【学案与测评】高中物理 机械运动 机械波 鲁科选修34

考纲点击,1.简谐运动2.简谐运动的公式和图象3.单摆及周期公式4.受迫振动和共振5.机械波6.横波和纵波7.横波的图象8.波速、波长和频率(周期)的关系9.波的干涉和衍射现象10.多普勒效应实验一：探究单摆的运动，用单摆测定重力加速度,备考导读1.本章综合运用运动学、动力学和能的转化等方面的知识讨论了两种常见的运动形式机械振动和机械波的特点和规律，以及它们之间的联系与区别因此概念较多，考点较多，而且对图象要求层次较高在复习时，应注意对概念的理解和记忆，在理解和掌握简谐运动的运动学特征和动力学特征的基础上，进而掌握机械波的相关知识2.高考命题频率较高的知识点是波的图象、频率、波长及波速的关系，其次是单摆，题型多以选择题、填空题的形式出现，题目信息容量大，综合性强，往往考查多个概念和规律，特别是通过图象考查对波的理解能力、推理能力和空间想像能力等题型多以选择题、填空题形式出现第第1节机械振动节机械振动一、振动及描述振动的物理量1.位移x：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段，是矢量2.振幅A：振动物体离开平衡位置的最大距离，是标量表示振动的强弱3.周期T和频率f：做简谐运动的物体完成一次全振动所需的时间叫做周期，而频率则等于单位时间内完成全振动的次数它们是表示振动快慢的物理量二者互为倒数关系，即T1/f.当T和f是由振动系统本身的性质决定时(非受迫振动)，则分别叫做固有周期和固有频率4.回复力F：使物体回到平衡位置的合力它是按力的效果命名的，它可以由某一个力提供，也可以由几个力的合力提供，或由某一个力的分力提供模型比较项目,弹簧振子,单摆模型 示意图 特点,忽略摩擦力，弹簧对小球的弹力提供回复力弹簧的质量可以忽略,细线的质量可忽略偏角很小(小于5)重力的切向分力提供向心力公式 回复力：F回kx 平衡位置,F回0位置，弹簧处于原长 F回0位置，小球摆动的最低点(此时F向0)能量转化关系,动能和弹性势能相互转化，机械能守恒 重力势能与动能的相互转化，机械能守恒三、受迫振动与共振1.受迫振动(1)定义：系统在周期性驱动力作用下的振动(2)特点：物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率，与物体的固有频率无关物体做受迫振动的振幅由驱动力频率和物体的固有频率共同决定两者越接近，受迫振动的振幅越大；两者相差越大受迫振动的振幅越小2.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，这就是共振现象简谐运动描述与图象的应用 弹簧振子以O点为平衡位置，在B、C两点间做简谐运 动，在t0时刻，振子从O、B间的P点以速度v向B点运动；在t0.20 s时，振子速度第一次变为v；在t0.50 s时，振子速度第二次变为v.(1)求弹簧振子振动周期T.(2)若B、C之间的距离为25 cm，求振子在4.00 s内通过的路程(3)若BC间的距离为25 cm，从振子经过平衡位置开始计时写出其位移表达式，并画出运动图象【点拨】(1)根据运动的对称性确定周期(2)根据一个周期的路程为4A确定总路程(3)从平衡位置计时，简谐运动的表达式xAsin t，并据此画出图象1.一个质点做简谐运动的图象如图所示，下列说法错误的是()A质点振动频率为4 HzB在10 s内质点经过的路程是20 cmC在5 s末，质点速度为零，加速度最大D在t1.5 s和t4.5 s两时刻质点位移大小相等单摆周期规律的应用 如图所示为一单摆及其振动图象，由图回答：(1)单摆的振幅为_，频率为_，摆长为_，一周期内位移x(F回、a、Ep)最大的时刻为_(2)单摆摆球多次通过同一位置时，下列物理量变化的是_2.(2010海南海口调研)有一摆长为L的单摆，悬点正下方某处有一小钉，当摆球经过平衡位置向左摆动时，摆线的上部将被挡住，使摆长发生变化现使摆球做小角度摆动，图为摆球从右边最高点M摆到左边最高点N的闪光照片(悬点与小钉未被摄入)，P为摆动中的最低点，每相邻两次的时间隔相等，则小钉距悬点的距离为()受迫振动的规律应用(1)(2009宁夏卷)某振动系统的固有频率为f0，在周期性驱动力的作用下做受迫振动，驱动力的频率为f.若驱动力的振幅保持不变，下列说法正确的是_(填入选项前的字母)A当ff0时，该振动系统的振幅随f增大而减小B当f f0时，该振动系统的振幅随f减小而增大C该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f0D该振动系统的振动稳定后，振动的频率等于f(2)现代共振技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域若是利用共振，应该让驱动力的频率_物体的固有频率，若是消除共振，应该让驱动力的频率_物体的固有频率(填“接近”、“远离”)【点拨】(1)受迫振动的频率由驱动力的频率决定(2)受迫振动的振幅由驱动力的频率与固有频率的差决定(3)当驱动力的频率等于固有频率时，物体的振幅最大，达到共振【解析】(1)做受迫振动的物体，振动频率等于驱动力的频率；当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，振动系统的振幅最大，故B、D正确(2)当驱动力的频率等于固有频率时，物体的振幅最大，达到共振利用共振应该让驱动力的频率接近物体的固有频率，消除共振，应该让驱动力的频率远离物体的固频率【答案】(1)BD(2)接近远离3.(2010东北师大附中模拟)如图所示为两个单摆做受迫振动中的共振曲线，则下列说法正确的是()A.两个单摆的固有周期之比为TT25B.若两个受迫振动是在地球上同一地点进行，则两个摆长之比为ll425C.图线若是在地面上完成的，则该摆摆长约为1 mD.若两个受迫振动分别在月球上和地球上进行，且摆长相等，则图线是月球上单摆的共振曲线简谐运动不同于前面复习的直线运动，不能用以往的思维模式分析新问题，不要形成思维定势，要善于接受新知识、新方法，并将其运用到实际问题中去，进而开阔我们分析、解决问题的思路，如自由振动的周期与振幅无关等知识一个弹簧振子，第一次被压缩x后释放做自由振动，周期为T1，第二次被压缩2x后释放做自由振动，周期为T2，则两次振动周期之比T1T2为()A11 B12 C21 D14【错解】B【正解】把振子的运动看成是匀速运动或加速度恒定的匀加速直线运动用匀速或匀加速运动的规律，压缩x时，振幅为x，完成一次全振动的路程为4x.压缩2x时，振幅即为2x，完成一次全振动的路程为8x.由于两种情况下全振动的路程的差异，第二次是第一次的2倍所以，第二次振动的周期一定也是第一次的2倍，所以错选B.事实上，只要是自由振动，其振动的周期只由自身因素决定，对于弹簧振子而言，就是只由弹簧振子的质量m和弹簧的劲度系数k决定的，而与形变大小、也就是振幅无关所以只要弹簧振子这个系统不变(m，k不变)，周期就不会改变，所以正确答案为A.【答案】A第第2节机械波节机械波 一、机械波的传播与图象1.产生条件(1)波源(机械振动)(2)传播振动的介质(相邻质点间存在相互作用力)2.分类(1)横波：质点振动方向和波的传播方向垂直的波，如绳波、水波等(2)纵波：质点振动方向和波的传播方向在同一直线上的波，如弹簧上的疏密波、声波等3.传播特点(1)在同一种均匀介质中机械波的传播是匀速的波速、波长和频率之间满足公式：vf.(2)介质质点的运动是在各自的平衡位置附近的简谐运动，是变加速运动，介质质点并不随波迁移(3)机械波传播的是波源的振动形式、能量和信息(4)机械波的频率由波源决定，而传播速度由介质决定4.波的图象(1)物理意义：波在传播过程中各质点在某时刻的位移情况(2)振动图象与波的图象的比较两种图象比较内容振动图象波的图象研究对象一个振动质点沿波传播方向上的所有质点图象意义一质点位移随时间变化规律某时刻所有质点相对平衡位置的位移图象形状图象信息振动周期振幅各时刻质点位移、加速度(包括大小和方向)波长、振幅任意质点此刻的位移任意质点在该时刻加速度方向图象变化随时间推移图象延续，但原有形状不变随时间推移，图象沿传播方向平移一完整曲线对应横坐标一个周期一个波长二、简谐波的常见问题1.由t时刻波形图画tt时刻的波形图象(1)平移法：先算出经t时间波传播的距离xvt，再把波形沿波的传播方向平移x.当x，即xnx时，可采取去整(n)留零(x)的方法只需平移x即可(2)特殊点法：在波形上找特殊点，如过平衡位置的点、与它相邻的波峰和波谷，判断出这些点经过t后的位置，画出相应的正弦曲线或余弦曲线即可，这种方法只适用于tkT/4(k1,2,3)的情况2.振动方向和波的传播方向的关系(1)若波源开始从平衡位置向上振动，则介质中各质点开始振动的方向也向上(2)波的传播方向和介质中质点的振动方向可以互判具体方法有以下几种微平移法：沿波的传播方向将波的图象进行微小平移，然后由两条波形曲线来判断“上下坡”法：沿着波的传播方向看，上坡的点向下振动，下坡的点向上振动，即“上坡下，下坡上”逆向描迹法：逆着波的传播方向，用笔描波形图，笔头向上，质点向上振动，笔头向下，质点向下振动3.波的多解问题造成波动问题多解的主要因素：(1)周期性时间周期性：时间间隔t与周期T的关系不确定空间周期性：波传播距离x与波长的关系不确定(2)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：质点振动方向不确定如：a.质点达到最大位移处，则有正向和负向最大位移两种可能b质点由平衡位置开始振动，则起振方向有向上、向下两种可能c只知道波速不指明波的传播方向应考虑沿两个方向传播的情况d只给出两时刻的波形，则有多次重复出现的可能解决此类问题时，往往采用从特殊到一般的思维方法，即找到一个周期内满足条件的特例，在此基础上，如知道时间关系则加nT；如知道空间关系则加n.(3)波形的隐含性形成多解在波动问题中，往往只给出完整波形的一部分，或给出几个特殊点，而其他信息均处于隐含状态这样波形就有多种情况，形成相关波动问题的多解三、波特有的现象：干涉、衍射及多普勒效应1.波的干涉与衍射内容分类定义现象可观察到明显现象的条件相同点波的衍射波可以绕过障碍物继续传播的现象波能偏离直线而传到直线传播以外的空间缝或障碍物的尺寸跟波长相差不大或者小于波长干涉和衍射是波特有的现象波的干涉频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱振动强弱区域相间分布，加强区减弱区位置不变两列波的频率相同简谐波的形成和传播规律(2009上海物理卷)弹性绳沿x轴放置，左端位于坐标原点，用手握住绳的左端，当t0时使其开始沿y轴做振幅为8 cm的简谐振动，在t0.25 s时，绳上形成如图所示的波形，则该波的波速为_ cm/s，t_ s时，位于x245 cm的质点N恰好第一次沿y轴正向通过平衡位置【点拨】(1)根据已知形成的波形计算波长和周期(2)根据波的传播特点计算波速，进而判断N的振动情况1.(高考改编题)下列关于简谐振动和简谐波的说法正确的是()A.媒质中质点振动的周期一定和相应的波的周期相等B.媒质中质点振动的速度一定和相应的波的波速相等C.波的传播方向一定和媒质中质点振动的方向一致D.横波的波峰与波谷在振动方向上的距离一定等于振幅【解析】本题考查机械波和机械振动媒质中的质点的振动周期和相应的波传播周期一致，质点振动一周期，波向前传播一周期，A正确而各质点做简谐运动的速度随时间周期性变化，但波在媒质中是匀速向前传播的，所以不相等，B错误对于横波而言传播方向和振动方向是垂直的，C错误根据波的特点可知D错误【答案】A简谐波的多解问题 已知在t1时刻简谐横波的波形如图中实线所示，在时刻t2该波的波形如图中虚线所示，t2t1 0.02 s求：(1)该波可能的传播速度(2)若已知T t2t12T，且图中P质点在t1时刻的瞬时速度方向向上，求可能的波速(3)若0.01 sT10331011衍射能力减弱直线传播能力增强红外线热效应红外线遥感10310710111015可见光引起视觉照明、摄影1071015紫外线荧光效应、能杀菌医用消毒、防伪10710910151017X射线贯穿性强检查零件缺陷、医用透视108101110161019射线贯穿