题目
一沿 X 轴作简谐振动的弹簧振子,振幅为 A,周期为 T,振动方程用余弦函数表示,如果该振子的初相为 (2pi)/(3),则 t=0 时,质点的位置在:A. 过 x=(1)/(2)A 处,向负方向运动B. 过 x=(1)/(2)A 处,向正方向运动C. 过 x=-(1)/(2)A处,向负方向运动D. 过 x=-(1)/(2)A 处,向正方向运动
一沿 X 轴作简谐振动的弹簧振子,振幅为 $A$,周期为 $T$,振动方程用余弦函数表示,如果该振子的初相为 $\frac{2\pi}{3}$,则 $t=0$ 时,质点的位置在:
A. 过 $x=\frac{1}{2}A$ 处,向负方向运动
B. 过 $x=\frac{1}{2}A$ 处,向正方向运动
C. 过 $x=-\frac{1}{2}A$处,向负方向运动
D. 过 $x=-\frac{1}{2}A$ 处,向正方向运动
题目解答
答案
C. 过 $x=-\frac{1}{2}A$处,向负方向运动
解析
本题考查简谐振动的运动学方程以及速度的计算,解题思路是先根据简谐振动的运动学方程求出$t = 0$时质点的位置,再通过对运动学方程求导得到速度表达式,进而求出$t = 0$时质点的速度方向。
- 求$t = 0$时质点的位置:
简谐振动的运动学方程为$x = A\cos(\omega t + \varphi)$,其中$A$为振幅,$\omega$为角频率,$\varphi$为初相。
已知周期为$T$,根据角频率与周期的关系$\omega=\frac{2\pi}{T}$,且初相$\varphi = \frac{2\pi}{3}$,当$t = 0$时,将其代入运动学方程可得:
$x = A\cos(\omega\times0 + \frac{2\pi}{3}) = A\cos\frac{2\pi}{3}$
根据三角函数值$\cos\frac{2\pi}{3}=-\frac{1}{2}$,则$x = A\times(-\frac{1}{2})=-\frac{1}{2}A$。 - 求$t = 0$时质点的速度方向:
对简谐振动的运动学方程$x = A\cos(\omega t + \varphi)$求导,根据求导公式$(\cos u)^\prime=-\sin u\cdot u^\prime$,可得速度$v$的表达式为:
$v=\frac{dx}{dt}=-A\omega\sin(\omega t + \varphi)$
当$t = 0$时,将$\omega=\frac{2\pi}{T}$,$\varphi = \frac{2\pi}{3}$代入速度表达式可得:
$v=-A\times\frac{2\pi}{T}\sin(\frac{2\pi}{T}\times0 + \frac{2\pi}{3})=-A\times\frac{2\pi}{T}\sin\frac{2\pi}{3}$
根据三角函数值$\sin\frac{2\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}$,则$v=-A\times\frac{2\pi}{T}\times\frac{\sqrt{3}}{2}=-\frac{\sqrt{3}\pi A}{T}$。
因为$v\lt0$,所以质点向负方向运动。