题目
两个同方向同频率的简谐振动,其合振动的振幅为20(cm),与第一个简谐振动的位相差为phi-phi_1=pi/6.若第一个简谐振动的振幅为10sqrt(3)(cm)=17.3(cm),则,第一、二两个简谐振动的位相差phi_1-phi_2为:A (pi)/(3)B (pi)/(6)C -(pi)/(2)D -pi/6
两个同方向同频率的简谐振动,其合振动的振幅为$20\text{cm}$,与第一个简谐振动的位相差为$\phi-\phi_1=\pi/6$.若第一个简谐振动的振幅为$10\sqrt{3}\text{cm}=17.3\text{cm}$,则,第一、二两个简谐振动的位相差$\phi_1-\phi_2$为:
A $\frac{\pi}{3}$
B $\frac{\pi}{6}$
C $-\frac{\pi}{2}$
D $-\pi/6$
题目解答
答案
根据题目给出的条件,我们可以利用旋转矢量法(相量法)来求解两个同方向同频率简谐振动的合成问题。
1. 已知条件分析:
- 合振动的振幅 $A = 20\text{ cm}$。
- 合振动与第一个简谐振动的位相差 $\phi - \phi_1 = \frac{\pi}{6}$。
- 第一个简谐振动的振幅 $A_1 = 10\sqrt{3}\text{ cm}$。
- 我们需要求第一、二两个简谐振动的位相差 $\phi_1 - \phi_2$。
2. 建立坐标系与矢量表示:
为了计算方便,我们可以以第一个简谐振动 $\vec{A}_1$ 的方向为 $x$ 轴正方向建立坐标系。
- 第一个简谐振动的振幅矢量可以表示为:$\vec{A}_1 = A_1 = 10\sqrt{3}$ (沿 $x$ 轴)。
- 合振动的振幅矢量为 $\vec{A}$,其大小 $A = 20$,且与 $\vec{A}_1$ 的夹角为 $\phi - \phi_1 = \frac{\pi}{6}$。
- 第二个简谐振动的振幅矢量为 $\vec{A}_2$。根据振动合成原理,有矢量关系:$\vec{A} = \vec{A}_1 + \vec{A}_2$。
3. 计算合振动矢量的分量:
将合振动矢量 $\vec{A}$ 分解到 $x$ 轴和 $y$ 轴上:
- $x$ 轴分量:$A_x = A \cos(\frac{\pi}{6}) = 20 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 10\sqrt{3}$
- $y$ 轴分量:$A_y = A \sin(\frac{\pi}{6}) = 20 \times \frac{1}{2} = 10$
所以,合振动矢量 $\vec{A} = (10\sqrt{3}, 10)$。
4. 计算第二个简谐振动的矢量:
根据 $\vec{A}_2 = \vec{A} - \vec{A}_1$,我们可以求出 $\vec{A}_2$ 的分量:
- $\vec{A}_1$ 的分量为 $(10\sqrt{3}, 0)$。
- $\vec{A}_2$ 的 $x$ 分量:$A_{2x} = A_x - A_{1x} = 10\sqrt{3} - 10\sqrt{3} = 0$
- $\vec{A}_2$ 的 $y$ 分量:$A_{2y} = A_y - A_{1y} = 10 - 0 = 10$
因此,第二个简谐振动的振幅矢量 $\vec{A}_2 = (0, 10)$。
5. 确定位相差:
- 第一个简谐振动 $\vec{A}_1$ 沿 $x$ 轴正方向,其相位为 $\phi_1$(在我们的坐标系中设为 $0$)。
- 第二个简谐振动 $\vec{A}_2$ 沿 $y$ 轴正方向,其相位为 $\phi_2$。
- 从矢量 $\vec{A}_1$ 到 $\vec{A}_2$ 的夹角为 $\frac{\pi}{2}$。因为 $\vec{A}_2$ 在 $\vec{A}_1$ 的逆时针方向($y$ 轴正向),所以 $\phi_2 = \phi_1 + \frac{\pi}{2}$。
- 题目要求计算 $\phi_1 - \phi_2$:
$\phi_1 - \phi_2 = \phi_1 - (\phi_1 + \frac{\pi}{2}) = -\frac{\pi}{2}$
结论:
第一、二两个简谐振动的位相差 $\phi_1 - \phi_2$ 为 $-\frac{\pi}{2}$。
对比选项:
A. $\frac{\pi}{3}$
B. $\frac{\pi}{6}$
C. $-\frac{\pi}{2}$
D. $-\pi/6$
正确选项为 C。
解析
本题考查同方向同频率简谐振动的合成,解题思路是利用旋转矢量法(相量法),通过建立坐标系,将各简谐振动的振幅表示为矢量,根据矢量合成关系求出第二个简谐振动的矢量,进而确定两个简谐振动的位相差。
- 已知条件分析:
- 合振动的振幅 $A = 20\text{ cm}$。
- 合振动与第一个简谐振动的位相差 $\phi - \phi_1 = \frac{\pi}{6}$。
- 第一个简谐振动的振幅 $A_1 = 10\sqrt{3}\text{ cm}$。
- 我们需要求第一、二两个简谐振动的位相差 $\phi_1 - \phi_2$。
- 建立坐标系与矢量表示:
- 以第一个简谐振动 $\vec{A}_1$ 的方向为 $x$ 轴正方向建立坐标系。
- 第一个简谐振动的振幅矢量可以表示为:$\vec{A}_1 = A_1 = 10\sqrt{3}$ (沿 $x$ 轴)。
- 合振动的振幅矢量为 $\vec{A}$,其大小 $A = 20$,且与 $\vec{A}_1$ 的夹角为 $\phi - \phi_1 = \frac{\pi}{6}$。
- 第二个简谐振动的振幅矢量为 $\vec{A}_2$。根据振动合成原理,有矢量关系:$\vec{A} = \vec{A}_1 + \vec{A}_2$。
- 计算合振动矢量的分量:
- 将合振动矢量 $\vec{A}$ 分解到 $x$ 轴和 $y$ 轴上:
- $x$ 轴分量:$A_x = A \cos(\frac{\pi}{6}) = 20 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 10\sqrt{3}$。
- $y$ 轴分量:$A_y = A \sin(\frac{\pi}{6}) = 20 \times \frac{1}{2} = 10$。
- 所以,合振动矢量 $\vec{A} = (10\sqrt{3}, 10)$。
- 将合振动矢量 $\vec{A}$ 分解到 $x$ 轴和 $y$ 轴上:
- 计算第二个简谐振动的矢量:
- 根据 $\vec{A}_2 = \vec{A} - \vec{A}_1$,我们可以求出 $\vec{A}_2$ 的分量:
- $\vec{A}_1$ 的分量为 $(10\sqrt{3}, 0)$。
- $\vec{A}_2$ 的 $x$ 分量:$A_{2x} = A_x - A_{1x} = 10\sqrt{3} - 10\sqrt{3} = 0$。
- $\vec{A}_2$ 的 $y$ 分量:$A_{2y} = A_y - A_{1y} = 10 - 0 = 10$。
- 因此,第二个简谐振动的振幅矢量 $\vec{A}_2 = (0, 10)$。
- 根据 $\vec{A}_2 = \vec{A} - \vec{A}_1$,我们可以求出 $\vec{A}_2$ 的分量:
- 确定位相差:
- 第一个简谐振动 $\vec{A}_1$ 沿 $x$ 轴正方向,其相位为 $\phi_1$(在我们的坐标系中设为 $0$)。
- 第二个简谐振动 $\vec{A}_2$ 沿 $y$ 轴正方向,其相位为 $\phi_2$。
- 从矢量 $\vec{A}_1$ 到 $\vec{A}_2$ 的夹角为 $\frac{\pi}{2}$。因为 $\vec{A}_2$ 在 $\vec{A}_1$ 的逆时针方向($y$ 轴正向),所以 $\phi_2 = \phi_1 + \frac{\pi}{2}$。
- 题目要求计算 $\phi_1 - \phi_2$:
- $\phi_1 - \phi_2 = \phi_1 - (\phi_1 + \frac{\pi}{2}) = -\frac{\pi}{2}$。