题目
弹簧振子的振动是简谐振动.下表给出了振子在完成一次全振动的过程中的事件t与位移s之间的测量数据,那么能与这些数据拟合的振动函数的解析式为( ) t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 s -20.0 -17.8 -10.1 0.1 10.3 1.7 20.0 17.7 10.3 0.1 -10.1 -17.8 -20 A. s=20sin(πt)/(6),t∈[(0,+∞)) B. s=20cos(πt)/(6) C. s=-20cos(πt)/(6) D. s=20sin(((πt)/(6)-(π)/(2))),t∈[(0,+∞))
弹簧振子的振动是简谐振动.下表给出了振子在完成一次全振动的过程中的事件t与位移s之间的测量数据,那么能与这些数据拟合的振动函数的解析式为( )
| t | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| s | -20.0 | -17.8 | -10.1 | 0.1 | 10.3 | 1.7 | 20.0 | 17.7 | 10.3 | 0.1 | -10.1 | -17.8 | -20 |
- A. $s=20sin\frac{πt}{6},t∈[{0,+∞})$
- B. $s=20cos\frac{πt}{6}$
- C. $s=-20cos\frac{πt}{6}$
- D. $s=20sin({\frac{πt}{6}-\frac{π}{2}}),t∈[{0,+∞})$
题目解答
答案
解:由表格可知,
振幅A=20,周期T=12,∴ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{π}{6}$;
又过(0,-20),
∴振动函数解析式为S=-20cos($\frac{π}{6}$t),
即为S=20sin($\frac{πt}{6}$-$\frac{π}{2}$),t∈[0,+∞).
故选:D.
振幅A=20,周期T=12,∴ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{π}{6}$;
又过(0,-20),
∴振动函数解析式为S=-20cos($\frac{π}{6}$t),
即为S=20sin($\frac{πt}{6}$-$\frac{π}{2}$),t∈[0,+∞).
故选:D.
解析
本题考查简谐振动函数解析式的确定,需结合表格数据提取关键参数并判断函数形式。解题核心在于:
- 确定振幅:由位移最大值确定振幅$A=20$;
- 计算周期与角频率:通过数据周期$T=12$,得$\omega=\frac{\pi}{6}$;
- 判断初相位:利用初始时刻$t=0$时的位移$s=-20$,确定函数形式为余弦函数的相位偏移或正弦函数的相位调整;
- 验证选项一致性:通过关键时间点(如$t=6,3$等)验证解析式是否符合数据。
步骤1:确定振幅与周期
- 振幅:表格中$s$的最大绝对值为$20$,故振幅$A=20$;
- 周期:观察数据,从$t=0$到$t=12$完成一次全振动,故周期$T=12$;
- 角频率:$\omega=\frac{2\pi}{T}=\frac{\pi}{6}$。
步骤2:确定函数形式
- 初始条件:当$t=0$时,$s=-20$;
- 余弦函数形式:若函数为$s=A\cos(\omega t+\phi)$,代入$t=0$得$-20=20\cos\phi$,解得$\cos\phi=-1$,即$\phi=\pi$,故解析式为$s=-20\cos\left(\frac{\pi}{6}t\right)$;
- 正弦函数转换:利用三角恒等式$\cos\theta=\sin\left(\theta+\frac{\pi}{2}\right)$,可将余弦形式转换为正弦形式:
$s=-20\cos\left(\frac{\pi}{6}t\right)=20\sin\left(\frac{\pi}{6}t-\frac{\pi}{2}\right).$
步骤3:验证选项
- 选项C:$s=-20\cos\frac{\pi t}{6}$符合余弦形式,但未明确定义域;
- 选项D:$s=20\sin\left(\frac{\pi t}{6}-\frac{\pi}{2}\right)$与选项C等价,且定义域为$t\in[0,+\infty)$,更符合实际物理情境。