题目
一质点在x轴上做简谐振动,取该质点向右运动通过A点时作为计时起点(t=0),经过2s后质点第一次经过B点,再经过2s后质点第二次经过B点,若已知该质点在A、B两点具有相同的速率,且AB=10cm。求:(1)质点的振动方程;(2)质点在A点的速率。
一质点在x轴上做简谐振动,取该质点向右运动通过A点时作为计时起点(t=0),经过2s后质点第一次经过B点,再经过2s后质点第二次经过B点,若已知该质点在A、B两点具有相同的速率,且AB=10cm。求:
(1)质点的振动方程;
(2)质点在A点的速率。
(1)质点的振动方程;
(2)质点在A点的速率。
题目解答
答案
解:(1)因为质点在A、B两点具有相同的速率,可知,A、B关于平衡位置对称,由题可知,质点从B点到右侧最大位移处的时间为2s,所以质点振动的周期为 T=4×2s=8s
取向右为正方向,设质点的振动方程为:x=Asin(ωt+φ0)
则有:ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{2π}{8}$rad/s=$\frac{π}{4}$rad/s
据题:t=0时,x=-5cm,代入上式得:-5=Asinφ0
t=1s时x=0,代入上式得:0=Asin($\frac{π}{4}$×1+φ0)
联立解得:φ0=-$\frac{π}{4}$,A=5$\sqrt{2}$cm
故质点的振动方程为:x=5$\sqrt{2}$sin($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)cm;
(2)对振动方程求导数得:v=x′=[5$\sqrt{2}$cos($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s
质点在A点的速率即为t=0时的速率,为:v=[5$\sqrt{2}$cos(-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s
答:(1)质点的振动方程为x=5$\sqrt{2}$sin($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)cm;
(2)质点在A点的速率为$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s。
取向右为正方向,设质点的振动方程为:x=Asin(ωt+φ0)
则有:ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{2π}{8}$rad/s=$\frac{π}{4}$rad/s
据题:t=0时,x=-5cm,代入上式得:-5=Asinφ0
t=1s时x=0,代入上式得:0=Asin($\frac{π}{4}$×1+φ0)
联立解得:φ0=-$\frac{π}{4}$,A=5$\sqrt{2}$cm
故质点的振动方程为:x=5$\sqrt{2}$sin($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)cm;
(2)对振动方程求导数得:v=x′=[5$\sqrt{2}$cos($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s
质点在A点的速率即为t=0时的速率,为:v=[5$\sqrt{2}$cos(-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s
答:(1)质点的振动方程为x=5$\sqrt{2}$sin($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)cm;
(2)质点在A点的速率为$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s。
解析
步骤 1:确定振动周期
因为质点在A、B两点具有相同的速率,可知,A、B关于平衡位置对称。由题可知,质点从B点到右侧最大位移处的时间为2s,所以质点振动的周期为 T=4×2s=8s。
步骤 2:确定振动方程
取向右为正方向,设质点的振动方程为:x=Asin(ωt+φ_0)。
步骤 3:确定角频率
角频率 ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{2π}{8}$rad/s=$\frac{π}{4}$rad/s。
步骤 4:确定初相位和振幅
据题:t=0时,x=-5cm,代入上式得:-5=Asinφ_0。
t=1s时x=0,代入上式得:0=Asin($\frac{π}{4}$×1+φ_0)。
联立解得:φ_0=-$\frac{π}{4}$,A=5$\sqrt{2}$cm。
步骤 5:确定质点在A点的速率
对振动方程求导数得:v=x′=[5$\sqrt{2}$cos($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s。
质点在A点的速率即为t=0时的速率,为:v=[5$\sqrt{2}$cos(-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s。
因为质点在A、B两点具有相同的速率,可知,A、B关于平衡位置对称。由题可知,质点从B点到右侧最大位移处的时间为2s,所以质点振动的周期为 T=4×2s=8s。
步骤 2:确定振动方程
取向右为正方向,设质点的振动方程为:x=Asin(ωt+φ_0)。
步骤 3:确定角频率
角频率 ω=$\frac{2π}{T}$=$\frac{2π}{8}$rad/s=$\frac{π}{4}$rad/s。
步骤 4:确定初相位和振幅
据题:t=0时,x=-5cm,代入上式得:-5=Asinφ_0。
t=1s时x=0,代入上式得:0=Asin($\frac{π}{4}$×1+φ_0)。
联立解得:φ_0=-$\frac{π}{4}$,A=5$\sqrt{2}$cm。
步骤 5:确定质点在A点的速率
对振动方程求导数得:v=x′=[5$\sqrt{2}$cos($\frac{π}{4}$t-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s。
质点在A点的速率即为t=0时的速率,为:v=[5$\sqrt{2}$cos(-$\frac{π}{4}$)]×$\frac{π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}$cm/s=$\frac{5π}{4}×1{0}^{-2}$m/s。