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((k)/(m)) t + (pi)/(2))B. x = A cos (sqrt((k)/(m)) t - (pi)/(2))C. x = A cos (sqrt((m)/(k)) t + (pi)/(2))D. x = A cos (sqrt((m)/(k)) t - (pi)/(2))
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. $x = A \cos (\sqrt{\frac{k}{m}} t + \frac{\pi}{2})$
B. $x = A \cos (\sqrt{\frac{k}{m}} t - \frac{\pi}{2})$
C. $x = A \cos (\sqrt{\frac{m}{k}} t + \frac{\pi}{2})$
D. $x = A \cos (\sqrt{\frac{m}{k}} t - \frac{\pi}{2})$
题目解答
答案
B. $x = A \cos (\sqrt{\frac{k}{m}} t - \frac{\pi}{2})$
解析
本题考查简谐振动方程的知识,解题思路是先根据弹簧振子的性质求出角频率,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,其角频率 $\omega$ 由弹簧的劲度系数 $k$ 和重物的质量 $m$ 决定,根据公式 $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$。 - 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 $x = 0$,将其代入振动方程可得:
$0 = A \cos(\varphi)$
因为 $\cos(\varphi)=0$,所以 $\varphi = \pm\frac{\pi}{2}$。
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 $x = A \cos(\sqrt{\frac{k}{m}} t - \frac{\pi}{2})$。