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第十四章波动
OPLx习题14-1图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,求:(1)O处质点的振动方程;(
OP
L
x
习题14-1图
解:(1)O处质点振动方程:
y0=Acos[ω(t+L/u)+φ]
(2)波动方程
y0=Acos?ω[t-(x-L)/u+φ?
(3)质点位置
x=L?k2πu/ω(k=0,1,2,3……)
14-2一简谐波,振动周期T=1/2s,波长?=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)t1=T/4时刻,x1=?/4处质点的位移;(3)t2=T/2时刻,x1=?/4处质点的振动速度。
解:(1)y=0.1cos(4πt-2πx/10)
=0.1cos4π(t-x/20)(SI)
(2)当t1=T/4=1/8(s),x1=λ/4=10/4m处
质点的位移y1=0.1cos4π(T/4-λ/80)
=0.1cos4π(1/8-1/8)=0.1m
(3)振速
t2=T/2=1/4(S),在x1=λ/4=10/4(m)处质点的振速
v2=-0.4πsin(π-π/2)=-1.26m/s
习题14-3图14-3一简谐波沿x轴负方向传播,圆频率为,波速为u。设时刻的波形如本题图所示,求该波的表达式。
习题14-3图
解:由图可看出,在t=0时,原点处质点位移
y0=-A,
说明原点处质点的振动初相,因而波动方程为
14-4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:
坐标原点处介质质点的振动方程;(2)该波的波方程。
解:由图可知:
原点处质点的振动初相;
习题14-4图波长,波速;
习题14-4图
因而圆频率,
原点处质点的振动方程
(2)波方程
14-5已知一平面简谐波的方程为
求该波的波长?,频率?和波速度u的值;
写出t=2.2s时刻各波峰位置的坐标表达式,并求出此时离坐标原点最近的那个波峰的位置。
14-6波源作简谐振动,周期为,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。
解:在确知角频率、波速和初相的条件下,波动方程
位于xP=8.0m处,质点P的运动方程为
该质点振动的初相。而距波源9.0m和10.0m两点的相位差为
如果波源初相取,则波动方程为
14-7为了保持波源的振动不变,需要消耗4.0W的功率。若波源发出的是球面波(设介质不吸收波的能量)。求距离波源5.0m和10.0m处的能流密度。
分析:波的传播伴随着能量的传播。由于波源在单位时间内提供的能量恒定,且介质不吸收能量,故对于球面波而言,单位时间内通过任意半径的球面的能量(即平均能流)相同,都等于波源消耗的功率。而在同一个球面上各处的能流密度相同,因此,可求出不同位置的能流密度。
解:由分析可知,半径r处的能疏密度为
当r1=5.0m、r2=10.0m时,分别有
14-8一弹性波在媒质中传播的速度u=103m/s,振幅A=1.0?10?4m,频率?=103Hz,媒质的密度为?=800kg/m3。求:(1)波的平均能流密度;(2)一分钟内垂直通过一面积S=4.0?10?4m2的总能量。
解:(1)由能流密度I的表达式得
(2)在时间间隔内垂直通过面积S的能量为
S
S3
O
S1
S2
习题14-9图
14-9如本题图所示,三个同频率,振动方向相同(垂直纸面)的简谐波,在传播过程中在O点相遇;若三个简谐波各自单独在S1、S2和S3振动方程分别为y1=Acos(ωt+π/2),y2=Acosωt和y3=2Acos(ωt?π/2),且S2O=4?,S1O=S3O=5?(?为波长),求O点的合振动方程。(设传播过程中各波振幅不变)
解:每一波传播的距离都是波长的整数倍,所以三个波在O点的振动方程可写成
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