| 振动图像和波动图像综合 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选修3-4

第十二章 机械波

12.2 波的图像

振动图像和波动图像综合

如图$1$所示,两波源$S_{1}$$S_{2}$分别位于$x=-3\;\rm m$$x=3\;\rm m$处,以$x=0$为边界,两侧为不同的均匀介质。$t=0$时刻,两波源同时向上振动,振幅均为$2\;\rm cm$,位于$x=1\;\rm m$处的质点$P$振动图像如图$2$所示,不考虑反射波带来的影响,以下说法正确的是$(\qquad)$

["

左侧介质中的波速为$3\\;\\rm m/s$

","

$t=5\\;\\rm s$时,$x=-1\\;\\rm m$处的质点位移为$-4\\;\\rm cm$

","

两波叠加稳定后,$S_{1}$$S_{2}$之间(不包含$S_{1}$$S_{2}$)有$3$个加强点

","

$0\\sim 5\\;\\rm s$内,位于$x=2\\;\\rm m$处的质点运动路程为$8\\;\\rm cm$

"]
[["AC"]]

$\rm A$.由图$2$可知,$t=2\;\rm s$时质点$P$开始振动,因两侧介质不同,则波速不同,设左侧波的波速为$v_{左}$,右侧波的波速为$v_{右}$,由图$1$可知从波源$S_{1}$发出的波先到$x=0\;\rm m$处,再从$x=0\;\rm m$处传到$P$处,则传播时间满足$2\;\rm \text{s}=\dfrac{3}{v_{左}}+\dfrac{1}{v_{右}}$

从波源$S_{2}$发出的波到$P$处,则传播时间满足$2\;\text{s}=\dfrac{2}{v_{右}}$

联立解得$v_{左}=3\;\rm m/s$$v_{右}=1\;\rm m/s$,故$\rm A$正确;

$\rm B$.由图$2$可知,振动周期$T=2\;\rm s$,角频率为$\omega=\dfrac{2\pi}{T}=\pi\ \text{rad}/\text{s}$,且两列波的起振动方向都沿$y$轴正方向;由图$1$可知,$x=-1\;\rm m$处的质点在左侧介质,$S_{1}$到该点的距离为$2\;\rm m$,则左侧波传到该点的时间为$t_{1}=\dfrac{2}{v_{左}}=\dfrac{2}{3}\text{s}$

振动方程为$y_{1}=2\sin\left\lbrack \pi\left( t-\dfrac{2}{3} \right) \right\rbrack\ \text{cm}$

$x=-1\;\rm m$处的质点在左侧介质,$S_{2}$到该点的距离为$4\;\rm m$,则右侧波传到该点的时间为$t_{2}=\dfrac{4}{v_{右}}=4\;\rm \text{s}$

振动方程为$y_{1}=2\sin [\pi(t-4)]\;\rm cm$

$t=5\;\rm s$$y_{1}=2\sin\left\lbrack \pi\left( 5-\dfrac{2}{3} \right) \right\rbrack\ \text{cm}=2\sin\left( \dfrac{13\pi}{3} \right)\ \text{cm}=2\sin\left( \dfrac{13\pi}{3} \right)\ \text{cm}=\sqrt{3}\;\rm \text{cm}$$y_{2}=2\sin [\pi(5-4)]\;\rm cm=2\sin (\pi)\;\rm cm=0\;\rm cm$

故此时$x=-1\;\rm m$处质点的合位移为$y=y_{1}+y_{2}=\sqrt{3}\;\rm \text{cm}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.左侧波的波长为$\lambda_{左}=v_{左}T=3 \times 2\;\rm m=6\;\rm m$

右侧波的波长为$\lambda_{右}=v_{右}T=1 \times 2\;\rm m=2\;\rm m$

设某点到$S_{1}$的距离为$x$,则到$S_{2}$的距离为$6\;{\rm m}-x$

则路程差为$\Delta x=|2x-6\;\rm m|$

根据振动加强点的条件,当$\Delta x=|2x-6\;\rm m|=n\lambda_{右}=2n$

可解得当$n=0$时有$x=3\;\rm m$,当$n=1$$x=2\;\rm m$,当$n=2$$x=1\;\rm m$,当$n=3$$x=6\;\rm m$(不符合题意),故当两波叠加稳定后,$S_{1}$$S_{2}$之间(不包含$S_{1}$$S_{2}$)有$3$个加强点;

$\Delta x=|2x-6\;{\rm m}|=n\lambda_{左}=6n$

可解得当$n=0$时有$x=3\;\rm m$,当$n=1$$x=6\;\rm m$(不符合题意),故当两波叠加稳定后,$S_{1}$$S_{2}$之间(不包含$S_{1}$$S_{2}$)只有$1$个加强点,综上可知,两波叠加稳定后,$S_{1}$$S_{2}$之间(不包含$S_{1}$$S_{2}$)有$3$个加强点,故$\rm C$正确;

$\rm D$.由图$2$可知,振动周期$T=2\;\rm s$,可知波的周期也为$T=2\;\rm s$;由图$1$可知,$x=2\;\rm m$处的质点位移右侧介质,$S_{2}$到该点的距离为$1\;\rm m$,则该波传到该处的时间为$t_{3}=\dfrac{1}{v_{右}}\ \text{s}=1\;\rm \text{s}$

振动时间为$\Delta t=5\;\rm s-1\;\rm s=4\;\rm s$

$S_{1}$到该点的距离为$5\;\rm m$,则该波传到该处的时间为$t_{4}=\dfrac{3}{v_{左}}\ \text{s}+\dfrac{2}{v_{右}}=3\;\rm \text{s}$

振动时间为$\Delta t'=5\;\rm s-3\;\rm s=2\;\rm s$

故在前$2\;\rm s$内(即一个周期内)只有波源$S_{2}$发出的波对$x=2\;\rm m$处质点的振动有影响;在后$2\;\rm s$内(即一个周期内)波源$S_{2}$发出的波和波源$S_{1}$发出的波,都对$x=2\;\rm m$处质点的振动有影响;又$\rm C$项可知$x=2\;\rm m$处是振动加强点,所以在后$2\;\rm s$内的两波叠加后振幅为$4\;\rm cm$,故在$0\sim 5\;\rm s$内,位于$x=2\;\rm m$处的质点运动路程为$s=4 \times 2\;\rm cm+4 \times 4\;\rm cm=24\;\rm cm$,故$\rm D$错误。

故选:$\rm AC$

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