人教版 (2019)选择性必修 第一册3 简谐运动的回复力和能量练习
展开一、基础巩固
1.如图所示,对做简谐运动的弹簧振子的受力情况分析正确的是( )
A.重力、支持力、弹簧的弹力
B.重力、支持力、弹簧的弹力、回复力
C.重力、支持力、回复力、摩擦力
D.重力、支持力、摩擦力、弹簧的弹力
【答案】A
【解析】振子只受重力、支持力及弹簧给它的弹力.故选项A符合题意.回复力为效果力,受力分析时不分析此力. 故选项B不符合题意.弹簧振子的简谐运动中忽略了摩擦力.故选项CD不符合题意.
2.机械振动中,下列各组物理量中其方向始终相反的是
A.回复力与速度B.位移与速度
C.加速度与位移D.速度与加速度
【答案】C
【解析】回复力与位移的关系:,根据牛顿第二定律:,可知加速度与位移方向始终相反,故C正确,ABD错误。故选C.
3.机械振动中,下列各组物理量中其大小变化始终一致的是
A.回复力与速度B.位移与速度
C.加速度与速度D.位移与加速度
【答案】D
【解析】回复力与位移的关系:,根据牛顿第二定律:,所以加速度大小与位移大小变化一致,弹簧振子由平衡位置向最大位移处运动过程中,速度减小,位移增大,加速度增大,故D正确,ABC错误。故选D.
4.如图所示,弹簧振子在B、C两点间做机械振动,O为平衡位置,A为间的一点,则
A.振子在位置B、C时的速度最大B.振子从B向O运动时加速度逐渐增大
C.振子经过位置O时动能最大D.振子每次经过位置A时速度都相等
【答案】C
【解析】振子在位置B、C时的速度为零,加速度最大,故A错误;从B向O运动时弹簧弹力减小,加速度减小,故B错误;振子经过位置O时加速度为零,速度最大,动能最大,故C正确;振子每次经过位置A时速度大小相等,方向不同,故D错误。故选C.
5.如图的简谐运动图象中,在t1和t2时刻,运动质点相同的量为( )
A.加速度B.位移C.速度D.回复力
【答案】C
【解析】由图读出,t1和t2时刻,质点运动的位移大小相等,方向相反;根据简谐运动的加速度,位移大小相等,方向相反,则加速度大小相等,方向相反,故AB错误;x-t图象上点的切线的斜率表示速度,故在t1和t2时刻速度相同,故C正确;根据简谐运动的基本特征是:F=-kx得知,t1和t2时刻质点的回复力大小相等,方向相反,故D错误。选C。
6.对简谐运动的回复力公式F=-kx的理解,正确的是( )
A.k只表示弹簧的劲度系数
B.式中的负号表示回复力总是负值
C.位移x是相对平衡位置的位移
D.回复力只随位移变化,不随时间变化
【答案】C
【解析】k是回复力大小与位移大小的比值,不一定表示弹簧的劲度系数,故A项错误;式中的负号表示回复力方向总是与位移方向相反,故B项错误;式中位移x是相对平衡位置的位移,故C项正确;简谐运动物体位移随时间变化,回复力既随位移变化,也随时间变化,故D项错误。故选C。
7.物体做简谐运动时,下列叙述正确的是( )
A.平衡位置就是合力为零的位置
B.处于平衡位置的物体,一定处于平衡状态
C.物体到达平衡位置时,合力不一定为零
D.物体到达平衡位置时,回复力不一定为零
【答案】C
【解析】当物体运动到平衡位置时,其位移为零,根据F=-kx可知,物体的回复力为零,但合外力不一定为零,即不是平衡状态;例如单摆运动中的小球到达最低点时,其合力竖直向上,不等于零,故ABD错误,C正确。
8.弹簧振子的振动图像如图所示。在t=2s~3s的时间内,振子的动能Ek和势能Ep的变化情况是( )
A.Ek变小,Ep变大B.Ek变大,Ep变小
C.Ek、Ep均变小D.Ek、Ep均变大
【答案】B
【解析】在t=2s~3s的时间内,振子从位移最大的位移向平衡位置运动,速度增大,动能变大,势能减小。
故选B。
9.沿水平方向振动的弹簧振子在做简谐运动的过程中,下列说法正确的是( )
A.在平衡位置,它的机械能最大
B.在最大位移处,它的弹性势能最大
C.从平衡位置向最大位移处运动过程中,它的弹性势能减小
D.从最大位移处向平衡位置运动的过程中,它的机械能减小
【答案】B
【解析】弹簧振子在做简谐运动的过程中机械能守恒,各个位置的机械能相等,AD错误;在最大位移时弹簧的形变量最大,它的弹性势能最大,B正确;从平衡位置向最大位移处运动过程中,弹簧的伸长量变大,即弹性势能增大,C错误。故选B。
10.一弹簧振子振幅为A,从最大位移处经过时间t0第一次到达平衡位置,若振子从最大位移处经过时的加速度大小和动能分别为a1和E1,若振子从最大位移处经过路程为时加速度大小和动能分别为a2和E2,则a1、a2和E1、E2的大小关系为( )
A.a1>a2,E1>E2B.a1<a2,E1>E2
C.a1<a2,E1<E2D.a1>a2,E1<E2
【答案】D
【解析】弹簧振子从最大位移处往平衡位置运动,速度增大,加速度减小,故时间内运动的路程小于,即其距离平衡位置的距离大于,距离平衡位置越远,加速度越大,速度越小,因此,,故D正确;故选D。
12.回复力是根据力的_______命名的.弹簧振子是一个典型的简谐运动模型,它的回复力是由_____提供的.
【答案】效果 弹簧的弹力
【解析】[1]回复力是按效果命名的力,回复力可以是某个力,也可以是几个力的合力,还可以是某个力的分力;
[2]弹簧振子的回复力是由弹簧的弹力提供的。
二、拓展提升
1.一弹簧振子做简谐运动,它所受的回复力F随时间t变化的图象为正弦曲线,如图所示,下列说法正确的是
A.在t从0到2 s时间内,弹簧振子做减速运动
B.在t1=3 s和t2=5 s时,弹簧振子的速度大小相等,方向相反
C.在t2=5 s和t3=7 s时,弹簧振子的位移大小相等,方向相同
D.在t从0到4 s时间内,t=2 s时刻弹簧振子所受回复力做功的功率最大
【答案】C
【解析】在t从0到2s时间内,回复力逐渐变大,说明振子逐渐远离平衡位置,做减速运动,故A错误;在t1=3s到t2=5s过程,回复力先减小为零后反向增加,说明先靠近平衡位置后远离平衡位置,故3s时和5s时速度方向相同;由于3s和5s回复力大小相等,故位移大小也相等,速度大小也相等,故B错误;在t1=5s和t2=7s时,回复力相等,根据公式F=-kx,位移相同,故C正确;在t从0到4s时间内,t=2s时刻弹簧振子速度为零,根据P=Fv,功率为零,故D错误;故选C.
2.如图甲所示,光滑水平杆上套着一个小球和一个弹簧,弹簧一端固定,另一端连接在小球上,忽略弹簧质量。小球以点O为平衡位置,在A、B两点之间做往复运动,取向右为正方向,小球的位移x随时间t的变化如图乙所示。下列说法中正确的是( )
A.t=0.5s时,小球在O点左侧5cm处
B.t=0.25s和t=0.75s时,小球的速度相同
C.t=0.25s和t=0.75s时,小球的加速度相同
D.t=0.5s到t=1.5s过程中,系统的势能在逐渐增加
【答案】C
【解析】水平向右为正,时小球处于正向位移最大处,所以小球在O点右侧5cm处,A错误;t=0.25s和t=0.75s时,小球的速度大小相等,方向相反,B错误;t=0.25s和t=0.75s时,小球所受弹簧弹力指向平衡位置,且形变量相同,所以小球的加速度相同,C正确;小球运动过程中动能和弹性势能相互转化,t=0.5s到t=1.5s过程中,动能先增大后减小,系统的弹性势能先减小后增大,D错误。故选C。
3.如图甲所示,弹簧振子以O点为平衡位置,在A、B两点之间做简谐运动,取向右为正,振子的位移x随时间t的变化如图乙所示,则由图可知( )
A.t=0.2s时,振子的速度方向向左
B.t=0.6s时,振子的加速度方向向左
C.t=0.4s到t=0.8s的时间内,振子的动能逐渐减小
D.t=0到t=2.4s的时间内,振子通过的路程是80cm
【答案】B
【解析】由振动图像可知,t=0.2s时,图像斜率为正,振子的速度方向向右。故A错误;由振动图像可知,t=0.6s时,图像纵坐标为正,即振动位移为正,故振子的加速度方向向左。故B正确;由振动图像可知,t=0.4s到t=0.8s的时间内,图像斜率逐渐增加,速度变大,振子的动能逐渐增加。故C错误;振子一个周期走过的路程为四个振幅。t=0到t=2.4s的时间内,振子运动了1.5个周期,振子通过的路程是60cm。故D错误。故选B。
4.如图所示,物体放在轻弹簧上,沿竖直方向在A、B之间作简谐运动,今物体在A、B之间的D点和c点沿DC方向运动(D、C图上未画出)的过程中,弹簧的弹性势能减少了3.0J,物体的重力势能增加了1.0J,则在这段运动过程中 ( )
A.物体经过D点时的运动方向是指向平衡位置的
B.物体的动能增加了4.0J
C.D点的位置一定在平衡位置以上
D.物体的运动方向可能是向下的
【答案】A
【解析】物体放在弹簧上做简谐振动,在最高点一定是弹簧的原长或者原长位置以下,D→C时,弹性势能减少3.0J,而重力势能增加1.0J,这说明动能增加2.0J,而且是运动方向向上,C点比D点靠近平衡位置,故A正确,BCD错误,故选A.
5.一水平弹簧振子沿x轴方向做简谐运动,平衡位置在坐标原点,向x轴正方向运动时弹簧被拉伸,振子的振动图像如图所示,已知弹簧的劲度系数为20N/cm,振子质量为m=0.1kg,则( )
A.在0~4s内振子做了1.75次全振动
B.图中A点对应的时刻振子的加速度大小为5m/s2
C.图中A点对应的时刻振子的速度方向指向x轴的正方向
D.图中A点对应的时刻振子所受的回复力大小为5N,方向指向x轴的负方向
【答案】CD
【解析】由图可知振子振动的周期是2s,所以在0~4s内振子做了2次全振动,故A错误;图中A点对应的时刻振子所受的回复力大小,方向指向平衡位置,即x轴的负方向。加速度小 ,故B错误,D正确;由图可知,A点对应的时刻振子的速度方向指向x轴的正方向,故C正确; 故选CD。
6.如图所示,在光滑水平面上有一轻质弹簧左端固定,右端与一质量为m的小球相连,构成一个水平弹簧振子,弹簧处于原长时小球位于O点。现使小球以O点为平衡位置,在C、B两点间沿光滑水平面做简谐运动,关于这个弹簧振子做简谐运动的过程,下列说法中正确的是( )
A.小球从O位置向B位置运动过程中做匀减速运动
B.小球每次通过同一位置时的加速度一定相同
C.小球从C位置向B位置运动过程中,弹簧振子所具有的势能持续增加
D.小球在C位置弹簧振子所具有的势能与在B位置弹簧振子所具有的势能相等
【答案】BD
【解析】小球在O点时弹簧的弹性势能是零,所以小球的动能最大,小球从O位置向B位置运动过程中受到弹簧的向左的拉力,与小球速度的方向相反,所以小球做减速运动,但是小球受到弹簧的弹力在变化,则加速度在变化,所以不是匀减速运动,A错误;小球每次通过同一位置时的回复力,都是相等的,所以加速度一定相同,B正确;根据能量守恒,小球从C位置向O位置运动过程中,速度增大,所以动能逐渐增大,弹簧振子所具有的势能逐渐减小;从O位置向B位置运动过程中,速度减小,所以动能逐渐减小,弹簧振子所具有的势能逐渐增大,C错误;小球在运动的过程中,动能与弹性势能相互转化,由于小球在C点与在B点的速度都是零,所以小球在C位置弹簧振子所具有的势能与在B位置弹簧振子所具有的势能相等,D正确。故选BD。
7.如图所示,轻弹簧的下端系着A、B两球,mA=100g,mB=500 g,系统静止时弹簧伸长x=15cm,未超出弹性限度.若剪断A、B间绳,则A在竖直方向做简谐运动,求:
①A的振幅为多大.
②A的最大加速度为多大.(g取10 m/s2)
【答案】(1)12.5cm (2)50m/s2
【解析】(1)挂两个物体时,由x得:0.4 N/cm
只挂A时弹簧的伸长量:2.5 cm,振幅
(2)剪断细绳瞬间,A受最大弹力,合力最大,加速度最大.
,则:50 m/s2.
或者:.
8.劲度系数k=40N/m的轻弹簧,一端拴在竖直墙上,另一端拴物体A,A的质量mA=0.2kg,在A的上表面放有质量mB=0.1kg的物体B,如图所示,已知水平地面光滑,A和B之间的最大静摩擦力Fm=0.2N,若要使A、B两物体一起做简谐运动,则振幅的最大值是多少?
【答案】0.015m
【解析】设位移为x,对整体受力分析,受重力、支持力和弹簧的弹力,根据牛顿第二定律,
有:kx=(mA+mB)a
对B物体受力分析,受重力、支持力和静摩擦力,静摩擦力提供回复力,根据牛顿第二定律,
有:f=mBa,f≤Fm
联立解得:
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