8_时刻动能和势能相等．

提示：动能和势能相等，为总能量的一半，此时物体偏离平衡位置的位移应为最大位移的2，相位为π4，因为初始相位为零，t=T/8

2、(基础训练15) 一物块悬挂在弹簧下方作简谐振动, 当这物块的位移等于振幅的一半时, 其动能是总能量的____3/4______（设平衡位置处势能为零）．当这物块在平衡位置时，弹簧的长度比原长长∆l ，这一振动系统的周期为______2π

1

4

∆l

__． g

提示：当物体偏离平衡位置为振幅一半的时，势能为总能量的1/4，动能为总能量的3/4；当物体在平衡位置时，弹簧伸长∆l ，mg =k ∆l k =mg /∆l

T =

2π

ω

=2π

∆l

g

3、(基础训练16) 两个同方向同频率的简谐振动，其振动表达式分别为：

x 1=6⨯10-2cos(5t +π) (SI) ， x 2=2⨯10-2c o s π(-5t ) (SI)

2

π1-2

它们的合振动的振辐为2⨯10(SI),初相为+tg -1＝108.40

23

提示：用旋转矢量图示法求解

4、 (自测提高 8) 在静止的升降机中，长度为l 的单摆的振动周期为T 0．当升降机以加速度a =

1

g 竖直下降时，摆的振动周期2T 0． 2

l

=2T 0

g -a

提示：当升降机以加速度加速下降时，对于单摆，等效加速度为g-a=0.5g;单摆的周期

T =2π

变为:

5．(自测提高 13) 一台摆钟每天慢2分10秒，其等效摆长l = 0.995 m， 摆锤可上、下

移动以调节其周期．假如将此摆当作质量集中在摆锤中心的一个单摆来考虑，则应将摆锤向上移动2.99mm ，才能使钟走得准确？

提示：钟摆周期的相对误差∆T /T =钟的相对误差∆t /t ，等效单摆的周期T =2πl /g ，这里g 不变，则有

2dT /T =dl /l 即有

∆l =2l ∆T /T =2l ∆t /t =

2⨯0. 995⨯130

=2. 99mm

24⨯60⨯60

6 (自测提高 14) 、两个互相垂直的不同频率谐振动合成后的图形如图13-27所示．由图可知x 方向和y 方向两振动的频率之比νx :νy =___4:3___．

提示：在同样的时间间隔内，X 方向的振动为2T x ，而y 方向的振动

图13-27 为1.5T y , 周期之比为3：4，频率之比相反为4：3

三 计算题

1、（基础训练19）一木板在水平面上作简谐振动，振幅是12 cm，在距平衡位置6 cm处速率是24 cm/s．如果一小物块置于振动木板上，由于静摩擦力的作用，小物块和木板一起运动（振动频率不变），当木板运动到最大位移处时，物块正好开始在木板上滑动，问物块与木板之间的静摩擦系数μ为多少？

解：由题意可以得到，6cm 时的振幅）

121212kA =kA mv （A,A1分别为最大振幅和距离平衡位置1+222

k 4

=3 m 3

代入数据可以得到：(0. 12-0. 06) k =0. 24m ；ω=在最大位移处，加速度a =ωA =

2

222

16

⨯(12⨯10-2) =μg 3

μ=0. 0648

2. （基础训练23）有两个同方向的简谐振动，它们的方程(SI单位) 如下：

3⎫1⎫⎛⎛

x 1=0. 05cos 10t +π⎪，x 2=0. 06cos 10t +π⎪

4⎭4⎭⎝⎝

10t +φ) ，问 (1) 求它们合成振动的振幅和初位相。 (2) 若另有一振动x 3=0. 07cos(

φ为何值时，x 1+x 3的振幅为最大；φ为何值时，x 2+x 3的振幅为最小。

解：（1

）合成振动的振幅：A =

=0.078

31

0. 05sin π+0. 06sin π

) =tan -111 初相位：φ0=tan -1(

0. 05cos π+0. 06cos π

44

10t +φ) ，x 1+x 3振幅最大，需要振动的初相位相同，(2) 若另有一振动x 3=0. 07cos(

所以φ=

3. （基础训练24） 有一轻弹簧，下悬质量为1.0克的物体时，伸长量为4.9厘米；用这个弹簧和一个质量为8.0克的小球构成弹簧振子，将小球由平衡位置向下拉开1.0厘米后，给予向上的初速度v 0=5. 0厘米/秒。试求小球的振动周期及振动的表式。

解：由题可知，挂1g 重物时弹簧伸长4.9cm ，即：

35

π，x 2+x 3的振幅最小，需要初相位相差1800，这时φ=π 44

k ∆x =mg ，代入后得到k =0. 2N ;

挂质量为8克重物时，弹簧伸长∆l =39. 2cm 设平衡位置时重力势能为零。

将小球下拉h =1cm 并给予初速度v 0=5. 0厘米/秒，此时系统具有的能量为：

E =E p +E k =

12mv m ax 2

11

⨯k (∆l ) 2+⨯mv 2=1. 54⨯10-2J 22

在平衡位置处，能量全部转化为弹性势能和动能，

E =

v m ax =7. 07⨯10-2m /s

w =

k

=5rad/s m

V m ax

=1. 4142⨯10-2m w 2π

周期T ==0. 4π; 向下拉1cm 后释放时初始相位为T =π/4 A =

ω

振动表达式可以表示为： y =

2⨯10-2cos(5t +

π

4

)

4、(自测提高15) 两个物体作同方向、同频率、同振幅的简谐振动．在振动过程中，每当第一个物体经过位移为A /2的位置向平衡位置运动时，第二个物体也经过此位置，但向远离平衡位置的方向运动．试利用旋转矢量法求它们的相位差．

提示：参考旋转矢量图，可得到两个振动的相位差为

∆φ=

π

2

【选做题】

1. 【自测提高19】如果在水平光滑桌面上放着质量分别为m1和m2的两个物块，它们之间被一弹性系数为k 的轻弹簧连接着，试求该系统的振动周期。

解：设该系统在弹簧被压缩或拉伸最大量为A, A应为两物块的最大位移A1和A2之和。即A =A 1＋A 2

当两物体回复到平衡位置时，两物块分别具有最大的速度值v 1=ωA 1, v 2=ωA 2 因为系统放在光滑水平桌面上，系统总动量守恒，有：

m 1v 1=m 2v 2; m 1ωA 1=m 2ωA 2, A 1=

根据弹簧振子的能量守恒原理，有

m 2

A 2 m 1

111222

m （ωA ）＋m （ωA ）=k （A 1+A 2）1122

222

求解可得：ω=

k （m 1+m 2）

；

m 1m 2

T =2π

m 1m 2

k （m 1＋m 2）

2. 【自测提高21】、质量为M 的圆盘挂在劲度系数为k 的轻弹簧下，并处于静止状态，如图13-30所示。一质量为m 的物体，从距圆盘为h 的高度自由下落，并粘在盘上和盘一起振动。设物体和盘相碰瞬间t=0，

图13-30

而且碰撞时间很短。取碰后系统的平衡位置为坐标原点，竖直向下为坐标的正方向。试求系统的振动方程。

解：质量为m 的物体与质量为M 的物体先发生碰撞，碰撞后的瞬时速度大小为v ：

m 2gh =(M +m ) v v =m 2gh /(M +m ) ，系统动能为：

1

E k 1=(m +M ) v 2=m 2gh /(M +m ) (1)

2

12M 2g 2

碰撞前后瞬间，弹簧的伸长量为L 1=Mg/k, 系统势能为E p 1=kx = (2)

22k

到系统达到平衡位置时，弹簧伸长量为L 2 =(M+m)g/k，设平衡位置时（M ＋m ）物体的速度

为v ’, 有：

11(m +M ) v ' 2+kL 22=E K 1+E P 1+(m +M ) g (L 2-L 1) (3) 2211

(m +M ) v ' 2=KA 2， (4) 22

根据（1）（2）（3）（4）各式，得到

A =

mg 22ghm 2

() +k (m +M ) k

；

根据条件，此振动的角频率为

k

M +m

在t=0时，M ＋m 在往平衡位置方向运动，并再经平衡位置向正最大位移方向移动，由此可判定在旋转矢量图中，矢量处于第三象限。。 设t=0时偏离平衡位置位移为x ，有：

121mg

kx +E K 1=KA 2 得到x ＝

22k

初始相位为：arccos

mg

k (

mg 22ghm

) +k (m +M ) k

2

+π;

也可写成：arctan

2kh

+π

(m +m 0) g

所以，振动方程为：

mg 22ghm 2k x =() +⨯t ＋arccos

k (m +M ) k M +m

或者：

mg

k (

mg 22ghm

) +k (m +M ) k

2

+π)

mg 22ghm 2k 2kh x =() +⨯t ＋arctan +π）

k (m +M ) k M +m (m +m 0) g