一平面简谐横波在一均匀的弹性介质中沿x轴正向传播,已知介质的波速为u,波长为lambda,振幅为A,原点的初相位为-(pi)/(2),则该波的波函数为( )A. y=Asin[2pi(ut-x)/lambda]B. y=Acos[2pi(ut-x)/lambda]C. y=Asec[2pi(ut-x)/lambda]D. y=Atan[2pi(ut-x)/lambda]
A. $y=Asin[2\pi(ut-x)/\lambda]$
B. $y=Acos[2\pi(ut-x)/\lambda]$
C. $y=Asec[2\pi(ut-x)/\lambda]$
D. $y=Atan[2\pi(ut-x)/\lambda]$
题目解答
答案
解析
本题考查平面简谐横波波函数的求解,解题思路是先明确平面简谐横波波函数的一般形式,再根据已知条件确定波函数中的各个参数,最后得出该波的波函数。
步骤一:明确平面简谐横波波函数的一般形式
沿$x$轴正方向传播的平面简谐横波波函数的一般形式为$y = A\cos(\omega t - kx + \varphi_0)$,其中$A$为振幅,$\omega$为角频率,$k$为波数,$\varphi_0$为原点的初相位。
步骤二:根据已知条件确定各参数
- 确定角频率$\omega$:
已知波速为$u$,波长为$\lambda$,根据波速、波长和频率的关系$u = \lambda f$(其中$f$为频率),可得频率$f=\frac{u}{\lambda}$。
又因为角频率$\omega = 2\pi f$,将$f=\frac{u}{\lambda}$代入可得$\omega = 2\pi\times\frac{u}{\lambda}=\frac{2\pi u}{\lambda}$。 - 确定波数$k$:
波数$k$与波长$\lambda$的关系为$k = \frac{2\pi}{\lambda}$。 - 确定原点的初相位$\varphi_0$:
已知原点的初相位为$-\frac{\pi}{2}$,即$\varphi_0 = -\frac{\pi}{2}$。
步骤三:将各参数代入波函数一般形式
将$A$、$\omega = \frac{2\pi u}{\lambda}$、$k = \frac{2\pi}{\lambda}$、$\varphi_0 = -\frac{\pi}{2}$代入$y = A\cos(\omega t - kx + \varphi_0)$可得:
$\begin{align*}y&=A\cos(\frac{2\pi u}{\lambda}t - \frac{2\pi}{\lambda}x - \frac{\pi}{2})\\&=A\cos[2\pi(\frac{ut - x}{\lambda}) - \frac{\pi}{2}]\end{align*}$
根据三角函数诱导公式$\cos(\alpha - \frac{\pi}{2}) = \sin\alpha$,令$\alpha = 2\pi(\frac{ut - x}{\lambda})$,则$y = A\sin[2\pi(\frac{ut - x}{\lambda})]$。