题目
一质点沿x轴作简谐振动,振动方程为 x=0.04cos(2pi t+(pi)/(3)) (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) sB. (1)/(4) sC. (1)/(3) sD. (1)/(2) s
一质点沿x轴作简谐振动,振动方程为 $x=0.04\cos\left(2\pi t+\frac{\pi}{3}\right)$ (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. $\frac{1}{6}$ s
B. $\frac{1}{4}$ s
C. $\frac{1}{3}$ s
D. $\frac{1}{2}$ s
题目解答
答案
D. $\frac{1}{2}$ s
解析
本题考查简谐振动的相关知识,解题思路是先根据给定的振动方程求出质点位置在$x = -2cm$处时对应的相位,再根据相位求出对应的时间,最后结合质点的运动方向确定最短时间间隔。
- 确定振动方程的参数:
已知振动方程为$x = 0.04\cos(2\pi t + \frac{\pi}{3})$(SI),根据简谐振动振动方程$x = A\cos(\omega t + + \phi_0)$的一般形式,可得振幅$A = 0.04m$,角频率$\omega = 2\pi s^{-1}$,初相位$\(\phi_0 = \frac{\pi}{3}$。 - 求出质点位置在$x = -2cm$处时对应的相位:
当$x = -2cm = -0.02m$时,代入振动方程可得:
$-0.02 = 0.04\cos(2\pi t + \frac{\pi}{3})$,即$\cos(2\pi t + \frac{\pi}{3}) = -\frac{1}{2}$。
根据余弦函数的性质,$\cos\cos\theta = -\frac{1}{2}$时,$\theta = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi$或$\theta = \frac{4\pi}{3} + 2k$($k\in Z$),所以$k$为整数。
所以$2\pi t + \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi}$或$2\pi t + \frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3} + 2k\pi$($k\in Z$)。 - 求出对应的时间$t$:
- 当$2\pi t + \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi$时,移项可得$2\pi t = \frac{2\pi}{3} - \frac{\pi}{3} + 2k\pi=\frac{\frac{\pi}{3} + 2k\pi\}$,两边同时除以$2\pi$,解得$t = \frac{1}{6} + k$($k\in Z$)。
-当$2\pi t + \frac{\frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3} + 2k\pi\}$时移项可得$2\pi t = \frac{4\pi}{3} - \frac{\pi}{3} + 2k\pi=\{\frac{3\pi}{3} + 2k\pi}\}$,两边同时除以$2\pi$,解得$t = \frac{1}{2} + k$($k\in Z$)。
- 当$2\pi t + \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi$时,移项可得$2\pi t = \frac{2\pi}{3} - \frac{\pi}{3} + 2k\pi=\frac{\frac{\pi}{3} + 2k\pi\}$,两边同时除以$2\pi$,解得$t = \frac{1}{6} + k$($k\in Z$)。
- 判断质点的运动方向:
对振动方程$x$求导可得速度方程$v = \frac{dx}{dt} = -0.04\times 2\pi\sin(2\pi t + \frac{\pi}{3}) = -0.08\pi\sin(2\pi t + \frac{\pi}{3})$。
-当$t = \frac{1}{6}s$时,$2\pi t + \frac{\pi}{3} = 2\pi\times\frac{1}{6} + \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3}$,则$v = -0.08\pi\sin(\frac{2\pi}{3}) = -0.08\pi\times\frac{\sqrt{3}{2}<0$,此时质点向$x$负方向运动,不符合要求。
-当$t = \frac{1}{2}s$时,$2\pi t + \frac{\pi}{3} = 2\pi\times\frac{1}{2} + \frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3}$,$v = -0.08\pi\sin(\frac{4\pi}{3}) = -0.08\pi\times(-\frac{\sqrt3}{2})>0$,此时质点向$x$正方向运动,符合要求。 - 确定最短时间间隔:
从$t = 0$时刻起,到质点位置在$x = -2cm$处且向$x$轴正方向运动的最短时间间隔为$t = \frac{1}{2}s - 0s = \frac{1}{2}s$。