高三物理中涉及的弹簧伸长的情况主要有两种:
1. 轻弹簧一端固定,另一端与物体相连。在物体匀速运动时,弹簧的伸长量就是物体对弹簧施加的拉力的大小。
2. 轻弹簧两端都被固定住,当受到外力作用时,弹簧会发生弹性形变,自身长度会发生变化,其中自由伸长部分长度的变化就是弹簧的伸长量。
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题目:一个弹簧振子在光滑的水平面上运动,已知振动的频率为5Hz,振幅为2cm。求:
(1)弹簧振子的周期和振动的周期时间;
(2)在t时刻,弹簧的伸长量是多少?
(3)弹簧的劲度系数是多少?
【分析】
(1)根据弹簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$求解弹簧振子的周期;
(2)根据弹簧振子的位移公式$x = A\sin(\omega t + \varphi)$求解弹簧的伸长量;
(3)根据弹簧振子的周期公式$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$求解弹簧的劲度系数。
【解答】
(1)弹簧振子的周期为:$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}} = 2\pi\sqrt{\frac{0.02}{k}}$,其中$m = 0.02kg$,频率为$f = 5Hz$,代入数据解得:$T = 0.6s$;
(2)在t时刻,弹簧的伸长量为:$x = A\sin(\omega t + \varphi) = 2cm \times \sin(5\pi t)$;
(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,弹簧的劲度系数约为$4.17N/m$。