大学物理课后习题及答案 波动
大学物理(第四版)课后习题及答案 波动
第十四章动摇之阳早格格创做14-1 一横波再沿绳子传播时得动摇圆程为[]x m t s m y )()5.2(cos )20.0(11---=ππ.（1）供波得振幅、波速、频次及波少；（2）供绳上量面振荡时得最大速度；（3）分别绘出t=1s 战t=2s 时得波形，并指出波峰战波谷.绘出x=处量面得振荡直线并计划其与波形图得分歧.14-1 ()[]x m t s m y )(5.2cos )20.0(11---=ππ 分解（1）已知动摇圆程（又称波函数）供动摇的特性量（波速u 、频次ν、振幅A 及彼少 等），常常采与比较法.将已知的动摇圆程按动摇圆程的普遍形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛=0cos ϕωu x t A y 书籍写，而后通过比较决定各特性量（式中前“－”、“＋”的采用分别对付应波沿x 轴正背战背背传播）.比较法思路浑晰、供解烦琐，是一种常常使用的解题要领.（2）计划动摇问题，要明白振荡物理量与动摇物理量之间的内正在通联与辨别.比圆区别量面的振荡速度与波速的分歧，振荡速度是量面的疏通速度，即dt dy v =；而波速是波线上量面疏通状态的传播速度（也称相位的传播速度、波形的传播速度或者能量的传播速度），其大小由介量的本量决断.介量稳定，彼速脆持恒定.（3）将分歧时刻的t 值代人已知动摇圆程，即不妨得到分歧时刻的波形圆程)(x y y =，进而做出波形图.而将决定的x 值代进动摇圆程，即不妨得到该位子处量面的疏通圆程)(t y y =，进而做出振荡图.解（1）将已知动摇圆程表示为 与普遍表白式()[]0cos ϕω+-=u x t A y 比较，可得 则 m v u Hz v 0.2,25.12====λπω（2）绳上量面的振荡速度则1max 57.1-⋅=s m v（3） t=1s 战 t ＝2s 时的波形圆程分别为波形图如图14－1（a ）所示.x ＝处量面的疏通圆程为振荡图线如图14－1（b ）所示.波形图与振荡图虽正在图形上相似，但是却有着真量的辨别前者表示某决定时刻波线上所有量面的位移情况，而后者则表示某决定位子的时间变更的情况.14-2 波源做简谐疏通，其疏通圆程为t s m y )240cos()100.4(13--⨯=π，它所产死得波形以30m/s 的速度沿背去线传播.（1）供波的周期及波少；（2）写出波的圆程.14-2 t s m y )240cos()100.4(13--⨯=π分解 已知彼源疏通圆程供动摇物理量及动摇圆程，可先将疏通圆程与其普遍形式()0cos ϕω+=t A y 举止比较，供出振幅天角频次ω及初相0ϕ，而那三个物理量与动摇圆程的普遍形式()[]0cos ϕω+-=u x t A y 中相映的三个物理量是相共的.再利用题中已知的波速U 及公式T /22ππνω==战uT =λ即可供解.解（1）由已知的疏通圆程可知，量面振荡的角频次1240-=s πω.根据分解中所述，波的周期便是振荡的周期，故有 波少为(2)将已知的波源疏通圆程与简谐疏通圆程的普遍形式比较后可得故以波源为本面，沿X 轴正背传播的波的动摇圆程为 14-3 以知以动摇圆程为])2()10sin[()05.0(11x m t s m y ---=π.（1）供波少、频次、波速战周期；（2）道明x=0时圆程的意思，并做图表示.14-3])2()10sin[()05.0(11x m t s m y ---=π分解采与比较法.将题给的动摇圆程改写成动摇圆程的余弦函数形式，比较可得角频次.、波速U ，进而供出波少、频次等.当x 决定时动摇圆程即为量面的疏通圆程)(t y y =. 解（1）将题给的动摇圆程改写为与()[]0cos ϕω+-=u x t A y 比较后可得波速 角频次110-=s πω，故有 （2）由分解知x=0时，圆程表示位于坐标本面的量面的疏通圆程（图13—4）.14-4 波源做简谐振荡，周期为0.02s ，若该振荡以100m/s 的速度传播，设t=0时，波源处的量面经仄稳位子背正目标疏通，供：（1）距离波源战二处量面的疏通圆程战初相；（2）距离波源战二处量面的相位好.14-4分解（1）根据题意先设法写出动摇圆程，而后代人决定面处的坐标，即得到量面的疏通圆程.并可供得振荡的初相.（2）波的传播也不妨瞅成是相位的传播.由波少A 的物理含意，可知波线上任二面间的相位好为λπϕ/2x ∆=∆.解（1）由题给条件 T ＝0.02 s ，u ＝100 m ·s －l ，可得 当t ＝0时，波源量面经仄稳位子背正目标疏通，果而由转动矢量法可得该量面的初相为）或2/3(2/0ππϕ-=.若以波源为坐标本面，则动摇圆程为距波源为 x 1=15.0m 战 x 2它们的初相分别为πϕπϕ5.55.152010-=-=和（若波源初相与2/30πϕ=,则初相πλπϕϕϕ=-=-=∆/)(21221x x ，.）（2）距波源 16.0 m 战 17.0 m 二面间的相位好×10-2s ，以它经仄稳位子背正目标疏通时为时间起面，若此振荡以u=400m/s 的速度沿直线传播.供：（1）距离波源处量面P 的疏通圆程战初相；（2）距离波源战处二面的相位好.14-5解分解共上题.正在确知角频次1200/2-==s T ππω、波速1400-⋅=s m u 战初相）或2/(2/30ππϕ-=的条件下，动摇圆程 位于 x P =8.0 m 处，量面 P 的疏通圆程为该量面振荡的初相2/50πϕ-=P .而距波源9.0 m 战 10.0 m 二面的相位好为如果波源初相与2/0πϕ-=，则动摇圆程为量面P 振荡的初相也形成2/90πϕ-=P ，但是波线上任二面间的相位好本去不改变. 14-6 有一仄里简谐波正在介量中传播，波速u=100m/s ，波线上左侧距波源O （坐标本面）为处的一面P 的疏通圆程为]2/)2cos[()30.0(1ππ+=-t s m y p .供（1）波背x 轴正目标传播时的动摇圆程；（2）波背x 轴背目标传播时的动摇圆程. 14-6]2/)2cos[()30.0(1ππ+=-t s m y p分解正在已知波线上某面疏通圆程的条件下，修坐动摇圆程常常采与底下二种要领：（1）先写出以波源O 为本面的动摇圆程的普遍形式，而后利用已知面P 的疏通圆程去决定该动摇圆程中各量，进而修坐所供动摇圆程.（2）修坐以面P 为本面的动摇圆程，由它去决定波源面O 的疏通圆程，进而可得出以波源面O 为本面的动摇圆程.解1（1）设以波源为本面O ，沿X 轴正背传播的动摇圆程为将 u ＝100 m ·s －‘代人，且与x 二75 m 得面 P 的疏通圆程为与题意中面 P 的疏通圆程比较可得 A ＝0.30m 、12-=s πω、πϕ20=.则所供动摇圆程为(2)当沿X 轴背背传播时，动摇圆程为将 x ＝75 m 、1100-=ms u 代人后，与题给面 P 的疏通圆程比较得A ＝ 0.30m 、12-=s πω、πϕ-=0，则所供动摇圆程为解2（1）如图14一6（a ）所示，与面P 为坐标本面O ’，沿O ’x 轴背左的圆背为正目标.根据分解，当波沿该正目标传播时，由面P 的疏通圆程，可得出以O ’（即面P ）为本面的动摇圆程为将 x=-75 m 代进上式，可得面 O 的疏通圆程为由此可写出以面O 为坐标本面的动摇圆程为（2）当波沿河X 轴背目标传播时.如图14－6（b ）所示，仍先写出以O ’（即面P ）为本面的动摇圆程将 x=-75 m 代人上式，可得面 O 的疏通圆程为则以面O 为本面的动摇圆程为计划对付于仄里简谐波去道，如果已知波线上一面的疏通圆程，供其余一面的疏通圆程，也可用下述要领去处理：波的传播是振荡状态的传播，波线上各面（包罗本面）皆是沉复波源量面的振荡状态，不过初相位分歧而已.正在已知某面初相仄0的前提下，根据二面间的相位好λπϕϕϕ/2'00x ∆=-=∆，即可决定已知面的初相中小14-7 图14-7为仄里简谐波正在t=0时的波形图，设此简谐波的频次为250Hz ，且此时图中量面P 的疏通目标进与.供：（1）该波的动摇圆程；（2）正在距本面O 为处量面的疏通圆程与t=0时该面的振荡速度.14-7'λ、振幅A 战波速λν=u ；2.根据面P 的疏通趋势去推断波的传播目标，进而可决定本面处量面的疏通趋背，并利用转动闭量法决定其初相0ϕ.（2）正在动摇圆程决定后，即可得到波线上距本面O 为X 处的疏通圆程y ＝y （t ），及该量面的振荡速度v ＝dy ／d t.解（1）从图 15－ 8中得知，波的振幅 A ＝ 0.10 m ，波少m 0.20=λ，则波速13100.5-⋅⨯==s m u λν.根据t ＝0时面P 进与疏通，可知彼沿Ox 轴背背传播，并判决此时位于本面处的量面将沿Oy 轴背目标疏通.利用转动矢量法可得其初相3/0πϕ=.故动摇圆程为（2）距本面 O 为x=7.5 m 处量面的疏通圆程为t=0时该面的振荡速度为 14-8 仄里简谐波以波速u=/s 沿Ox 轴背目标传播，正在t=2s 时的波形图如图14-8（a ）所示.供本面的疏通圆程. 14-8分解上题已经指出，从波形图中可知振幅A 、波少λ战频次ν.由于图14－8（a ）是t ＝2s 时刻的波形直线，果此决定 t ＝ 0时本面处量面的初相便成为本题供解的易面.供t ＝0时的初相有多种要领.底下介绍波形仄移法、波的传播不妨局里天形貌为波形的传播.由于波是沿 Ox 轴背背传播的，所以可将 t ＝2 s 时的波形沿Ox 轴正背仄移m s s m uT x 0.12)50.0(1=⨯⋅==∆-，即得到t=0时的波形图14－8（b ），再根据此时面O 的状态，用转动闭量法决定其初相位.解由图 15－ 9（a ）得知彼少m 0.2=λ，振幅 A ＝ 0.5 m.角频次15.0/2-==s u πλπω. 按分解中所述，从图15—9（b ）可知t=0时，本面处的量面位于仄稳位子.并由转动矢量图14－8（C ）得到2/0πϕ=，则所供疏通圆程为14-9 一仄里简谐波，波少为12m ，沿Ox 轴背目标传播，图14-9（a ）所示为x=处量面的振荡直线，供此波的动摇圆程.14-9分解该题可利用振荡直线去获与动摇的特性量，进而修坐动摇圆程.供解的闭键是怎么样根据图14－9（a ）写出它所对付应的疏通圆程.较烦琐的要领是转动矢量法（拜睹题13－10）.解 由图14－9（b ）可知量面振荡的振幅A ＝0.40 m ，t ＝0时位于 x ＝的量面正在A ／2处并背Oy 轴正背移动.据此做出相映的转动矢量图14－9（b ），从图中可知30πϕ-='.又由图 14－9（a ）可知，t ＝5 s 时，量面第一次回到仄稳位子，由图14－9（b ）可瞅出65πω=t ，果而得角频次16-=s πω. 采与题14－6中的要领，将波速10.12-⋅===s m T u πλωλ代人动摇圆程的普遍形式])(cos[0ϕω++=u x t A y 中，并与上述x ＝处的疏通圆程做比较，可得20πϕ-=，则动摇圆程为14-10 图14-10中（I ）是t=0时的波形图，（II ）是t=0.1s 时的波形图，已知T>0.1s ，写出动摇圆程的表白式. 14-10分解 已知动摇圆程的形式为从如图15—11所示的t ＝0时的波形直线Ⅰ，可知彼的振幅A 战波少λ，利用转动矢量法可决定本面处量面的初相0ϕ.果此，决定波的周期便成为相识题的闭键.从题给条件去瞅，周期T 只可从二个分歧时刻的波形直线之间的通联去得到.为此，不妨从底下二个分歧的角度去分解.（l ）由直线（Ⅰ）可知，正在 tzo 时，本面处的量面处正在仄稳位子且背 Oy 轴背背疏通，而直线（Ⅱ）则标明，通过0.1s 后，该量面已疏通到 Oy 轴上的一A 处.果此，可列圆程s T kT 1.04=+，正在普遍情形下，k= 0， 1，2，…那便是道，量面正在 0.1 s 内，不妨经历 k 个周期振荡后再回到A 处，故有)25.0()1.0(+=k s T .（2）从波形的移动去分解.果波沿Ox 轴正目标传播，波形直线（Ⅱ）可视为直线（Ⅰ）背左脚移了T t t u x ∆=∆=∆λ.由图可知，4λλ+=∆k x ，故有t k ∆=+λλλ4，共样也得)25.0)1.0(+=k s T .应当注意，k 的与值由题给条件 T ＞0.1s 所决断.解 从图中可知波少m 0.2=λ，振幅A ＝0.10 m.由波形直线（Ⅰ）得知正在t=0时，本面处量面位于仄稳位子且背 Oy 轴背背疏通，利用转动矢量法可得2/0πϕ=.根据上头的分解，周期为由题意知 T ＞0.1s ，故上式创造的条件为，可得 T ＝0.4s.那样，动摇圆程可写成14-11 仄里简谐波的动摇圆程为])2()4cos[()08.0(11x m t sm y ---=ππ二处的相位；（2）离波源处及二处的相位.14-11()[]x m t s m y 112)4(cos )08.0(---=ππ 解（1）将t ＝2.1s 战x=0代人题给动摇圆程，可得波源处的相位将t ＝2.1s 战x ＝0.10 m 代人题给动摇圆程，得 0.10 m 处的相位为从动摇圆程可知波少.那样， m 与 m 二面间的相位好14-12 为了脆持波源的振荡稳定，需要消耗4.0W 的功率.若波源收出的是球里波（设介量不吸支波的能量）.供距离波源战处的能流稀度.14-12分解波的传播伴伴着能量的传播.由于波源正在单位时间内提供的能量恒定，且介量不吸支能量，敌对付于球里波而止，单位时间内通过任性半径的球里的能量（即仄稳能流）相共，皆等于波源消耗的功率户.而正在共一个球里上各处的能流稀度相共，果此，可供出分歧位子的能流稀度 S P I =.解由分解可知，半径户处的能疏稀度为当 r 1＝5.0 m 、r 2＝10.0 m 时，分别有×103m ×10-4m ，频次ν×103Hz.若介量的稀度为ρ×102kg/m 3×10-4m 2的总能量.14-1313100.1-⋅⨯=s m u解（1）由能流稀度I 的表白式得2）正在时间隔断s t 60=∆内笔直通过里积 S 的能量为14-14 如图14-14所示，二振荡目标相共的仄里简谐波波源分别位于A 、B 二面.设它们的相位相共，且频次均为ν=30Hz ，波速u=/s ，供正在面P 处二列波的相位好. 14-14 v=30Hz分解正在匀称介量中，二列波相逢时的相位好ϕ∆，普遍由二部分组成，即它们的初出进B A ϕϕ-战由它们的波程好而引起的相位好λπr ∆2.本题果B =ϕϕA ，故它们的相位好只与决于波程好.解正在图14－14的APB ∆中，由余弦定理可得二列波正在面P 处的波程好为BP AP r -=∆，则相位好为14-15 二波正在共一细绳上传播，它们的圆程分别为])4[()cos()06.0(111t s x m m y ---=ππ战])4[()cos()06.0(112t s x m m y --+=ππ.（1）道明那细绳是做驻波式振荡，并供节面战波背的位子；（2）波背处的振幅有多大？正在x=处，振幅多大？14-15分解只需道明那二列波会成后具备驻波圆程 的形式即可.由驻波圆程可决定波背、波节的位子战任性位子处的 振幅.解（l ）将已知二动摇圆程分别改写为可睹它们的振幅 A 二0.06 m ，周期 T 二0.5 s （频次.二2 Hi ），波少八二2 m.正在波线上任与一面P ，它距本面为P.则该面的合疏通圆程为k 式与驻波圆程具备相共形式，果此，那便是驻波的疏通圆程由得波节位子的坐标为由得波背位子的坐标为门）驻波振幅，正在波背处A ’二ZA 二0.12 m ；正在x 二 0.12 m 处，振幅为14-16 一弦上的驻波圆程式为t s x m m y )550cos()6.1cos()100.3(112---⨯=ππ×10-3s 时位于x=处量面的振荡速度.14-16分解（1）采与比较法.将本题所给的驻波圆程，与驻波圆程的普遍形式相比较即可供得振幅、波速等.（2）由波节位子的表白式可得相邻波节的距离.（3）量面的振荡速度可按速度定义V一如Nz供得.解（1）将已知驻波圆程 y＝（3. 0 X 10－2 m） cos（. 6. ml）－coos（550.s一小与驻波圆程的普遍形式 y＝ ZAcos （2.x／八）.（2.yi）做比较，可得二列波的振幅 A＝ 1. 5 X 10－‘ m，波少八二 1. 25 m，频次 v二 275 Hi，则波速 u 一如 2343.8 in·SI（2）相邻波节间的距离为(3）正在 t二 3. 0 X 10－3 s时，位于 x＝ 0. 625 m 处量面的振荡速度为14-17 一仄里简谐波的频次为500Hz，正在气氛中（ρ=/m3）以u=340m×10-6m.试供波正在耳中的仄稳能量稀度战声强.14-17解波正在耳中的仄稳能量稀度声强便是声波的能疏稀度，即那个声强略大于繁闲街讲上的噪声，使人耳已感触不符合.普遍仄常道话的声强约为 1. 0 X 10－6 W·m－2安排*14-18 里积为2的窗户启背街讲，街中噪声正在窗户的声强级为80dB.问有几声功率传进窗内？14-18分解最先要明白声强、声强级、声功率的物理意思，并相识它们之间的相互闭系.声强是声波的能流稀度I，而声强级L是形貌介量中分歧声波强强的物理量.它们之间的闭系为 L一体I／IO），其中 IO二 1. 0 X 10－’2 W·0－‘为确定声强.L的单位是贝我（B），但是常常使用的单位是分贝（dB），且IB＝10 dB.声功率是单位时间内声波通过某里积传播的能量，由于窗户上各处的I相共，故有P=IS.解根据分解，由L＝ig（I／ IO）可得声强为则传进窗户的声功率为14-19 若正在共一介量中传播的、频次分别为1200Hz战400Hz的二声波有相共的振幅.供：（1）它们的强度之比；（2）二声波的声强级好.14-19解（1）果声强I＝puA‘.‘／2，则二声波声强之比(2)果声强级L一回对付几)，则二声波声强级好为14-20 一警车以25m/s的速度正在停止的气氛中止驶，假设车上警笛的频次为800Hz.供：（1）停止站正在路边的人听到警车驶近战拜别时的警笛声波频次；（2）如果警车逃赶一辆速度为15m/s的客车，则客车上的人听到的警笛声波的频次是几？（设气氛中的声速u=330m/s）14-20分解由于声源与瞅察者之间的相对付疏通而爆收声多普勒效力，由多普勒频次公式可解得截止.正在处理那类问题时，不但是要分浑瞅察者相对付介量（气氛）是停止仍旧疏通，共时也要分浑声源的疏通状态.解（1）根据多普勒频次公式，当声源（警车）以速度 vs ＝25 m·s－‘疏通时，停止于路边的瞅察者所交支到的频次为警车驶近瞅察者时，式中Vs前与“－”号，故有警车驶离瞅察者时，式中Vs前与“＋”号，故有2）声源（警车）与客车上的瞅察者做共背疏通时，瞅察者支到的频次为14-21 如图14-21所示.一振荡频次为ν=510Hz的振源正在S面以速度v背墙壁交近，瞅察者正在面P处测得拍音频次ν′=3Hz，供振源移动得速度.（声速为330m/s）14-21分解位于面P的瞅察者测得的拍音是振源S直交传递战经墙壁反射后传播的二列波相逢叠加而产死的.由于振源疏通，交支频次.l、12均与振源速度.有闭.根据多普勒效力频次公式战拍频的定义，可解得振源的速度.解根据多普勒效力，位于面P的人直交交支到声源的频次. l战经墙反射后支到的频次分别为由拍额的定义有将数据代进上式并整治，可解得14-22 暂时遍及型晶体管支音机的中波敏捷度（指仄稳电场强度E×10-3×103km近处某电台的广播，该台的收射是各背共性的（以球里形式收射），而且电磁波正在传播时不耗费，问该台的收射功率起码有多大？14-22×1018W/m2，估计其对付应的电场强度战磁场强度的振幅. 14-23。
大学物理第十章波动学习题答案
第十章 波动学习题10-1 有一平面简谐波0.02cos20030x y t π⎛⎫=- ⎪⎝⎭，x ，y 的单位为m ，t 的单位为s 。
（1）求其振幅、频率、波速和波长；（2）求x=0.1m 处质点的初相位。
解：（1）A=0.02m ，v=ω/2π=200π/2π=100s -1，u=30m/s ，λ=u/v=0.3m（2）02000.1200230303x πππφ⨯=-=-=- 10-2 一横波沿绳子传播时的波动方程为()0.05cos 104y t x ππ=-，x ，y 的单位为m ，t 的单位为s 。
（1）求其振幅、频率、波长和波速；（2）求绳子上各质点振动的最大速度和最大加速度；（3）求x=0.2m 处的质点在t=1s 时的相位，它是原点处质点在哪一时刻的相位？（4）分别画出t=1s ，1.25s ，1.5s 时的波形曲线。
解：（1）A=0.05m ，v=ω/2π=10π/2π=5s -1，λ=0.5m ，u=λv=2.5m/s（2）m A ω=v ，2m a A ω= （3）1041040.29.2t x φπππππ=-=-⨯= 10-3 一平面简谐波()x πt y π2-10sin 05.0=，x ，y 的单位为m ，t 的单位为s 。
（1）求其频率、周期、波长和波速；（2）说明x ＝0时方程的意义，并作图表示。
解：（1）v=ω/2π=10π/2π=5s -1，T=1/v=0.2s ，λ=1m ，u=λv=5m/s（2）0.05sin10y πt = 原点处质点的振动方程10-4 波源作简谐运动，振动方程为()m cos240100.43πt y -⨯=，它所形成的波形以30m·s -1的速度沿一直线传播。
（1）求波的周期及波长；（2）写出波动方程。
解：（1）T=2π/ω=2π/240π=1/120s ，λ=uT=30/120=0.25m（2）()34.010cos240m 30x y πt -⎛⎫=⨯- ⎪⎝⎭10-5 如图所示，一平面简谐波在介质中以速度u=20m/s 沿x 轴负方向传播，已知a 点的振动方程为y a =3cos4πt ，t 的单位为s ，y 的单位为m 。
大学物理 课后习题 答案
大学物理课后习题答案大学物理课后习题答案第十八章波动1、一横波沿绳子传播，其波的表达式为y=0.05cos(100πt-2πx)(si)谋:(1)波的振幅、波速、频率和波长。
(2)绳子上各质点的最大振动速度和最大振动加速度。
(3)在x1=0.2m处和x2=0.7m处二质点振动的位相差。
解：（1）y=0.05cos(100πt-2πx)=0.05cos100π(t-0.02x)∴a=0.05m,ω=100π=2πυ⇒υ=100π/2π=50(hz)u=50(m⋅s),(2)v=∂2y∂t∂y∂t=1(m)50π=5π=15.7(m⋅s-1)=-0.05⨯100πsin(100πt-2π),vmax=0.05⨯10022π)=500π=4934.8(m⋅s-2)∴amax=0.05⨯(1002、一平面简谐波沿ｘ轴正向传播，波的振幅a=10cm，波的圆频率ω=7πrad⋅s，当t=1.0s时，x=10cm处的a质点正通过其平衡位置向ｙ轴正数方向运动，而x=20cm处的ｂ质点正通过y=5cm点向ｙ轴正方向运动。
勒维冈县波波长∆ϕ=2πx2-x10.7-0.2=-0.05⨯(100π)2cos(100πt-2πx)λ>10cm，求该平面波的表达式。
解：设波动方程为：y=0.1cos(7πt+ϕ-⋅2π)t=1(s)时，ya=0.1cos(7π+ϕ-0.1⋅2π)=0,yb=0.1cos(7π+ϕ-0.2⋅2π)=0.05v>0，⇒.2∵b7π+ϕ-0⋅2π=-π+2kπ②且λ>0.1m，故a,b两质点的位相差ϕ=-π①-②得：5λ=1.2，即为λ=0.24（m）代入①得：所以波动方程为：y=0.1cos(7πt-πx+π)333、图示一平面简谐波在t=0时刻的波形图，谋：（1）该波的波动方程；（2）ｐ处质点的振动方程。
解：由图知λ=0.4m,a=0.04m,u=0.08m/sω=2πν=2π=2π00..08=0.4π(s)4原点的振动方程为：y=0.04cos(0.4πt-ππ波动方程为：y=0.04cos[0.4π(t-x-y=0.04cos(0.4πt-5πx-π)p点的振动方程：yp=0.04cos(0.4πt-5π⨯0.2-2π=0.04cos(0.4πt-3)=0.04cos(0.4πt+π4、一列平面简谐波在媒质中以波速u=5ms 沿ｘ轴正向传播，原点ｏ处质元的振颤抖曲线如图所示。
大学物理(第四版)课后习题及答案 波动(2020年7月整理).pdf
第十四章波动14-1 一横波再沿绳子传播时得波动方程为[]x m t s m y )()5.2(cos )20.0(11−−−=ππ。
（1）求波得振幅、波速、频率及波长；（2）求绳上质点振动时得最大速度；（3）分别画出t=1s 和t=2s 时得波形，并指出波峰和波谷。
画出x=1.0m 处质点得振动曲线并讨论其与波形图得不同。
14-1 ()[]x m t s m y )(5.2cos )20.0(11−−−=ππ分析（1）已知波动方程（又称波函数）求波动的特征量（波速u 、频率ν、振幅A 及彼长 等），通常采用比较法。
将已知的波动方程按波动方程的一般形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛=0cos ϕωu x t A y 书写，然后通过比较确定各特征量（式中前“－”、“＋”的选取分别对应波沿x 轴正向和负向传播）。
比较法思路清晰、求解简便，是一种常用的解题方法。
（2）讨论波动问题，要理解振动物理量与波动物理量之间的内在联系与区别。
例如区分质点的振动速度与波速的不同，振动速度是质点的运动速度，即dt dy v =；而波速是波线上质点运动状态的传播速度（也称相位的传播速度、波形的传播速度或能量的传播速度），其大小由介质的性质决定。
介质不变，彼速保持恒定。
（3）将不同时刻的t 值代人已知波动方程，便可以得到不同时刻的波形方程)(x y y =，从而作出波形图。
而将确定的x 值代入波动方程，便可以得到该位置处质点的运动方程)(t y y =，从而作出振动图。
解（1）将已知波动方程表示为()()[]115.25.2cos )20.0(−−⋅−=s m x t s m y π 与一般表达式()[]0cos ϕω+−=u x t A y 比较，可得0,5.2,20.001=⋅==−ϕs m u m A则 m v u Hz v 0.2,25.12====λπω（2）绳上质点的振动速度()()()[]1115.25.2sin 5.0−−−⋅−⋅−==s m x t s s m dt dy v ππ 则1max 57.1−⋅=s m v（3） t=1s 和 t ＝2s 时的波形方程分别为()[]x m m y 115.2cos )20.0(−−=ππ()[]x m m y 125cos )20.0(−−=ππ波形图如图14－1（a ）所示。
大学物理(机械工业出版社)第14章课后答案
第十四章 波动#14－1 如本题图所示，一平面简谐波沿ox 轴正向传播，波速大小为u ，若P 处质点振动方程为)cos(ϕ+ω=t A y P ，求：（1）O 处质点的振动方程；（2）该波的波动方程；（3）与P 处质点振动状态相同质点的位置。
解：（1）O 处质点振动方程：y 0 = A cos [ ω（t + L / u ）+φ] （2）波动方程y 0 = A cos { ω[t - （x - L ）/ u +φ} （3）质点位置x = L ± k 2πu / ω （k = 0 , 1, 2, 3……）14－2 一简谐波，振动周期T =1/2s ，波长λ＝10m ，振幅A =0.1m ，当t =0时刻，波源振动的位移恰好为正方向的最大值，若坐标原点和波源重合，且波沿ox 轴正方向传播，求：（1）此波的表达式；（2）t 1＝T/4时刻，x 1=λ/4处质点的位移；（3）t 2 ＝T/2时刻，x 1=λ/4处质点的振动速度。
解：（1） y = 0.1 cos ( 4πt - 2πx / 10 )= 0.1 cos 4π（t - x / 20 ） (SI) （2） 当 t 1 = T / 4 = 1 / 8 ( s ) , x 1 = λ/ 4 = 10 / 4 m 处质点的位移y 1 = 0.1cos 4π（T / 4 - λ/ 80 ）= 0.1 cos 4π(1 / 8 - 1 / 8 ) = 0.1 m （3） 振速 )20/(4sin 4.0x t tyv --=∂∂=ππ t 2 = T / 2 = 1 / 4 (S) ,在x 1 = λ/ 4 = 10 / 4( m ) 处质点的振速v 2 = -0.4πsin (π-π/ 2 ) = - 1.26 m / s14－3 一简谐波沿x 轴负方向传播，圆频率为ω，波速为u 。
设4Tt =时刻的波形如本题图所示，求该波的表达式。
解：由图可看出，在t=0时，原点处质点位移y 0＝－A ，说明原点处质点的振动初相πϕ=0，因而波动方程为])(cos[πω++=uxt A y14－4 本题图表示一平面余弦波在t ＝0时刻与t ＝2s 时刻的波形图，求： (1) 坐标原点处介质质点的振动方程；(2) 该波的波方程。
华东理工大学大物第五章答案 波动
第六章 波 动1 一频率为500HZ 的平面波，波速为350m/s ，求： （1）在波传播方向上位相差为π/3的两点相距多远？（2）介质中任意一点在时间间隔10-3s 内两位移间的位相差是多少？ 解：（1）λπ=∆ϕ∆2x m 12.050035061u 232x ==νππ=λπϕ∆=∆（2）0x =∆π=⨯⨯π=∆π=∆ω=ϕ∆-3105002t v 2t2 一横波沿细绳传播时的波动方程为:y=0.20cos π(2.5t-x)(SI),，求：（1）波的振幅、速度、频率和波长；（2）在x=L 处质点振动的初相及与该质点速度大小相同但方向相反的其它各质点位置。
解：（1）)]5.2xt (5.2cos[20.0)x t 5.2cos(20.0y -π=π-π= m/s 5.2 u )m (20.0A ==∴ πν=π=ω25.2()s 125.125.2==ν 225.15.2u ==ν=λ （2）)L t 5.2cos(20.0y π-π=L π-=ϕ∴根据旋转矢量图可知，只有反向的各点才能速度相等而方向相反π+=π-π-π-π=ϕ∆∴)1k 2()x t 5.2()t t 5.2( )2,1,0k ()1k 2(L x ΛΛ±±=++=3 如图所示，已知t=0的波形曲线Ⅰ,波沿X轴正向传播，经过0.5s 后波形变为曲线Ⅱ。
试根据图中绘出的条件求 （1）波的表达式； （2）P 点振动表达式。
解：（1）由图可知 s 2T m 4cm 10A ==λ=2T2π=ϕπ=π=ω O 点振动方程 )2t cos(1.0)t cos(A y 0π+π=ϕ+ω= 波动方程 )x 22t cos(1.0)x 2t cos(A y π-π+π=λπ-ϕ+ω=(m) （2）P 点振动方程 以x = 1m 代入波动方程得-t cos 1.0)422t cos(1.0y p π=π-π+π= 4一平面简谐波在媒质中以波速u=5m/s 沿X 轴正方向传播，原点O 处质元的振动曲线如图所示。
大学物理课后习题答案第五章
第五章机械波5．1 已知一波的波动方程为y = 5×10-2sin(10πt – 0.6x ) (m)． （1）求波长、频率、波速及传播方向；（2）说明x = 0时波动方程的意义，并作图表示． [解答]（1）与标准波动方程比较得：2π/λ= 0.6， 因此波长为：λ = 10.47(m)；圆频率为：ω = 10π， 频率为：v =ω/2π = 5(Hz)；波速为：u = λ/T = λv = 52.36(m·s -1)．且传播方向为x 轴正方向．（2）当x = 0时波动方程就成为该处质点的振动方程： y = 5×10-2sin10πt = 5×10-2cos(10πt – π/2)， 振动曲线如图．5．2 一平面简谐波在媒质中以速度为u = 0.2m·s -1沿x 轴正向传播，已知波线上A 点（x A = 0.05m ）的振动方程为(m)．试求：（1）简谐波的波动方程；（2）x= -0.05m 处质点P 处的振动方程．[解答]（1）简谐波的波动方程为：； 即= 0.03cos[4π(t – 5x ) + π/2]． （2）在x = -0.05m 处质点P 点的振动方程为：y = 0.03cos[4πt + π + π/2]= 0.03cos(4πt - π/2)．5．3已知平面波波源的振动表达式为(m)．求距波源5m 处质点的振动方程和该质点与波源的位相差．设波速为2m·s -1．[解答]振动方程为：， 位相差为 Δφ = 5π/4(rad)．5．4有一沿x 轴正向传播的平面波，其波速为u = 1m·s -1，波长λ = 0.04m ，振幅A = 0.03m ．若以坐标原点恰在平衡位置而向负方向运动时作为开始时刻，试求：（1）此平面波的波动方程；（2）与波源相距x = 0.01m 处质点的振动方程，该点初相是多少？ [解答]（1）设原点的振动方程为：y 0 = A cos(ωt + φ)，其中A = 0.03m ．由于u = λ/T ，所以质点振动的周期为：T = λ/u = 0.04(s)，圆频率为：ω = 2π/T = 50π． 当t = 0时，y 0 = 0，因此cos φ = 0；由于质点速度小于零，所以φ = π/2． 原点的振动方程为：y 0 = 0.03cos(50πt + π/2)， 平面波的波动方程为：= 0.03cos[50π(t – x ) + π/2)．（2）与波源相距x = 0.01m 处质点的振动方程为：y = 0.03cos50πt ． 该点初相φ = 0．5．5一列简谐波沿x 轴正向传播，在t 1 = 0s ，t 2 = 0.25s 时刻的波形如图所示．试求： （1）P 点的振动表达式；2cos()xy A t πωλ=-0.03cos(4)2A y t ππ=-cos[()]Ax x y A t uωϕ-=-+0.050.03cos[4()]0.22x y t ππ-=--20 6.010sin2y t π-=⨯26.010sin()2xy t u π-=⨯-50.06sin()24t ππ=-0.03cos[50()]2x y t u ππ=-+（2）波动方程； （3）画出O 点的振动曲线．[解答]（1）设P 点的振动方程为y P = A cos(ωt + φ)， 其中A = 0.2m ．在Δt = 0.25s 内，波向右传播了Δx = 0.45/3 = 0.15(m)，所以波速为u = Δx/Δt = 0.6(m·s -1)．波长为：λ = 4Δx = 0.6(m)， 周期为：T = λ/u = 1(s)， 圆频率为：ω = 2π/T = 2π．当t = 0时，y P = 0，因此cos φ = 0；由于波沿x 轴正向传播，所以P 点在此时向上运动，速度大于零，所以φ = -π/2．P 点的振动表达式为：y P = 0.2cos(2πt - π/2)． （2）P 点的位置是x P = 0.3m ，所以波动方程为． （3）在x = 0处的振动方程为y 0 = 0.2cos(2πt + π/2)，曲线如图所示．5．6 如图所示为一列沿x 负向传播的平面谐波在t = T /4时的波形图，振幅A 、波长λ以及周期T 均已知．（1）写出该波的波动方程；（2）画出x = λ/2处质点的振动曲线；（3）图中波线上a 和b 两点的位相差φa – φb 为多少？[解答]（1）设此波的波动方程为： ，当t = T /4时的波形方程为：． 在x = 0处y = 0，因此得sin φ = 0，解得φ = 0或π．而在x = λ/2处y = -A ，所以φ = 0． 因此波动方程为：． （2）在x = λ/2处质点的振动方程为：， 曲线如图所示．（3）x a = λ/4处的质点的振动方程为； x b = λ处的质点的振动方程为．波线上a 和b 两点的位相差φa – φb = -3π/2．0.2cos[2()]2P x x y t u ππ-=--100.2cos(2)32t x πππ=-+cos[2()]t xy A T πϕλ=++cos(2)2xy A ππϕλ=++sin(2)xA πϕλ=-+cos 2()t x y A T πλ=+cos(2)cos 2t t y A A T Tπππ=+=-cos(2)2a t y A T ππ=+cos(22)b ty A Tππ=+图5.55．7 已知波的波动方程为y = A cosπ(4t – 2x )（SI ）．（1）写出t = 4.2s 时各波峰位置的坐标表示式，并计算此时离原点最近的波峰的位置，该波峰何时通过原点？（2）画出t = 4.2s 时的波形曲线．[解答]波的波动方程可化为：y = A cos2π(2t – x )，与标准方程比较，可知：周期为T = 0.5s ，波长λ = 1m ．波速为u = λ/T = 2m·s -1． （1）当t = 4.2s 时的波形方程为 y = A cos(2πx – 16.8π)= A cos(2πx – 0.8π)． 令y = A ，则cos(2πx – 0.8π) = 1，因此 2πx – 0.8π = 2k π，(k = 0, ±1, ±2,…)， 各波峰的位置为x = k + 0.4，(k = 0, ±1, ±2,…)．当k = 0时的波峰离原点最近，最近为：x = 0.4(m)．通过原点时经过的时间为：Δt = Δx/u = (0 – x )/u = -0.2(s)， 即：该波峰0.2s 之前通过了原点．（2）t = 0时刻的波形曲线如实线所示．经过t = 4s 时，也就是经过8个周期，波形曲线是重合的；再经Δt = 0.2s ，波形向右移动Δx = u Δt = 0.4m ，因此t = 4.2s 时的波形曲线如虚线所示．[注意]各波峰的位置也可以由cos(2πx – 16.8π) = 1解得，结果为x = k + 8.4，(k = 0, ±1, ±2,…)，取同一整数k 值，波峰的位置不同．当k = -8时的波峰离原点最近，最近为x = 0.4m ．5．8一简谐波沿x 轴正向传播，波长λ = 4m ，周期T = 4s ，已知x = 0处的质点的振动曲线如图所示． （1）写出时x = 0处质点的振动方程；（2）写出波的表达式；（3）画出t = 1s 时刻的波形曲线．[解答]波速为u = λ/T = 1(m·s -1)．（1）设x = 0处的质点的振动方程为y = A cos(ωt + φ)， 其中A = 1m ，ω = 2π/T = π/2．当t = 0时，y = 0.5，因此cos φ = 0.5，φ = ±π/3．在0时刻的曲线上作一切线，可知该时刻的速度小于零，因此φ = π/3．振动方程为：y = cos(πt /2 + π/3)．（2）波的表达式为：．（3）t = 1s 时刻的波形方程为，波形曲线如图所示．5．9在波的传播路程上有A 和B 两点，都做简谐振动，B 点的位相比A 点落后π/6，已知A 和B 之间的距离为2.0cm ，振动周期为2.0s ．求波速u 和波长λ．cos[2()]t x y A T πϕλ=-+cos[2()]t xy A T πϕλ=-+cos[()]23t x ππ=-+5cos()26y x ππ=-图5.8[解答]设波动方程为：， 那么A 和B 两点的振动方程分别为：， ． 两点之间的位相差为：，由于x B – x A = 0.02m ，所以波长为：λ = 0.24(m)．波速为：u = λ/T = 0.12(m·s -1)． 5．10 一平面波在介质中以速度u = 20m·s -1沿x 轴负方向传播．已知在传播路径上的某点A 的振动方程为y = 3cos4πt ．（1）如以A 点为坐标原点，写出波动方程；（2）如以距A 点5m 处的B 点为坐标原点，写出波动方程； （3）写出传播方向上B ，C ，D 点的振动方程． [解答]（1）以A 点为坐标原点，波动方程为 ．（2）以B 点为坐标原点，波动方程为． （3）以A 点为坐标原点，则x B = -5m 、x C = -13m 、x D = 9m ，各点的振动方程为， ，．[注意]以B 点为坐标原点，求出各点坐标，也能求出各点的振动方程．5．11 一弹性波在媒质中传播的速度u = 1×103m·s -1，振幅A = 1.0×10-4m ，频率ν= 103Hz ．若该媒质的密度为800kg·m -3，求：（1）该波的平均能流密度；（2）1分钟内垂直通过面积S = 4×10-4m 2的总能量． [解答]（1）质点的圆频率为：ω = 2πv = 6.283×103(rad·s -1)， 波的平均能量密度为：= 158(J·m -3)， 平均能流密度为：= 1.58×105(W·m -2)．（2）1分钟内垂直通过面积S = 4×10-4m 2的总能量为：E = ItS = 3.79×103(J)．5．12一平面简谐声波在空气中传播，波速u = 340m·s -1，频率为500Hz ．到达人耳时，振幅A = 1×10-4cm ，试求人耳接收到声波的平均能量密度和声强？此时声强相当于多少分贝？已知空气密度ρ = 1.29kg·m -3．[解答]质点的圆频率为：ω = 2πv = 3.142×103(rad·s -1)， 声波的平均能量密度为：= 6.37×10-6(J·m -3)， cos[2()]t xy A T πϕλ=-+cos[2()]AA x ty A T πϕλ=-+cos[2()]BB x ty A Tπϕλ=-+2(2)6BAx x πππλλ---=-3cos 4()3cos(4)5x x y t t u πππ=+=+3cos 4()Ax x y t u π-=+3cos(4)5x t πππ=+-3cos 4()3cos(4)BB x y t t u πππ=+=-33cos 4()3cos(4)5C C x y t t u πππ=+=-93cos 4()3cos(4)5D D x y t t u πππ=+=+2212w A ρω=I wu =2212w A ρω=图5.10平均能流密度为：= 2.16×10-3(W·m -2)， 标准声强为：I 0 = 1×10-12(W·m -2)， 此声强的分贝数为：= 93.4(dB)．5．13 设空气中声速为330m·s -1．一列火车以30m·s -1的速度行驶，机车上汽笛的频率为600Hz ．一静止的观察者在机车的正前方和机车驶过其身后所听到的频率分别是多少？如果观察者以速度10m·s -1与这列火车相向运动，在上述两个位置，他听到的声音频率分别是多少？[解答]取声速的方向为正，多谱勒频率公式可统一表示为， 其中v S 表示声源的频率，u 表示声速，u B 表示观察者的速度，u S 表示声源的速度，v B 表示观察者接收的频率．（1）当观察者静止时，u B = 0，火车驶来时其速度方向与声速方向相同，u S = 30m·s -1，观察者听到的频率为= 660(Hz)． 火车驶去时其速度方向与声速方向相反，u S = -30m·s -1，观察者听到的频率为= 550(Hz)． （2）当观察者与火车靠近时，观察者的速度方向与声速相反，u B = -10m·s -1；火车速度方向与声速方向相同，u S = 30m·s -1，观察者听到的频率为= 680(Hz)． 当观察者与火车远离时，观察者的速度方向与声速相同，u B = 10m·s -1；火车速度方向与声速方向相反，u S = -30m·s -1，观察者听到的频率为= 533(Hz)． [注意]这类题目涉及声速、声源的速度和观察者的速度，规定方向之后将公式统一起来，很容易判别速度方向，给计算带来了方便．5．14．一声源的频率为1080Hz ，相对地面以30m·s -1速率向右运动．在其右方有一反射面相对地面以65m·s -1的速率向左运动．设空气中声速为331m·s -1．求：（1）声源在空气中发出的声音的波长； （2）反射回的声音的频率和波长．[解答]（1）声音在声源垂直方向的波长为：λ0 = uT 0 = u /ν0 = 331/1080 = 0.306(m)； 在声源前方的波长为：λ1 = λ0 - u s T 0 = uT 0 - u s T 0 = (u - u s )/ν0 = (331-30)/1080 = 0.2787(m)； 在声源后方的波长为：λ2 = λ0 + u s T 0 = uT 0 + u s T 0 = (u + u s )/ν0= (331+30)/1080 = 0.3343(m)．（2）反射面接收到的频率为 = 1421(Hz)．将反射面作为波源，其频率为ν1，反射声音的频率为= 1768(Hz)．I wu =010lgIL I =BB S Su u u u νν-=-33060033030B S S u u u νν==--33060033030B S S u u u νν==-+3301060033030B B S S u u u u νν-+==--3301060033030B B S S u u u u νν--==-+1033165108033130B Su u u u νν++==⨯--`11331142133165B u u u νν==⨯--反射声音的波长为=0.1872(m)．或者= 0.1872(m)． [注意]如果用下式计算波长=0.2330(m)， 结果就是错误的．当反射面不动时，作为波源发出的波长为u /ν1 = 0.2330m ，而不是入射的波长λ1．5.15S 1与S 2为两相干波源，相距1/4个波长，S 1比S 2的位相超前π/2．问S 1、S 2连线上在S 1外侧各点的合成波的振幅如何？在S 2外侧各点的振幅如何？[解答]如图所示，设S 1在其左侧产生的波的波动方程为，那么S 2在S 1左侧产生的波的波动方程为，由于两波源在任意点x 产生振动反相，所以合振幅为零．S 1在S 2右侧产生的波的波动方程为，那么S 2在其右侧产生的波的波动方程为，由于两波源在任意点x 产生振动同相，所以合振幅为单一振动的两倍．5.16两相干波源S 1与S 2相距5m ，其振幅相等，频率都是100Hz ，位相差为π；波在媒质中的传播速度为400m·s -1，试以S 1S 2连线为坐标轴x ，以S 1S 2连线中点为原点，求S 1S 2间因干涉而静止的各点的坐标．[解答]如图所示，设S 1在其右侧产生的波的波动方程为 ，那么S 2在其左侧产生的波的波动方程为． 两个振动的相差为Δφ = πx + π，当Δφ = (2k + 1)π时，质点由于两波干涉而静止，静止点为x = 2k ， k 为整数，但必须使x 的值在-l /2到l /2之间，即-2.5到2.5之间．当k = -1、0和1时，可得静止点的坐标为：x = -2、0和2(m)．5.17设入射波的表达式为，`1111331651421BBu u u uλννν--=-==`1`13311768uλν==`111650.27871768Bu λλν=-=-1cos[2()]t xy A T πϕλ=++2/4cos[2()]2t x y A T λππϕλ-=++-cos[2()]t xA T πϕπλ=++-1cos[2()]t xy A T πϕλ=-+2/4cos[2()]2t x y A T λππϕλ-=-+-cos[2()]t xA T πϕλ=-+1/2cos[2()]x l y A t u πνϕ+=-+5cos(2)24A t x πππνϕ=-+-2/2cos[2()]x l y A t u πνϕπ-=+++cos(2)24A t x πππνϕ=++-1cos 2()t xy A T πλ=+S 1 S 2S 12在x = 0处发生反射，反射点为一自由端，求：（1）反射波的表达式； （2）合成驻波的表达式．[解答]（1）由于反射点为自由端，所以没有半波损失，反射波的波动方程为．（2）合成波为y = y 1 + y 2，将三角函数展开得，这是驻波的方程．5.18两波在一很长的弦线上传播，设其表达式为：，，用厘米、克、秒（cm,g,s ）制单位，求：（1）各波的频率，波长、波速；（2）节点的位置；（3）在哪些位置上，振幅最大？[解答]（1）两波可表示为：，， 可知它们的周期都为：T = 0.5(s)，频率为：v = 1/T = 2(Hz)；波长为：λ = 200(cm)；波速为：u = λ/T = 400(cm·s -1)．（2）位相差Δφ = πx /50，当Δφ = (2k + 1)π时，可得节点的位置x = 50(2k + 1)(cm)，(k = 0，1，2，…)．（3）当Δφ = 2k π时，可得波腹的位置x = 100k (cm)，(k = 0，1，2，…)．2cos 2()t xy A T πλ=-222coscosy A x t Tππλ=1 6.0cos(0.028.0)2y x t π=-2 6.0cos(0.028.0)2y x t π=+1 6.0cos 2()0.5200t x y π=-2 6.0cos 2()0.5200t x y π=+。
大学物理学振动与波动习题答案
大学物理学（上）第四，第五章习题答案第4章振动P174．4．1 一物体沿x轴做简谐振动，振幅A = 0.12m，周期T = 2s．当t = 0时，物体的位移x = 0.06m，且向x轴正向运动．求：（1）此简谐振动的表达式；（2）t = T/4时物体的位置、速度和加速度；（3）物体从x = -0.06m，向x轴负方向运动第一次回到平衡位置所需的时间．[解答]（1）设物体的简谐振动方程为x = A cos(ωt + φ)，其中A = 0.12m，角频率ω = 2π/T= π．当t = 0时，x = 0.06m，所以cosφ = 0.5，因此φ= ±π/3．物体的速度为v = d x/d t = -ωA sin(ωt + φ)．当t = 0时，v = -ωA sinφ，由于v > 0，所以sinφ < 0，因此φ = -π/3．简谐振动的表达式为x= 0.12cos(πt –π/3)．（2）当t = T/4时物体的位置为x= 0.12cos(π/2–π/3)= 0.12cosπ/6 = 0.104(m)．速度为v = -πA sin(π/2–π/3)= -0.12πsinπ/6 = -0.188(m·s-1)．加速度为a = d v/d t = -ω2A cos(ωt + φ)= -π2A cos(πt - π/3)= -0.12π2cosπ/6 = -1.03(m·s-2)．（3）方法一：求时间差．当x = -0.06m 时，可得cos(πt1 - π/3) = -0.5，因此πt1 - π/3 = ±2π/3．由于物体向x轴负方向运动，即v< 0，所以sin(πt1 - π/3) > 0，因此πt1 - π/3 = 2π/3，得t1 = 1s．当物体从x= -0.06m处第一次回到平衡位置时，x = 0，v > 0，因此cos(πt2 - π/3) = 0，可得πt2 - π/3 = -π/2或3π/2等．由于t2 > 0，所以πt2 - π/3 = 3π/2，可得t2 = 11/6 = 1.83(s)．所需要的时间为Δt = t2 - t1 = 0.83(s)．方法二：反向运动．物体从x = -0.06m，向x轴负方向运动第一次回到平衡位置所需的时间就是它从x= 0.06m，即从起点向x 轴正方向运动第一次回到平衡位置所需的时间．在平衡位置时，x = 0，v < 0，因此cos(πt - π/3) = 0，可得πt - π/3 = π/2，解得t = 5/6 = 0.83(s)．[注意]根据振动方程x = A cos(ωt + φ)，当t = 0时，可得φ = ±arccos(x0/A)，（-π < φ≦π），初位相的取值由速度决定．由于v = d x/d t = -ωA sin(ωt + φ)，当t = 0时，v = -ωA sinφ，当v > 0时，sinφ < 0，因此φ = -arccos(x0/A)；当v < 0时，sinφ > 0，因此φ = arccos(x0/A)．可见：当速度大于零时，初位相取负值；当速度小于零时，初位相取正值．如果速度等于零，当初位置x0 = A时，φ = 0；当初位置x0 = -A时，φ= π．4．2 已知一简谐振子的振动曲线如图所示，试由图求：（1）a，b，c，d，e各点的位相，及到达这些状态的时刻t各是多少？已知周期为T；（2）振动表达式；（3）画出旋转矢量图．[解答]方法一：由位相求时间．（1）设曲线方程为x = A cosΦ，其中A表示振幅，Φ = ωt + φ表示相位．由于x a = A，所以cosΦa = 1，因此Φa = 0．由于x b = A/2，所以cosΦb = 0.5，因此Φb = ±π/3；由于位相Φ随时间t增加，b点位相就应该大于a点的位相，因此Φb = π/3．由于x c = 0，所以cosΦc = 0，又由于c点位相大于b位相，因此Φc = π/2．同理可得其他两点位相为Φd = 2π/3，Φe = π．c点和a点的相位之差为π/2，时间之差为T/4，而b点和a点的相位之差为π/3，时间之差应该为T/6．因为b点的位移值与O时刻的位移值相同，所以到达a点的时刻为t a = T/6．到达b点的时刻为t b = 2t a = T/3．到达c点的时刻为t c = t a + T/4 = 5T/12．到达d点的时刻为t d = t c + T/12 = T/2．到达e点的时刻为t e = t a + T/2 = 2T/3．（2）设振动表达式为x = A cos(ωt + φ)，当t = 0时，x = A/2时，所以cosφ = 0.5，因此φ =±π/3；由于零时刻的位相小于a点的位相，所以φ = -π/3，因此振动表达式为cos(2)3tx ATπ=π-．另外，在O时刻的曲线上作一切线，由于速度是位置对时间的变化率，所以切线代表速度的方向；由于其斜率大于零，所以速度大于零，因此初位相取负值，从而可得运动方程．（3）如图旋转矢量图所示．方法二：由时间求位相．将曲线反方向延长与t轴相交于f点，由于x f= 0，根据运动方程，可得cos(2)03tTππ-=图6.2所以232f t Tπππ-=±． 显然f 点的速度大于零，所以取负值，解得 t f = -T /12．从f 点到达a 点经过的时间为T /4，所以到达a 点的时刻为t a = T /4 + t f = T /6，其位相为203a a t T Φπ=π-=． 由图可以确定其他点的时刻，同理可得各点的位相．4．3如图所示，质量为10g 的子弹以速度v = 103m·s -1水平射入木块，并陷入木块中，使弹簧压缩而作简谐振动．设弹簧的倔强系数k= 8×103N·m -1，木块的质量为4.99kg ，不计桌面摩擦，试求：（1）振动的振幅； （2）振动方程．[解答]（1）子弹射入木块时，由于时间很短，木块还来不及运动，弹簧没有被压缩，它们的动量守恒，即mv = (m + M )v 0．解得子弹射入后的速度为v 0 = mv/(m + M ) = 2(m·s -1)，这也是它们振动的初速度．子弹和木块压缩弹簧的过程机械能守恒，可得(m + M ) v 02/2 = kA 2/2，所以振幅为A v =-2(m)． （2）振动的圆频率为ω=s -1)．取木块静止的位置为原点、向右的方向为位移x 的正方向，振动方程可设为x = A cos(ωt + φ)．当t = 0时，x = 0，可得φ = ±π/2；由于速度为正，所以取负的初位相，因此振动方程为x = 5×10-2cos(40t - π/2)(m)．4．4 如图所示，在倔强系数为k的弹簧下，挂一质量为M 的托盘．质量为m 的物体由距盘底高h 处自由下落与盘发生完全非弹性碰撞，而使其作简谐振动，设两物体碰后瞬时为t = 0时刻，求振动方程．[解答]物体落下后、碰撞前的速度为v =物体与托盘做完全非弹簧碰撞后，根据动量守恒定律可得它们的共同速度为0m v v m M ==+这也是它们振动的初速度． 设振动方程为x = A cos(ωt + φ)，其中圆频率为ω=物体没有落下之前，托盘平衡时弹簧伸长为x 1，则x 1 = Mg/k ．物体与托盘碰撞之后，在新的平衡位置，弹簧伸长为x 2，则x 2 = (M + m )g/k ．取新的平衡位置为原点，取向下的方向为正，则它们振动的初位移为x 0 = x 1 - x 2 = -mg/k ． 因此振幅为图4.3图4.4A===初位相为arctanvxϕω-==4．5重量为P的物体用两根弹簧竖直悬挂，如图所示，各弹簧的倔强系数标明在图上．试求在图示两种情况下，系统沿竖直方向振动的固有频率．[解答]（1）可以证明：当两根弹簧串联时，总倔强系数为k=k1k2/(k1+ k2)，因此固有频率为2πων===．（2）因为当两根弹簧并联时，总倔强系数等于两个弹簧的倔强系数之和，因此固有频率为2πων===4．6 一匀质细圆环质量为m，半径为R，绕通过环上一点而与环平面垂直的水平光滑轴在铅垂面内作小幅度摆动，求摆动的周期．[解答]方法一：用转动定理．通过质心垂直环面有一个轴，环绕此轴的转动惯量为I c = mR2．根据平行轴定理，环绕过O点的平行轴的转动惯量为I = I c + mR2 = 2mR2．当环偏离平衡位置时，重力的力矩为M = -mgR sinθ，方向与角度θ增加的方向相反．根据转动定理得Iβ = M，即22dsin0dI mgRtθθ+=，由于环做小幅度摆动，所以sinθ≈θ，可得微分方程22ddmgRt Iθθ+=．摆动的圆频率为ω=周期为2πTω=22==方法二：用机械能守恒定律．取环的质心在最底点为重力势能零点，当环心转过角度θ时，重力势能为E p = mg(R - R cosθ)，绕O点的转动动能为212kE I=ω，总机械能为21(cos)2E I mg R R=+-ωθ．环在转动时机械能守恒，即E为常量，将上式对时间求导，利用ω= dθ/d t，β=dω/d t，得0 = Iωβ + mgR(sinθ)ω，由于ω ≠ 0，当θ很小有sinθ≈θ，可得振动的微分方程22ddmgRt Iθθ+=，从而可求角频率和周期．[注意]角速度和圆频率使用同一字母(b)图4.5ω，不要将两者混淆．4.7 横截面均匀的光滑的U 型管中有适量液体如图所示，液体的总长度为L ，求液面上下微小起伏的自由振动的频率。
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第十四章波动14-1 一横波再沿绳子传播时得波动方程为[]x m t s m y )()5.2(cos )20.0(11---=ππ。
（1）求波得振幅、波速、频率及波长；（2）求绳上质点振动时得最大速度；（3）分别画出t=1s 和t=2s 时得波形，并指出波峰和波谷。
画出x=1.0m 处质点得振动曲线并讨论其与波形图得不同。
14-1 ()[]x m t s m y )(5.2cos )20.0(11---=ππ分析（1）已知波动方程（又称波函数）求波动的特征量（波速u 、频率ν、振幅A 及彼长 等），通常采用比较法。
将已知的波动方程按波动方程的一般形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛=0cos ϕωu x t A y μ书写，然后通过比较确定各特征量（式中前“－”、“＋”的选取分别对应波沿x 轴正向和负向传播）。
比较法思路清晰、求解简便，是一种常用的解题方法。
（2）讨论波动问题，要理解振动物理量与波动物理量之间的内在联系与区别。
例如区分质点的振动速度与波速的不同，振动速度是质点的运动速度，即dt dy v =；而波速是波线上质点运动状态的传播速度（也称相位的传播速度、波形的传播速度或能量的传播速度），其大小由介质的性质决定。
介质不变，彼速保持恒定。
（3）将不同时刻的t 值代人已知波动方程，便可以得到不同时刻的波形方程)(x y y =，从而作出波形图。
而将确定的x 值代入波动方程，便可以得到该位置处质点的运动方程)(t y y =，从而作出振动图。
解（1）将已知波动方程表示为()()[]115.25.2cos )20.0(--⋅-=s m x t s m y π 与一般表达式()[]0cos ϕω+-=x t A y 比较，可得0,5.2,20.001=⋅==-ϕs m u m A则 m v u Hz v 0.2,25.12====λπω（2）绳上质点的振动速度()()()[]1115.25.2sin 5.0---⋅-⋅-==s m x t s s m dt dy v ππ 则1max 57.1-⋅=s m v（3） t=1s 和 t ＝2s 时的波形方程分别为()[]x m m y 115.2cos )20.0(--=ππ()[]x m m y 125cos )20.0(--=ππ 波形图如图14－1（a ）所示。
x ＝1.0m 处质点的运动方程为()t s m y 15.2cos )20.0(--=π 振动图线如图14－1（b ）所示。
波形图与振动图虽在图形上相似，但却有着本质的区别前者表示某确定时刻波线上所有质点的位移情况，而后者则表示某确定位置的时间变化的情况。
14-2 波源作简谐运动，其运动方程为t s m y )240cos()100.4(13--⨯=π，它所形成得波形以30m/s 的速度沿一直线传播。
（1）求波的周期及波长；（2）写出波的方程。
14-2 t s m y )240cos()100.4(13--⨯=π分析 已知彼源运动方程求波动物理量及波动方程，可先将运动方程与其一般形式()0cos ϕω+=t A y 进行比较，求出振幅地角频率ω及初相0ϕ，而这三个物理量与波动方程的一般形式()[]0cos ϕω+-=u x t A y 中相应的三个物理量是相同的。
再利用题中已知的波速U及公式T /22ππνω==和uT =λ即可求解。
解（1）由已知的运动方程可知，质点振动的角频率1240-=s πω。
根据分析中所述，波的周期就是振动的周期，故有s T 31033.8/2-⨯==ωπ波长为m uT 25.0==λ(2)将已知的波源运动方程与简谐运动方程的一般形式比较后可得0240100.4013==⨯=--ϕπω，，s m A故以波源为原点，沿X 轴正向传播的波的波动方程为 ()[]])8()240cos[()100.4(cos 1130x m t s m x t A y ----⨯=+-=ππϕω14-3 以知以波动方程为])2()10sin[()05.0(11x m t s m y ---=π。
（1）求波长、频率、波速和周期；（2）说明x=0时方程的意义，并作图表示。
14-3])2()10sin[()05.0(11x m t s m y ---=π分析采用比较法。
将题给的波动方程改写成波动方程的余弦函数形式，比较可得角频率。
、波速U ，从而求出波长、频率等。
当x 确定时波动方程即为质点的运动方程)(t y y =。
解（1）将题给的波动方程改写为]2/)5/)(10sin[()05.0(11πππ-⋅-=--s m x t s m y 与()[]0cos ϕω+-=u x t A y 比较后可得波速 角频率110-=s πω，故有m uT s T Hz 14.32.0/10.52/======λνπων，，（2）由分析知x=0时，方程表示位于坐标原点的质点的运动方程（图13—4）。
]2/)10cos[()05.0(1ππ-=-t s m y14-4 波源作简谐振动，周期为，若该振动以100m/s 的速度传播，设t=0时，波源处的质点经平衡位置向正方向运动，求：（1）距离波源15.0m 和5.0m 两处质点的运动方程和初相；（2）距离波源16.0m 和17.0m 两处质点的相位差。
14-4分析（1）根据题意先设法写出波动方程，然后代人确定点处的坐标，即得到质点的运动方程。
并可求得振动的初相。
（2）波的传播也可以看成是相位的传播。
由波长A 的物理含意，可知波线上任两点间的相位差为λπϕ/2x ∆=∆。
解（1）由题给条件 T ＝ s ，u ＝100 m ·s －l ，可得m uT s T 2100/21====-λππω；当t ＝0时，波源质点经平衡位置向正方向运动，因而由旋转矢量法可得该质点的初相为）或2/3(2/0ππϕ-=。
若以波源为坐标原点，则波动方程为]2/)100/)(100cos[(11ππ-⋅-=--s m x t s A y距波源为 x 1=和 x 2＝处质点的运动方程分别为]5.15)100cos[(11ππ-=-t s A y]5.5)100cos[(12ππ-=-t s A y它们的初相分别为πϕπϕ5.55.152010-=-=和（若波源初相取2/30πϕ=,则初相πλπϕϕϕ=-=-=∆/)(21221x x ，。
） （2）距波源 16.0 m 和 17.0 m 两点间的相位差πλπϕϕϕ=-=-=∆/)(22121x x14-5 波源作简谐振动，周期为×10-2s ，以它经平衡位置向正方向运动时为时间起点，若此振动以u=400m/s 的速度沿直线传播。
求：（1）距离波源8.0m 处质点P 的运动方程和初相；（2）距离波源9.0m 和10.0m 处两点的相位差。
14-5解分析同上题。
在确知角频率1200/2-==s T ππω、波速1400-⋅=s m u 和初相）或2/(2/30ππϕ-=的条件下，波动方程 ]2/3)400/)(200cos[(11ππ+⋅-=--s m x t s A y位于 x P = m 处，质点 P 的运动方程为]2/5)(200cos[(1ππ-=-t s A y p该质点振动的初相2/50πϕ-=P 。
而距波源 m 和 m 两点的相位差为2//)(2/)(21212ππλπϕ=-=-=∆uT x x x x如果波源初相取2/0πϕ-=，则波动方程为]2/9)(200cos[(1ππ-=-t s A y质点P 振动的初相也变为2/90πϕ-=P ，但波线上任两点间的相位差并不改变。
14-6 有一平面简谐波在介质中传播，波速u=100m/s ，波线上右侧距波源O （坐标原点）为75.0m 处的一点P 的运动方程为]2/)2cos[()30.0(1ππ+=-t s m y p 。
求（1）波向x 轴正方向传播时的波动方程；（2）波向x 轴负方向传播时的波动方程。
14-6]2/)2cos[()30.0(1ππ+=-t s m y p分析在已知波线上某点运动方程的条件下，建立波动方程时常采用下面两种方法：（1）先写出以波源O 为原点的波动方程的一般形式，然后利用已知点P 的运动方程来确定该波动方程中各量，从而建立所求波动方程。
（2）建立以点P 为原点的波动方程，由它来确定波源点O 的运动方程，从而可得出以波源点O 为原点的波动方程。
解1（1）设以波源为原点O ，沿X 轴正向传播的波动方程为()[]0cos ϕω+-=x t A y将 u ＝100 m ·s －‘代人，且取x 二75 m 得点 P 的运动方程为()[]075.0cos ϕω+-=s t A y p与题意中点 P 的运动方程比较可得 A ＝、12-=s πω、πϕ20=。
则所求波动方程为)]100/)(2cos[()30.0(11--⋅-=s m x t s m y p π(2)当沿X 轴负向传播时，波动方程为()[]0cos ϕω++=u x t A y将 x ＝75 m 、1100-=ms u 代人后，与题给点 P 的运动方程比较得A ＝ 、12-=s πω、πϕ-=0，则所求波动方程为])100/)(2cos[()30.0(11ππ-⋅+=--s m x t s m y解2（1）如图14一6（a ）所示，取点P 为坐标原点O ’，沿O ’x 轴向右的方 向为正方向。
根据分析，当波沿该正方向传播时，由点P 的运动方程，可得出以 O ’（即点P ）为原点的波动方程为]5.0)100/)(2cos[()30.0(11ππ+⋅-=--s m x t s m y将 x=-75 m 代入上式，可得点 O 的运动方程为t s m y O )2cos()30.0(1-=π由此可写出以点O 为坐标原点的波动方程为)]100/)(2cos[()30.0(11--⋅-=s m x t s m y π（2）当波沿河X 轴负方向传播时。
如图14－6（b ）所示，仍先写出以O ’（即点P ）为原点的波动方程]5.0)100/)(2cos[()30.0(11ππ+⋅+=--s m x t s m y将 x=-75 m 代人上式，可得点 O 的运动方程为])2cos[()30.0(1ππ-=-t s m y O则以点O 为原点的波动方程为])100/)(2cos[()30.0(11ππ-⋅+=--s m x t s m y讨论对于平面简谐波来说，如果已知波线上一点的运动方程，求另外一点的运动方程，也可用下述方法来处理：波的传播是振动状态的传播，波线上各点（包括原点）都是重复波源质点的振动状态，只是初相位不同而已。
在已知某点初相平0的前提下，根据两点间的相位差λπϕϕϕ/2'00x ∆=-=∆，即可确定未知点的初相中小14-7 图14-7为平面简谐波在t=0时的波形图，设此简谐波的频率为250Hz ，且此时图中质点P 的运动方向向上。