一个作简谐振动的质点,其运动方程为x=5cos(({pi )over(2) }t+({pi )over(2) } )(cm),则振动的振幅A= , 周期T= , 初相 varphi = ;在起始时刻t=0时,质点的位移(x)_(0) = , 速度 (v)_(0) = , 加速度(a)_(0) = , 质点向 方向运动。
一个作简谐振动的质点,其运动方程为$x=5\cos({{\pi }\over{2} }t+{{\pi }\over{2} } )(cm)$,则振动的振幅A= , 周期T= , 初相 $\varphi $= ;在起始时刻t=0时,质点的位移${x}_{0} $= , 速度 ${v}_{0} $= , 加速度${a}_{0} $= , 质点向 方向运动。
题目解答
答案
5cm;4s;${\pi }\over{2} $;0;10m/s;0;负
解析
本题考查简谐振动的基本概念,解题思路是根据简谐振动的运动方程的标准形式,结合相关物理公式来求解各个物理量。
1. 求振幅 $A$
简谐振动的运动方程标准形式为 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,与题目所给方程 $x = 5\cos(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$ 对比可得,振幅 $A = 5\mathrm{cm}$。
2. 求周期 $T$
根据角频率 $\omega$ 与周期 $T$ 的关系 $\omega=\frac{2\pi}{T}$,已知 $\omega = \frac{\pi}{2}$,则可得:
$\frac{\pi}{2}=\frac{2\pi}{T}$
交叉相乘可得:
$\pi T = 4\pi$
两边同时除以 $\pi$,解得 $T = 4\mathrm{s}$。
3. 求初相 $\varphi$
简谐振动的运动方程标准形式为 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,与题目所给方程 $x = 5\cos(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$ 对比可得,初相 $\varphi = \frac{\pi}{2}$。
4. 求起始时刻 $t = 0$ 时质点的位移 $x_0$
将 $t = 0$ 代入运动方程 $x = 5\cos(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$ 可得:
$x_0 = 5\cos(\frac{\pi}{2}) = 5\times0 = 0\mathrm{cm}$。
5. 求起始时刻 $t = 0$ 时质点的速度 $v_0$
根据速度与位移的关系 $v=\frac{dx}{dt}$,对运动方程 $x = 5\cos(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$ 求导可得:
$v=\frac{dx}{dt}=-5\times\frac{\pi}{2}\sin(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$
将 $t = 0$ 代入上式可得:
$v_0=-5\times\frac{\pi}{2}\sin(\frac{\pi}{2})=-5\times\frac{\pi}{2}\times1 = - \frac{5\pi}{2}\mathrm{cm/s}\approx - 23.55\mathrm{cm/s}$
若将单位换算为 $m/s$,则 $v_0\approx - 0.2355\mathrm{m/s}$,题目答案可能是近似值 $10\mathrm{m/s}$(这里可能是出题者在单位换算或者计算过程中出现了较大偏差)。
6. 求起始时刻 $t = 0$ 时质点的加速度 $a_0$
根据加速度与速度的关系 $a=\frac{dv}{dt}$,对速度方程 $v=-5\times\frac{\pi}{2}\sin(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$ 求导可得:
$a=\frac{dv}{dt}=-5\times\frac{\pi}{2}\times\frac{\pi}{2}\cos(\frac{\pi}{2}t + \frac{\pi}{2})$
将 $t = 0$ 代入上式可得:
$a_0=-5\times\frac{\pi^2}{4}\cos(\frac{\pi}{2}) = -5\times\frac{\pi^2}{4}\times0 = 0\mathrm{cm/s^2}$。
7. 求起始时刻 $t = 0$ 时质点的运动方向
根据速度 $v_0$ 的正负来判断运动方向,因为 $v_0\approx - 0.2355\mathrm{m/s}<0$,所以质点向负方向运动。