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大学物理第二版下北京邮电大学出版社答案
第8章 机械振动
8-1 解:取固定坐标xOy,坐标原点O在水面上(图题所示)
设货轮静止不动时,货轮上的A点恰在水面上,则浮力为Sρga.这时
往下沉一点时,
合力
.
又
故
故作简谐振动
8-2 解:取物体A为研究对象,建立坐标Ox轴沿斜面向下,原点取在平衡位置处,即在初始位置斜下方距离l0处,此时:
(1)
(1) A物体共受三力;重mg, 支持力N, 张力T.不计滑轮质量时,有
T=kx
列出A在任一位置x处的牛顿方程式
将(1)式代入上式,整理后得
故物体A的运动是简谐振动,且
由初始条件求得故物体A的运动方程为
x=0.1cos(7t+π)m
(2) 当考虑滑轮质量时,两段绳子中张力数值不等,如图所示,分别为T1、T2,则对A列出任一位置x处的牛顿方程式为:
(2)
对滑轮列出转动方程为: (3)
式中,T2=k(l0+x) (4)
由式(3)、(4)知代入(2)式知
又由(1)式知
故
即
可见,物体A仍作简谐振动,此时圆频率为:
由于初始条件:
可知,A、不变,故物体A的运动方程为:
由以上可知:弹簧在斜面上的运动,仍为简谐振动,但平衡位置发生了变化,滑轮的质量改变了系统的振动频率.
8-3 解:简谐振动的振动表达式:
由题图可知,,当t=0时,将代入简谐振动表达式,得:
由,当t=0时,
由图可知,0,即,故由,取
又因:t=1s 时,将其入代简谐振动表达式,得
由t=1s时,0知,,取,
即
质点作简谐振动的振动表达式为
8-4 解:以该球的球心为原点,假设微粒在某一任意时刻位于遂道中的位矢为,由高斯定理可知,则微粒在此处受电场力为:
式中,负号表明电场的方向与的正方向相反,指向球心.由上式及牛顿定律,得:
令
则
故微粒作简谐振动,平衡点在球心处.由
知:
8-5 解:(1)取弹簧原长所在位置为点.当弹簧挂上物体A时,处于静止位置P点,有:
将A与B粘合后,挂在弹簧下端,静止平衡所在位置O点,取O点为原坐标原点如图题8-5所示,则有:
设当B与A粘在一起后,在其运动过程的任一位置,弹簧形变量,则A、B系统所受合力为:
即
可见A与B作简谐和振动.
(2) 由上式知,
以B与A相碰点为计时起点,此时A与B在P点,由图题8-5可知
则t=0时,(负号表P点在O点上方)
又B与A为非弹性碰撞,碰撞前B的速度为:
碰撞后,A、B的共同速度为: (方向向上)
则t=0时,
可求得:
可知A与B振动系统的振动表达式为:
(3) 弹簧所受的最大拉力,应是弹簧最大形变时的弹力,最大形变为:
则最大拉力
8-6 解:(1) 已知A=0.24m, ,如选x轴向下为正方向.
已知初始条件即
而 取,故:
(2) 如图题所示坐标中,在平衡位置上方0.12m, 即x=-0.12m处,有
因为所求时间为最短时间,故物体从初始位置向上运动,.故
则取
可得:
(3) 物体在平衡位置上方0.12m处所受合外力,指向平衡位置.
8-7 解:子弹射入木块为完全非弹性碰撞,设u为子弹射入木块后二者共同速度,由动量定理可知:
不计摩擦,弹簧压缩过程中系统机械能守恒,即:
(x0为弹簧最大形变量)
由此简谐振动的振幅
系统圆频率
若取物体静止时的位置O(平衡位置)为坐标原点,Ox轴水平向右为正,则初始条件为:
t=0时,x=0,
由得:
则木块与子弹二者作简谐振动,其振动表达式为:
8-8 解:当物体m1向右移动x时,左方弹簧伸长x,右方弹簧缩短x,但它们物体的作用方向是相同的,均与物体的位移方向相反,即
令F=-kx,有:
由
得
则粘上油泥块后,新的振动系统质量为:
新的周期
在平衡位置时,m2与m1发生完全非弹性碰撞.
碰撞前,m1的速度
设碰撞后,m1和m2共同速度为.
根据动量守恒定律,
则
新的振
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