6. Груз массой m = 100 г, находящийся на гладкой горизонтальной поверхности, закреплен на пружине жесткостью k = 100 Н/м , прикрепленной к опоре. Его смещают из положения равновесия на расстояние х_1 = 5,0 см и сообщают ему в направлении от положения равновесия скорость, модуль которой v_1 = 1,0 м/с. Чему равны потенциальная W_п и кинетическая W_к энергия груза в этот момент времени? Запишите кинематический закон его движения.
Дано:
m=100г=0.1кг;
k=100мН;
x1=5.0см=0.05м;
v1=1.0см.
Найти:
Wп−?
Wк−?
x(t)−?
Решение:
Потенциальная энергия груза в начальный момент времени вычисляется по формуле:
Wп=2kx12.
Вычислим:
Wп=2100⋅0.052=0.125Дж≈0.13Дж.
Вычислим кинетическую энергию груза в начальный момент времени:
Wк=2mv12.
Wк=20.1⋅1.02=0.05Дж=50мДж.
По закону сохранения полной механической энергии найдём полную энергию колебаний груза на пружине:
W=Wк+Wп.
Полная энергия колебаний пружинного маятника равна максимальной потенциальной энергии колебаний:
W=2kA2.
Приравняем два последних уравнения и найдём амплитуду колебаний тела на пружине:
2kA2=Wк+Wп;
A2=k2(Wк+Wп);
A=k2(Wк+Wп).
Подставим значения физических величин и вычислим амплитуду колебаний:
A=1002⋅(0.05+0.125)=0.06м=6см.
Кинетический закон движения тела на пружине имеет вид:
x(t)=Asin(ωt+φ0),
где ω=mk — циклическая частота колебаний тела на пружине, k — коэффициент упругости пружины, m — масса груза, φ0 — начальная фаза колебаний.
Вычислим циклическую частоту колебаний:
ω=0.1100=32срад.
Запишем кинетический закон движения тела на пружине для начального момента времени и вычислим начальную фазу колебаний: