题目
一弹簧振子,重物的质量为 m,弹簧的劲度系数为 k,该振子作振幅为 A 的简谐振动。当重物通过平衡位置且向规定的正方向运动时,开始计时。则其振动方程为:A. x = A cos (sqrt(m/k) t + (1)/(2) pi)B. x = A cos (sqrt(m/k) t - (1)/(2) pi)C. x = A cos (sqrt(k/m) t + (1)/(2) pi)D. x = A cos (sqrt(k/m) t - (1)/(2) pi)
一弹簧振子,重物的质量为 $m$,弹簧的劲度系数为 $k$,该振子作振幅为 $A$ 的简谐振动。当重物通过平衡位置且向规定的正方向运动时,开始计时。则其振动方程为:
A. $x = A \cos (\sqrt{m/k} t + \frac{1}{2} \pi)$
B. $x = A \cos (\sqrt{m/k} t - \frac{1}{2} \pi)$
C. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t + \frac{1}{2} \pi)$
D. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t - \frac{1}{2} \pi)$
题目解答
答案
D. $x = A \cos (\sqrt{k/m} t - \frac{1}{2} \pi)$
解析
本题考查简谐振动方程的知识,解题思路是先根据简谐振动的性质求出角频率,再结合初始条件确定初相位,最后得出振动方程。
- 求角频率 $\omega$:
对于弹簧振子的简谐振动,其角频率 $\omega$ 与重物质量 $m$ 和弹簧劲度系数 $k$ 的关系为 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$。这是根据简谐振动的动力学方程 $F = -kx = ma$,结合运动学方程 $a = -\omega^2 x$ 推导得出的。 - 确定初相位 $\varphi$:
简谐振动的一般方程为 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,其中 $A$ 为振幅,$\omega$ 为角频率,$\varphi$ 为初相位。
已知当 $t = 0$ 时,重物通过平衡位置,即 $x = 0$,代入振动方程可得:
$0 = A\cos(\varphi)$
因为 $A \neq 0$,所以 $\cos(\varphi) = 0$,则 $\varphi = \pm\frac{\pi}{2}$。
又因为此时重物向规定的正方向运动,即速度 $v > 0$。
对振动方程 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$ 求导可得速度方程 $v = -A\omega\sin(\omega t + \varphi)$。
当 $t = 0$ 时,$v = -A\omega\sin(\varphi) > 0$,由于 $A > 0$,$\omega > 0$,所以 $\sin(\varphi) < 0$。
在 $\varphi = \pm\frac{\pi}{2}$ 中,满足 $\sin(\varphi) < 0$ 的是 $\varphi = -\frac{\pi}{2}$。 - 得出振动方程:
将 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$ 和 $\varphi = -\frac{\pi}{2}$ 代入简谐振动的一般方程 $x = A\cos(\omega t + \varphi)$,可得振动方程为 $x = A\cos(\sqrt{\frac{k}{m}}t - \frac{\pi}{2})$。