结构推理
一个水平面上的弹簧振子,弹簧的劲度系数为k,所系物体的质量为M,振幅为A。有一质量为m的小物体从高度h处自由下落(如图)。当振子在最大位移处,物体正好落在M上,并粘在一起,这时系统的振动周期、振幅和振动能量有何变化?如果小物体是在振子到达平衡位置时落在M上,这些量又怎样变化?
【正确答案】解:(1)小物体落在大物体上以前,振子的振动周期为
小物体落在大物体上后,振子的振动周期变为
显然,T1>T。
小物体落在大物体上以前,在水平方向上的速度为零。如果小物体是在大物体位于最大位移处落在大物体上,这时大物体在水平方向上的速度也为零。小物体落在大物体上后,按动量守恒定律,两个物体的速度仍为零。取这时为计时零点,系统的初始状态为
系统的振幅
小物体落下对系统振幅没有影响。系统振动能量与振幅平方成正比,因而振动能量也不变。
(2)如果小物体是在振子到平衡位置时落在大物体上,系统振动周期仍变为
这时大物体在水平方向上的速度的绝对值
在两物体的碰撞过程中,系统水平方向动量守恒。设碰撞后两物体的共同速度为,则
所以
取这时为计时零点,则系统的初始状态为
可见振幅变小了。振动能量
可见振动能量也变小了。
【答案解析】