(江苏专用)2020版高考物理新增分大一轮复习第十三章机械振动与机械波光电磁波与相对论第2讲机械波讲义(含解析).docx
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1、1第 2 讲 机械波一、机械波 横波和纵波1.机械波的形成条件(1)有产生机械振动的波源.(2)有传播介质,如空气、水等.2.机械波的传播特点(1)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,并不随波发生迁移.(2)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.(3)一个周期内,质点完成一次全振动,通过的路程为 4A,位移为零.3.机械波的分类(1)横波:质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波,有波峰(凸部)和波谷(凹部).(2)纵波:质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波,有密部和疏部.二、横波的图象1.坐标轴:横轴表示各质点的平衡位
2、置,纵轴表示该时刻各质点的位移.2.意义:表示在波的传播方向上,某时刻各质点离开平衡位置的位移.3.图象:(如图 1)图 1自测 1 (多选)简谐横波某时刻的波形如图 2 所示, P 为介质中的一个质点,以下说法正确的是( )图 22A.若波沿 x 轴正方向传播,则 P 质点此时刻速度沿 x 轴正方向B.若波沿 x 轴正方向传播,则 P 质点此时刻加速度沿 y 轴正方向C.再过半个周期时,质点 P 的位移一定为负值D.经过一个周期时,质点 P 通过的路程为 4a答案 CD三、波长、波速、频率及其关系1.波长 在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离.2.波速 v波在介质中的传播速度,由
3、介质本身的性质决定.3.频率 f由波源决定,等于波源的振动频率.4.波长、波速和频率(周期)的关系(1)v f ;(2) v . T自测 2 (多选)关于机械振动与机械波,下列说法正确的是( )A.机械波的频率等于振源的振动频率B.机械波的传播速度与振源的振动速度相等C.在一个周期内,沿着波的传播方向,振动在介质中传播一个波长的距离D.机械波在介质中传播的速度由介质本身决定答案 ACD四、波的干涉和衍射 多普勒效应1.波的干涉和衍射波的干涉 波的衍射条件 两列波的频率必须相同发生明显衍射的条件:障碍物或孔的尺寸比波长小或相差不多现象形成加强区和减弱区相互隔开的稳定的干涉图样波能够绕过障碍物或孔
4、继续向前传播32.多普勒效应(1)条件:声源和观察者之间有相对运动(距离发生变化).(2)现象:观察者感到频率发生变化.(3)实质:声源频率不变,观察者接收到的频率变化.自测 3 (多选)以下关于波的衍射的说法,正确的是( )A.波遇到障碍物时,一定会发生明显的衍射现象B.当障碍物的尺寸比波长大得多时,会发生明显的衍射现象C.当孔的大小比波长小时,会发生明显的衍射现象D.通常讲话产生的声波,经过尺寸为 1m 左右的障碍物时会发生明显的衍射现象答案 CD命题点一 机械波的传播特点1.前面的质点带动后面的质点,后面的质点重复前面质点的运动,都在重复波源的振动.2.介质中各质点的起振方向都与波源的起
5、振方向相同,只不过离波源近的质点先起振,离波源较远的质点起振得要迟一些.3.各质点的振动周期、频率和波源的振动周期、频率相同.波速由介质决定.4.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,质点并不随波迁移.例 1 (2018扬州中 学 月 考 )如 图 3 所 示 , 在 坐 标 原 点 O 处 有 一 质点 S,它沿 y 轴做频率为10Hz、振幅为 2cm 的简谐运动,形成的波沿 x 轴传播,波速为 4m/s,当 t0 时, S 从原点开始沿 y 轴负方向运动.图 3(1)画出当 S 完成第一次全振动时的波形图;(2)从波源 S 开始运动,经过多长时间 x1m 处的质点第
6、一次出现波峰.答案 见解析解析 (1)波长 0.4mvf4图象如图所示(2)设 S 点的振动经 t1传播到 x1m 处, t1 0.25sxv振动传到该质点后又经过 周期该质点才振动到波峰34t2 T 0.075s34 34f则 x1m 处的质点第一次出现波峰的时间为 t t1 t20.325s.变式 1 (多选)(2018江苏一模)某简谐横波在介质中沿 x 轴正方向传播, t0 时波源 O从平衡位置开始振动, t0.5s 时振动刚好传播到 P 点,此时该横波的波形图如图 4 所示,下列有关说法中正确的是( )图 4A.波源起振方向沿 y 轴负方向B.该波的周期为 0.4sC.这 0.5s 内
7、波源 O 运动的路程为 5mD.03s 内处于 x9m 处的 M 点(图中未画出)所通过的路程为 105cm答案 BD解析 根据题图,由波沿 x 轴正方向传播可得, P 点向上振动,即波前向上振动,故波源起振方向沿 y 轴正方向,故 A 错误;根据波 0.5 s 内的传播距离为 5 m 可得:波速 v10 m/s;由题图可得:波长 4 m,故周期 T 0.4 s,故 B 正确;由周期 T0.4 s,波 v源 O 从平衡位置开始振动,故 0.5 s 内波源 O 运动的路程为 5A25 cm,故 C 错误;波需要经过时间 t1 0.9 s 从波源传播到 M 点,然后 M 点处质点从平衡位置开始振动
8、了9 m10 m/s2.1 s T,根据质点从平衡位置开始振动可得,则 03 s 内处于 x9 m 处的 M 点所(514)5通过的路程为 54A A21 A105 cm,故 D 正确.命题点二 波的传播方向与质点振动方向的关系能够根据波的传播方向判断介质中质点的振动方向,反之也要能够由介质中质点的振动方向来判断波的传播方向.判断方法采用:(1)带动法:由波的传播原理可知,后振动的质点总是重复先振动质点的运动,且波总是由前面先振动的点向后面振动的点传播的,即前带动后.(2)微平移法:微平移法是将波形曲线沿波的传播方向做微小平移,如图 5 所示的 P(Q)点,移动后它比原来的位置高(低)了,说明
9、经过极短的一段时间它向上(下)运动了.这种方法可以由波的传播方向判断某质点的振动方向,也可以由振动方向判断波的传播方向.图 5(3)上下坡法:如图 6 所示,沿波的传播方向看去, “上坡”处的质点向下振动, “下坡”处的质点向上振动,简称“上坡下,下坡上”.图 6(4)同侧法:波形图上某点表示传播方向和振动方向的箭头在曲线同侧,如图 7 所示.图 7例 2 如图 8 所示为一列沿 x 轴正方向传播的简谐横波在某时刻的波形图, A 为传播介质中的一质点,则该时刻 A 的运动方向是(选填“沿 x 轴正方向” “沿 x 轴负方向” “沿 y 轴正方向”或“沿 y 轴负方向”),在此后 2s 内 A
10、通过的路程为 16cm,此列波的传播速度大小为m/s.图 86答案 沿 y 轴负方向 4变式 2 (多选)(2019丹阳中学高三初考)一列振幅为 4cm,频率为 2.5Hz 的绳波,在t0 时刻的波形图如图 9 所示,绳上的质点 P 位于最大位移处,质点 Q 位于平衡位置,质点 M 振动方向沿 y 轴正向,则( )图 9A.波沿 x 轴正向传播B.t0 时,质点 N 的振动方向沿 y 轴正向C.t0.1s 时,质点 Q 的加速度达到最大,方向沿 y 轴正向D.从 t0.1s 到 0.2s 时间内,波传播的距离为 0.1m答案 BCD解析 质点 M 振动方向沿 y 轴正向,由上下坡法知波沿 x
11、轴负向传播, t0 时,质点 N 的振动方向沿 y 轴正向,故 A 错误,B 正确;周期 T s0.4s, t0.1s ,因 t01f 12.5 T4时刻质点 Q 振动方向沿 y 轴负向,则 t0.1s 时,质点 Q 到达波谷,位移为负向最大,由a 知,加速度正向达到最大,故 C 正确;由题图知, 0.4m,则波速kxmv f 1m/s,所以从 t0.1s 到 0.2s 时间内,波传播的距离为 x v t10.1m0.1m,故 D 正确.命题点三 波动图象与振动图象两种图象的比较图象类型 振动图象 波动图象研究对象 一个振动质点 沿波传播方向的所有质点研究内容一个质点的位移随时间的变化规律某时
12、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 表示某时刻各质点的位移7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着时间推移,图象延续,但已有形状不变随着时间推移,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 表示一个波长例 3 (2018常州市一模)图 10 甲为一列沿 x 轴传播的简谐横波在 t0.1s 时刻的波形图,图乙是这列波中质点 B 的振动图象.则波速的大小为 m/s;再经过 0
13、.05s,质点(选填“ A”“B”“C”或“ D”)到达波峰.图 10答案 20 D解析 由题图读得: 4m, T0.2s,则波速为: v m/s20 m/s, t0.1s 时刻 T 40.2质点 B 的振动方向向下,由波形平移法知该波沿 x 轴负方向传播, t0.1s 时刻,质点 D 向上运动.再经过 0.05s,即再过 ,质点 D 到达波峰.T4变式 3 (2018南京市学情调研)图 11 甲为一列沿 x 轴传播的简谐横波在 t0 时刻的波形图,沿传播方向上位于平衡位置的质点 A 的振动图象如图乙所示.该横波的传播方向为(选填“向右”或“向左”);波速大小为 m/s.8图 11答案 向左
14、8命题点四 波的图象与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 的关系不明确.空间周期性:波传播距离 x 与波长 的关系不明确.解决此类问题时,往往采用从特殊到一般的思维方法,即找出在一个周期内满足条件的特例,在此基础上,若知时间关系,则加 nT,若知空间关系,则加 n .(2)两质点间的波形不确定形成多解.例 4 (2018江苏单科12B(3)一列简谐横波沿 x 轴正方向传播,在 x0 和 x0.6m 处的两个质点 A、 B 的振动图象如图 12 所示.已知该波的波长大于 0.6m,求其波速和波长.图 12答案 2m/s 0.8m解析 由题图可知,
15、周期 T0.4s由于波长大于 0.6m,由题图可知,波从 A 到 B 的传播时间 t0.3s波速 v ,代入数据得 v2m/s, x t波长 vT,代入数据得 0.8m.变式 4 (2018徐州市考前模拟) P、 Q 是一列简谐横波中的两个质点,它们的平衡位置相距 30m,各自的振动图象如图 13 中的实线和虚线所示,且 P、 Q 之间的距离小于一个波长,求:9图 13(1)若 P 比 Q 离波源近,该波的波长;(2)若 Q 比 P 离波源近,该波的速度.答案 (1)40m (2)30m/s解析 (1)若 P 比 Q 离波源近,波由 P 传到 Q,则 PQ 间的距离为: x( n ) 30 m
16、 ( n0,1,2)34因 P、 Q 之间的距离小于一个波长则 n 取 0,则得: 40 m(2)若 Q 比 P 离波源近,则有: x( n ) 30 m ( n0,1,2)14因 P、 Q 之间的距离小于一个波长,则 n 取 0,则得: 120 m又 T4 s解得 v 30 m/s. T命题点五 波的干涉、衍射和多普勒效应1.波的干涉现象的判断(1)公式法:某质点的振动是加强还是减弱,取决于该点到两相干波源的距离之差 r.当两波源振动步调一致时:若 r n (n0,1,2,),则振动加强;若 r(2 n1) (n0,1,2,),则振动减弱. 2当两波源振动步调相反时:若 r(2 n1) (n
17、0,1,2,),则振动加强; 2若 r n (n0,1,2,),则振动减弱.(2)图象法:在某时刻波的干涉的波形图上,波峰与波峰(或波谷与波谷)的交点,一定是加强点,而波峰10与波谷的交点一定是减弱点,各加强点或减弱点各自连接而成以两波源为中心向外辐射的连线,形成加强线和减弱线,两种线互相间隔,加强点与减弱点之间各质点的振幅介于加强点与减弱点的振幅之间.2.多普勒效应的成因分析(1)接收频率:观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数.(2)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.例 5 (2018南通市、泰州市一模
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