高三物理中涉及的彈簧伸長的情況主要有兩種:
1. 輕彈簧一端固定,另一端與物體相連。在物體勻速運動時,彈簧的伸長量就是物體對彈簧施加的拉力的大小。
2. 輕彈簧兩端都被固定住,當受到外力作用時,彈簧會發生彈性形變,自身長度會發生變化,其中自由伸長部分長度的變化就是彈簧的伸長量。
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題目:一個彈簧振子在光滑的水平面上運動,已知振動的頻率為5Hz,振幅為2cm。求:
(1)彈簧振子的周期和振動的周期時間;
(2)在t時刻,彈簧的伸長量是多少?
(3)彈簧的勁度系數是多少?
【分析】
(1)根據彈簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$求解彈簧振子的周期;
(2)根據彈簧振子的位移公式$x = A\sin(\omega t + \varphi)$求解彈簧的伸長量;
(3)根據彈簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$求解彈簧的勁度系數。
【解答】
(1)彈簧振子的周期為:$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}} = 2\pi\sqrt{\frac{0.02}{k}}$,其中$m = 0.02kg$,頻率為$f = 5Hz$,代入數據解得:$T = 0.6s$;
(2)在t時刻,彈簧的伸長量為:$x = A\sin(\omega t + \varphi) = 2cm \times \sin(5\pi t)$;
(3)由$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$得:$k = \frac{m}{T^{2}} = \frac{0.02}{{(0.6)}^{2}}N/m \approx 4.17N/m$。
所以,彈簧的勁度系數約為$4.17N/m$。