大学物理第四章课后答案

习题四 4-1 符合什么规律的运动才是谐振动?分别分析下列运动是不是谐振动： (1)拍皮球时球的运动； (2)如题4-1图所示，一小球在一个半径很大的光滑凹球面内滚动(设小球所经过的弧线很 短)．
题4-1图 解：要使一个系统作谐振动，必须同时满足以下三个条件：一 ，描述系统的各种参量，如 质量、转动惯量、摆长……等等在运动中保持为常量；二，系统 是在 自己的稳定平衡位置 附近作往复运动；三，在运动中系统只受到内部的线性回复力的作用． 或者说，若一个系 统的运动微分方程能用
(3)由于谐振动中能量守恒，故在任一位置处或任一时刻的系统的总能量均为
4-7 有一轻弹簧，下面悬挂质量为 1.0g 的物体时，伸长为 4.9cm ．用这个弹簧和一个质量 为 8.0g 的小球构成弹簧振子，将小球由平衡位置向下拉开 1.0cm 后 ，给予向上的初速度
v0 = 5.0cm ⋅ s −1 ，求振动周期和振动表达式．
d2 x mg sin θ − T1 = m 2 dt
①
T1 R − T2 R = Iβ
d2 x = Rβ dt 2
②
T2 = k ( x 0 + x )
③
式中 x0 = mg sin θ / k ，为静平衡时弹簧之伸长量，联立以上三式，有
I d2x (mR + ) 2 = − kxR R dt
令 则有
7
∴ 故其角振幅
Байду номын сангаас
2 A = x0 +(
v0 2 v 0 0.01 ) = = = 3.2 × 10 −3 m ω ω 3.13 A = 3.2 × 10 −3 rad l
Θ=
小球的振动方程为
∆φ = ω (t 2 − t1 ) = 8π (5 − 1) = 32π
4-5 一个沿 x 轴作简谐振动的弹簧振子，振幅为 A ，周期为 T ，其振动方程用余弦函数 表示．如果 t = 0 时质点的状态分别是： (1) x0 = − A ； (2)过平衡位置向正向运动； (3)过 x =
A 处向负向运动； 2 A 处向正向运动． 2
4-8 图为两个谐振动的 x − t 曲线，试分别写出其谐振动方程．
题4-8图 解：由题4-8图(a)，∵ t = 0 时， x 0 = 0, v0 > 0,∴φ 0 = 即 故
3 π , 又, A = 10cm, T = 2s 2
ω=
2π =π T
rad ⋅ s −1
3 x a = 0.1 cos(πt + π )m 2 A 5π 由题4-8图(b)∵ t = 0 时， x 0 = , v0 > 0,∴ φ 0 = 2 3 π t1 = 0 时， x 1 = 0, v1 < 0,∴ φ1 = 2π + 2 5 5 又 φ1 = ω × 1 + π = π 3 2 5 ∴ ω= π 6 5 5π 故 xb = 0.1 cos( πt + )m 6 3 4-9 一轻弹簧的倔强系数为 k ，其下端悬有一质量为 M 的盘子．现有一质量为 m 的物体 从离盘底 h 高度处自由下落到盘中并和盘子粘在一起，于是盘子开始振动．
d 2θ = − mgθ dt 2
g ，则有 R
d 2θ +ω 2 = 0 dt 2
4-2
劲度系数为 k1 和 k 2 的两根弹簧，与质量为 m 的小球按题4-2图所示的两种方式连
接，试证明它们的振动均为谐振动，并分别求出它们的振动周期．
1
题4-2图 解：(1)图(a)中为串联弹簧，对于轻弹簧在任一时刻应有 F = F1 = F2 ，设串联弹簧的等效 倔强系数为 K 串 等效位移为 x ，则有
∆S →0，所以回复力为 − mgθ .式中负号，表示回复力的 R 方向始终与角位移的方向相反．即小球在 O 点附近的往复运动中所受回复力为线性的．若 以小球为对象，则小球在以 O ′ 为圆心的竖直平面内作圆周运动，由牛顿第二定律，在凹槽
题 中所述， ∆S ＜＜ R ，故 θ = 切线方向上有
mR
令ω 2 =
（3） tan φ 0 = −
v0 2kh (第三象限)，所以振动方程为 = x 0ω ( M + m) g mg 2kh 1+ k (m + M ) g
⎡ k 2kh ⎤ cos⎢ t + arctan ⎥ ( M + m) g ⎦ ⎣ m+M
x=
4-10 有一单摆，摆长 l = 1.0m ，摆球质量 m = 10 × 10 −3 kg ，当摆球处在平衡位置时，若 给小球一水平向右的冲量 F∆t = 1.0 × 10 −4 kg ⋅ m ⋅ s −1 ，取打击时刻为计时起点 (t = 0) ，求 振动的初位相和角振幅，并写出小球的振动方程． 解：由动量定理，有
F ⋅ ∆t = mv − 0
∴
v=
F ⋅ ∆t 1.0 × 10 −4 = = 0.01 m 1.0 × 10 −3
m ⋅ s -1
按题设计时起点，并设向右为 x 轴正向，则知 t = 0 时， x 0 = 0, v 0 = 0.01m ⋅ s −1 ＞0 ∴ φ 0 = 3π / 2
又
ω=
g 9.8 = = 3.13rad ⋅ s −1 l 1.0
F = − k串 x F1 = − k1 x1 F2 = − k 2 x2
又有
x = x1 + x 2 x= F F F = 1+ 2 k串 k1 k 2
所以串联弹簧的等效倔强系数为
k串 =
k1 k 2 k1 + k 2
即小球与串联弹簧构成了一个等效倔强系数为 k = k1 k 2 /( k1 + k 2 ) 的弹簧振子系统，故 小球作谐振动．其振动周期为
d 2ξ + ω 2ξ = 0 dt 2
描述时，其所作的运动就是谐振动． (1)拍皮球时球的运动不是谐振动．第一，球的运动轨道中并不存在一个稳定的平衡位 置； 第二，球在运动中所受的三个力：重力，地面给予的弹力，击球者给予的拍击力，都 不是线 性回复力． (2)小球在题4-1图所示的情况中所作的小弧度的运动，是谐振动．显然，小球在运动过 程中 ，各种参量均为常量；该系统(指小球凹槽、地球系统)的稳定平衡位置即凹槽最低点， 即系统势能最小值位置点 O ；而小球在运动中的回复力为 − mg sin θ ，如题4-1图(b)所示．
(2)
Fm = am = 0.63N
1 2 E = mvm = 3.16 × 10 − 2 J 2 1 E p = E k = E = 1.58 × 10 −2 J 2
当 E k = E p 时，有 E = 2 E p ， 即
1 2 1 1 2 kx = ⋅ ( kA ) 2 2 2
∴
x=±
(3)
2 2 A=± m 2 20
−3
2π ) 3
(SI) 的规律
解：(1)设谐振动的标准方程为 x = A cos(ω t + φ 0 ) ，则知：
3
A = 0.1m, ω = 8π ,∴T =
又
2π 1 = s, φ 0 = 2π / 3 ω 4
v m = ω A = 0.8π m ⋅s −1 = 2.51 m ⋅s −1 a m = ω 2 A = 63.2 m ⋅s −2
5.0 × 10 − 2 2 ) 5
∴
2 A = x0 +(
= (1.0 × 10 − 2 ) 2 + ( = 2 × 10 − 2 m tan φ 0 = −
∴
v0 5.0 × 10 −2 5π = = 1,即φ 0 = −2 x0ω 1.0 × 10 × 5 4
5 x = 2 × 10 − 2 cos(5t + π )m 4
T ′ = 2π
m k1 + k 2
4-3 如题4-3图所示，物体的质量为 m ，放在光滑斜面上，斜面与水平面的夹角为 θ ，弹 簧的倔强系数为 k ，滑轮的转动惯量为 I ，半径为 R ．先把物体托住，使弹簧维持原长， 然 后由静止释放，试证明物体作简谐振动，并求振动周期．
2
题4-3图 解：分别以物体 m 和滑轮为对象，其受力如题4-3图(b)所示，以重物在斜面上静平衡时位 置为坐标原点，沿斜面向下为 x 轴正向，则当重物偏离原点的坐标为 x 时，有
将以上初值条件代入上式，使两式同时成立之值即为该条件下的初位相．故有
φ1 = π
3 φ2 = π 2 π φ3 = 3 5π φ4 = 4
x = A cos(
4
4-6 一质量为 10 × 10−3 kg 的物体作谐振动，振幅为 24cm ，周期为 4.0s ，当 t = 0 时位移 为 + 24cm ．求： (1) t = 0.5s 时，物体所在的位置及此时所受力的大小和方向； (2)由起始位置运动到 x = 12cm 处所需的最短时间； (3)在 x = 12cm 处物体的总能量． 解：由题已知 ∴
T=
m(k1 + k 2 ) 2π m = 2π = 2π ω k串 k1k 2
(2)图(b)中可等效为并联弹簧，同上理，应有 F = F1 = F2 ，即 x = x1 = x2 ，设并联弹 簧的倔强系数为 k并 ，则有
k并 x = k1 x1 + k 2 x 2
故 同上理，其振动周期为
k 并 = k 1+ k 2
方向指向坐标原点，即沿 x 轴负向． (2)由题知， t = 0 时， φ 0 = 0 ，
t =t时
∴
x0 = +
A π , 且v < 0, 故φ t = 2 3 ∆φ π π 2 t= = / = s ω 3 2 3
1 1 E = kA2 = mω 2 A2 2 2 1 π = × 10 × 10 −3 ( ) 2 × (0.24) 2 2 2 −4 = 7.1× 10 J
A = 24 × 10 −2 m, T = 4.0s ω=
2π = 0.5π T rad ⋅ s −1
又， t = 0 时， x0 = + A,∴ φ 0 = 0 故振动方程为
x = 24 × 10 −2 cos(0.5πt )m
(1)将 t = 0.5s 代入得
x0.5 = 24 × 10 −2 cos(0.5πt )m = 0.17m F = − ma = −mω 2 x π = −10 × 10 −3 × ( ) 2 × 0.17 = −4.2 ×10 −3 N 2
(4)过 x = −
试求出相应的初位相，并写出振动方程． 解：因为
⎧ x0 = A cos φ 0 ⎨ ⎩v0 = −ω A sin φ 0 2π t +π ) T 2π 3 x = A cos( t + π ) T 2 2π π x = A cos( t + ) T 3 2π 5 x = A cos( t + π ) T 4
(2)按(3)所设坐标原点及计时起点， t = 0 时，则 x0 = − 动量守恒，即
m 2 gh = (m + M )v 0
则有 于是
2 A = x0 +(
v0 =
m 2 gh m+M
v0 2 mg m 2 2 gh 2 ) = ( )2 + ( ) ω k (m + M )
=
mg 2kh 1+ k (m + M ) g
6
(1)此时的振动周期与空盘子作振动时的周期有何不同? (2)此时的振动振幅多大? (3)取平衡位置为原点，位移以向下为正，并以弹簧开始振动时作为计时起点，求初位相并 写出物体与盘子的振动方程． 解：(1)空盘的振动周期为 2π
M M +m ，落下重物后振动周期为 2π ，即增大． k k mg ．碰撞时，以 m, M 为一系统 k
ω2 =
kR 2 mR 2 + I
d2x +ω 2x = 0 2 dt
故知该系统是作简谐振动，其振动周期为
2π mR 2 + I m + I / R2 T= = 2π (= 2π ) ω K kR 2
4-4 质量为 10 × 10 kg 的小球与轻弹簧组成的系统， 按 x = 0.1 cos(8π + 作谐振动，求： (1)振动的周期、振幅和初位相及速度与加速度的最大值； (2)最大的回复力、振动能量、平均动能和平均势能，在哪些位置上动能与势能相等? (3) t 2 = 5s 与 t1 = 1s 两个时刻的位相差；
解：由题知 k =
m1 g 1.0 × 10 −3 × 9.8 = = 0.2 N ⋅ m −1 x1 4.9 × 10− 2
5
而 t = 0 时， x0 = −1.0 × 10 −2 m, v 0 = 5.0 × 10 −2 m ⋅ s -1 ( 设向上为正) 又
ω=
k 0.2 2π = = 5, 即T = = 1.26s −3 m ω 8 × 10 v0 2 ) ω