解题思路:选择小球为研究的对象,设小球在平衡位置处下垂的竖直距离为x0,对小球进行受力分析,并结合胡克定律,导出小球的受力与小球在平衡位置处下垂的竖直距离为x0之间的关系公式,若满足:∑F=-2kx,即表示小球做简谐振动.
设小球在平衡位置处下垂的竖直距离为x0,则此时每根弹簧的总长度为
x0
sinφ,若以平衡位置处为原点O,向下方向为x轴正方向,
如图所示,列出平衡方程(设平衡时每根弹簧弹力大小为F0),
mg-2F0sinφ=0
F0=k(
x0
sinφ−d),
从而得mg−2k(
x0
sinφ−d)sinφ=0,
若小球从平衡位置在竖直方向(向下)微小位移x,弹簧与水平方向夹角φ
有微小改变量△φ,易知合力在竖直方向,∑F=mg−2k(
x+x0
sin(φ+△φ)−d)sin(φ+△φ),
利用提示及所得结果化简得:∑F=-2kx,(负号表明合力方向与位移x的方向相反),所以此系统在竖直方向所作的小幅度振动为简谐振动,其固有的角频率为ω=
2k
m.
答:其固有的角频率是
2k
m.
点评:
本题考点: 简谐运动.
考点点评: 该题属于高中物理竞赛类的题目,证明的关键是能够得出小球的受力满足方程:∑F=-2kx.证明的过程基本上是受力分析的过程,中间使用的数学公式略有难度.