2019年高考物理备考中等生百日捷进提升系列专题16机械振动和机械波含解析.doc
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1、专题16 机械振动和机械波第一部分名师综述综合分析近几年的高考物理试题发现,试题在考查主干知识的同时,注重考查的基本概念和基本规律。考纲要求(1)知道简谐运动的概念,理解简谐运动的表达式和图象;知道什么是单摆,知道在摆角较小的情况下单摆的运动是简谐运动,熟记单摆的周期公式;理解受迫振动和共振的概念,掌握产生共振的条件(2) 知道机械波的特点和分类;掌握波速、波长和频率的关系,会分析波的图象.3.理解波的干涉、衍射现象和多普勒效应,掌握波的干涉和衍射的条件命题规律(1)考查的热点有简谐运动的特点及图象;题型以选择题和填空题为主,难度中等偏下,波动与振动的综合也有计算题的形式考查。(2)考查的热点
2、有波的图象以及波长、波速、频率的关系题型以选择题和填空题为主,难度中等偏下,波动与振动的综合也有计算题的形式考查第二部分知识背一背(1)简谐运动的特征动力学特征:Fkx.运动学特征:x、v、a均按正弦或余弦规律发生周期性变化(注意v、a的变化趋势相反)能量特征:系统的机械能守恒,振幅A不变简谐运动的运动学表达式:xAsin (t),其中A代表振幅,2f表示简谐运动的快慢,(t)代表简谐运动的相位,叫做初相。(2)单摆视为简谐运动的条件:摆角小于5.周期公式:单摆的等时性:单摆的振动周期取决于摆长l和重力加速度g,与振幅和振子(小球)质量都没有关系(3)受迫振动与共振受迫振动:系统在驱动力作用下
3、的振动做受迫振动的物体,它的周期(或频率)等于驱动力的周期(或频率),而与物体的固有周期(或频率)无关共振:做受迫振动的物体,它的固有频率与驱动力的频率越接近,其振幅就越大,当二者相等时,振幅达到最大,这就是共振现象共振曲线如图所示。(4)机械波的形成条件:波源;介质(5)机械波的特点机械波传播的只是振动的形式和能量,质点只在各自的平衡位置附近做简谐运动,并不随波迁移介质中各质点的振幅相同,振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同各质点开始振动(即起振)的方向均相同一个周期内,质点完成一次全振动,通过的路程为4A,位移为零(6)波长、波速、频率及其关系波长:在波动中,振动相位总是相同的两个相
4、邻质点间的距离,用表示波速:波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定;波速的计算公式:vT或。频率:由波源决定,等于波源的振动频率波长、波速和频率的关系:vf.特别提醒1.机械波从一种介质进入另一种介质,频率不变,波速、波长都改变(7)波的干涉和衍射产生稳定干涉的条件:频率相同的两列同性质的波相遇现象:两列波相遇时,某些区域振动总是加强,某些区域振动总是减弱,且加强区和减弱区互相间隔对两个完全相同的波源产生的干涉来说,凡到两波源的路程差为一个波长整数倍时,振动加强;凡到两波源的路程差为半个波长的奇数倍时,振动减弱产生明显衍射现象的条件:障碍物或孔(缝)的尺寸跟波长差不多,或者比波长更小(8)多
5、普勒效应波源不动:观察者向波源运动,接收频率增大;观察者背离波源运动,接收频率减小观察者不动:波源向观察者运动,接收频率增大;波源背离观察者运动,接收频率减小当波源与观察者相互靠近时,观察者接收到的频率变大,当波源与观察者相互远离时,观察者接收到的频率变小。第三部分技能+方法一、简谐运动的图象及运动规律振动图象的信息:由图象可以知道振幅、周期。可以确定某时刻质点离开平衡位置的位移。可以根据图象确定某时刻质点回复力、加速度和速度的方向。特别提醒:回复力和加速度的方向:因回复力总是指向平衡位置,故回复力和加速度在图象上总是指向t轴;速度的方向:速度的方向可以通过下一时刻位移的变化来判定,下一时刻位
6、移如增加,振动质点的速度方向就是远离t轴,下一时刻位移如减小,振动质点的速度方向就是指向t轴。规律总结:(a)大小变化规律:位移、回复力、加速度三个物理量同步变化,与速度的变化步调相反(b)方向变化规律:各矢量在其值为零时改变方向,其中速度在最大位移处改变方向,位移、回复力、加速度在平衡位置改变方向二、简谐运动的“三性”简谐运动的对称性:做简谐运动的质点,在距平衡位置等距离的两点上时,具有大小相等的速度和加速度简谐运动的多解性:做简谐运动的质点,在运动上是一个变加速运动,质点运动相同的路程所需的时间不一定相同,它是一个周期性的运动若运动的时间与周期的关系存在整数倍的关系,则质点运动的路程就不会
7、是唯一的简谐运动的周期性:位移和速度均大小相等、方向相反的两个时刻之间的时间为半个周期的奇数倍;位移和速度均相同的两个时刻间的时间为周期的整数倍.三、解答有关振动图象的题目时,要注意:将图象与题目中振子的运动情景结合起来从图象中找到一些有用的信息,如振幅、周期、各时刻的位移等将图象所表现的信息与振子运动的几个特点结合起来,如振子的对称性、周期性.四、自由振动、受迫振动和共振的关系比较振动项目自由振动受迫振动共振受力情况仅受回复力受驱动力作用受驱动力作用振动周期或频率由系统本身性质决定,即固有周期T0或固有频率f0由驱动力的周期或频率决定,即TT驱或ff驱T驱T0或f驱f0振动能量振动物体的机械
8、能不变由产生驱动力的物体提供振动物体获得的能量最大常见例子弹簧振子或单摆(5)机械工作时底座发生的振动共振筛、声音的共鸣等五、质点的振动方向与波的传播方向的互判方法上下坡法沿波的传播方向看,“上坡”的点向下运动,“下坡”的点向上运动,简称“上坡下,下坡上”,如图所示带动法如图所示,在质点P靠近波源一方附近的图象上另找一点P,若P在P上方,则P向上运动,若P在P下方,则P向下运动微平移法原理:波向前传播,波形也向前平移方法:作出经微小时间t后的波形,如图8虚线所示,就知道了各质点经过t时间到达的位置,也就知道了此刻质点的振动方向,可知图中P点振动方向向下六、振动图象与波动图象振动图象波动图象研究
9、对象一振动质点沿波传播方向的所有质点研究内容一质点的位移随时间的变化规律某时刻所有质点的空间分布规律图象物理意义表示同一质点在各时刻的位移表示某时刻各质点的位移图象信息(1)质点振动周期(2)质点振幅(3)某一质点在各时刻的位移(4)各时刻速度、加速度的方向(1)波长、振幅(2)任意一质点在该时刻的位移(3)任意一质点在该时刻的加速度方向(4)传播方向、振动方向的互判图象变化随时间推移,图象延续,但已有形状不变随时间推移,波形沿传播方向平移一完整曲线占横坐标的距离表示一个周期表示一个波长七、波的干涉、衍射、多普勒效应波的干涉中振动加强点和减弱点的判断某质点的振动是加强还是减弱,取决于该点到两相
10、干波源的距离之差x.(a)当两波源振动步调一致时若xn(n0,1,2,),则振动加强;若x(2n1) (n0,1,2,),则振动减弱(b)当两波源振动步调相反时若x(2n1) (n0,1,2,),则振动加强;若xn(n0,1,2,),则振动减弱波的衍射现象是指波能绕过障碍物继续传播的现象,产生明显衍射现象的条件是缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不大或者小于波长八、波的多解问题的处理方法造成波动问题多解的主要因素有(a)周期性:时间周期性:时间间隔t与周期T的关系不明确;空间周期性:波传播距离x与波长的关系不明确(b)双向性:传播方向双向性:波的传播方向不确定;振动方向双向性:质点振动方向不
11、确定解决波的多解问题的思路一般采用从特殊到一般的思维方法,即找出一个周期内满足条件的关系t或x,若此关系为时间,则tnTt(n0,1,2);若此关系为距离,则xnx(n0,1,2)第四部分基础练+测1如图所示,实线是一列简诸横波在t1时刻的波形图,M是平衡位置距O点5m的质点,虚线是t2=(t1+0.2)s时刻的波形图。下列说法中,正确的是_A该波遇到长度为3米的障碍物时将会发生明显衍射现象B波速可能为20m/sC该波的周期可能为0.6sD若波速为35m/s,该波一定沿着x轴负方向传播E. 若波速为15m/s,从t1到t2时刻,质点M运动的路程为60cm【答案】 ADE【解析】【详解】因该波的
12、波长为=4m,则该波遇到长度为3米的障碍物时将会发生明显衍射现象,选项A正确;若波向右传播,则v=4n+10.2m/s=(20n+5)m/s,T=v=420n+5s(n=0、1、2、3.);若波向左传播,则v=4n+30.2m/s=(20n+15)m/s,T=v=420n+15s(n=0、1、2、3.);可知波速不可能为20m/s,周期不可能为0.6s,选项BC错误;由v=(20n+15)m/s可知,当n=1时,v=35m/s,则若波速为35m/s,该波一定沿着x轴负方向传播,选项D正确;若波速为15m/s,则波向左传播,此时T=T=v=415s,则从t1到t2时刻,即经过t=0.2s=34T
13、,质点M运动的路程为2A=60cm,选项E正确.2有位游客在海岸边观光,此时他发现海面上吹起了波浪,他通过观察岸边某一浮标的振动,画出了浮标从某一时刻计时开始的振动图象,设该时刻t=0,如图所示。他同时以身边的浮标为原点,从t=0时刻开始计时,画出了在t=4 s时的部分水波图象,如图所示。则下列说法中正确的是_。A波的传播周期为4 sB该列水波传播方向是沿x轴的正方向传播C水波波速大小为v=4 m/sD根据题目中的条件求不出水波传播的速度E. 若现在以图2中的波形为计时的起点,那么当质点A第一次达到波峰时,质点B离平衡位置的距离为s=0.2 m【答案】 ABE【解析】【详解】由题图1可知波的振
14、动周期为T=4 s,故A正确;由题图1可知在t=4 s时浮标沿y轴负向振动,由波的传播方向与质点振动方向的关系知,此时水波正沿x轴的正方向传播,故B正确;由题图2可知,水波的波长为1.50=4 m,水波传播的波速为v=T=1m/s,故CD错误。若现在以题图2中的波形为计时的起点,此时质点A是向上振动,质点B是向下振动。经2 s后质点A到达波峰,此时质点B恰好达到波谷,故此时质点B离平衡位置的距离为s=20 cm=0.2 m,故E正确3如图甲所示,上端固定的弹簧振子在竖直方向上做简谐运动,当振子到达最高点时,弹簧处于原长。选取向上为正方向,弹簧振子的振动图像如图乙所示。则下列说法中正确的是_A弹
15、簧的最大伸长量为0.1 mB弹簧振子的振动频率为2 HzC在1-1.5 s内,弹簧振子的动能逐渐减小D在0-0.5 s内,弹簧振子的加速度逐渐减小E. 在l.5-2.0 s内,弹簧振子的弹性势能逐渐减小【答案】 ACE【解析】【详解】A.由振动图像可知,弹簧的最大伸长量为0.1m,故A正确;B. 由振动图像可知,弹簧振子的振动周期为2s,频率f=1/T=0.5Hz,故B错误;C. 在1-1.5 s内,弹簧振子由平衡位置向负的最大位移运动,动能逐渐减小,故C正确;D. 在0-0.5 s内,弹簧振子由平衡位置向正的最大位移运动,根据f=-kx,弹簧振子的回复力逐渐增大,加速度逐渐增大,故D错误;E
16、. 在l.5-2.0 s内,弹簧振子由负的最大位移向平衡位置运动,弹簧形变量逐渐减小,弹性势能逐渐减小,故E正确。故选:ACE4如图所示为一列简谐横波在0时刻的波形图,已知波向x轴正方向传播,且波速为2 m/s,图中质点P的位移为2 cm。以下说法正确的是_A波源的振动周期为1 sB0时刻质点P的速度增大C在0时刻,质点P的加速度比平衡位置x=1 m的质点的加速度大D质点P比平衡位置x=1.5 m的质点先回到平衡位置E. 再过20 s,质点P的路程等于3.2 m【答案】 ACE【解析】【详解】波长为2 m,波速为2 m/s,根据公式=vT,T=1 s,A正确。由于波向右传播,“上坡下下坡上”,
17、P质点位于下坡,故它正远离平衡位置,速度变小,B错误。回复力正比于离开平衡位置的位移,加速度正比于回复力,故C正确。P质点0时刻正向远离平衡位置,它回到平衡位置的时间要大于四分之一个周期,而平衡位置x=1.5 m的质点正在波谷,只需要四分之一个周期即回到平衡位置,故D错误。质点一个周期的路程为四倍振幅,20 s即为20个周期,路程等于80个振幅,即3.2 m,E正确.5一列简谐横波沿x轴传播,t=0时的波形如图所示,质点A与质点B相距2m,质点A的速度沿y轴正方向:t=0.01s时,质点A第一次到达正向最大位移处,由此可知;A此波的传播速度为100m/sB此波沿x轴负方向传播C此波沿x轴正方同
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