（浙江专版）2019版高考物理大一轮复习 第十一章 机械振动 机械波 光 电磁波 第2课时 机械波学案.doc

第2课时机械波一、机械波1.机械波的形成条件(1)有发生机械振动的波源。(2)有传播介质，如空气、水等。2.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、波长、频率和波速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、波速和频率的关系：vf。三、波特有的现象1.波的叠加几列波相遇时，每列波都能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰，只是重叠的区域里，任一个质点的总位移等于各列波分别引起的位移的矢量和。2.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明显条件：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继续向前传播3.多普勒效应(1)条件：声源和观察者之间有相对运动。(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。四、惠更斯原理1.内容：介质中任一波面上的各点，都可以看作发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。2.应用：如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置，从而确定波的传播方向。【思考判断】1.在水平方向传播的波为横波( )2.在机械波中各质点不随波的传播而迁移( )3.通过波的图象可以找出任一质点在任意时刻的位移( )4.机械波在传播过程中，各质点振动的周期、起振方向都相同( )5.机械波在一个周期内传播的距离就是振幅的4倍( )6.波速表示介质中质点振动的快慢( )7.两列波在介质中叠加，一定产生干涉现象( )8.一切波都能发生衍射现象( )9.多普勒效应说明波源的频率发生变化( )10.发生多普勒效应时，波源发出的频率不变( )考点一波的形成和传播、波的图象(/b)要点突破1.波动图象的信息(如图所示)(1)直接读取振幅a和波长，以及该时刻各质点的位移。(2)确定某时刻各质点加速度的方向，并能比较其大小。(3)结合波的传播方向可确定各质点的振动方向或由各质点的振动方向确定波的传播方向。2.波的传播方向与质点振动方向的互判方法方法内容图象“上下坡”法沿波的传播方向，“上坡”时质点向下振动，“下坡”时质点向上振动“同侧”法波形图上某点表示传播方向和振动方向的箭头在图线同侧“微平移”法将波形沿传播方向进行微小的平移，再由对应同一x坐标的两波形曲线上的点来判断振动方向3.振动图象与波的图象的比较振动图象波的图象研究对象一个质点沿波传播方向上的所有质点图象正(余)弦曲线正(余)弦曲线物理意义某质点在各时刻的位移某时刻各质点的位移振动方向(看下一时刻的位移)(将波沿传播方向平移)t波形随时间推移，图象延续，但已有形状不变随时间推移，图象沿波的传播方向平移横坐标表示时间表示各质点的平衡位置联系(1)纵坐标均表示质点的位移；(2)纵坐标的最大值都表示振幅；(3)波在传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，每一个质点都有自己的振动图象典例剖析【例1】 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/sb.沿x轴正方向传播，波速v10 m/sc.沿x轴负方向传播，波速v20 m/sd.沿x轴负方向传播，波速v10 m/s解析质点p沿y轴负方向运动，根据振动方向与波的传播方向的关系，可判定该波沿x轴正方向传播。由波的图象可知20 m，根据v得波速v10 m/s。选项b正确。答案b【例2】 一列简谐横波沿x轴负方向传播，波速v4 m/s。已知坐标原点(x0)处质点的振动图象如图所示。在选项图中能够正确表示t0.15 s时波形图的是()解析由x0处质点的振动图象可知波的周期t0.4 s，由v4 m/s，得vt1.6 m，x0处质点在t0.15 s时刻的运动情况是在00.1 m之间的某一位置向平衡位置振动。所以满足以上条件的波的图象为a项。答案a【方法总结】波动图象与振动图象综合问题采用“一分、一看、二找”的方法(1)分清振动图象与波动图象。此问题最简单，只要看清横坐标即可，横坐标为x则为波动图象，横坐标为t则为振动图象。(2)看清横、纵坐标的单位。尤其要注意单位前的数量级。(3)找准波动图象对应的时刻。(4)找准振动图象对应的质点。针对训练1.如图所示，一列简谐横波沿x轴正方向传播，从波传到x5 m的m点时开始计时，已知p点相继出现两个波峰的时间间隔为0.4 s，下面说法中错误的是()a.这列波的波长是4 mb.这列波的传播速度是10 m/sc.质点q(x9 m)经过0.5 s才第一次到达波峰d.m点以后的各质点开始振动时的方向都是向下解析从图中可以看出这列波的波长为4 m，a正确；“相继出现两个波峰的时间间隔为0.4 s”，即周期t0.4 s，则v10 m/s，b正确；质点q(x9 m)经过0.4 s开始振动，波传到q时，其左侧质点在它下方，所以q点在0.5 s时处于波谷，再经过0.2 s，即总共经过0.7 s才第一次到达波峰，c错误；从波的传播原理可以知道，m点以后的每个质点都是先向下振动的，d正确，故选c。答案c 2.(多选)(2017湖州联考)图甲为一列简谐横波在t2 s时的波形图，图乙为介质中平衡位置在x0.5 m处的质点的振动图象，p是平衡位置x1 m的质点，下列说法正确的是()a.波速为0.5 m/sb.波的传播方向向x轴负方向c.02 s时间内，p运动的路程为8 cmd.当t7 s时，p恰好经平衡位置向y方向运动解析从图中可得波长2 m，周期t4 s，由公式v可得v0.5 m/s，a正确；t2 s时x0.5 m处的质点向下运动，故波的传播方向向右，b错误；02 s时间内，经过半个周期，p运动的路程为2 a8 cm，c正确；当t7 s时，p恰好经平衡位置向y方向运动，d错误。答案ac考点二波长、频率和波速(/c)要点突破一、周期(频率)、波速、波长关系1.周期和频率：只取决于波源，波的周期和频率就是指波源的周期和频率，与v、无任何关系。2.速度v：决定于介质的物理性质，同一种均匀介质，物理性质相同，波在其中传播的速度恒定。3.波长：对于一列波，其波长、波速、周期的关系不会变化，始终是vf，既然v、t都由相关因素决定，所以这些因素同时又共同决定了波长，即波长由波源和介质共同决定。二、波的多解问题1.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：波传播的距离x与波长的关系不明确。(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。2.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，)。典例剖析【例1】 (多选)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位于x2 cm处，质点q位于x6 cm处。已知x4 cm 处依次出现两次波谷的时间间隔为0.4 s，则以下判断正确的是()a.这列波的波长是8 cmb.质点p和q的位移在任何时候都相同c.这列波的传播速度是20 cm/sd.x4 cm处质点做简谐运动的表达式为y6 sin 5t (cm)解析由波动图象知波长8 cm，故a选项正确；p和q的平衡位置相差半个波长，故两点振动反相，位移大小相等，方向相反，b选项错误；由题意知t0.4 s，故v cm/s20 cm/s，c选项正确；x4 cm处质点：a6 cm，5 rad/s，故质点做简谐运动的表达式为y6 sin 5t (cm)，d选项正确。答案acd【例2】 (多选)一列简谐横波沿直线传播，该直线上平衡位置相距9 m的a、b两质点的振动图象如图所示，下列描述该波的图象可能正确的是()解析由振动图象可知，在t0时，质点a处在波峰位置，质点b处在平衡位置且向下运动。若简谐横波沿直线由a向b传播，有n9 m，解得波长的表达式： m(n0，1，2，3，4，)，其波长可能值为12 m，5.14 m，选项c正确；若简谐横波沿直线由b向a传播，有n9 m，解得波长的表达式： m(n0，1，2，3，4，)，其波长可能值为36 m，7.2 m，4 m，选项a正确。答案ac针对训练1.男女生二重唱中，女高音和男中音的频率、波长和波速分别为f1、1、v1和f2、2、v2，它们之间的关系是()a.f1f2，12，v1v2b.f1f2，12，v1v2c.f1f2，12，v1v2d.以上说法都不正确解析由于两声音是同一种机械波，因而波速相同，a、b均排除；而音调高即是频率高，即f1f2，再由vf，v相同，f1f2，所以12，因而c正确，d错误。答案c2.(多选)如图所示，一列简谐波沿一直线向左传播，当直线上某质点a向上运动到达最大位移时，a点右方相距0.15 m的b点刚好向下运动到最大位移处，则这列波的波长可能是()a.0.6 m b.0.3 mc.0.2 m d.0.1 m解析由题意可知，a、b两点的振动方向始终相反，a、b间的距离为半波长的奇数倍，即：xab(2n1)(n0，1，2，)，解得： m(n0，1，2，)，当n0时，0.3 m，选项b正确；当n1时，0.1 m，选项d正确；波长不可能等于0.6 m和0.2 m，选项a、c错误。答案bd考点三波的干涉和衍射现象多普勒效应惠更斯原理(/b)要点突破一、波的干涉理解1.干涉图样及其特点(1)干涉图样：如图所示(2)特点加强区和减弱区的位置固定不变。加强区始终加强，减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化)加强区与减弱区互相间隔(3)振动加强点和减弱点加强点：振动的振幅等于两列波振幅之和，aa1a2。减弱点：振动的振幅等于两列波振幅之差，a|a1a2|。2.加强点和减弱点的理解(1)若两列波在某处引起的位移方向相同，合位移变大，则此点为加强点，相反，若两列波在某处引起的位移方向相反，合位移变小，则此点为减弱点。(2)波峰与波峰(或波谷与波谷)的交点，一定是加强点，而波峰与波谷的交点一定是减弱点。(3)当两个相干波源的振动步调一致时，到两个波源的距离之差sn(n为整数)处是加强区，s(2n1)(n为整数)处是减弱区。(4)若振幅变大，则振动加强，若振幅变小，则振动减弱。二、多普勒效应理解与应用1.多普勒效应的特点(1)发生多普勒效应时，波源发出的频率不变，只是观察者接收到的频率发生了变化。(2)当波源和观察者之间的距离减小时，观察者接收到的频率升高，当波源和观察者之间的距离增大时，观察者接收到的频率降低。2.多普勒效应的应用根据声波的多普勒效应可以测定车辆行驶的速度；根据光波的多普勒效应可以测定遥远天体相对地球的运行速度。典例剖析【例1】 (多选)如图所示，为两列波在空间相遇叠加，其中实线代表的甲波向右传播，虚线代表的乙波向左传播，则()a.a、b点是振动加强点b.a、d点是振动加强点c.b、e点是振动减弱点d.d、f点是振动减弱点解析在a、f点甲波向下振动，乙波也向下振动，故a、f点是振动加强点；同理可以判断出在d点甲、乙两波都向上振动，是振动加强点；在b、e两点两波的波峰和波谷相遇，故是振动减弱点，故选b、c。答案bc【例2】 (多选)下列关于多普勒效应的说法正确的是()a.只有声波才能发生多普勒效应b.当波源与观察者相向运动时，波源自身的频率不变c.只要声源在运动，观察者听到的声音的音调就会变高d.当声源相对观察者运动时，观察者听到的声音音调可能变高，也可能变低解析多普勒效应是指当波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的波的频率发生变化的现象，波源自身的频率不会变化，b正确；声波和观察者之间相对远离时观察者接收到的波的频率变低，反之变高，音调由频率决定，故c错误，d正确；在电磁波的传播中也有这一现象，故a错误。答案bd【方法总结】波的衍射和波的干涉的比较内容定义现象可观察到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、孔或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者小于波长衍射和干涉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，而且加强和减弱的区域相间分布的现象振动强弱相间的区域，某些区域总是加强，某些区域总是减弱两列波的频率相同、相位差恒定针对训练1.如图所示是两个完全相同的波源在介质中形成的波相叠加而发生的干涉的示意图，实线表示波峰，虚线表示波谷，则下列说法正确的是()a.a点为振动加强点，经过半个周期，这一点振动减弱b.b点为振动减弱点，经过半个周期，这一点振动加强c.c点为振动加强点，经过半个周期，这一点振动仍加强d.d点为振动减弱点，经过半个周期，这一点振动加强解析a、c连线所在区域为振动加强区域，经过任意时间，该区域仍然是振动加强区域，选项a错误，c正确；b、d连线所在区域为振动减弱区域，经过任意时间，该区域仍然是振动减弱区域，选项b、d错误。答案c2.下列物理现象：在春天里一次闪电过后，有时雷声轰鸣不绝；“闻其声而不见其人”；学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音；当正在鸣笛的火车向着我们疾驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高。分别属于波的()a.反射、衍射、干涉、多普勒效应b.折射、衍射、多普勒效应、干涉c.反射、折射、干涉、多普勒效应d.衍射、折射、干涉、多普勒效应解析在春天里一次闪电过后，有时雷声轰鸣不绝，属于声波的反射；“闻其声而不见其人”属于声波的衍射；学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音属于声波的干涉；当正在鸣笛的火车向着我们疾驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高属于多普勒效应。正确选项是a。答案a1.(2017宁波模拟)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，且两小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 mc.波速是1 m/s d.周期是0.1 s解析由题意知甲、乙两小木块间的距离x3 m，故波长2 m。又知两小木块都是每分钟振动30次，故周期t2 s，频率f0.5 hz，则波速v1 m/s。故c选项正确。答案c2.一根粗细均匀的较长绳子，右侧固定。现使左侧的s点上下振动，产生一列向右传播的机械波，某时刻第一次形成了如图所示的波形。下列说法中正确的是()a.该波的频率逐渐增大b.该波的频率逐渐减小c.此时s点向下运动d.s点的起始振动方向是向下的解析波速是由介质的性质决定的，与波长无关，故该波的波速保持不变，由图看出，该波的波长逐渐增大，而波速一定，由波速vf知频率逐渐减小，故a错误，b正确；由波的传播方向与s点的振动方向的关系知此时s点向上运动，故c错误；右端刚起振的点的振动方向与波源s的起振方向相同，方向向上，d错误。答案b3.(多选)如图甲为一列简谐横波在t0.10 s时刻的波形图，p是平衡位置为x1 m处的质点，q是平衡位置为x4 m处的质点，图乙为质点q的振动图象，则()a.t0.15 s时，质点q的加速度达到正向最大b.t0.15 s时，质点p的运动方向沿y轴负方向c.从t0.10 s到t0.25 s，该波沿x轴正方向传播了6 md.从t0.10 s到t0.25 s，质点p通过的路程为30 cm解析由乙图象看出，t0.15 s时，质点q位于负方向的最大位移处，而简谐运动的加速度大小与位移大小成正比，方向与位移方向相反，所以加速度为正方向最大值，a项正确；由乙图象看出，简谐运动的周期t0.20 s，t0.10 s时，质点q的速度方向沿y轴负方向，由甲图可以看出，波的传播方向应该沿x轴负方向，c项错误；因甲图是t0.10 s时的波形，所以t0.15 s时，经历了0.05 s的时间，图甲的波形向x轴负方向平移了2 m的距离，如图所示，因波向x轴负方向传播，则此时p点的运动方向沿y轴负方向，b项正确；由图甲可以看出，由于t0.10 s时质点p不处于平衡位置或最大位移处，故从t0.10 s到t0.25 s，质点p通过的路程不为30 cm，d项错误。答案ab4.(多选)一列横波在t0时刻的波形如图中实线所示，在t1 s时的波形如图中虚线所示。由此可以判定此波的()a.波长一定是4 cmb.周期一定是4 sc.振幅一定是2 cmd.传播速度一定是1 cm/s解析解波的图象的题目，一般可分为两类：一类是读图，可以直接从图上读出振幅和波长，此题便可读出波长是4 cm，振幅是2 cm，故选项a、c正确；另一类是根据图象给定的条件，去计算波速、周期，判定波传播的方向，判定某一质点的运动情况及判定某一时刻的波形图。由题可知ntt1 s(n0，1，2，3，)是不确定解，因此选项b错误；同理传播速度v也不确定，选项d错误。答案ac5.(2017杭州模拟)如图所示，在空旷的广场上有一堵较高大的墙mn，在墙的一侧有一个正在播放男女合唱歌曲的声源o，某人从a点走到墙后的b点，在此过程中，如从衍射的角度来考虑，则会听到()a.声音变响，男声比女声更响b.声音变响，女声比男声更响c.声音变弱，男声比女声更弱d.声音变弱，女声比男声更弱解析由题意可知，某人从图中a点走到墙后的b点，能听到声音，是由于波的衍射现象，但强度变弱；由于男声的频率低于女声，在同一介质中，传播速度相同，则其波长长于女声的波长，更容易发生衍射，故d正确，a、b、c错误。答案d基础过关1.以下对机械波的认识正确的是()a.形成机械波一定要有振源和介质b.振源做简谐运动形成的波中，各质点的运动情况完全相同c.横波向右传播时，处于波峰的质点也向右迁移d.机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动解析振源和介质是形成机械波的两个必不可少的条件，故a正确；简谐运动在介质中传播时，介质中各质点都做简谐运动，沿波的传播方向上，后面的质点比前面的质点总要晚一些开始振动，但质点本身并不随波的传播而发生迁移，而且各质点的振动步调不一致，故b、c、d均错误。答案a2.利用发波水槽得到的水面波形如图甲、乙所示，则()a.图甲、乙均显示了波的干涉现象b.图甲、乙均显示了波的衍射现象c.图甲显示了波的干涉现象，图乙显示了波的衍射现象d.图甲显示了波的衍射现象，图乙显示了波的干涉现象解析本题考查了波的衍射和干涉现象，由图容易看出甲是小孔衍射，图乙是干涉，选项d正确。答案d3.(2017嘉兴模拟)公路巡警开车在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查，在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的电磁波，如果该电磁波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发生时低，说明那辆轿车的车速()a.高于100 km/h b.低于100 km/hc.等于100 km/h d.无法确定解析该题考查对发生多普勒效应的原因分析，由多普勒效应知，巡警车接收到的频率低了，即观察者接收到的频率低了，说明轿车和巡警车在相互远离，而巡警车速度恒定，因此可以判定轿车的速度比巡警车速度大，故a正确。答案a4.(多选)下列关于惠更斯原理的说法正确的是()a.惠更斯原理能够解释波的反射和折射现象b.惠更斯原理能够解释波的衍射现象c.介质中任何一个波面的各点，都可以看成发射子波的波源d.惠更斯原理能够解释衍射现象与障碍物或孔的大小的关系解析惠更斯原理解释了波的传播方向上的问题，所以能够解释波的反射现象和折射现象，故a正确；同样对波的衍射现象，惠更斯原理也可以解释，但不能解释衍射现象与孔或障碍物大小的关系，故b正确，d错误；由惠更斯原理可知，c正确。答案abc5.(多选)如图所示，一列向右传播的简谐横波，波速大小为0.6 m/s，p质点的横坐标x1.20 m。从图中状态开始计时，则下列说法正确的是()a.简谐横波的频率为2.5 hzb.经过1.6 s，p点第一次到达波谷c.p点刚开始振动的方向沿y轴负方向d.直到p点第一次到达波峰时，x0.06 m处的质点经过的路程为95 cm解析由波动图象知0.24 m，t0.4 s，f2.5 hz，a正确；p点第一次到达波谷需时t1.7 s，b错误，由波的传播规律知，所有质点起振方向都与波源起振方向相同，由带动法知，各质点起振方向均沿y轴负方向，c正确；p点第一次到达波峰需时tss1.9 s4.75t，x0.06 m处质点经过的路程s4.7545 cm95 cm，d正确。答案acd6.(多选)一振动周期为t、振幅为a、位于x0点的波源从平衡位置沿y轴正向开始做简谐振动。该波源产生的一维简谐横波沿x轴正向传播，波速为v，传播过程中无能量损失。一段时间后，该振动传播至某质点p，关于质点p振动的说法正确的是()a.振幅一定为ab.周期一定为tc.开始振动的方向沿y轴向上或向下取决于它离波源的距离d.若p点与波源距离svt，则质点p的位移与波源的相同解析由于没有能量损失，故p与波源的振幅相同，a正确；波在传播过程中周期不变，故b正确；介质中所有质点开始振动的方向都与波源的起振方向相同，故c错误；若p点与波源距离svt，则质点p与波源之间的距离为一个波长，故质点p与波源的位移总是相同的，d正确。答案abd7.(多选)下列波形图中波传播方向与质点振动方向关系正确的是()解析根据“坡形”法，凡是在“上坡”区必向下运动，“下坡”区的必向上运动，故b、c正确。答案bc8.如图所示为一列简谐横波在某一时刻的波形图，已知质点a在此时刻的振动方向如图中箭头所示，则以下说法中正确的是()a.波向左传播，质点b向下振动，质点c向上振动b.波向右传播，质点b向上振动，质点c向下振动c.波向左传播，质点b向上振动，质点c向上振动d.波向右传播，质点b向下振动，质点c向下振动解析解决该题有许多方法，现用“上下坡”法判断，若波向右传播，则a质点处于下坡，应向上振动。由此可知波向左传播。同理可判断c向上振动，b向上振动，故c正确。答案c能力提升9.如图所示是某绳波形成过程的示意图，1，2，3，4为绳上的一系列等间距的质点，绳处于水平方向。质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动，带动2，3，4各个质点依次上下振动，把振动从绳的左端传到右端。t0时质点1开始竖直向上运动，经过四分之一周期，质点5开始运动。下列判断正确的是()a.质点6开始振动时的运动方向向下b.t时质点6的速度方向向下c.t时质点10的速度方向向上d.tt时质点16开始运动解析介质中各质点开始振动时的振动方向和振源开始振动时