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加速上升的电梯中单摆周期推导

(2009-10-29 15:12:35)
标签:

高中

物理

电梯

单摆

周期

教育

分类: 物理疑难
在振动部分练习中,有这样一道典型的习题:一个单摆挂在电梯内,电梯向上作匀加速运动,加速度为a,则单摆的周期是多少?

  这就是一道求非惯性系中单摆周期的问题,在以前的各类参考书中都只是直接给出了此题的答案,而没有进行详细的分析.此处用三种方法来分析该题的解答过程.

  一、回复力表达式法

  作简谐运动的物体所受回复力为F= -kx,而周期为加速上升的电梯中单摆周期推导 因此,要求周期只要求出回复力表达式中的比例数k就可以了.这就是回复力表达式法求周期的基本思路.

  对"习题"可这样分析:电梯内的单摆摆到任意位置A时,摆角为θ,摆球受重力G和绳拉力f(为不与周期T的符号混淆,此文用f表示摆线的拉力)的作用.如图1,以地面为参照物.将f分解为fy和fx.则fy与G的合力提供摆球随电梯一起向上运动的加速度,对回复力无贡献.且由牛顿第二定律知: fy-mg=ma

加速上升的电梯中单摆周期推导

即: fcosθ=mg+ma………… ①
而fx又可分解为切向(垂直于绳,但)的fxτ和法向(沿绳指向悬点O)的fxn两分量,则有
F=fxτ= fxcosθ…………
fx=fsinθ ……………………
由①、②、③式可得
F=m(a+g)sinθ

  再按惯性参照系中单摆回复力的分析方法,即可进一步推导出电梯中最大摆角θm<5°情况单摆回复力的表达式:
F= -[m(g + a)/L]x

  (式中x为摆球任意位置时对最地点的位移)所以可以确定其周期为
加速上升的电梯中单摆周期推导

  二、最低位置拉力表达式法

  对于惯性系中的单摆,其周期加速上升的电梯中单摆周期推导式中g在最低点平衡时拉力的表达式f=mg中与质量相乘的加速度值。由此我们可类推求出在非惯性中摆球在最低点相对“平衡”(相对电梯静止)时拉力f′的表达式。由牛顿第二定律:
f′-mg =ma,
即f′=m(a+g)这样可知电梯中摆的周期为:
加速上升的电梯中单摆周期推导

  三、惯性力法

  以电梯为参照物,则摆球处于非惯性系中,应用牛顿第二定律时,必须引入惯性力。此时摆球受力有:重力G、绳拉力f和惯性力ma(如图2所示)

加速上升的电梯中单摆周期推导

  G与ma的合力F =m(a+g)的切向分量充当回复力,故有:F=m(g +a)sinθ,
当θm<5°时,有

F=-[m(a+b)/L]x,

令k=m(g+a)/L,则有

加速上升的电梯中单摆周期推导

  以上三种求非惯性系中单摆周期的方法,前两种很容易接受.最后一种涉及到惯性力概念。

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