已知某平面简谐波在t=0时的波形曲线如图2-3-7所示。波沿(来学网)轴正方向传播。并知该波的周期为T=3s,求:

(1)点0处质元的振动方程;
(2)该波的波动方程;
(3)t=1.5s时的波形曲线;
(4)点P处质元的振动方程,并作出点P处质元的振动曲线,且求出t=0时点P处质元的振动方向。
正确答案:
(1)由图2-3-7所示的波形曲线,显见A=4×10m;由题意T=3s,所以

求初位相可用旋转矢量法或解析法,本题用旋转矢量法。
点O处质元在t=0时刻的振动状态为0=2cm=A/2,v>0(由于波沿轴正向传播),故t=0时,点O处质元所对应的旋转矢量如图2-3-8所示。显然


点O处质元的振动方程为



(2)求该波的波动方程,首先需求出该波的波长或者波速(相速),然后再由点O处质元的振动方程求出该波的波动方程。下面先求波长λ。
若点O处质元的振动初相取=-π/3,即点O处质元的振动方程为

设该波的波长为λ,那么相应的波动方程为

由图2-3-7可见,参考点B处质元的振动状态为当t=0时,=0.4m时,=-4×10m;以此代入上方程有



这时是取+π还是取-π呢?由于点O处初相取的-π/3,而点B处的初相落后于点O处,故点B处的初相只能取为-π。所以

即λ0=1.2m
所以该波的波动方程为

或因,波动方程又可写为

若点O处质元的振动初相取=5π/3,那么点O处质元的振动方程为

同样方法可求得λ=1.2m,相应的波动方程为

式①及式②均为所求的波动方程。
(3)由于T=3s,所以t=1.5s时的波形曲线如图2-3-9所示,显然,此波形与t=0时刻的波形(如图2-3-7所示)相比,波线上各质元的振动都经历了半个周期。

(4)要求点P处质元的振动方程,只要以=0.8m代入波动方程式①或式②便可得到,所以点P处质元的振动方程为



点P处质元的振动曲线如图2-3-10所示。t=0时该质元的振动方向向下,即振动速度为负,这可由图2-3-7直接看出。