机械波习题答案

第十一章 机械波一. 选择题[ C ]1. 一沿x 轴负方向传播的平面简谐波在t = 2 s 时的波形曲线如图所示，则原点O 的振动方程为 (A) )21(cos 50.0ππ+=t y ， (SI)． (B) )2121(cos 50.0ππ-=t y ， (SI)．(C) )2121(cos 50.0ππ+=t y ， (SI)．(D) )2141(cos 50.0ππ+=t y ，(SI)．提示：设O 点的振动方程为O 0()cos()y t A t ωϕ=+。

由图知，当t=2s 时，O 点的振动状态为：O 0(2)cos(2)=0 0y A v ωϕ=+>，且，∴0322πωϕ+=，0322πϕω=-，将0ϕ代入振动方程得：O 3()cos(2)2y t A t πωω=+-。

由题中所给的四种选择，ω取值有三种：,,24πππ，将ω的三种取值分别代入O 3()cos(2)2y t A t πωω=+-中，发现只有答案（C ）是正确的。

[ B ]2. 图中画出一向右传播的简谐波在t 时刻的波形图，BC 为波密介质的反射面，波由P 点反射，则反射波在t 时刻的波形图为提示：由题中所给波形图可知，入射波在P 点的振动方向向下；而BC 为波密介质反射面，故在P 点反射波存在“半波损失”，即反射波与入射波反相，所以，反射波在P 点的振动方向向上，又P 点为波节，因而得答案B 。

[ A ]3. 一平面简谐波沿x 轴正方向传播，t = 0 时刻的波形图如图所示，则P 处质点的振动在t = 0时刻的旋转矢量图是提示：由图可知，P 点的振动在t=0[ B ]4. 一平面简谐波在弹性媒质中传播时，某一时刻媒质中某质元在负的最大位移处，则它的能量是(A) 动能为零，势能最大． (B) 动能为零，势能为零． (C) 动能最大，势能最大． (D) 动能最大，势能为零．提示：动能=势能，在负的最大位移处时，速度=0，所以动能为零，势能也为零。

[ B ]5. 在驻波中，两个相邻波节间各质点的振动 (A) 振幅相同，相位相同． (B) 振幅不同，相位相同．(C) 振幅相同，相位不同． (D) 振幅不同，相位不同．提示：根据驻波的特点判断。

[C ]6. 在同一媒质中两列相干的平面简谐波的强度之比是I 1 / I 2 = 4，则两列波的振幅之比是(A) A 1 / A 2 = 16． (B) A 1 / A 2 = 4． (C) A 1 / A 2 = 2． (D) A 1 / A 2 = 1 /4．二. 填空题1. 一平面简谐机械波在媒质中传播时，若一媒质质元在t 时刻的总机械能是10 J ，则在(t +2. 一列强度为I 的平面简谐波通过一面积为S 的平面，波速u 与该平面的法线0n v 的夹角为θ，则通过该平面的能流是cos IS θ。

ωS AϖO ′ωSA ϖO ′ωA ϖO ′ωSAϖO ′(A)(B)(C)(D)S提示：θIScos IS ==⊥流过该平面的能流3. 如图所示，波源S 1和S 2发出的波在P 点相遇，P 点距波源S 1和S 2的距离分别为 3λ 和10 λ / 3 ，λ 为两列波在介质中的波长，若P 点的合振幅总是极大值，则两波在P 点的振动频率 相同 ，波源S 1 的相位比S 2 的相位领先43π． 提示：201021201020102102()()()(3)()33k r r πλπϕϕϕϕϕλϕϕλ∆=---=---=--， 因为P 点的合振幅总是极大值，2n ϕπ∴∆=，即20102()23n πϕϕπ--=，取n 1=-，得201043ϕϕπ-=-，或 102043ϕϕπ-=124S S 3π∴波源的相位比的相位超前。

4.设沿弦线传播的一入射波的表达式为 ]2cos[1λωxt A y π-=，波在x = L 处（B 点）发生反射，反射点为自由端（如图）．设波在传播和反射过程中振幅不变，则反射波的表达式是y 2 =24cos x L A t ππωλλ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭．提示：因为反射点为自由端，所以反射波没有半波损失，反射波与入射波在B 点引起的振动同相。

2cos B B L y y A t πωλ⎛⎫==- ⎪⎝⎭入反，∴2cos x L L y A t u πωλ⎡-⎤⎛⎫=+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦反 ()22cos L A t x L ππωλλ⎡⎤=+--⎢⎥⎣⎦ 24cos x L A t ππωλλ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭5. 一静止的报警器，其频率为1000 Hz ，有一汽车以79.2 km 的时速驶向和背离报警器时，坐在汽车里的人听到报警声的频率分别是1065Hz 和935Hz （设空气中声速为340 m/s ）．提示：汽车速度379.210v 79.2/22/6060R km h m s ⨯===⨯ 汽车驶向报警器：v 3402210001065340R R S u Hz u νν++==⨯=PS S汽车背离报警器：v 340221000935340R R S u Hz u νν--==⨯=6. 一球面波在各向同性均匀介质中传播，已知波源的功率为100 W ，若介质不吸收能量，则距波源10 m 处的波的平均能流密度为7.96×10-2 W/m 2．提示：根据平均能流密度I 和功率P 的关系，得221000.0796(/)44100P P I W m S r ππ⊥====⨯ 7. 一弦上的驻波表达式为 t x y 1500cos 15cos 100.22-⨯= (SI)．形成该驻波的两个反向传播的行波的波速为100 m/s ．提示：与驻波的表达式22cos cosy A x t T ππλ=比较，得215πλ=，21500T π=， ∴21500100/152u m s Tλππ==⨯=8. 在真空中沿着z 轴负方向传播的平面电磁波，O 点处电场强度为)312cos(300π+π=t E x ν(SI)，则O 点处磁场强度为0.796cos(2ππ/3) (A/m)y H t ν=-+．在图上表示出电场强度，磁场强度和传播速度之间的相互关系．提示：根据电磁波的性质，E H S ⨯=rr r ，三者的关系如图所示。

E H r r 和同相，01cos(2)3y y H H t πνπ∴=-+； =，8000093103000.796(/)9104y x x H cE A m επ⨯⨯∴====⨯⨯，0.796cos(2ππ/3) (A/m)y H t ν=-+三. 计算题1. 图示一平面余弦波在t = 0 时刻与t = 2 s 时刻的波形图．已知波速为u ，求(1) 坐标原点处介质质点的振动方程；(2) 该波的波动表达式．解：(1) 比较t = 0 时刻波形图与t = 2 s 时刻波形图，可知此波向左传播（向x 轴负向传播）。

zyxcϖxE ϖyH ϖO设坐标原点O 处质点的振动方程为()00,cos()y t A t ωϕ=+.在t = 0时刻，O 处质点的振动状态为：0(0,0)cos 0y A ϕ==， 00v sin 0A ωϕ=->，故 02ϕ=-π又t = 2 s ，O处质点位移为/cos(2)2A A ω=-π，且振动速度>0,所以 224ω-=-ππ，得 8ω=π∴振动方程为 ()0,cos()82y t A t =-ππ(SI)(2) 由图中可见，波速为u = 20 /2 m/s = 10 m/s ，向x 轴负向传播；又有()0,cos()82y t A t =-ππ ∴波动表达式为(),cos 8102x y x t A t ⎡⎤⎛⎫=+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ππ （SI ）2. 一平面简谐波沿Ox 轴的负方向传播，波长为λ ，P 处质点的振动规律如图所示．(1) 求P 处质点的振动方程； (2) 求此波的波动表达式；(3) 若图中 λ21=d ，求坐标原点O 处质点的振动方程．解：(1) 设P 处质点振动方程为0()cos()P y t A t ωϕ=+，由振动曲线可知，在t = 0时刻，0cos A A ϕ-=，∴0ϕπ=； t=1s 时，0cos()A ωπ=+，且振动速度>0，∴32πωπ+=，2πω=； ∴cos()2P y A t π=+π (SI)(2) 设波速为u ，则24u T λωλλπ===，且波沿Ox 轴的负方向传播，∴波动表达式为2(,)cos cos ()22x d y x t A t A t x d u λ⎡π-⎤ππ⎛⎫⎡⎤=++π=+-+π ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦ (SI)(3) λ21=d 时，将x=0代入波动表达式，即得O 处质点的振动方程cos 2O y A t π=3. 如图所示，两相干波源在x 轴上的位置为S 1和S 2，其间距离为d = 30 m ，S 1位于坐标原点O ．设波只沿x 轴正负方向传播，单独传播时强度保持不变．x 1 = 9 m 和x 2 = 12 m 处的两点是相邻的两个因干涉而静止的点．求两波的波长和两波源间最小相位差．解：设S 1和S 2的振动初相位分别为10ϕ和20ϕ，在x 1点两波因干涉而静止，所以在x 1点两波引起的振动相位差为π的奇数倍，即()()12010112πd x x ϕϕϕλ∆=----⎡⎤⎣⎦π+=)12(K ① 同理，在x 2点两波引起的振动相位差()()22010222πd x x ϕϕϕλ∆=----⎡⎤⎣⎦π+=)32(K ② ②－①得：214()2x x λ-=ππ， ∴6)(212=-=x x λm ；由①得：120102(21)2(25)d x K K ϕϕλ--=++=+πππ；当K = -2、-3时相位差最小： 2010ϕϕ-=±π4. 一平面简谐波在介质中以速度u = 20 m/s 自左向右传播．已知在传播路径上的某点A 的振动方程为)4cos(3.0π-π=t y (SI)。

另一点D 在A点右方9米处．(1) 若取x 轴方向向左，并以A 为坐标原点，试写出波的表达式，并求出D 点的振动方程．(2) 若取x 轴方向向右，以A 点左方5米处的O 点为x 轴原点，再写出波的表达式及D 点的振动方程．解：该波波速u = 20 m/s ，(1) 若取x 轴方向向左，并以A 为坐标原点，则由已知条件知：)/(20s m i u ρρ-=)4cos(3.0),0(ππ-=t t y （m ）所以，波的表达式为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=-+=πππ)20(4cos 3.0))(4cos(3.0),(x t u x t t x y π（m ） D 点的坐标为x D = -9 m 代入上式有)544cos(3.0)5144cos(3.0)209(4cos 3.0),(ππππππ-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=t t t t x y D （m ）(2) 若取x 轴方向向右，以A 点左方5米处的O 点为x 轴原点，则由已知条件知：)/(20s m i u ρρ=)4cos(3.0),5(ππ-=t t y （m ）x yxyuuA AO DD所以，波的表达式为)54cos(3.0)5(4cos 3.0),(x t u x t t x y πππ-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=π （m ） D 点的坐标为x D = 14 m 代入上式, 有)544cos(3.0)5/144cos(3.0ππ-=-=t t y D ππ (m)此式与(1) 结果相同.5． 由振动频率为 400 Hz 的音叉在两端固定拉紧的弦线上建立驻波．这个驻波共有三个波腹，其振幅为0.30 cm ．波在弦上的速度为 320 m/s ．(1) 求此弦线的长度． (2) 若以弦线中点为坐标原点，试写出弦线上驻波的表达式．解：(1) 23λ⨯=Lλν = u∴ 20.14003202323=⨯==νu L m （2）设驻波的表达式为)cos()cos(103),('3ϕωϕ++⨯=-t kx t x yπππνλπ25320400222=⨯===u k （m -1）πππνω80040022=⨯== （rad/s ）弦的中点x=0是波腹， 故 πϕϕϕor kx x 0,1cos )cos(''0'=∴==+=所以)800cos(25cos 100.3),(3ϕπ+⨯±=-t x t x y π (m)式中的ϕ 由初始条件决定。