例题10-1-1 如果水平光滑桌面上放着质量为和的二物块。它们之间被一根劲度系数为的轻弹簧连接着,试求该系统的振动周期。
解:方法一:取如图1所示的坐标,设弹簧原长为,系统在振动过程中某时刻物块和的坐标分别为和,如图所示,分别对和列出运动微分方程。
又 |
图1
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(1)式(2)式分别改写成:
(4)式减(3)式:
令 上式可改写为:
由此得该系统的谐振动周期:
方法二:在质心坐标系解。我们先讨论一下弹簧的长度与劲度系数的关系,设弹簧原长为,剪短以后的弹簧长为,在相同力作用下,剪短后的弹簧的伸长量为,就要比原弹簧来得小。由弹簧的劲度系数定义:
原来弹簧的劲度系数:
剪短后弹簧的劲度系数:
上二式相比得:
可知同一种弹簧它的劲度系数与它原长成反比。 |
图2 |
由题意可知,弹簧对和的作用力是系统的内力,系统在谐振动过程中质心的位置相当于固定不动,作用于的弹簧长度又根据上面讨论
所以作用于物块的弹簧劲度系数
所以对于质量为物块的弹簧振子的振动周期
同理的弹簧振子周期
方法三:能量法解。
仍取如图1所示的坐标系,系统总机械能为:
上式对时间求导得:
即
由于系统合外力等于零,系统动量守恒,因此
,即
将(5)式除以,得:
即
令 ,上式与方法一中的微分方程一样,同样得:
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