题目
一个作简谐振动的物体的振动方程为 x=12cos(pi t-(pi)/(3)),当此物体由-12(cm)处回到平衡位置所需要的最短时间为: ( )A. 1.0(s)B. 0.5(s)C. 0.8(s)D. 2.4(s)
一个作简谐振动的物体的振动方程为 $x=12\cos(\pi t-\frac{\pi}{3})$,当此物体由$-12\text{cm}$处回到平衡位置所需要的最短时间为: ( )
A. $1.0\text{s}$
B. $0.5\text{s}$
C. $0.8\text{s}$
D. $2.4\text{s}$
题目解答
答案
B. $0.5\text{s}$
解析
本题考查简谐振动方程的应用,解题的关键在于根据简谐振动方程求出物体在特定位置的时刻,进而计算出从一个位置到另一个位置所需的最短时间。
- 确定物体在$x = - 12cm$处的时刻$t_1$:
已知简谐振动方程为$x = 12\cos(\pi t - \frac{\pi}{3})$,当$x = - 12cm$时,代入方程可得:
$-12 = 12\cos(\pi t_1 - \frac{\pi}{3})$
两边同时除以$12$,得到$\cos(\pi t_1 - \frac{\pi}{3}) = - 1$。
根据余弦函数的性质,$\cos\theta = - 1$时,$\theta = (2k + 1)\pi$,$k\in Z$,则有:
$\pi t_1 - \frac{\pi}{3} = (2k + 1)\pi$
移项可得$\pi t_1 = (2k + 1)\pi + \frac{\pi}{3}$,两边同时除以$\pi$,解得$t_1 = 2k + 1 + \frac{1}{3}=2k+\frac{4}{3}$,$k\in Z$。
为了计算最短时间,我们取$k = 0$,此时$t_1 = \frac{4}{3}s$。 - 确定物体在平衡位置($x = 0$)处的时刻$t_2$:
当$x = 0$时,代入振动方程$x = 12\cos(\pi t - \frac{\pi}{3})$可得:
$0 = 12\cos(\pi t_2 - \frac{\pi}{3})$
两边同时除以$12$,得到$\cos(\pi t_2 - \frac{\pi}{3}) = 0$。
根据余弦函数的性质,$\cos\theta = 0$时,$\theta = k\pi + \frac{\pi}{2}$,$k\in Z$,则有:
$\pi t_2 - \frac{\pi}{3} = k\pi + \frac{\pi}{2}$
移项可得$\pi t_2 = k\pi + \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{3}=k\pi+\frac{5\pi}{6}$,两边同时除以$\pi$,解得$t_2 = k + \frac{5}{6}$,$k\in Z$。
因为物体是从$x = - 12cm$处回到平衡位置,所以要取大于$t_1$的最小$t_2$,当$k = 0$时,$t_2 = \frac{5}{6}s$不满足大于$t_1$,当$k = 1$时,$t_2 = 1 + \frac{5}{6}=\frac{11}{6}s$。 - 计算最短时间$\Delta t$:
$\Delta t = t_2 - t_1=\frac{11}{6}-\frac{4}{3}=\frac{11}{6}-\frac{8}{6}=\frac{3}{6}=0.5s$