一平面简谐波沿x轴负方向传播。已知x=x0处质点的振动方程为:y=Acos(ωt+φ0),若波速为u,则此波的表达式为______。A. y=Acosω[t-(x0-x)/u]+φ0B. y=Acosω[t-(x-x0)/u]+φ0C. y=Acosωt-[(x0-x)/u]+φ0D. y=Acosωt+[(x0-x)/u]+φ0
A. y=Acosω[t-(x0-x)/u]+φ0
B. y=Acosω[t-(x-x0)/u]+φ0
C. y=Acosωt-[(x0-x)/u]+φ0
D. y=Acosωt+[(x0-x)/u]+φ0
题目解答
答案
解析
本题考查平面简谐波的表达式及其传播方向的判断。核心思路是根据已知某点的振动方程和波的传播方向,推导出波的表达式。关键点在于:
- 波的传播方向与相位关系:沿x轴负方向传播时,波的相位随x的增大而减小,表达式中应包含$+kx$项(或等价形式)。
- 振动方程与波表达式的关联:将已知点$x=x_0$代入波表达式,需与给定振动方程$y=A\cos(\omega t+\varphi_0)$一致,从而确定相位常数。
波的传播方向与相位形式
平面简谐波沿x轴负方向传播时,波的表达式一般形式为:
$y = A\cos\left(\omega t + \frac{\omega}{u}x + \varphi\right)$
其中$\frac{\omega}{u}$为波数$k$,波速$u=\frac{\omega}{k}$。
确定相位常数$\varphi$
已知$x=x_0$处的振动方程为:
$y = A\cos(\omega t + \varphi_0)$
将$x=x_0$代入波表达式:
$A\cos\left(\omega t + \frac{\omega}{u}x_0 + \varphi\right) = A\cos(\omega t + \varphi_0)$
比较得:
$\frac{\omega}{u}x_0 + \varphi = \varphi_0 \quad \Rightarrow \quad \varphi = \varphi_0 - \frac{\omega}{u}x_0$
波的完整表达式
将$\varphi$代入波表达式:
$y = A\cos\left(\omega t + \frac{\omega}{u}x + \varphi_0 - \frac{\omega}{u}x_0\right)$
整理得:
$y = A\cos\left[\omega t + \frac{\omega}{u}(x - x_0) + \varphi_0\right]$
进一步变形为选项A的形式:
$y = A\cos\left[\omega\left(t - \frac{x_0 - x}{u}\right) + \varphi_0\right]$