高三物理復習振動與波光學第一章機械振動機械波第2講機械波省公開課一等獎新名師獲獎

第2講機械波1/972/97【知識梳理】知識點1機械波、橫波和縱波1.機械波形成和傳輸:(1)機械波產(chǎn)生條件:①要有做機械振動物體作為波源;②要有_______________________,如空氣、水、繩子等。能夠傳輸機械振動介質(zhì)3/97(2)機械波傳輸特點:

4/97觀察如圖機械橫波形成過程,可知機械波傳輸有如下特點:①傳輸是_________、能量和_____。②介質(zhì)中各質(zhì)點只在自己平衡位置附近振動,并不_________。③“前帶后,后跟前,運動狀態(tài)向后傳”。各介質(zhì)質(zhì)點都做_____振動,各質(zhì)點振動頻率、振幅、起振方向等都與_____相同。振動形式信息隨波遷移受迫波源5/972.機械波分類:

分類質(zhì)點振動方向和波傳輸方向關系形狀舉例橫波_____凹凸相間;有波峰、波谷繩波等縱波_______________疏密相間;有密部、疏部彈簧波、聲波等垂直在同一條直線上6/973.波速、波長和頻率(周期)關系:(1)波長λ:在波動中_________總是相同兩個_____質(zhì)點間距離。(2)頻率f:在波動中,介質(zhì)中各質(zhì)點振動頻率都是相同,都等于_______________。振動相位相鄰波源振動頻率7/97(3)波速v、波長λ和頻率f、周期T關系:公式:____。機械波波速大小由________________決定,與機械波頻率無關。λf介質(zhì)本身性質(zhì)8/97知識點2橫波圖象1.坐標軸:橫軸表示各質(zhì)點_________,縱軸表示該時刻各質(zhì)點位移。如圖。

平衡位置9/972.物理意義:表示在波傳輸方向上,某時刻各質(zhì)點離開_________位移。3.圖象應用:平衡位置10/97依據(jù)圖可知橫波圖象有以下應用:(1)直接讀取______和_______,以及該時刻各質(zhì)點位移。(2)確定某時刻各質(zhì)點加速度和速度_____,并能比較大小。(3)結合波傳輸方向可確定各質(zhì)點_________或由各質(zhì)點振動方向確定波_________。振幅A波長λ方向振動方向傳輸方向11/97知識點3波特有現(xiàn)象1.波疊加:觀察兩列波疊加過程可知:幾列波相遇時,每列波都能夠保持各自狀態(tài)繼續(xù)傳播而不_________,只是在重合區(qū)域里,質(zhì)點同時參加這幾列波引發(fā)振動,質(zhì)點位移等于這幾列波單獨傳輸時引發(fā)_____________。相互干擾位移矢量和12/972.波干涉和衍射:

波干涉波衍射條件兩列波頻率必須_____顯著條件:障礙物或孔_____比波長小或相差不多現(xiàn)象形成加強區(qū)和減弱區(qū)相互隔開穩(wěn)定_________波能夠___________或孔繼續(xù)向前傳輸相同尺寸干涉圖樣繞過障礙物13/97知識點4多普勒效應1.定義:因為波源和觀察者之間有_________,使觀察者感受到波頻率_________現(xiàn)象。2.實質(zhì):聲源頻率_____,觀察者接收到頻率__________。相對運動發(fā)生改變不變發(fā)生變化14/973.規(guī)律:(1)波源與觀察者假如相互靠近,觀察者接收到_________;(2)波源與觀察者假如相互遠離,觀察者接收到_________;(3)波源和觀察者假如相對靜止,觀察者接收到頻率_____波源頻率。頻率增大頻率減小等于15/97【易錯辨析】(1)在機械波傳輸中,各質(zhì)點隨波傳輸而遷移。()(2)機械波頻率等于振源振動頻率。()(3)機械波傳輸速度與振源振動速度相等。()(4)質(zhì)點振動方向總是垂直于波傳輸方向。()16/97(5)在一個周期內(nèi),沿著波傳輸方向,振動在介質(zhì)中傳輸一個波長距離。()

(6)機械波在介質(zhì)中傳輸速度由介質(zhì)本身決定。()(7)部隊過橋不能齊步走而要便步走,是為了防止橋梁發(fā)生共振現(xiàn)象。()17/97(8)火車鳴笛減速向我們駛來時,我們聽到笛聲頻率將比聲源發(fā)聲頻率低。()

18/97提醒:(1)×。機械波傳輸是振源帶動周圍介質(zhì)做受迫振動形成,介質(zhì)也是在自己平衡位置附近振動,不會“隨波逐流”。(2)√。機械波頻率是振源振動頻率。(3)×。機械波傳輸速度與振源振動速度無關,普通振動速度是變速,傳輸速度是勻速。19/97(4)×。波分橫波與縱波,縱波質(zhì)點振動方向與波傳輸方向在同一條直線上。(5)√。由可知,沿波傳輸方向,振動在介質(zhì)中傳輸一個波長距離。(6)√。機械波傳輸速度由介質(zhì)本身決定。(7)√。部隊過橋不能齊步走而要便步走,預防策動頻率與固有頻率相同,出現(xiàn)共振現(xiàn)象。20/97(8)×。火車鳴笛減速向我們駛來時,我們聽到笛聲頻率將比聲源發(fā)聲頻率高,是聲波多普勒效應。

21/97考點1波形成與傳輸

【關鍵要素精講】波傳輸過程中特點:(1)振源經(jīng)過一個周期T完成一次全振動,波恰好向前傳播一個波長距離,所以有v==λf。(2)質(zhì)點振動nT(波傳輸nλ)時,波形不變。22/97(3)在波傳輸方向上,當兩質(zhì)點平衡位置間距離為nλ(n=1,2,3…)時,它們振動步調(diào)總相同;當兩質(zhì)點平衡位置間距離為(2n+1)(n=0,1,2,3…)時,它們振動步調(diào)總相反。(4)波源質(zhì)點起振方向決定了它后面質(zhì)點起振方向,各質(zhì)點起振方向與波源起振方向相同。23/97【高考命題探究】【典例1】(多項選擇)(·全國卷Ⅲ)由波源S形成簡諧橫波在均勻介質(zhì)中向左、右傳輸。波源振動頻率為20Hz,波速為16m/s。已知介質(zhì)中P、Q兩質(zhì)點位于波源S兩側,且P、Q和S平衡位置在一條直線上,P、Q平衡位置到S平衡位置之間距離分別為15.8m、14.6m。P、Q開始振動后,以下判斷正確是世紀金榜導學號42722294()24/97A.P、Q兩質(zhì)點運動方向一直相同B.P、Q兩質(zhì)點運動方向一直相反C.當S恰好經(jīng)過平衡位置時,P、Q兩點也恰好經(jīng)過平衡位置D.當S恰好經(jīng)過平衡位置向上運動時,P在波峰E.當S恰好經(jīng)過平衡位置向下運動時,Q在波峰

25/97【解析】選B、D、E。由題意知T=0.05s,v=16m/s,故波長λ=vT=0.8m,找P點關于S對稱點P1,由對稱性可知P1和P振動情況完全一致,P1Q兩點相距Δx=,為半波長整數(shù)倍,所以P1、Q兩點振動方向一直相反,P、Q兩點振動方向也一直相反,A錯誤,B正確;P點距離S點x=,當S恰26/97好經(jīng)過平衡位置向上運動時,P在波峰,同理Q點距離S點x1=,當S恰好經(jīng)過平衡位置向下運動時,Q在波峰,C錯誤,D、E正確。

27/97【強化訓練】1.一列沿x軸正方向傳輸簡諧機械橫波,波速為4m/s。某時刻波形如圖所表示,以下說法正確是()28/97A.這列波振幅為4cmB.這列波周期為1sC.此時x=4m處質(zhì)點沿y軸負方向運動D.此時x=4m處質(zhì)點加速度為0

29/97【解析】選D。由題圖可得,這列波振幅為2cm,選項A錯誤;由題圖得,波長λ=8m,由T=得T=2s,選項B錯誤;由波動與振動關系得,此時x=4m處質(zhì)點沿y軸正方向運動,且此質(zhì)點正處于平衡位置,故加速度a=0,選項C錯誤、D正確。

30/972.(多項選擇)(·天津高考)在均勻介質(zhì)中坐標原點O處有一波源做簡諧運動,其表示式為y=5sin(t),它在介質(zhì)中形成簡諧橫波沿x軸正方向傳輸,某時刻波剛好傳輸?shù)絰=12m處,波形圖象如圖所表示,則()

31/97A.今后再經(jīng)6s該波傳輸?shù)絰=24m處B.M點在今后第3s末振動方向沿y軸正方向C.波源開始振動時運動方向沿y軸負方向D.今后M點第一次抵達y=-3m處所需時間是2s

32/97【解析】選A、B。波周期T==4s,波長λ=8m,波速v==2m/s,則再經(jīng)過6s,波傳輸距離為x=vt=12m,故該波傳到x=24m處,選項A正確;M點在此時振動方向向下,則第3秒末,即經(jīng)過了0.75T,該點振動方向沿y軸正向,選項B正確;因波傳到x=12m處時,質(zhì)點向y軸正向振動,故波源開始振動時運動方向沿y軸正方向,選項33/97C錯誤;題圖中M點振動方向沿y軸負方向,M點第一次抵達y=-3m位置所需要時間小于半個周期,即小于2s,選項D錯誤。

34/97【加固訓練】如圖中坐標原點處質(zhì)點O為一簡諧橫波波源,當t=0時,質(zhì)點O開始從平衡位置振動,波沿x軸向兩側傳輸,P質(zhì)點平衡位置在1～2m之間,Q質(zhì)點平衡位置在2～3m之間。t1=2s時刻波形第一次如圖所表示,此時質(zhì)點P、Q到平衡位置距離相等,則()

35/9736/97A.波源初始振動方向是從平衡位置沿y軸向下B.當t2=5s時刻,-4m和4m兩處質(zhì)點會分別沿波傳輸方向傳到-0.3m和0.3m位置C.t=2.5s時刻,P、Q兩質(zhì)點位移、加速度、速度、振幅一定相同D.假如此波是從密度小介質(zhì)中傳到密度大介質(zhì)中,則波頻率將變大

37/97【解析】選A。據(jù)題,t1=2s時刻剛傳到4m處,依據(jù)4m處質(zhì)點向下振動可知波源起振方向也向下,故A正確;簡諧波向前傳輸過程中,質(zhì)點不會“隨波遷移”,故B錯誤;由題意知,t1=2s時刻,P、Q到平衡位置距離相等,則P、Q平衡位置關于x=2m對稱,依據(jù)波形圖可得波長為4m,由題意可知周期為2s,在2.5s時刻,P、Q均振動0.25個周期,波形向右平移個波長,x=2m處質(zhì)點處于38/97波峰位置,由對稱性知,PQ位移、加速度相同,振幅相同,速度方向相反,故C錯誤;機械波進入到不一樣介質(zhì)時頻率不會發(fā)生改變,故D錯誤。

39/97考點2振動圖象與波動圖象綜合應用【關鍵要素精講】振動圖象與波動圖象比較:

40/9741/97【高考命題探究】【典例2】(多項選擇)(·全國卷Ⅰ)圖甲為一列簡諧橫波在t=2s時波形圖,圖乙為媒質(zhì)中平衡位置在x=1.5m處質(zhì)點振動圖象,P是平衡位置為x=2m質(zhì)點。以下說法正確是世紀金榜導學號42722295()

42/9743/97A.波速為0.5m/sB.波傳輸方向向右C.0～2s時間內(nèi),P運動旅程為8cmD.0～2s時間內(nèi),P向y軸正方向運動E.當t=7s時,P恰好回到平衡位置

44/97【解析】選A、C、E。本題考查了機械振動與機械波。v==0.5m/s,A正確;x=1.5m處質(zhì)點t=2s時正在向下振動,依據(jù)“上坡下”可判斷機械波向左傳播,B錯誤;0～2s是半個周期,P點由波峰運動到波谷,C正確、D錯誤;7s是此時刻再經(jīng)過5s,即1T,這時P點剛好回到平衡位置,E正確。

45/97【強化訓練】1.(·天津高考)圖甲為一列簡諧橫波在某一時刻波形圖,a、b兩質(zhì)點橫坐標分別為xa=2m和xb=6m,圖乙為質(zhì)點b從該時刻開始計時振動圖象。以下說法正確是()

46/97A.該波沿+x方向傳輸,波速為1m/sB.質(zhì)點a經(jīng)4s振動旅程為4mC.此時刻質(zhì)點a速度沿+y方向D.質(zhì)點a在t=2s時速度為零

47/97【解析】選D。由題圖甲可知,該波波長為8m,由題圖乙可知,波振動周期為8s,而且質(zhì)點b在開始計時時刻沿+y軸方向運動,則該波沿-x方向傳輸,且波速v=m/s=1m/s,故選項A錯誤;質(zhì)點a經(jīng)4s振動半個周期,振動旅程為兩個振幅,即振動旅程為2A=2×0.5m=1m,故選項B錯誤;該波沿-x方向傳輸,則開始計時時刻質(zhì)點a速度沿-y軸方向運動,故選項C錯誤;質(zhì)點a在t=2s時,處于波谷,其速度為零,故選項D正確。

48/972.一簡諧機械橫波沿x軸正方向傳輸,波長為λ,周期為T。t=0時刻波形如圖甲所表示,a、b是波上兩個質(zhì)點。圖乙是波上某一質(zhì)點振動圖象。以下說法中正確是()

49/97A.t=0時質(zhì)點a速度比質(zhì)點b大B.t=0時質(zhì)點a加速度比質(zhì)點b小C.圖乙能夠表示質(zhì)點a振動D.圖乙能夠表示質(zhì)點b振動

50/97【解題指導】解答本題應明確以下兩點:(1)質(zhì)點在平衡位置處振動速度最大,加速度為零;(2)質(zhì)點在偏離平衡位置位移最大處速度為零,加速度最大。

51/97【解析】選D。質(zhì)點在平衡位置處振動速度是最大,所以在零時刻a速度小于b速度,A錯誤;而質(zhì)點偏離平衡位置越遠加速度越大,a加速度大于b加速度,B錯誤;依據(jù)波圖象“同側法”能夠判斷在零時刻,b在平衡位置且向下振動,D正確,C錯誤。52/97【規(guī)律總結】振動和波動圖象綜合應用(1)“一分”:分清振動圖象與波動圖象,只要看清橫坐標即可,橫坐標為x則為波動圖象,橫坐標為t則為振動圖象。(2)“一看”:看清橫、縱坐標單位。尤其要注意單位前數(shù)量級。(3)“二找”:找準波動圖象對應時刻、找準振動圖象對應質(zhì)點

53/97【加固訓練】(多項選擇)(·衡陽模擬)圖(a)為一列簡諧橫波在t=0.10s時刻波形圖,P是平衡位置在x=1.0m處質(zhì)點,Q是平衡位置在x=4.0m處質(zhì)點;圖(b)為質(zhì)點Q振動圖象,以下說法正確是()

54/9755/97A.在t=0.10s時,質(zhì)點Q向y軸正方向運動B.在t=0.25s時,質(zhì)點P加速度方向與y軸正方向相同C.從t=0.10s到t=0.25s,該波沿x軸負方向傳輸了6mD.從t=0.10s到t=0.25s,質(zhì)點P經(jīng)過旅程為30cmE.質(zhì)點Q簡諧運動表示式為y=0.10sin10πt(m)

56/97【解析】選B、C、E。圖(b)為質(zhì)點Q振動圖象,則知在t=0.10s時,質(zhì)點Q正從平衡位置向波谷運動,所以質(zhì)點Q向y軸負方向運動,故A錯誤;在t=0.10s時,質(zhì)點Q沿y軸負方向運動,依據(jù)波形平移法可知該波沿x軸負方向傳輸,此時P點正向上運動。由圖(b)讀出周期T=0.2s,從t=0.10s到t=0.25s經(jīng)過時間為Δt=0.15s=T,則在t=0.25s時,質(zhì)點P位于x軸下方,加速度方向與y軸正57/97方向相同,故B正確;由圖(a)知波長λ=8m,則波速為v=m/s=40m/s,從t=0.10s到t=0.25s經(jīng)過時間為Δt=0.15s,該波沿x軸負方向傳輸距離為Δx=vΔt=40×0.15m=6m,故C正確;從t=0.10s到t=0.25s經(jīng)過時間為Δt=0.15s=T,因為t=0.10s時刻質(zhì)點P不在平衡位置或波峰、波谷處,所以質(zhì)點P經(jīng)過旅程不是3A=58/9730cm,故D錯誤;質(zhì)點Q簡諧運動表示式為y=Asint(m)=0.10sint(m)=0.10sin10πt(m),故E正確。59/97考點3波多解問題【關鍵要素精講】1.造成波動問題多解主要原因:(1)周期性。①時間周期性:時間間隔Δt與周期T關系不明確。②空間周期性:波傳輸距離Δx與波長λ關系不明確。60/97(2)雙向性。①傳輸方向雙向性:波傳輸方向不確定。②振動方向雙向性:質(zhì)點振動方向不確定。2.處理波多解問題思緒:普通采取從特殊到普通思維方法,即找出一個周期內(nèi)滿足條件關系Δt或Δx,若此關系為時間,則t=nT+Δt(n=0,1,2,…);若此關系為距離,則x=nλ+Δx(n=0,1,2,…)

61/97【高考命題探究】【典例3】(多項選擇)(·四川高考)簡諧橫波在均勻介質(zhì)中沿直線傳輸,P、Q是傳輸方向上相距10m兩質(zhì)點,波先傳到P,當波傳到Q開始計時,P、Q兩質(zhì)點振動圖象如圖所表示。則世紀金榜導學號42722296()

62/97A.質(zhì)點Q開始振動方向沿y軸正方向B.該波從P傳到Q時間可能為7sC.該波傳輸速度可能為2m/sD.該波波長可能為6m

63/97【思索探究】(1)t=0時刻,Q點振動方向怎樣?提醒:t=0時刻,Q點向上振動,P點先振動,P點剛開始振動時和Q點起振振動方向一致。64/97(2)P點圖象向右平移4s能夠得到Q點圖象,能否定為波傳輸10m歷時4s?提醒:不能夠直接這么認為,波傳輸含有周期性,傳輸10m可能歷時4s+nT,所以本題是多解情況。

65/97【解析】選A、D。由圖象知,質(zhì)點Q起振方向為y軸正方向,A正確;由圖象知周期T=6s,振動由P向Q傳輸,故時間t=nT+4s=(6n+4)s,n=0、1、2、3…,故不可能為7s,B錯誤;由x=vt=10m可得v=m/s,n=0、1、2、3…,波速不可能為2m/s,C錯誤;依據(jù)λ=vT=m,當n=1時,λ=6m,D正確。故選A、D。

66/97【遷移訓練】67/97遷移1:波形各種情況多解問題一列簡諧橫波沿直線傳輸,某時刻該列波上恰好經(jīng)過平衡位置兩質(zhì)點相距6m,且這兩質(zhì)點之間波峰只有一個,則該簡諧波可能波長為()A.4m、6m和8m B.6m、8m和12mC.4m、6m和12m D.4m、8m和12m

68/97【解析】選C。依據(jù)題意,可能波形有三種,如圖所表示:

則=6m,λ1=12mλ2=6mλ3=6m,λ3=4m所以選項C正確。

69/97遷移2:波長不確定多解問題甲、乙兩圖分別表示一簡諧橫波在傳輸方向上相距3.0m兩質(zhì)點振動圖象,假如波長大于1.5m,則該波波速大小可能是()

70/97A.5m/s B.10m/sC.15m/s D.20m/s

71/97【解析】選B。由圖可知兩質(zhì)點振動圖象反向,T=0.2s,則有s=(n+)λ=3m(n=0、1、2、3…)v=m/s(n=0、1、2、3…)由題知,λ=vT>1.5m,所以v>7.5m/s。當n=0時,v=30m/s;當n=1,v=10m/s;當n=2,v=6m/s,所以n≥2時速度舍去。因為n是整數(shù),v不可能是15m/s和20m/s,故B正確。

72/97遷移3:傳輸方向不確定帶來多解問題一列簡諧橫波沿直線傳輸,該直線上a、b兩點相距4.42m,圖中實、虛兩條曲線分別表示平衡位置在a、b兩點處質(zhì)點振動曲線。由此可知()

73/97A.此列波頻率一定是10HzB.此列波波長一定是0.1mC.此列波傳輸速度一定是34m/sD.a點一定比b點距波源近

74/97【解析】選A。由圖讀出周期為T=0.1s,則此波頻率為f==10Hz,故A正確;若波從a傳到b,則所用時間為t=(0.1n+0.03)s,波速為v=m/s,(n=0,1,2…),當n=1時,波速為34m/s,波長為λ=vT=m,n是整數(shù),λ不可能等于0.1m。若波從b傳到a,則所用時間為t=(0.1n+0.07)s,波速v=m/s,(n=0,1,2…),波長為λ=vT=m,n是整數(shù),v不可能等于34m/s且75/97λ不可能等于0.1m,故B、C錯誤;由圖不能斷定波傳輸方向,也就無法確定哪一點距波源近一些,故D錯誤。76/97【加固訓練】甲、乙兩列簡諧橫波在同一介質(zhì)中分別沿x軸正向和負向傳輸,波速均為v=25cm/s,兩列波在t=0時波形曲線如圖所表示。求:

77/97(1)t=0時,介質(zhì)中偏離平衡位置位移為16cm全部質(zhì)點x坐標。(2)從t=0開始,介質(zhì)中最早出現(xiàn)偏離平衡位置位移為-16cm質(zhì)點時間。

78/97【解析】(1)t=0時,在x=50cm處兩列波波峰相遇,該處質(zhì)點偏離平衡位置位移為16cm。兩列波波峰相遇處質(zhì)點偏離平衡位置位移均為16cm。從圖線能夠看出,甲、乙兩列波波長分別為λ1=50cm,λ2=60cm① 甲、乙兩列波波峰x坐標分別為79/97x1=(50+k1λ1)cm,k1=0,±1,±2,…②x2=(50+k2λ2)cm,k2=0,±1,±2,…③由①②③式得,介質(zhì)中偏離平衡位置位移為16cm全部質(zhì)點x坐標為x=(50+300n)cm(n=0,±1,±2,…)④80/97(2)只有兩列波波谷相遇處質(zhì)點位移為-16cm。t=0時,兩波波谷間x坐標之差為Δx′=式中,m1和m2均為整數(shù)。將①式代入⑤式得Δx′=cm⑥因為m1、m2均為整數(shù),相向傳輸波谷間距離最小為Δx0′=5cm⑦81/97從t=0開始,介質(zhì)中最早出現(xiàn)偏離平衡位置位移為-16cm質(zhì)點時間為t=⑧代入數(shù)據(jù)得t=0.1s82/97答案:(1)x=(50+300n)cm(n=0,±1,±2,…)(2)0.1s

83/97考點4波干涉現(xiàn)象和多普勒效應【關鍵要素精講】1.波干涉現(xiàn)象中加強點、減弱點兩種判斷方法:(1)公式法:某質(zhì)點振動是加強還是減弱,取決于該點到兩相干波源距離之差Δr。①當兩波源振動步調(diào)一致時。若Δr=nλ(n=0,1,2…),則振動加強;84/97若Δr=(2n+1)(n=0,1,2…),則振動減弱。②當兩波源振動步調(diào)相反時。若Δr=(2n+1)(n=0,1,2,…),則振動加強;若Δr=nλ(n=0,1,2,…),則振動減弱。85/97(2)圖象法:在某時刻波干涉波形圖上,波峰與波峰(或波谷與波谷)交點,一定是加強點,而波峰與波谷交點一定是減弱點,各加強點或減弱點各自連接而成以兩波源為中心向外輻射連線,形成加強線和減弱線,兩種線相互間隔,加強點與減弱點之間各質(zhì)點振幅介于加強點與減弱點振幅之間。86/972.多普勒效應:當波源與觀察者相互靠近或者相互遠離時,觀察者接收到波頻率會發(fā)生改變。(1)波源與觀察