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大学物理学 大学物理学_第3版(课后答案)__习题五.doc

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习题五5-1 振动和波动有什么区别和联系平面简谐波动方程和简谐振动方程有什么不同又有什么联系振动曲线和波形曲线有什么不同解 1振动是指一个孤立的系统也可是介质中的一个质元在某固定平衡位置附近所做的往复运动,系统离开平衡位置的位移是时间的周期性函数,即可表示为 tfy?;波动是振动在连续介质中的传播过程,此时介质中所有质元都在各自的平衡位置附近作振动,因此介质中任一质元离开平衡位置的位移既是坐标位置 x,又是时间 t的函数,即,txfy?.2在谐振动方程 tfy?中只有一个独立的变量时间 t,它描述的是介质中一个质元偏离平衡位置的位移随时间变化的规律;平面谐波方程 ,fy?中有两个独立变量,即坐标位置 和时间 t,它描述的是介质中所有质元偏离平衡位置的位移随坐标和时间变化的规律.当谐波方程cosuxtAy??中的坐标位置给定后,即可得到该点的振动方程,而波源持续不断地振动又是产生波动的必要条件之一.3振动曲线 tf?描述的是一个质点的位移随时间变化的规律,因此,其纵轴为 y,横轴为 t;波动曲线 ,tx描述的是介质中所有质元的位移随位置,随时间变化的规律,其纵轴为 y,横轴为 .每一幅图只能给出某一时刻质元的位移随坐标位置 x变化的规律,即只能给出某一时刻的波形图,不同时刻的波动曲线就是不同时刻的波形图.5-2 波动方程 Acos[ ? ut? 0?]中的 ux表示什么如果改写为 y Acos 0????uxt,x又是什么意思如果 t和 均增加,但相应的[ ? uxt? 0?]的值不变,由此能从波动方程说明什么解 波动方程中的 /表示了介质中坐标位置为 x的质元的振动落后于原点的时间;x则表示 处质元比原点落后的振动位相;设 t时刻的波动方程为cos0?????uAyt则 t??时刻的波动方程为][0??? xtt其表示在时刻 t,位置 x处的振动状态,经过 t后传播到 tu?处.所以在uxt??中,当 t, x均增加时,ut??的值不会变化,而这正好说明了经过时间 t?,波形即向前传播了 tu??的距离,说明cos0????uxtAy描述的是一列行进中的波,故谓之行波方程.5-3 波在介质中传播时,为什么介质元的动能和势能具有相同的位相,而弹簧振子的动能和势能却没有这样的特点解 我们在讨论波动能量时,实际上讨论的是介质中某个小体积元 dV内所有质元的能量.波动动能当然是指质元振动动能,其与振动速度平方成正比,波动势能则是指介质的形变势能.形变势能由介质的相对形变量即应变量决定.如果取波动方程为 ,txfy?,则相对形变量即应变量为 xy?/.波动势能则是与 xy?/的平方成正比.由波动曲线图题 5-3图可知,在波峰,波谷处,波动动能有极小此处振动速度为零,而在该处的应变也为极小该处 0/??,所以在波峰,波谷处波动势能也为极小;在平衡位置处波动动能为极大该处振动速度的极大,而在该处的应变也是最大该处是曲线的拐点,当然波动势能也为最大.这就说明了在介质中波动动能与波动势能是同步变化的,即具有相同的量值.题 5-3图对于一个孤立的谐振动系统,是一个孤立的保守系统,机械能守恒,即振子的动能与势能之和保持为一个常数,而动能与势能在不断地转换,所以动能和势能不可能同步变化.5-4 波动方程中,坐标轴原点是否一定要选在波源处 t0时刻是否一定是波源开始振动的时刻 波动方程写成 y Acos? uxt?时,波源一定在坐标原点处吗在什么前提下波动方程才能写成这种形式解 由于坐标原点和开始计时时刻的选全完取是一种主观行为,所以在波动方程中,坐标原点不一定要选在波源处,同样, 0?t的时刻也不一定是波源开始振动的时刻;当波动方程写成cosuxty??时,坐标原点也不一定是选在波源所在处的.因为在此处对于波源的含义已做了拓展,即在写波动方程时,我们可以把介质中某一已知点的振动视为波源,只要把振动方程为已知的点选为坐标原点,即可得题示的波动方程.5-5 在驻波的两相邻波节间的同一半波长上,描述各质点振动的什么物理量不同,什么物理量相同解 取驻波方程为vtxAy???cos2?,则可知,在相邻两波节中的同一半波长上,描述各质点的振幅是不相同的,各质点的振幅是随位置按余弦规律变化的,即振幅变化规律可表示为?cos2.而在这同一半波长上,各质点的振动位相则是相同的,即以相邻两波节的介质为一段,同一段介质内各质点都有相同的振动位相,而相邻两段介质内的质点振动位相则相反.5-6 波源向着观察者运动和观察者向波源运动都会产生频率增高的多普勒效应,这两种情况有何区别解 波源向着观察者运动时,波面将被挤压,波在介质中的波长,将被压缩变短,如题5-6图所示,因而观察者在单位时间内接收到的完整数目 ??/u会增多,所以接收频率增高;而观察者向着波源运动时,波面形状不变,但观察者测到的波速增大,即 Bvu???,因而单位时间内通过观察者完整波的数目 也会增多,即接收频率也将增高.简单地说,前者是通过压缩波面缩短波长使频率增高,后者则是观察者的运动使得单位时间内通过的波面数增加而升高频率.题 5-6 图多普勒效应5-7 一平面简谐波沿 x轴负向传播,波长 ?1.0 m,原点处质点的振动频率为 ?2. 0 Hz,振幅 A=0.1m,且在 t0时恰好通过平衡位置向 y轴负向运动,求此平面波的波动方程.解 由题知 0?时原点处质点的振动状态为 0,0??v,故知原点的振动初相为 2?,取波动方程为]2cos[0????xTty则有 ]21s[1.?t4c?xm5-8 已知波源在原点的一列平面简谐波,波动方程为 y Acos CxBt?,其中 A,B, C为正值恒量.求1波的振幅、波速、频率、周期与波长;2写出传播方向上距离波源为 l处一点的振动方程;3任一时刻,在波的传播方向上相距为 d的两点的位相差.解 1已知平面简谐波的波动方程 cosCxBtAy?? 0?将上式与波动方程的标准形式 2???t比较,可知波振幅为 A,频率 ??2?,波长 C?,波速 CBu?,波动周期 BT??21?.2将 lx代入波动方程即可得到该点的振动方程 cosClBtAy??3因任一时刻 t同一波线上两点之间的位相差为21x????将 dx??12,及 C??2代入上式,即得 Cd?.5-9 沿绳子传播的平面简谐波的波动方程为 y0.05cos10 xt?4?,式中 , y以米计,t以秒计.求1波的波速、频率和波长;2绳子上各质点振动时的最大速度和最大加速度;3求 x0.2m处质点在 t1s时的位相,它是原点在哪一时刻的位相这一位相所代表的运动状态在 t1.25s时刻到达哪一点解 1将题给方程与标准式 2cosxtAy?????相比,得振幅 05.?Am,频率 51,波长 5.0?m,波速 2??u1s??.2绳上各点的最大振速,最大加速度分别为 ??..0ax??v 1s??222m51A3 2.0?xm处的振动比原点落后的时间为 8.us故 ., 1ts时的位相就是原点 0?x,在 92.0.10??ts时的位相,即 2.9?π.设这一位相所代表的运动状态在 5.1ts时刻到达 点,则 85.5.1????ux m5-10 如题 5-10图是沿 轴传播的平面余弦波在 t时刻的波形曲线.1若波沿 x轴正向传播,该时刻 O, A, B, C各点的振动位相是多少2若波沿 x轴负向传播,上述各点的振动 位相又是多少解 1波沿 轴正向传播,则在 t时刻,有题 5-10图对于 O点∵ 0,??Ovy,∴ 2???O对于 A点∵ ?A,∴ 0A对于 B点∵ 0,??Bvy,∴ 2????B对于 C点∵ ?C,∴3C取负值表示 A、、 点位相,应落后于 O点的位相2波沿 x轴负向传播,则在 t时刻,有对于 O点∵ 0,????Ovy,∴ 2?????对于 点∵ ?A,∴ A对于 B点∵ ,???B,∴ B对于 C点∵ 0??Cvy,∴ 23????C此处取正值表示 A、、 点位相超前于 O点的位相5-11 一列平面余弦波沿 x轴正向传播,波速为 5m·s-1,波长为 2m,原点处质点的振动曲线如题 5-11图所示.1写出波动方程;2作出 t0时的波形图及距离波源 0.5m处质点的振动曲线.解 1由题 5-11a图知, 1.0?Am,且 t时, 0,0??vy,∴ 23???,又5.2???uHz,则 ???52题 5-11图a取 ]cos[0????uxtAy,则波动方程为 ]235cos[1.????xtym2 0t时的波形如题 5-11b图题 5-11图b 题 5-11图c 将 5.0?xm代入波动方程,得该点处的振动方程为 5cos1.0235.0cos1.0 ?????????tty m如题 5-11c图所示.5-12 如题 5-12图所示,已知 0时和 0.5s时的波形曲线分别为图中曲线 a和b ,波沿 x轴正向传播,试根据图中绘出的条件求1波动方程;2P点的振动方程.解 1由题 5-12图可知, 1.0?Am, 4?,又, 0?t时, 0,0?vy,∴20???,而25.?txus??,5.2?uHz,∴ ???2故波动方程为 ]co[1.0??xty2将 1Pxm代入上式,即得 P点振动方程为 tt?cos1.0]2s[.???m题 5-12图5-13 一列机械波沿 x轴正向传播, t0时的波形如题 5-13图所示,已知波速为 10 m·s -1,波长为 2m,求1波动方程;2 P点的振动方程及振动曲线;3 点的坐标;4 点回到平衡位置所需的最短时间.解 由题 5-13图可知 1.0?Am, t时,0,20??vAy,∴ 3???,由题知 2??m, 10?u1s??,则52??uHz∴ ??101波动方程为 ]3cos[.0???xtym题 5-13图2由图知, 0?t时,0,2??PPvAy,∴ 34????P 点的位相应落后于 0点,故取负值∴ P点振动方程为341cos.?tp3∵ ??34|100????txt∴解得 67.5m4根据2的结果可作出旋转矢量图如题 5-13图a,则由 P点回到平衡位置应经历的位相角题 5-13图a??6523???∴所属最短时间为 10/?ts5-14 如题 5-14图所示,有一平面简谐波在空间传播,已知 P点的振动方程为 Py Acos0???t.1分别就图中给出的两种坐标写出其波动方程;2写出距 P点距离为 b的 Q点的振动方程.解 1如题 5-14图a,则波动方程为 ]cos[0?????uxltAy如图b,则波动方程为题 5-14图]cos[0????uxtAy2 如题 5-14图a,则 Q点的振动方程为][0?bt如题 5-14图b,则 点的振动方程为 ]cos[0????utAQ5-15 已知平面简谐波的波动方程为 24xy?SI.1写出 t4.2 s时各波峰位置的坐标式,并求此时离原点最近一个波峰的位置,该波峰何时通过原点2画出 4.2 s时的波形曲线.解1波峰位置坐标应满足??kxt24??解得 4.8??kx m ,10?k所以离原点最近的波峰位置为 .?.∵ uxtt???24故知 21s??,∴ .0???s,这就是说该波峰在 .0前通过原点,那么从计时时刻算起,则应是 4.?,即该波峰是在 4时通过原点的.题 5-15图2∵ 2,4?u??1sm??, ∴12????uTm,又 0 x处, 2.4?ts时,?8.64.0?AAycos?又,当 Ay时, ?7x,则应有?172.1??x解得 1.0?x,故 2.4ts时的波形图如题 5-15图所示5-16 题 5-16图中a表示 0时刻的波形图,b表示原点 x0处质元的振动曲线,试求此波的波动方程,并画出 2m处质元的振动曲线.解 由题 5-16b图所示振动曲线可知 2Ts, .0?Am,且 0t时,,0?vy,故知 2????,再结合题 5-16a图所示波动曲线可知,该列波沿 x轴负向传播,且 4?m,若取]2cos[0????xTtAy题 5-16图则波动方程为]24cos[2.0????xty5-17 一平面余弦波,沿直径为 14cm的圆柱形管传播,波的强度为 18.010-3J·m-2·s-1,频率为 300 Hz,波速为 300m·s-1,求 1波的平均能量密度和最大能量密度2两个相邻同相面之间有多少波的能量解 1∵ uwI?∴ 531060.18?????uIw3mJ?4max22 ????udwVW2475 10.931.016?? ????J5-18 如题 5-18图所示, 1S和 2为两相干波源,振幅均为 1A,相距 4?, 1S较 2位相超前 2?,求1 1S外侧各点的合振幅和强度;2 2外侧各点的合振幅和强度解(1)在 1外侧,距离 1S为 r的点, 1S2传到该 P点引起的位相差为 ???????????????4r0,21AIA(2)在 2S外侧.距离 2为 1r的点, S2传到该点引起的位相差. 42r??111,I???5-19 如题 5-19图所示,设 B点发出的平面横波沿 BP方向传播,它在 B点的振动方程为ty?2cos103???;C点发出的平面横波沿 C方向传播,它在 C点的振动方程为2,本题中 y以 m计, t以 s计.设 =0.4m, P=0.5 m,波速 u0.2m·s-1,求1两波传到 P点时的位相差;2当这两列波的振动方向相同时, P处合振动的振幅;*3当这两列波的振动方向互相垂直时, 处合振动的振幅.解 1 212BC????????u?04.52.0??题 5-19图2P点是相长干涉,且振动方向相同,所以 32104????APm3若两振动方向垂直,又两分振动位相差为 ,这时合振动轨迹是通过Ⅱ,Ⅳ象限的直线,所以合振幅为33121 108.2??????AA m5-20 一平面简谐波沿 x轴正向传播,如题 5-20图所示.已知振幅为 A,频率为 ?波速为u.1若 t0时,原点 O处质元正好由平衡位置向位移正方向运动,写出此波的波动方程;2若从分界面反射的波的振幅与入射波振幅相等,试写出反射波的波动方程,并求 x轴上 因入射波与反射波干涉而静止的各点的位置.解 1∵ 0?t时, 0,0?vy,∴ 2????故波动方程为]2cos[??uxtAym题 5-20图2入射波传到反射面时的振动位相为即将?43?x代入 243????,再考虑到波由波疏入射而在波密界面上反射,存在半波损失,所以反射波在界面处的位相为 ???????2若仍以 O点为原点,则反射波在 O点处的位相为??25432???,因只考虑 以内的位相角, ∴反射波在 O点的位相为 2??,故反射波的波动方程为 ]2cos[?????uxtAy反此时驻波方程为]2cos[??uxty ]s[ts2???t故波节位置为21???kxu故 412???kx ,210?k根据题意, 只能取 ,,即 43x5-20 一驻波方程为 y0.02cos20 cos750tSI,求1形成此驻波的两列行波的振幅和波速;2相邻两波节间距离.解 1取驻波方程为
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