Câu hỏi
Một sóng cơ truyền trên sợi dây dài, nằm ngang, dọc theo chiều dương của trục Ox với tốc độ truyền sóng là v và biên độ không đổi. Tại thời điểm to = 0, phần tử tại O bắt đầu dao động từ vị trí cân bằng theo chiều âm của trục Ou. Tại thời điểm t1 = 0,3 s hình ảnh của một đoạn dây như hình vẽ. Khi đó vận tốc dao động của phần tử tại D là \({v_D} = \frac{{\rm{\pi }}}{{\rm{8}}}{\rm{v}}\) và quãng đường phần tử E đã đi được là 24 cm. Biết khoảng cách cực đại giữa hai phần tử là 5cm. Phương trình truyền sóng là
- A \(u = \cos \left( {\frac{{40\pi }}{3}t - \frac{{\pi x}}{3} - \frac{\pi }{2}} \right)cm\,\) (x tính bằng cm; t tính bằng s).
- B \(u = \cos \left( {20\pi t - \frac{{\pi x}}{3} + \frac{\pi }{2}} \right)\,cm\,\) (x tính bằng cm; t tính bằng s).
- C \(u = 3\cos \left( {20\pi t - \frac{{\pi x}}{{12}} + \frac{\pi }{2}} \right)\,cm\,\) (x tính bằng cm; t tính bằng s).
- D \(u = 3\cos \left( {\frac{{40\pi }}{3}t - \frac{{\pi x}}{{12}} - \frac{\pi }{2}} \right)\,cm\,\) (x tính bằng cm; t tính bằng s).
Phương pháp giải:
Thời điểm đầu tiên sóng bắt đầu từ O nên:
\({u_O} = A.\cos {\left( {\omega t + \frac{\pi }{2}} \right)_{}}cm\)
Sau thời gian t = 0,3s, sóng có dạng như hình vẽ, điểm O lại đang ở VTCB và chuyển động về biên âm nên: \(t = 0,3s = nT\)
Dễ thấy từ O đến E là một bước sóng ứng với 6 ô li, nên sóng truyền từ O đến E mất thời gian 1 chu kì T. Vì vậy quãng đường mà E đi được trong thời gian trên là: \(S = \left( {n - 1} \right).4A\)
Hai điểm C và D đều đang cách đỉnh sóng một khoảng nửa ô li nên biên độ của D là \({x_D} = \frac{{\sqrt 3 }}{2}A\) và vận tốc của D lúc đó là \({v_D} = \frac{1}{2}{v_{\max }} = \frac{1}{2}.\omega A\)
Vận tốc sóng \(v = \lambda .f\)
Khoảng cách giữa vtcb của C và D ứng với 1 ô li, khoảng cách giữa hai điểm C và D là \(CD = \sqrt {{d^2} + {{({u_C} - {u_D})}^2}} \)
Lời giải chi tiết:
Thời điểm đầu tiên sóng bắt đầu từ O nên: \({u_O} = A.\cos {\left( {\omega t + \frac{\pi }{2}} \right)_{}}cm\)
Sau thời gian t = 0,3s, sóng có dạng như hình vẽ, điểm O lại đang ở vtcb và chuyển động về biên âm nên:
\(t = 0,3s = nT\)
Dễ thấy từ O đến E là một bước sóng ứng với 6 ô li, nên sóng truyền từ O đến E mất thời gian 1 chu kì T. Vì vậy quãng đường mà E đi được trong thời gian trên là: \(S = \left( {n - 1} \right).4A\)
Hai điểm C và D đều đang cách đỉnh sóng một khoảng nửa ô li nên biên độ của D là và vận tốc của D lúc đó là:
\(\begin{array}{l}
{v_D} = \frac{1}{2}{v_{\max }} = \frac{1}{2}.\omega A\\
\Rightarrow \frac{1}{2}\omega A = \frac{\pi }{8}v = \frac{\pi }{8}.\lambda .f = \frac{\pi }{8}.\lambda .\frac{\omega }{{2\pi }} \Rightarrow \lambda = 8A
\end{array}\)
Ta có VTLG:
Khoảng cách giữa VTCB của C và D ứng với 1 ô li tức là \(CD = \frac{\lambda }{6}\) và \(\alpha = \frac{\pi }{3}\) ,
Khoảng cách giữa hai điểm C và D là:
\(CD = \sqrt {{d^2} + {{({u_C} - {u_D})}^2}} \)
Khoảng cách giữa hai điểm C và D cực đại là 5 cm khi (uC – uD) cực đại.
Ta có
\({u_C} - {u_D} = A.\cos \left( {\omega t - \frac{\pi }{3}} \right) \Rightarrow {\left( {{u_C} - {u_D}} \right)_{\max }} = A\)
\(\begin{array}{l}
CD = \sqrt {{d^2} + {{({u_C} - {u_D})}^2}} \Rightarrow 5 = \sqrt {{{\left( {\frac{\lambda }{6}} \right)}^2} + {{({u_C} - {u_D})}^2}} = \sqrt {{{\left( {\frac{{8A}}{6}} \right)}^2} + {A^2}} \\
\Rightarrow A = 3cm \Rightarrow \lambda = 8A = 24cm
\end{array}\)
Ta có: \(S = (n - 1).4A = 24 \Rightarrow n = 3\)
Lại có: \(t = 0,3s = 3T \Rightarrow T = 0,1s \Rightarrow \omega = \frac{{2\pi }}{T} = 20\pi \left( {rad/s} \right)\)
Vậy ta có phương trình truyền sóng là:
\(u = 3.\cos \left( {20\pi t + \frac{\pi }{2} - \frac{{2\pi x}}{{24}}} \right) = 3.\cos \left( {20\pi t + \frac{\pi }{2} - \frac{{\pi x}}{{12}}} \right)cm\)
Chọn C.