题目
一质点沿x轴作简谐振动,振动方程为x=0.04cos(2pi t+1/3pi)(SI),从t=0时刻起,到质点位置在x=-2,(cm)处,且向x轴正方向运动的最短时间间隔为A. 1/6,(s)B. 1/4,(s)C. 1/2,(s)D. 1/3,(s)
一质点沿x轴作简谐振动,振动方程为$x=0.04\cos(2\pi t+1/3\pi)(SI)$,从$t=0$时刻起,到质点位置在$x=-2\,\text{cm}$处,且向x轴正方向运动的最短时间间隔为
A. $1/6\,\text{s}$
B. $1/4\,\text{s}$
C. $1/2\,\text{s}$
D. $1/3\,\text{s}$
题目解答
答案
C. $1/2\,\text{s}$
解析
本题考查简谐振动振动方程的应用,解题思路是先根据给定的振动方程求出质点质点在$x = - 2\,\texttext{cm}$处时对应的相位,再结合质点向$x$轴正方向运动这一条件确定具体的相位,最后根据相位与时间的关系求出最短时间间隔。
- 将$x = - 2\,\text{cm}\text{cm}$代入振动方程求相位:
已知振动方程为$x = 0.04\cos(2\pi t+\frac{\pi}{3})$($SI$),当$x = - 2\,\text{cm}=-0.02\,\text{m}$时,代入方程可得:
$-0.02 = 0.04\cos(2\pi t+\frac{\pi}{3})$
两边同时除以$0.04$得:
$\cos(2\pi t+\frac{\pi}{3})=-\frac{1}{2}$
根据余弦函数的性质,$\cos\theta=-\frac{1}{2}$时,$\theta = 2k\pi\pm\frac{2\pi}{3},k\in Z$,则有:
$2\pi t+\frac{\pi}{3}= 2k\pi\pm\frac{2\pi}{3},k\in Z$ - 根据质点运动方向确定相位:
对振动方程$x = 0.04\cos(2\pi t+\frac{\pi}{3})$求导,可得速度方程$v=\frac{dx}{dt}=-0.04\times2\pi\sin(2\pi t+\frac{\pi}{3})=-0.08\sin(2\pi t+\frac{\pi}{3})$。
因为质点向$x$轴正方向运动,所以$v>0$,即$-0.08\sin(2\pi t+\frac{\pi}{3})>0$,也就是$\sin(2\pi t+\frac{\pi}{3})<0$。
当$2\pi t+\frac{\pi}{3}= 2k\pi-\frac{2\pi}{3},k\in Z$时,$\sin(2\pi t+\frac{\pi}{3})<0$,满足条件。 - 求最短时间间隔:
当$k = 0$时,$2\pi t+\frac{\pi}{3}=-\-\frac{2\pi}{3}$,解方程$2\pi t+\frac{\pi}{3}=-\frac{2\pi}{3}$可得:
移项可得$2\pi t=-\frac{2\pi}{3}-\frac{\pi}{3}$,即$2\pi t=-\pi$,解得$t = -\frac{1}{2}\,\text{s}$(舍去,时间不能为负)。
当$k = 1$时,$2\pi t+\frac{\pi}{3}= 2\pi-\frac{2\pi}{3}$,解方程$2\pi t+\frac{\pi}{3}= 2\pi-\frac{2\pi}{3}$:
移项可得$2\pi t= 2\pi-\frac{2\pi}{3}-\frac{\pi}{3}$,即$2\pi t=\pi$,解得$t = \frac{1}{2}\,\text{s}$。