2019年高考物理考纲解读与热点难点突破专题13机械振动和机械波光原子结构与原子核教学案.pdf
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1、专题 13 机械振动和机械波 光 原子结构与原子核专题 13 机械振动和机械波 光 原子结构与原子核 【2019 年高考考纲解读】【2019 年高考考纲解读】 (1)机械波的形成和产生、机械波的特点 (2)简谐运动图象和波的图象及二者的关系 (3)波速、波长、周期之间的关系:vT (4)光的折射和全反射的理解与应用 (5)光的干涉、衍射及双缝干涉实验 (6)电磁波的有关性质 (7)玻尔理论的三个要点 (8)光电效应方程 (9)核反应方程及核反应类型 (10)质量亏损及核能 【命题趋势】 1以图象为主,考查简谐运动的特点和波传播的空间关系,题型仍为选择题 2以几何光学中的光的折射率和光的全反射为
2、重点进行考查考查形式有两种:一种是以常规模型为 背景,如平行玻璃板、三棱镜、玻璃砖等;一种是以实际生活材料为情景,考查折射率、全反射等基本规 律的应用,题型为选择题或计算题 3电磁波部分内容是近几年课标卷的冷考点,今后也应该重视 4.结合经典物理理论和最新科技成果对原子结构和原子核这部分内容进行考查 【重点、难点剖析】【重点、难点剖析】 一、机械振动、机械波与光的折射、全反射的组合一、机械振动、机械波与光的折射、全反射的组合 1.简谐振动 (1)函数关系:xAsin t (2)图象 2机械波 (1)波的传播特点 (2)图象 (3)波速v v x t T 3光的折射、全反射 (1)折射率n n
3、sin i sin r c v (2)全反射 sin C1 n 二、光的干涉、衍射 二、光的干涉、衍射 1.双缝干涉 形成明、暗相间的间距相等的条纹 相邻条纹间距 x. L d 2光的衍射:产生明显衍射的条件:障碍物或孔的尺寸与光的波长差不多或比光的波长小 形成明、暗相间的间距不相等的条纹 三、玻尔理论与动量守恒定律的组合三、玻尔理论与动量守恒定律的组合 1.玻尔理论的基本内容 能级假设:氢原子En,n为量子数 E1 n2 跃迁假设:hE末E初 轨道量子化假设:氢原子rnn2r1,n为量子数 2. 四、光电效应现象与动量守恒定律的组合四、光电效应现象与动量守恒定律的组合 1.爱因斯坦光电效应方
4、程:EkhW0. 图 6145 2用图象表示光电效应方程 极限频率:图线与轴交点的横坐标0. 逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0E. 普朗克常量:图线的斜率kh. 【题型示例】【题型示例】 题型一、 机械振动及图像题型一、 机械振动及图像 例 1 【2017天津卷】手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动,带动绳上的其他质点 振动形成简谐波沿绳水平传播,示意如图。绳上有另一质点P,且O、P的平衡位置间距为L。t=0 时,O位 于最高点,P的位移恰好为零,速度方向竖直向上,下列判断正确的是 A该简谐波是纵波 B该简谐波的最大波长为 2L C 8 T t 时,P在平衡位置上方 D 3
5、 8 T t 时,P的速度方向竖直向上 【答案】C 【变式探究】 【2017北京卷】某弹簧振子沿x轴的简谐运动图象如图所示,下列描述正确的是 At=1 s 时,振子的速度为零,加速度为负的最大值 Bt=2 s 时,振子的速度为负,加速度为正的最大值 Ct=3 s 时,振子的速度为负的最大值,加速度为零 Dt=4 s 时,振子的速度为正,加速度为负的最大值 【答案】A 【解析】在t=1 s 和t=3 s 时,振子偏离平衡位置最远,速度为零,回复力最大,加速度最大,方向指 向平衡位置, A 正确, C 错误 ; 在t=2 s 和t=4 s 时, 振子位于平衡位置, 速度最大, 回复力和加速度均为零
6、, BD 错误。 【2016北京卷】 如图 1所示,弹簧振子在M、N之间做简谐运动以平衡位置O为原点,建立Ox 轴向右为x轴正方向若振子位于N点时开始计时,则其振动图像为( ) 图 1 图 1 【答案】A 【举一反三】 2015山东理综,38(1)如图,轻弹簧上端固定,下端连接一小物块,物块沿竖直方向 做简谐运动以竖直向上为正方向,物块简谐运动的表达式为y0.1sin(2.5t)m.t0 时刻,一小球从 距物块h高处自由落下;t0.6 s 时,小球恰好与物块处于同一高度取重力加速度的大小g10 m/s2.以 下判断正确的是( ) ah1.7 m b简谐运动的周期是 0.8 s c0.6 s 内
7、物块运动的路程是 0.2 m dt0.4 s 时,物块与小球运动方向相反 【答案】ab 【变式探究】在科学研究中,科学家常将未知现象同已知现象进行比较,找出其共同点,进一步推测 未知现象的特性和规律法国物理学家库仑在研究异种电荷的吸引力问题时,曾将扭秤的振动周期与电荷 间距离的关系类比单摆的振动周期与摆球到地心距离的关系已知单摆摆长为l,引力常量为G,地球质量 为M,摆球到地心的距离为r,则单摆振动周期T与距离r的关系式为( ) AT2r BT2r GM l l GM CT DT2l 2 r GM l r GM 【答案】B 【解析】由单摆周期公式T2及黄金代换式GMgr2,得T 2r. l g
8、 l GM 【变式探究】一位游客在千岛湖边欲乘坐游船,当日风浪较大,游船上下浮动可把游船浮动简化成 竖直方向的简谐运动,振幅为 20 cm,周期为 3.0 s当船上升到最高点时,甲板刚好与码头地面平齐地 面与甲板的高度差不超过 10 cm 时,游客能舒服地登船在一个周期内,游客能舒服登船的时间是( ) A0.5 s B0.75 s C1.0 s D1.5 s 【答案】C 【解析】解法一 由题意知,游客舒服登船时间t 21.0 s. 2 3 T 4 解法二 设振动图象表达式为yA sin t,由题意可知t1或t2 ,其中 6 5 6 2 T 2 3 rad/s,解得t10.25 s 或t21.2
9、5 s,则游客舒服登船时间 tt2t11.0 s. 题型二 机械波题型二 机械波 例 2(2018高考全国卷 )一列简谐横波在t s 时的波形图如图(a)所示,P、Q是介质中的两个 1 3 质点图(b)是质点Q的振动图象求 波速及波的传播方向; 质点Q的平衡位置的x坐标. 【解析】由图(a)可以看出,该波的波长为 36 cm 设质点P、Q平衡位置的x坐标分别为xP、xQ.由图(a)知,x0 处y Asin(30),因此xP A 2 3 cm 30 360 由图(b)知,在t0 时Q点处于平衡位置,经 t s,其振动状态向x轴负方向传播至P点处, 1 3 由此及式有 xQxPvt6 cm 由式得
10、,质点Q的平衡位置的x坐标为 xQ9 cm. 【变式探究】【2017新课标卷】(5 分)如图,一列简谐横波沿x轴正方向传播,实线为t=0 时的 波形图,虚线为t=0.5 s 时的波形图。已知该简谐波的周期大于 0.5 s。关于该简谐波,下列说法正确的是 _(填正确答案标号。选对 1 个得 2 分,选对 2 个得 4 分,选对 3 个得 5 分。每选错 1 个扣 3 分,最 低得分为 0 分)。 A波长为 2 mB波速为 6 m/sC频率为 1.5 Hz Dt=1 s 时,x=1 m 处的质点处于波峰 Et=2 s 时,x=2 m 处的质点经过平衡位置 【答案】BCE 【变式探究】 【2016全
11、国卷】 【物理选修 34】 (1)某同学漂浮在海面上,虽然水面波正平稳地以 1.8 m/s 的速率向着海滩传播,但他并不向海滩靠 近该同学发现从第 1 个波峰到第 10 个波峰通过身下的时间间隔为 15 s下列说法正确的是_ A水面波是一种机械波 B该水面波的频率为 6 Hz C该水面波的波长为 3 m D水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时能量不会传递出去 E水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时振动的质点并不随波迁移 【答案】 (1)ACE 【解析】水面波是一种机械波,故 A 正确;该同学发现从第 1 个波峰到第 10 个波峰通过身上的时间间 隔为 15 s, 所以周期T s s
12、, 该水面波的频率f0.6 Hz, 故 B 错误 ; 该水面波的波长vT3 t n 15 9 5 3 m,故 C 正确;水面波没有将该同学推向岸边,只能 说是因为波传播时振动的质点并不随波迁移,不能说是 因为波传播时能量不会传递出去,波的传播过程也是能量传递的过程,故 D 错误,E 正确 【举一反三】(2015北京理综,15,6 分)周期为 2.0 s 的简谐横波沿x轴传播,该波在某时刻的图象 如图所示,此时质点P沿y轴负方向运动,则该波( ) A沿x轴正方向传播,波速v20 m/s B沿x轴正方向传播,波速v10 m/s C沿x轴负方向传播,波速v20 m/s D沿x轴负方向传播,波速v10
13、 m/s 【答案】B 【变式探究】(2015四川理综,2,6 分)平静湖面传播着一列水面波(横波),在波的传播方向上有相 距 3 m 的甲、乙两小木块随波上下运动,测得两小木块每分钟都上下 30 次,甲在波谷时,乙在波峰,且两木 块之间有一个波峰这列水面波( ) A频率是 30 Hz B波长是 3 m C波速是 1 m/s D周期是 0.1 s 【答案】C 【解析】由题意知T s2 s,f 0.5 Hz,A、D 错误 ;3 m,则2 m,B 错误 ; 由v 60 30 1 T 3 2 T m/s1 m/s,所以 C 正确 2 2 【变式探究】(2015天津理综,3,6 分)图甲为一列简谐横波在
14、某一时刻的波形图,a、b两质点的横坐 标分别为xa2 m 和xb6 m,图乙为质点b从该时刻开始计时的振动图象下列说法正确的是( ) A该波沿x方向传播,波速为 1 m/s B质点a经 4 s 振动的路程为 4 m C此时刻质点a的速度沿y方向 D质点a在t2 s 时速度为零 【答案】D 【变式探究】2015江苏单科,12B(1)(多选)一渔船向鱼群发出超声波,若鱼群正向渔船靠近,则 被鱼群反射回来的超声波与发出的超声波相比( ) A波速变大 B波速不变 C频率变高 D频率不变 【答案】BC 【解析】在同种介质中,超声波的传播速度保持不变,根据多普勒效应可知,频率变高,所以 B、C 正 确 【
15、变式探究】2015海南单科,16(1),4 分(多选)一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t0时刻的 波形如图所示,质点P的x坐标为 3 m已知任意振动质点连续 2 次经过平衡位置的时间间隔为 0.4 s下 列说法正确的是( ) A波速为 4 m/s B波的频率为 1.25 Hz Cx坐标为 15 m 的质点在t0.6 s 时恰好位于波谷 Dx坐标为 22 m 的质点在t0.2 s 时恰好位于波峰 E当质点P位于波峰时,x坐标为 17 m 的质点恰好位于波谷 【答案】BDE 【解析】任意振动质点连续 2 次经过平衡位置的时间间隔为 0.4 s,则T0.4 s,解得T0.8 s从 1 2 图象中可知
16、4 m,所以波速为v5 m/s,故 A 错误;根据公式f 可得波的频率为 1.25 T 4 0.8 1 T Hz,B 正确 ;x坐标为 15 m 的质点距波源 x3,此时在波谷位置经t0.6 s 即tT,质点振动到 3 4 3 4 平衡位置,C错误 ;x的坐标为22 m的质点距波源x5,此时在平衡位置向上运动,质点经过t0.2 s 即四 2 分之一周期恰好位于波峰,D正确 ; 当质点P位于波峰时,x坐标为17 m的质点距P的距离x14 m即 x3,此时坐标为 17 m 的质点恰好位于波谷,E 正确 2 题型三 综合应用题型三 综合应用 例 3(2018高考全国卷 )一列简谐横波沿x轴正方向传播
17、,在t0 和t0.20 s 时的波形分别如 图中实线和虚线所示已知该波的周期T0.20 s下列说法正确的是( ) A波速为 0.40 m/s B波长为 0.08 m Cx0.08 m 的质点在t0.70 s 时位于波谷 Dx0.08 m 的质点在t0.12 s 时位于波谷 E若此波传入另一介质中其波速变为 0.80 m/s,则它在该介质中的波长为 0.32 m 【答案】ACE 【变式探究】(2017高考全国卷)如图,一列简谐横波沿x轴正方向传播,实线为t0 时的波形图, 虚线为t0.5 s 时的波形图已知该简谐波的周期大于 0.5 s关于该简谐波,下列说法正确的是( ) A波长为 2 m B波
18、速为 6 m/s C频率为 1.5 Hz Dt1 s 时,x1 m 处的质点处于波峰 Et2 s 时,x2 m 处的质点经过平衡位置 【答案】BCE 【变式探究】 【2016全国卷】 【物理选修 34】 (2)一列简谐横波在介质中沿x轴正向传播, 波长不小于 10 cm.O和A是介质中平衡位置分别位于x 0 和x5 cm 处的两个质点t0 时开始观测,此时质点O的位移为y4 cm,质点A处于波峰位置;t 1 3 s 时,质点O第一次回到平衡位置,t1 s 时,质点A第一次回到平衡位置求: (i)简谐波的周期、波速和波长; (ii)质点O的位移随时间变化的关系式 【答案】 (i)4 s 7.5
19、cm/s 30 cm 【解析】 (i)设振动周期为T.由于质点A在 0 到 1 s 内由最大位移处第一次回到平衡位置, 经历的是1 4 个周期,由此可知 T4 s 由于质点O与A的距离 5 cm 小于半个波长,且波沿x轴正向传播,O在t s 时回到平衡位置,而A 1 3 在t1 s 时回到平衡位置,时间相差 s两质点平衡位置的距离除以传播时间,可得波的速度 2 3 v7.5 cm/s 利用波长、波速和周期的关系得,简谐波的波长 30 cm (ii)设质点O的位移随时间变化的关系为 yAcos ( 2t T 0) 将式及题给条件代入上式得 4Acos 0 0Acos( 6 0) 解得0,A8 c
20、m 3 质点O的位移随时间变化的关系式为 y0.08cos(国际单位制) ( t 2 3) 或y0.08sin(国际单位制) ( t 2 5 6) 【举一反三】2015新课标全国,34(2),10 分平衡位置位于原点O的波源发出的简谐横波在均匀 介质中沿水平x轴传播,P、Q为x轴上的两个点(均位于x轴正向),P与O的距离为 35 cm,此距离介于一 倍波长与二倍波长之间已知波源自t0 时由平衡位置开始向上振动,周期T1 s,振幅A5 cm.当波传 到P点时,波源恰好处于波峰位置;此后再经过 5 s,平衡位置在Q处的质点第一次处于波峰位置求: ()P、Q间的距离; ()从t0 开始到平衡位置在Q
21、处的质点第一次处于波峰位置时,波源在振动过程中通过的路程 【答案】()133 cm ()125 cm 【变式探究】2015新课标全国,34(2),10 分甲、乙两列简谐横波在同一介质中分别沿x轴正向 和负向传播,波速均为v25 cm/s.两列波在t0 时的波形曲线如图所示求: ()t0 时,介质中偏离平衡位置位移为 16 cm 的所有质点的x坐标; ()从t0 开始,介质中最早出现偏离平衡位置位移为16 cm 的质点的时间 【答案】()x(50300n) cm (n0,1,2,3,) ()0.1 s 【解析】()两列波的振幅均为 8 cm,故偏离平衡位置位移为 16 cm 的质点应为两列波的波
22、峰相遇处的 质点 根据波形图可知,甲、乙的波长分别为 乙60 cm,甲50 cm 则甲、乙两列波的波峰坐标分别为 x甲(50k150)cm (k10,1,2,3,) x乙(50k260)cm (k20,1,2,3,) 综上分析,所有波峰和波峰相遇的质点x坐标应为 x(50300n) cm (n0,1,2,3,) 【变式探究】2015重庆理综,11(2),6 分下图为一列沿x轴正方向传播的简谐机械横波某时刻的 波形图,质点P的振动周期为 0.4 s求该波的波速并判断P点此时的振动方向 【答案】2.5 m/s 沿y轴正方向 【解析】由波形图可知,波长1.0 m,则波速为v2.5 m/s T 由波传
23、播方向和质点振动方向可知,P点的振动方向沿y轴正方向 题型四 光的折射和全反射题型四 光的折射和全反射 例 4(2018高考全国卷 )如图,ABC为一玻璃三棱镜的横截面,A30.一束红光垂直AB边 射入,从AC边上的D点射出,其折射角为 60,则玻璃对红光的折射率为_若改用蓝光沿同一路 径入射,则光线在D点射出时的折射角_(填“小于”“等于”或“大于”)60. 【变式探究】(2018高考全国卷)如图,ABC是一直角三棱镜的横截面,A90,B60. 一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出EG垂直于AC交BC 于G,D恰好是CG的中点不计多次反射 (1)求出
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