2022年重庆邮电大学_大学物理课后习题答案整理版 .pdf
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1、1 第一次作业解答振动11-1 一质量为 m 的质点在力 F = -2x 的作用下沿 x轴运动求其运动的周期解:将 F = -2x与 F = - kx 比较,知质点作简谐振动,k= 2又mmkmT2211-2 质量为 2 kg 的质点,按方程)6/(5sin2 .0tx(SI)沿着 x 轴振动求:(1) t = 0 时,作用于质点的力的大小;(2) 作用于质点的力的最大值和此时质点的位置解:(1) t = 0 时, a = 2.5 m/s2,| F | = ma = 5 N (2) | amax| = 5,其时 | sin(5t -/6) | = 1 | Fmax | = m| amax |
2、= 10 N x = 0.2 m(振幅端点)11-15 一物体作简谐振动,其速度最大值vm = 33 10-2 m/s,其振幅 A = 2310-2 m若 t = 0 时,物体位于平衡位置且向x 轴的负方向运动 . 求:(1) 振动周期 T;(2) 加速度的最大值 am;(3) 振动方程的数值式解: (1) vm = A = vm / A =1.5 s-1T = 2 /4.19 s (2) am = 2A = vm = 4.53 10-2 m/s2(3) 21x = 0.02)215.1cos(t(SI) 11-24 一物体质量为 0.25 kg,在弹性力作用下作简谐振动, 弹簧的劲度系数k
3、= 25 N2m-1,如果起始振动时具有势能0.06 J和动能 0.02 J,求(1) 振幅;xF0m名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 26 页 - - - - - - - - - 2 (2) 动能恰等于势能时的位移;(3) 经过平衡位置时物体的速度解:(1) 221kAEEEpK2/1/)(2kEEApK= 0.08 m (2) 222121vmkx)(s i n22222tAmxm)(s i n222tAx2222)(cos1xAtA222Ax,0566
4、.02/Axm (3) 过平衡点时, x = 0,此时动能等于总能量221vmEEEpK8 .0/)(22/1mEEpKvm/s 11-29 两个同方向简谐振动的振动方程分别为)4310cos(10521tx(SI), )4110cos(10622tx(SI) 求合振动方程解:依合振动的振幅及初相公式可得c o s2212221AAAAA22210)4143cos(65265m 21081.7m )4/c o s (6)4/3c o s (5)4/s i n (6)4/3s i n (5a r c t g= 84.8=1.48 rad 则所求的合成振动方程为)48.110cos(1081.72
5、tx(SI) 11-30 一物体同时参与两个同方向的简谐振动:)212c o s (04. 01tx(SI), )2cos(03.02tx(SI) 求此物体的振动方程解:设合成运动(简谐振动)的振动方程为)c o s ( tAx则)c o s (2122122212AAAAA以A1 = 4 cm,A2 = 3 cm,212112代入式,得5cm3422Acm 又03.004.0coscossinsinarctg22112211arctgAAAA1272.22 rad )22.22cos(05.0tx(SI) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
6、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 26 页 - - - - - - - - - 3 第二次作业解答波动12-2 一平面简谐波沿 x轴正向传播,波的振幅 A = 10 cm, 波的角频率 = 7 rad/s.当 t = 1.0 s时, x = 10 cm 处的 a 质点正通过其平衡位置向y 轴负方向运动,而 x = 20 cm处的 b 质点正通过 y = 5.0 cm 点向 y 轴正方向运动设该波波长 10 cm,求该平面波的表达式解:设平面简谐波的波长为,坐标原点处质点振动初相为,则该列平面简谐波的表达式可写成)/27c o s (1 .0
7、xty(SI) t = 1 s时0)/1 .0(27c o s 1 .0y因此时 a 质点向 y 轴负方向运动,故21)/1.0(27而此时, b 质点正通过 y = 0.05 m处向 y 轴正方向运动,应有05.0)/2 .0(27cos1.0y且31)/2 .0(27由、两式联立得 = 0.24 m 3/17该平面简谐波的表达式为31712.07cos1 .0 xty(SI) 或3112.07cos1.0 xty(SI) 12-4 一列平面简谐波在媒质中以波速u = 5 m/s沿x 轴正向传播,原点O 处质元的振动曲线如图所示(1) 求解并画出 x = 25 m处质元的振动曲线(2) 求解
8、并画出 t = 3 s时的波形曲线解:(1) 原点 O 处质元的振动方程为)2121c o s (1022ty, (SI) 波的表达式为)21)5/(21c o s (1022xty, (SI) x = 25 m 处质元的振动方程为)321c o s (1022ty, (SI) 振动曲线见图(a) (2) t = 3 s时的波形曲线方程t (s)42Oy (cm)2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 26 页 - - - - - - - - - 4 )10/c
9、os(1022xy, (SI) 波形曲线见图12-15 一平面简谐波,频率为300 Hz,波速为 340 m/s,在截面面积为 3.003 10-2 m2的管内空气中传播,若在10 s内通过截面的能量为2.703 10-2 J,求(1) 通过截面的平均能流;(2) 波的平均能流密度;(3) 波的平均能量密度解:(1) tWP/2.703 10-3 J/s (2) SPI/9.003 10-2 J /(s2 m2) (3) uwIuIw/2.653 10-4 J/m312-18 如图所示,两相干波源在x 轴上的位置为S1和 S2,其间距离为 d = 30 m,S1位于坐标原点 O设波只沿 x轴正
10、负方向传播,单独传播时强度保持不变x1 = 9 m 和 x2 = 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 S1和 S2的振动相位分别为1和2在 x1点两波引起的振动相位差221112xxd)12( K即) 12(22)(112Kxd在 x2点两波引起的振动相位差222122xxd)32( K即)32(22)(212Kxd得2/)(412xx6)(212xxm 由)52(22) 12(112KxdK当 K = - 2、-3 时相位差最小12。t (s)O- 23 10-21y (m)2 3 4(a)x (m)O23 10-25y (m)10 15 2
11、0u25(b)O S1S2d x1x x2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 26 页 - - - - - - - - - 5 12-20 如图所示,两列相干波在P 点相遇一列波在 B 点引起的振动是ty2cos103310(SI);另一列波在 C 点引起的振动是)212cos(103320ty(SI); 令BP0.45 m,CP0.30 m,两波的传播速度u = 0.20 m/s,不考虑传播途中振幅的减小,求P 点的合振动的振动方程解:第一列波在 P 点引起
12、的振动的振动方程是:)212c o s (10331ty, (SI) 第二列波在 P 点引起的振动的振动方程是:)212c o s (10332ty, (SI) P 点的合振动的振动方程是:)212c o s (106321tyyy, (SI) 12-24 设入射波的表达式为)(2cos1TtxAy,在 x = 0 处发生反射,反射点为一固定端设反射时无能量损失,求(1) 反射波的表达式;(2) 合成的驻波的表达式;(3) 波腹和波节的位置解:(1) 反射点是固定端,所以反射有相位突变,且反射波振幅为A,因此反射波的表达式为)/(2c o s 2TtxAy(2) 驻波的表达式是21yyy)21
13、/2c o s ()21/2c o s (2TtxA(3) 波腹位置:nx21/2, )21(21nx, n = 1, 2, 3, 4,波节位置:2121/2nxnx21, n = 1, 2, 3, 4,12-29 一个观察者站在铁路附近,听到迎面开来的火车汽笛声的频率为640 Hz,当火车驶过他身旁后,听到汽笛声的频率降低为530 Hz问火车的时速为多少?(设空气中声速为330 m/s)解:火车接近观察者的频率01vuVVv名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共
14、 26 页 - - - - - - - - - 6 火车远离观察者的频率002)(vuVVvuVVv由上两式解得33 05 3 06 4 05 3 06 4 02121Vvvvvu 31.0 m /s 1.12 102 km / h 12-30 甲和乙两个声源的频率均为500 Hz甲静止不动,乙以40 m/s的速度远离甲在甲乙之间有一观察者以20 m/s的速度向着乙运动此观察者听到的声音的拍频是多少?(已知空气中的声速为330 m/s)解:观察者收到来自乙的声音的频率01uVVv观察者收到来自甲的声音的频率02VVv拍频0021VVuVVbvv= 3.3 Hz (也可以分别算出1、2的数值,然
15、后相减得b)第三次作业解答光的干涉13-1 在杨氏双缝实验中,设两缝之间的距离为0.2 mm在距双缝 1 m 远的屏上观察干涉条纹, 若入射光是波长为400 nm至 760 nm的白光,问屏上离零级明纹 20 mm 处,哪些波长的光最大限度地加强?(1 nm10-9 m) 解:已知: d0.2 mm,D1 m,l20 mm 依公式:klDdSDdlk43 10-3 mm4000 nm 故当k10 1 400 nm k9 2444.4 nm k8 3 500 nm k7 4571.4 nm k6 5666.7 nm 这五种波长的光在所给观察点最大限度地加强13-3 在双缝干涉实验中, 波长 55
16、0 nm的单色平行光垂直入射到缝间距a23 10-4 m 的双缝上,屏到双缝的距离D2 m求:(1) 中央明纹两侧的两条第10 级明纹中心的间距;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 26 页 - - - - - - - - - 7 (2) 用一厚度为 e6.63 10-5 m、折射率为 n1.58的玻璃片覆盖一缝后, 零级明纹将移到原来的第几级明纹处?(1 nm = 10-9 m) 解:(1)x20 D / a0.11 m (2) 覆盖云玻璃后,零级明纹应满足
17、(n1)er1r2设不盖玻璃片时,此点为第k 级明纹,则应有r2r1k所以(n1)e = kk(n1) e / 6.967 零级明纹移到原第7 级明纹处。13-4 在双缝干涉实验中,双缝与屏间的距离D1.2 m,双缝间距 d0.45 mm,若测得屏上干涉条纹相邻明条纹间距为1.5 mm,求光源发出的单色光的波长 解:根据公式x k D / d相邻条纹间距xD / d则d x / D562.5 nm13-6 在图示的双缝干涉实验中,若用薄玻璃片(折射率 n11.4)覆盖缝 S1,用同样厚度的玻璃片 (但折射率 n21.7)覆盖缝 S2,将使原来未放玻璃时屏上的中央明条纹处 O 变为第五级明纹 设
18、单色光波长480 nm(1nm=10-9m ),求玻璃片的厚度d(可认为光线垂直穿过玻璃片)解:原来,= r2r1= 0 覆盖玻璃后,( r2 + n2d d)(r1 + n1dd)5(n2n1)d5125nnd= 8.03 10-6 m 13-10 在观察肥皂水薄膜( n =1.33)的反射光时,某处绿色光( = 500 nm)反射最强,且这时法线和视线间的角度i = 45,求该处膜的最小厚度(1 nm = 10-9 m) 解:因为kine2/s i n222令 k = 0 ,2/s i n222ineO S1S2n2n1r1r2d 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
19、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 26 页 - - - - - - - - - 8 ine22s i n2/)2/(111 nm 13-12 用白光垂直照射置于空气中的厚度为0.50 m 的玻璃片玻璃片的折射率为 1.50在可见光范围内 (400 nm 760 nm)哪些波长的反射光有最大限度的增强?(1 nm=10-9 m) 解:加强,2ne+21= k ,123000124212kkneknenm k = 1,1 = 3000 nm,k = 2,2 = 1000 nm,k = 3,3 = 600 nm,k =
20、4,4 = 428.6 nm,k = 5,5 = 333.3 nm在可见光范围内,干涉加强的光的波长是600 nm 和 428.6 nm13-14 折射率为 1.60 的两块标准平面玻璃板之间形成一个劈形膜(劈尖角很小)用波长600 nm (1 nm =10-9 m)的单色光垂直入射,产生等厚干涉条纹假如在劈形膜内充满n =1.40的液体时的相邻明纹间距比劈形膜内是空气时的间距缩小l0.5 mm,那么劈尖角应是多少?解:空气劈形膜时,间距2s i n21nl液体劈形膜时,间距nl2s i n222/1121nlll = ( 1 1 / n ) / ( 2 l )1.73 10-4 rad 13
21、-22 用波长500 nm的单色光作牛顿环实验, 测得第 k 个暗环半径 rk4 mm, 第 k+10 个暗环半径 rk+106 mm,求平凸透镜的凸面的曲率半径R解:根据暗环半径公式有RkrkRkrk1010由以上两式可得10/2210kkrrR4 m 13-29 把折射率 n = 1.38的透明薄膜放入迈克耳孙干涉仪的一条光路中,观测到干涉条纹移动了N = 7条若所用单色光的波长是 = 589.3 nm (1 nm = 10-9名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8
22、页,共 26 页 - - - - - - - - - 9 m),求薄膜的厚度(空气的折射率为1)解:Ndn)1(2)1(2 nNd5.433 10-3 mm 13-30 沿光路长度为 d = 28 mm的透明薄壁(厚度可忽略)容器放在迈克耳孙干涉仪的一条光路中, 所用单色光的波长为 = 589.3 nm (1 nm = 10-9 m)当以氨气注入容器代替容器中的空气时,观测到干涉条纹移动了N = 36 条已知空气的折射率 n1 = 1.000276,且氨气的折射率 n2 n1,求氨气的折射率(要求计算到小数点后六位)解:Ndnn)(212dNnn212= 1.000655 第十四章光的衍射14
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