10-1 简谐振动
 

例题10-1-1 如果水平光滑桌面上放着质量为的二物块。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的坐标分别为,如图所示,分别对列出运动微分方程。

(1)
(2)


图1

(1)式(2)式分别改写成:

(3)
(4)

(4)式减(3)式:

        

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:

        

(5)

 

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:

        

,上式与方法一中的微分方程一样,同样得: