质点沿 x 轴作简谐振动,用余弦函数表示、振幅为 A。当 t = 0 时,质点位于 x_0 = -(A)/(2) 处且向 x 轴负方向运动,则其初相为( )。A. (pi)/(3)B. (2pi)/(3)C. -(pi)/(3)D. -(2pi)/(3)
A. $\frac{\pi}{3}$
B. $\frac{2\pi}{3}$
C. $-\frac{\pi}{3}$
D. $-\frac{2\pi}{3}$
题目解答
答案
解析
本题考查简谐振动的运动学方程及初相的确定。解题思路是先写出简谐振动的运动学方程,再根据给定的初始条件确定初相。
简谐振动的运动学方程为$x = A\cos(\omega t + \varphi)$,其中$A$为振幅,$\omega$为角频率,$\varphi$为初相。
已知当$t = 0$时,质点位于$x_0 = -\frac{A}{2}$处,将$t = 0$,$x_0 = -\frac{A}{2}$代入运动学方程$x = A\cos(\omega t + \varphi)$可得:
$-\frac{A}{2}=A\cos(\omega\times0 + \varphi)=A\cos\varphi$
两边同时除以$A$($A\neq0$),得到$\cos\varphi=-\frac{1}{2}$。
根据余弦函数的性质,$\cos\varphi=-\frac{1}{2}$时,$\varphi=\pm\frac{2\pi}{3}+2k\pi$,$k\in Z$。
接下来,需要根据质点的运动方向来确定初相的具体值。简谐振动的速度公式为$v = -A\omega\sin(\omega t + \varphi)$。
当$t = 0$时,质点向$x$轴负方向运动,即$v\lt0$。
将$t = 0$代入速度公式$v = -A\omega\sin(\omega t + \varphi)$可得$v=-A\omega\sin\varphi\lt0$。
因为$A\gt0$,$\omega\gt0$,所以$\sin\varphi\gt0$。
当$\varphi=\frac{2\pi}{3}$时,$\sin\frac{2\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}\gt0$;当$\varphi=-\frac{2\pi}{3}$时,$\sin(-\frac{2\pi}{3})=-\frac{\sqrt{3}}{2}\lt0$。
所以,满足$\sin\varphi\gt0$的初相为$\varphi=\frac{2\pi}{3}$。