| 简谐运动的回复力和能量 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选修3-4

第十一章 机械振动

11.3 简谐运动的回复力和能量

简谐运动的回复力和能量

如图甲所示,劲度系数为$k$ 的轻弹簧竖直固定在水平面上,质量为$m$的小球从$A$点自由下落,至$B$点时开始压缩弹簧,下落的最低位置为$C$点。以$A$点为坐标原点$O$。沿竖直向下建立$x$轴,定性画出小球从$A$$C$过程中加速度$a$与位移$x$的关系,如图乙所示,重力加速度为$g$。对于小球、弹簧和地球组成的系统,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

小球在$B$点时的速度最大

","

小球从$B$$C$的运动为简谐运动的一部分,振幅为$\\dfrac{mg}{k}$

","

小球从$B$$C$,系统的动能与弹性势能之和增大

","

图中阴影部分$1$$2$的面积关系为:$S_{1}\\lt S_{2}$

"]
[["CD"]]

$\rm A$.小球至$B$点时开始压缩弹簧,一开始弹力小于重力,则小球继续向下加速运动,所以小球在$B$点时的速度不是最大,故$\rm A$错误;

$\rm B$.设平衡位置为$O$,弹簧在平衡位置的压缩量为$x_{1}$,则有$x_{1}=\dfrac{mg}{k}$

设平衡位置$O$下方有一$D$点,且$B$$D$相对于$O$点对称,根据对称性可知,小球到达$D$点的速度等于$B$点的速度,且$B$$D$两点的加速度大小相等,即$D$点的加速度大小为$g$,则小球在最低点$C$点的加速度大于$g$,方向向上。

根据牛顿第二定律可得$kx_{C}-mg=ma_{C}\gt mg$

可得最低点$C$的压缩量满足$x_{C}\gt \dfrac{2mg}{k}$

则小球从$B$$C$的运动为简谐运动的一部分,振幅为$A=x_{C}-x_{1}\gt \dfrac{mg}{k}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.小球和弹簧、地球组成的系统机械能守恒,小球从$B$运动到$C$的过程中,小球的重力势能一直在减小,小球的动能与弹簧的弹性势能之和一直在增大,故$\rm C$正确;

$\rm D$.设小球在平衡位置的速度为$v_{\max}$,根据微元累积的思想可得$∑\max=mS=W_{合}$

则根据动能定理可得$mS_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{\max}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$$mS_{2}=\dfrac{1}{2}mv_{\max}^{2}-0$

由于$v_{B}\gt 0$,所以$mS_{1}\lt mS_{2}$,则$S_{1}\lt S_{2}$,即中阴影部分$1$的面积小于阴影部分$2$的面积,故$\rm D$正确。

故选:$\rm CD$

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