题目内容

17.如图所示,一轻弹簧直立地面上,其劲度系数为400N/m,弹簧上端与盒子A连接在一起,盒子内装物体B,B的上下表面恰与盒子接触,A和B的质量mA=mB=1.0kg,g=10m/s2,不计空气阻力.先将A向上抬高使弹簧伸长5.0cm后,从静止释放,释放后A和B一起做简谐运动.试求:
(1)A的振幅A0;
(2)B的最大速率vm;
(3)盒子振动到最高点和最低点时刻A对B的作用力大小F1、F2.

分析 (1)简谐运动的振幅A是振动物体离开平衡位置的最大距离,根据此定义,可先求出振子在平衡位置时,弹簧的压缩量,即可求解A.
(2)振子到达平衡位置时B的速率最大,从开始到平衡位置,运用机械能守恒定律列式,可求出B的最大速率.
(3)先由整体法求出加速度,再隔离B,运用牛顿第二定律求解.

解答 解:(1)振子在平衡位置时,所受合力为零,设此时弹簧被压缩△x.则(mA+mB)g=k△x,
代入数据解得△x=0.05m=5cm
开始释放时振子处在最大位移处,故振幅A为:A=5cm+5cm=10cm.
(2)由于开始时弹簧的伸长量恰等于振子在平衡位置时弹簧的压缩量,故弹性势能相等,设振子的最大速率为v,从开始到平衡位置处,根据机械能守恒定律:
  (mA+mB)•A=$\frac{1}{2}$(mA+mB)vm2
则得 vm=$\sqrt{2gA}$=$\sqrt{2×10×0.1}$=$\sqrt{2}$m/s,即B的最大速率为$\sqrt{2}$m/s       
(3)在最高点,振子受到的重力和弹力方向相同,根据牛顿第二定律:
对AB整体,有a=$\frac{k△x+({m}_{A}+{m}_{B})g}{{m}_{A}+{m}_{B}}$=20m/s2;
对B,由牛顿第二定律得:N1+mBg=mBa
则A对B的作用力方向向下,其作用力大小为:N1=mBa-mBg=10N
在最低点,根据对称性知,加速度大小为a=20m/s2;方向向上.
对B,由牛顿第二定律得:N2-mBg=mBa
则A对B的作用力方向向上,其大小N2为:N2=mBa+mBg=30N
答:
(1)物体A的振幅是10cm.
(2)物体B的最大速率是1.4m/s.
(3)在最高点A对B的作用力方向向下,其大小为10N,在最低点A对B的作用力方向向上,其大小为30N.

点评 本题要紧扣振幅的定义,要注意A、B的加速度相同,灵活选择研究对象,运用胡克定律、牛顿第二定律和机械能守恒结合进行分析和求解.

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