题目
质点作简谐振动,其振动方程为 x=0.4cos((pi)/(4)t+(pi)/(3))(m),则质点连续两次通过平衡位置的时间间隔为 4(s)。A. 对B. 错
质点作简谐振动,其振动方程为 $x=0.4\cos(\frac{\pi}{4}t+\frac{\pi}{3})\text{m}$,则质点连续两次通过平衡位置的时间间隔为 $4\text{s}$。
A. 对
B. 错
题目解答
答案
A. 对
解析
本题考查简谐振动的相关知识,解题思路是先根据振动方程确定角频率,再由角频率求出周期,接着找出质点通过平衡位置的条件并求解时间表达式,最后计算相邻两次通过平衡位置的时间间隔。
- 确定角频率:
已知质点的振动方程为$x = 0.4\cos(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{3})\text{m}$,对于简谐振动方程$x = A\cos(\omega t + \varphi)$(其中$A$为振幅,$\omega$为角频率,$\varphi$为初相位),可得角频率$\omega = \frac{\pi}{4}\text{s}^{-1}$。 - 计算周期:
根据简谐振动周期公式$T = \frac{2\pi}{\omega}$,将$\omega = \frac{\pi}{4}\text{s}^{-1}$代入可得:
$\begin{align*} T&=\frac{2\pi}{\frac{\pi}{4}}\\ &=2\pi\times\frac{4}{\pi}\\ &= 8\text{s} \end{align*}$ - 找出质点通过平衡位置的条件并求解时间表达式:
质点通过平衡位置的条件是$x = 0$,即$\cos(\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{3}) = 0$。
根据余弦函数的性质,$\cos\alpha = 0$时,$\alpha = \frac{\pi}{2} + k\pi$($k \in \mathbb{Z}$),则有:
$\frac{\pi}{4}t + \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{2} + k\pi$($k \in \mathbb{Z}$)
移项可得:
$\frac{\pi}{4}t = \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{3} + k\pi$($k \in \mathbb{Z}$)
$\frac{\pi}{4}t = \frac{\pi}{6} + k\pi$($k \in \mathbb{Z}$)
两边同时乘以$\frac{4}{\pi}$,解得:
$\begin{align*} t&=\frac{4}{\pi}(\frac{\pi}{6} + k\pi)\\ &=\frac{4}{\pi}\times\frac{\pi}{6} + \frac{4}{\pi}\times k\pi\\ &=\frac{2}{3} + 4k\text{s} \end{align*}$ - 计算相邻两次通过平衡位置的时间间隔:
设相邻两次通过平衡位置的时间分别为$t_k$和$t_{k + 1}$,则$t_k = \frac{2}{3} + 4k\text{s}$,$t_{k + 1} = \frac{2}{3} + 4(k + 1)\text{s}$。
那么时间间隔$\Delta t = t_{k + 1} - t_k$为:
$\begin{align*} \Delta t&= (\frac{2}{3} + 4(k + 1)) - (\frac{2}{3} + 4k)\\ &=\frac{2}{3} + 4k + 4 - \frac{2}{3} - 4k\\ &= 4\text{s} \end{align*}$
所以质点连续两次通过平衡位置的时间间隔为$4$秒,题目说法正确。