加速上升的电梯中单摆周期推导
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高中物理电梯单摆周期教育 |
分类: 物理疑难 |
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回=
-kx,而周期为
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
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回=fxτ= fxcosθ…………②
fx=fsinθ ……………………③
由①、②、③式可得
F回=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回= -[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

二、最低位置拉力表达式法
对于惯性系中的单摆,其周期
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:

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)
G与ma的合力F =m(a+g)的切向分量充当回复力,故有:F回=m(g
+a)sinθ,
当θm<5°时,有
F回=-[m(a+b)/L]x,
令k=m(g+a)/L,则有
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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