求波节和波腹的坐标。
在驻波中,波节是指振幅恒为零的点,波腹是指振幅最大的点。
下面以两端固定的均匀弦线上形成的驻波为例,来求解波节和波腹的坐标: 设沿 x xx 轴方向传播的两列相干简谐波, 一列沿 x xx 正方向传播,表达式为 y 1 = A cos ( ω t − k x ) y_{1}=A\cos(\omega t - kx)y1=Acos(ωt−kx);另一列沿 x xx 负方向传播,表达式为 y 2 = A cos ( ω t + k x ) y_{2}=A\cos(\omega t + kx)y2=Acos(ωt+kx)。
两列波叠加形成驻波,其表达式为: y = y 1 + y 2 = A cos ( ω t − k x ) + A cos ( ω t + k x ) = 2 A cos ( k x ) cos ( ω t ) \begin{align*} y&=y_{1}+y_{2}\\ &=A\cos(\omega t - kx)+ A\cos(\omega t + kx)\\ &=2A\cos(kx)\cos(\omega t) \end{align*} y=y1+y2=Acos(ωt−kx)+Acos(ωt+kx)=2Acos(kx)cos(ωt) 其中 k = 2 π λ k = \frac{2\pi}{\lambda}k=λ2π,λ \lambdaλ 为波长,ω \omegaω 是角频率,A AA 是振幅。
波节坐标 波节处振幅为零,即 ∣ 2 A cos ( k x ) ∣ = 0 |2A\cos(kx)| = 0∣2Acos(kx)∣=0,也就是 cos ( k x ) = 0 \cos(kx)=0cos(kx)=0。
根据余弦函数性质,cos ( k x ) = 0 \cos(kx)=0cos(kx)=0 时,k x = ( 2 n + 1 ) π 2 kx=(2n + 1)\frac{\pi}{2}kx=(2n+1)2π,n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯。
将 k = 2 π λ k = \frac{2\pi}{\lambda}k=λ2π 代入上式可得: 2 π λ x = ( 2 n + 1 ) π 2 x = ( 2 n + 1 ) λ 4 , n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ \begin{align*} \frac{2\pi}{\lambda}x&=(2n + 1)\frac{\pi}{2}\\ x&=(2n + 1)\frac{\lambda}{4},n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots \end{align*} λ2πxx=(2n+1)2π=(2n+1)4λ,n=0,±1,±2,⋯ 所以波节的坐标为 x = ( 2 n + 1 ) λ 4 x=(2n + 1)\frac{\lambda}{4}x=(2n+1)4λ,n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯。
波腹坐标 波腹处振幅最大,即 ∣ 2 A cos ( k x ) ∣ = 2 A |2A\cos(kx)| = 2A∣2Acos(kx)∣=2A,也就是 cos ( k x ) = ± 1 \cos(kx)=\pm1cos(kx)=±1。
根据余弦函数性质,cos ( k x ) = ± 1 \cos(kx)=\pm1cos(kx)=±1 时,k x = n π kx = n\pikx=nπ,n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯。
将 k = 2 π λ k = \frac{2\pi}{\lambda}k=λ2π 代入上式可得: 2 π λ x = n π x = n λ 2 , n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ \begin{align*} \frac{2\pi}{\lambda}x&=n\pi\\ x&=n\frac{\lambda}{2},n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots \end{align*} λ2πxx=nπ=n2λ,n=0,±1,±2,⋯ 所以波腹的坐标为 x = n λ 2 x = n\frac{\lambda}{2}x=n2λ,n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯。
综上,波节坐标为 x = ( 2 n + 1 ) λ 4 x=(2n + 1)\frac{\lambda}{4}x=(2n+1)4λ(n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯),波腹坐标为 x = n λ 2 x = n\frac{\lambda}{2}x=n2λ(n = 0 , ± 1 , ± 2 , ⋯ n = 0, \pm 1, \pm 2, \cdotsn=0,±1,±2,⋯)。
不同的波动情况可能会有不同的表达式,但求解波节和波腹坐标的基本思路都是先得到合成波的表达式,再根据振幅的条件来确定相应坐标。
如果你还有其他特定条件或疑问,请随时告诉我。
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