题目
一弹簧振子,重物的质量为 m,弹簧的劲度系数为 k,该振子作振幅为 A 的简谐振动。当重物通过平衡位置且向规定的正方向运动时,开始计时。则其振动方程为:A. x = A cos (sqrt(k/m) t + (1)/(2) pi)B. x = A cos (sqrt(k/m) t - (1)/(2) pi)C. x = A cos (sqrt(m/k) t + (1)/(2) pi)D. x = A cos (sqrt(m/k) t - (1)/(2) pi)E. x = A cos sqrt(k/m) t
一弹簧振子,重物的质量为 $m$,弹簧的劲度系数为 $k$,该振子作振幅为 $A$ 的简谐振动。当重物通过平衡位置且向规定的正方向运动时,开始计时。则其振动方程为:
A. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t + \frac{1}{2} \pi)$
B. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t - \frac{1}{2} \pi)$
C. $x = A \cos (\sqrt{m/k} t + \frac{1}{2} \pi)$
D. $x = A \cos (\sqrt{m/k} t - \frac{1}{2} \pi)$
E. $x = A \cos \sqrt{k/m} t$
题目解答
答案
B. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t - \frac{1}{2} \pi)$
解析
本题考查简谐振动方程的知识,解题思路是先根据弹簧振子的性质求出角频率,再结合初始条件确定初相位,最后得出振动方程。
- 求角频率 $\omega$:
对于弹簧振子,其角频率 $\omega$ 与重物质量 $m$ 和弹簧劲度系数 $k$ 的关系为 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$。这是根据简谐振动的动力学方程 $F = -kx = ma$,结合牛顿第二定律 $F = ma$ 推导得出的。对 $F = -kx = ma$ 进行变形可得 $m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} + kx = 0$,这是一个二阶常系数线性齐次微分方程,其通解形式为 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,将其代入方程可解得 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$。 - 确定初相位 $\varphi$:
已知当 $t = 0$ 时,重物通过平衡位置,即 $x = 0$,将其代入简谐振动方程 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$ 可得:
$0 = A\cos(\omega\times0 + \varphi)=A\cos\varphi$
因为 $\cos\varphi = 0$,所以 $\varphi = \pm\frac{\pi}{2}$。
又因为此时重物向规定的正方向运动,即速度 $v>0$。简谐振动的速度公式为 $v = -A\omega\sin(\omega t + \varphi)$,当 $t = 0$ 时,$v = -A\omega\sin\varphi>0$。
当 $\varphi = \frac{\pi}{2}$ 时,$\sin\varphi = 1$,则 $v = -A\omega<0$,不符合速度方向要求。
当 $\varphi = -\frac{\pi}{2}$ 时,$\sin\varphi = -1$,则 $v = A\omega>0$,符合速度方向要求。所以初相位 $\varphi = -\frac{\pi}{2}$。 - 得出振动方程:
将 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$ 和 $\varphi = -\frac{\pi}{2}$ 代入简谐振动方程 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,可得振动方程为 $x = A\cos(\sqrt{\frac{k}{m}}t - \frac{\pi}{2})$。