毛学生物理作业第4章

发布 2022-07-06 19:37:28 阅读 2145

4月8日。4-2 质量为10g的物体做简谐振动,振幅为24 cm,周期为4s.当t=0时位移为+24 cm,试求:

1)当t=0.5s时物体的位置;

2)当t=0.5s时作用在物体上力的大小和方向;

3)物体从初位置运动到x=-12cm 处所需的最短时间;

4)在x=-12cm处物体的速度。

分析已知物体做简谐振动,则其振动表达式可表示为x =acos(ωt +φ题设已给出了式中的振幅a=24cm和角频率ω=s-1,因此本题的关键是根据初始条件确定初相位,然后写出振动表达式,再根据题目要求求解。

解:根据初始条件t=0时,x=24cm,可确定初相位φ=0,故此简谐振动的表达式为。

式中t 以s为单位,x以m为单位。

1 t=0.5s时物体的位置

作用在物体上的力 f=ma==-mω2a cosωt=-mω2x

当t=0.5s时作用在物体上的力 f=-4.19×10×10-3n

设t时刻物体的位移为x=-12cm,即有 -0.12=0.24

满足上式的时刻t的最小值为 tmin=

物体的速度 v=-mωa sin(ωt)

当位移x=-12cm时,对应的时t=(n为整数),此时物体的速度为。

v=-mωa sin(ωt)=-0.01××0.24×sin()m·s-1

=0.33 m·s-1

4-3 做简谐振动的小球,速度的最大值为vm=3m·s-1,振幅为a=2cm,若令速度具有正的最大值的某时刻为t=0,求:

(1)振动周期;

(2)加速度的最大值;

3)振动表达式。

分析对于做简谐振动的物体,其速度幅可表示为vmax=aω,其加速度幅可表示为amax=aω2,因此由速度最大值求出振动周期,并进一步求出加速度的最大值。写出振动表达式的关键是确定初相位,这可以根据题设的初始条件来定。

解:⑴ 已知a=2cm,vm=3m·s-1,由简谐振动的速度振幅vmax=aω可得ω=s-1,故有振动周期。

t== 2)加速度的最大值 amax=aω2=4.5×10-2 m·s-2

3)若令速度具有正最大值的某时刻为t=0,则初始条件为: t=0时,x0=0,v0>0,由此可确定初相位φ=-故此简谐振动的表达式为。

式中x以m为单位,t以s为单位。

4月15日。

4-13 一个质量为3.0kg的质点按下述方程做简谐振动。

式中x以cm为单位,t以s为单位,试问:

(1) x为何值时,势能等于总能量的一半?

2)质点从平衡位置运动到这个位置需要的最短时间?

分析 (1)做简谐振动的系统机械能守恒,动能和势能交替变化。但要注意势能(或动能)等于总能量的一半时,质点并不在处;(2)采用旋转矢量图法求解较容易。分别确定始末两位置所对应的旋转矢量,而振动的角频率ω即为矢量的旋转角速度,将旋转矢量转过的角度除以角速度即为所需时间。

(2)如习题4-13解图所示,对应x=±的旋转矢量位置分别为1,3 ,4,6,平衡位置对应的旋转矢量为2和5,则从2到3以及从5到6所需时间就是所要求的最短时间。已知ω=s-1,旋转矢量在这两个过程中转过的角度为,所以需要的时间 t==0.75s

4-16 有两个同方向、同频率的简谐振动,其合振动的振幅为20 cm,合振动的相位与第一个振动的相位之差为30°,若第一个振动的振幅为17.3 cm,求第二个振动的振幅以及第。

一、第二两振动的相位差。

分析根据题意画出矢量合成图,由三角学定理求得。

解:画出矢量合成图,如习题4-16解图所示。已知a1=17.3cm、a=20cm,两者之间的夹角为,由三角形的余弦定理可得。

a2=,代入已知数据得 a2=10cm。

4月22日。

4-27 图示为t=0时刻沿x轴正方向传播的平面简谐波的波形,求。

分析分析同上题。a、b两点的运动方向可从波形向波的传播方向推移来判断。

解:⑴ 由波形图可知,a =0. 04 m,λ=0.

4 m,圆频率ω==0.4πs-1在t=0时,坐标原点处质元的位移y0 (0)=0,速度v0 (0)<0,由此可以求得该处的相位为φ=,所以x=0处质元的振动表达式为。

y(t) =

式中y的单位为m,t的单位为s。

2) 波沿ox轴正方向传播,波动表达式为。

y(x,t) =

式中x,y的单位为m,t的单位为s。

(3)将xp=0.4 m代入波动表达式,得p处质元的振动表达式为。

y= 式中y的单位为m,t的单位为s。

(4) a点的运动方向向下,b点的运动方向向上。

4-33 两相干平面波源a、b相距20m,做同频率、同方向和等振幅的振动,分析根据干涉相消条件求解。

解:取a为坐标原点,坐标轴ox向右为正,两波的波长均为λ==2 m。从已知条件“a处为波峰时,b处恰为波谷”可知,两波源相位差为φa-φb=π。

两相干波在ab连线上任一点x处所引起的两个分振动的相位差为。

a-φb)-21π-2πx

根据干涉条件,相位差满足φ= 2k+1) π的空间各点因干涉而静止,即。

21π-2πx=(2k+1) π

x=(10+k)m

又因为0

第4章作业

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