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弹簧振子在光滑水平面上以振幅$A$做简谐运动,质量为$M$的滑块上面放着质量为$m$的砝码,$m$随$M$一起做简谐运动,已知弹簧的劲度系数为$k$,试求:$(1)$使砝码做简谐运动的回复力是什么?它和位移成正比的比例常数是多少?$(2)$当滑块运动到振幅一半的位置时,砝码所受回复力有多大?$(3)$当砝码与滑块的摩擦因数为$\mu $时,则要使砝码与滑块不发生相对滑动的最大振幅为多少?

弹簧振子在光滑水平面上以振幅$A$做简谐运动,质量为$M$的滑块上面放着质量为$m$的砝码,$m$随$M$一起做简谐运动,已知弹簧的劲度系数为$k$,试求:$(1)$使砝码做简谐运动的回复力是什么?它和位移成正比的比例常数是多少?$(2)$当滑块运动到振幅一半的位置时,砝码所受回复力有多大?$(3)$当砝码与滑块的摩擦因数为$\mu $时,则要使砝码与滑块不发生相对滑动的最大振幅为多少?

(1)使砝码随着滑块一起简谐运动,砝码所受静摩擦力产生砝码与滑块一起变加速运动的加速度,故$M$对$m$的静摩擦力是回复力;

其大小由牛顿第二定律得:$f=ma$

整体法求共同加速度$a$,则有:$a=\frac{{F}_{弹}}{m+M}=\frac{kx}{m+M}$;

砝码的回复力和位移成正比的比例常数${k'}$,则:$f={k'}x$

联立上两式,解得:${k'}=\frac{mk}{m+M}(k$为弹簧的倔强系数)

$(2)$当滑块运动到振动幅的一半位置时回复力:$f′=ma=\frac{m}{m+M}•k•\frac{A}{2}=\frac{mkA}{2(M+m)}$

方向指向平衡位置;

$(3)$从$f={k'}x$,可以看出,当$x$增大时,$f$也增大,当$f=f_{\max }=\mu N$时,有最大振动幅,

因$f_{\max }=ma_{\max }=\mu mg$

所以:$\frac{mk}{M+m}•{A}_{max}=μmg$

解得:${A}_{max}=\frac{μ(M+m)g}{k}$

答:(1)使砝码做简谐运动的回复力是砝码所受静摩擦力,它和位移成正比的比例常数是$\frac{mk}{m+M}$;

$(2)$当滑块运动到振幅一半的位置时,砝码所受回复力为$\frac{mkA}{2(M+m)}$;

$(3)$当砝码与滑块的摩擦因数为$\mu $时,则要使砝码与滑块不发生相对滑动的最大振幅为$\frac{μ(M+m)g}{k}$。