多选题44.两个同方向同频率的简谐振动,表达式分别为 x_1 = A_1 cos(omega t + varphi_1) 和 x_2 = A_2 cos(omega t + varphi_2),关于合振动,以下说法正确的是( )A 合振动仍为简谐振动,角频率为omegaB 合振动振幅 A = sqrt(A_1^2 + A_2^2 + 2A_1A_2cos(varphi_2 - varphi_1))C 当 varphi_2 - varphi_1 = 2kpi(k为整数)时,合振幅最大D 当 varphi_2 - varphi_1 = (2k+1)pi(k为整数)时,合振幅最小
多选题
44.两个同方向同频率的简谐振动,表达式分别为 $x_1 = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1)$ 和 $x_2 = A_2 \cos(\omega t + \varphi_2)$,关于合振动,以下说法正确的是( )
A 合振动仍为简谐振动,角频率为$\omega$
B 合振动振幅 $A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1A_2\cos(\varphi_2 - \varphi_1)}$
C 当 $\varphi_2 - \varphi_1 = 2k\pi$($k$为整数)时,合振幅最大
D 当 $\varphi_2 - \varphi_1 = (2k+1)\pi$($k$为整数)时,合振幅最小
题目解答
答案
这是一道关于简谐振动合成的物理题。我们需要分析两个同方向、同频率的简谐振动合成后的性质。
已知两个简谐振动的表达式分别为:
$x_1 = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1)$
$x_2 = A_2 \cos(\omega t + \varphi_2)$
合振动为两者的代数和:$x = x_1 + x_2$。
我们可以利用旋转矢量法或三角函数公式来推导合振动的表达式。
$x = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1) + A_2 \cos(\omega t + \varphi_2)$
利用三角函数的和差化积或展开合并,合振动可以表示为一个同频率的简谐振动:
$x = A \cos(\omega t + \varphi)$
其中,合振幅 $A$ 和初相 $\varphi$ 满足以下关系:
$A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2 \cos(\varphi_2 - \varphi_1)}$
$\tan \varphi = \frac{A_1 \sin\varphi_1 + A_2 \sin\varphi_2}{A_1 \cos\varphi_1 + A_2 \cos\varphi_2}$
现在我们根据推导结果逐一分析选项:
分析选项 A:
由上述推导可知,两个同方向同频率的简谐振动合成后,其表达式为 $x = A \cos(\omega t + \varphi)$。这表明合振动仍然是一个简谐振动,且其角频率依然是 $\omega$。
因此,选项 A 正确。
分析选项 B:
根据前面推导出的合振幅公式:
$A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2 \cos(\varphi_2 - \varphi_1)}$
这与选项 B 给出的公式完全一致。
因此,选项 B 正确。
分析选项 C:
合振幅 $A$ 的大小取决于相位差 $\Delta\varphi = \varphi_2 - \varphi_1$ 的余弦值。
当 $\varphi_2 - \varphi_1 = 2k\pi$($k$ 为整数)时,$\cos(\varphi_2 - \varphi_1) = \cos(2k\pi) = 1$。
此时合振幅达到最大值:
$A_{\text{max}} = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2} = \sqrt{(A_1 + A_2)^2} = A_1 + A_2$
因此,选项 C 正确。
分析选项 D:
当 $\varphi_2 - \varphi_1 = (2k + 1)\pi$($k$ 为整数)时,$\cos(\varphi_2 - \varphi_1) = \cos((2k + 1)\pi) = -1$。
此时合振幅达到最小值:
$A_{\text{min}} = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 - 2A_1 A_2} = \sqrt{(A_1 - A_2)^2} = |A_1 - A_2|$
因此,选项 D 正确。
综上所述,四个选项的说法都是正确的。
正确答案是:A、B、C、D。
解析
本题考查同方向同频率简谐振动的合成知识。解题思路是先明确两个同方向同频率简谐振动合成的方法,即合振动为两者的代数和,然后通过三角函数公式推导出合振动的表达式,进而得到合振幅和初相的计算公式,最后根据这些公式逐一分析每个选项。
已知两个简谐振动的表达式分别为:
$x_1 = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1)$
$x_2 = A_2 \cos(\omega t + \varphi_2)$
合振动为两者的代数和:$x = x_1 + x_2$。
利用三角函数公式将合振动表达式推导为同频率的简谐振动形式:
$x = A \cos(\omega t + \varphi)$
其中,合振幅 $A$ 和初相 $\varphi$ 满足以下关系:
$A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2 \cos(\varphi_2 - \varphi_1)}$
$\tan \varphi = \frac{A_1 \sin\varphi_1 + A_2 \sin\varphi_2}{A_1 \cos\varphi_1 + A_2 \cos\varphi_2}$
分析选项 A:
由上述推导可知,两个同方向同频率的简谐振动合成后,其表达式为 $x = A \cos(\omega t + \varphi)$。这表明合振动仍然是一个简谐振动,且其角频率依然是 $\omega$。所以选项 A 正确。
分析选项 B:
根据前面推导出的合振幅公式:
$A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2 \cos(\varphi_2 - \varphi_1)}$
这与选项 B 给出的公式完全一致。所以选项 B 正确。
分析选项 C:
合振幅 $A$ 的大小取决于相位差 $\Delta\varphi = \varphi_2 - \varphi_1$ 的余弦值。
当 $\varphi_2 - \varphi_1 = 2k\pi$($k$ 为整数)时,$\cos(\varphi_2 - \varphi_1) = \cos(2k\pi) = 1$。
此时合振幅达到最大值:
$A_{\text{max}} = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1 A_2} = \sqrt{(A_1 + A_2)^2} = A_1 + A_2$
所以选项 C 正确。
分析选项 D:
当 $\varphi_2 - \varphi_1 = (2k + 1)\pi$($k$ 为整数)时,$\cos(\varphi_2 - \varphi_1) = \cos((2k + 1)\pi) = -1$。
此时合振幅达到最小值:
$A_{\text{min}} = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 - 2A_1 A_2} = \sqrt{(A_1 - A_2)^2} = |A_1 - A_2|$
所以选项 D 正确。