已知一平面简谐波的表达式为y = 0.25cos(125t - 0.37x) (1)分别求x_1=10 m,x_2= 25m两点处质点的振动方程; (2)求x_1,x_2两点间的振动相位差; (3)求x_1点在t=4s时的振动位移。
已知一平面简谐波的表达式为$$y = 0.25cos(125t - 0.37x)$$
(1)分别求$$x_1$$=10 m,$$x_2$$= 25m两点处质点的振动方程;
(2)求$$x_1$$,$$x_2$$两点间的振动相位差;
(3)求$$x_1$$点在t=4s时的振动位移。
题目解答
答案
(1)当$$x_1=10m$$的时候
$$y_1=0.25cos(125t-3.7)$$
当$$x_2=25m$$
$$y_2=0.25cos(125t-9.25)$$
(2)相位差为$$-3.7+9.25=5.55$$
(3)$$y=0.25cos(500-3.7)=0.249m$$
解析
考查要点:本题主要考查平面简谐波的振动方程、相位差的计算以及特定时刻位移的求解。
解题思路:
- 振动方程:将给定点的坐标代入波的表达式,消去空间变量,得到仅含时间变量的振动方程。
- 相位差:比较两质点的相位表达式,直接相减得到相位差(注意相位差与时间无关)。
- 振动位移:将具体时间代入振动方程,计算余弦函数的值。
关键点:
- 波的表达式形式:$y = A\cos(\omega t - kx + \phi)$,其中$\omega$为角频率,$k$为波数。
- 相位差公式:$\Delta \phi = (kx_2 - \omega t) - (kx_1 - \omega t) = k(x_2 - x_1)$。
- 周期性角度处理:计算大角度余弦值时,需通过模$2\pi$简化角度。
第(1)题
目标:求$x_1=10\,\text{m}$和$x_2=25\,\text{m}$处的振动方程。
代入坐标
将$x_1=10$代入原式:
$y_1 = 0.25\cos(125t - 0.37 \times 10) = 0.25\cos(125t - 3.7)$
同理,$x_2=25$代入:
$y_2 = 0.25\cos(125t - 0.37 \times 25) = 0.25\cos(125t - 9.25)$
第(2)题
目标:求$x_1$与$x_2$的相位差。
相位差公式
两质点的相位分别为:
$\phi_1 = 125t - 3.7, \quad \phi_2 = 125t - 9.25$
相位差:
$\Delta \phi = \phi_2 - \phi_1 = (125t - 9.25) - (125t - 3.7) = -5.55 \, \text{(取绝对值为5.55)}$
第(3)题
目标:求$x_1$在$t=4\,\text{s}$时的位移。
代入时间
将$t=4$代入$y_1$:
$y_1 = 0.25\cos(125 \times 4 - 3.7) = 0.25\cos(500 - 3.7) = 0.25\cos(496.3)$
简化角度
计算$496.3 \, \text{rad}$模$2\pi$:
$496.3 \div 2\pi \approx 79 \, \text{圈}, \quad 余数 \approx -0.077 \, \text{rad}$
计算余弦值
$\cos(-0.077) \approx 0.997, \quad y_1 \approx 0.25 \times 0.997 = 0.249 \, \text{m}$