高三物理一轮复习课件选修3412.ppt

第2讲机械波,【知识梳理】知识点1机械波、横波和纵波1.机械波的形成和传播:(1)机械波的产生条件:要有做机械振动的物体作为波源;要有_,如空气、水、绳子等。,能够传播机械振动的介质,(2)机械波的传播特点:,观察如图机械横波的形成过程,可知机械波的传播有如下特点:传播的是_、能量和_。介质中各质点只在自己的平衡位置附近振动,并不_。“前带后,后跟前,运动状态向后传”。各介质质点都做_振动,各质点振动的频率、振幅、起振方向等都与_相同。,振动形式,信息,随波迁移,受迫,波源,2.机械波的分类:,垂直,在同一条直线上,3.波速、波长和频率(周期)的关系:(1)波长:在波动中_总是相同的两个_质点间的距离。(2)频率f:在波动中,介质中各质点的振动频率都是相同的,都等于_。,振动相位,相邻,波源的振动频率,(3)波速v、波长和频率f、周期T的关系:公式:_。机械波的波速大小由_决定,与机械波的频率无关。,f,介质本身的,性质,知识点2横波的图象1.坐标轴:横轴表示各质点的_,纵轴表示该时刻各质点的位移。如图。,平衡位置,2.物理意义:表示在波的传播方向上,某时刻各质点离开_的位移。3.图象的应用:,平衡位置,根据图可知横波图象有如下应用:(1)直接读取_和_,以及该时刻各质点的位移。(2)确定某时刻各质点加速度和速度的_,并能比较大小。(3)结合波的传播方向可确定各质点的_或由各质点的振动方向确定波的_。,振幅A,波长,方向,振动方向,传播方向,知识点3波的特有现象1.波的叠加:观察两列波的叠加过程可知: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_,只是在重叠的区域里,质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的_。,互相干扰,位移的矢量和,2.波的干涉和衍射:,相同,尺寸,干涉图样,绕过障碍物,知识点4多普勒效应1.定义:由于波源和观察者之间有_,使观察者感受到波的频率_的现象。2.实质:声源频率_,观察者接收到的频率_。,相对运动,发生变化,不变,发生变,化,3.规律:(1)波源与观察者如果相互靠近,观察者接收到的_;(2)波源与观察者如果相互远离,观察者接收到的_;(3)波源和观察者如果相对静止,观察者接收到的频率_波源的频率。,频率增大,频率减小,等于,【易错辨析】(1)在机械波的传播中,各质点随波的传播而迁移。()(2)机械波的频率等于振源的振动频率。()(3)机械波的传播速度与振源的振动速度相等。()(4)质点振动的方向总是垂直于波传播的方向。(),(5)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。()(6)机械波在介质中传播的速度由介质本身决定。()(7)部队过桥不能齐步走而要便步走,是为了避免桥梁发生共振现象。(),(8)火车鸣笛减速向我们驶来时,我们听到的笛声频率将比声源发声的频率低。(),提示:(1)。机械波的传播是振源带动周围介质做受迫振动形成的,介质也是在自己的平衡位置附近振动,不会“随波逐流”。(2)。机械波的频率是振源的振动频率。(3)。机械波的传播速度与振源的振动速度无关,一般振动速度是变速,传播速度是匀速。,(4)。波分横波与纵波,纵波的质点振动方向与波的传播方向在同一条直线上。(5)。由可知,沿波的传播方向,振动在介质中传播一个波长的距离。(6)。机械波的传播速度由介质本身决定。(7)。部队过桥不能齐步走而要便步走,防止策动频率与固有频率相同,出现共振现象。,(8)。火车鸣笛减速向我们驶来时,我们听到的笛声频率将比声源发声的频率高,是声波的多普勒效应。,考点1波的形成与传播【核心要素精讲】波的传播过程中的特点:(1)振源经过一个周期T完成一次全振动,波恰好向前传播一个波长的距离,所以有v=f。(2)质点振动nT(波传播n)时,波形不变。,(3)在波的传播方向上,当两质点平衡位置间的距离为n(n=1,2,3)时,它们的振动步调总相同;当两质点平衡位置间的距离为(2n+1)(n=0,1,2,3)时,它们的振动步调总相反。(4)波源质点的起振方向决定了它后面的质点的起振方向,各质点的起振方向与波源的起振方向相同。,【高考命题探究】【典例1】(多选)(2016全国卷)由波源S形成的简谐横波在均匀介质中向左、右传播。波源振动的频率为20Hz,波速为16m/s。已知介质中P、Q两质点位于波源S的两侧,且P、Q和S的平衡位置在一条直线上,P、Q的平衡位置到S的平衡位置之间的距离分别为15.8m、14.6m。P、Q开始振动后,下列判断正确的是世纪金榜导学号42722294(),A.P、Q两质点运动的方向始终相同B.P、Q两质点运动的方向始终相反C.当S恰好通过平衡位置时,P、Q两点也正好通过平衡位置D.当S恰好通过平衡位置向上运动时,P在波峰E.当S恰好通过平衡位置向下运动时,Q在波峰,【解析】选B、D、E。由题意知T=0.05s,v=16m/s,故波长=vT=0.8m,找P点关于S的对称点P1,由对称性可知P1和P的振动情况完全一致,P1Q两点相距x=,为半波长的整数倍,所以P1、Q两点的振动方向始终相反,P、Q两点的振动方向也始终相反,A错误,B正确;P点距离S点x=,当S恰,好通过平衡位置向上运动时,P在波峰,同理Q点距离S点x1=,当S恰好通过平衡位置向下运动时,Q在波峰,C错误,D、E正确。,【强化训练】1.一列沿x轴正方向传播的简谐机械横波,波速为4m/s。某时刻波形如图所示,下列说法正确的是(),A.这列波的振幅为4cmB.这列波的周期为1sC.此时x=4m处质点沿y轴负方向运动D.此时x=4m处质点的加速度为0,【解析】选D。由题图可得,这列波的振幅为2cm,选项A错误;由题图得,波长=8m,由T=得T=2s,选项B错误;由波动与振动的关系得,此时x=4m处质点沿y轴正方向运动,且此质点正处在平衡位置,故加速度a=0,选项C错误、D正确。,2.(多选)(2016天津高考)在均匀介质中坐标原点O处有一波源做简谐运动,其表达式为y=5sin(t),它在介质中形成的简谐横波沿x轴正方向传播,某时刻波刚好传播到x=12m处,波形图象如图所示,则(),A.此后再经6s该波传播到x=24m处B.M点在此后第3s末的振动方向沿y轴正方向C.波源开始振动时的运动方向沿y轴负方向D.此后M点第一次到达y=-3m处所需时间是2s,【解析】选A、B。波的周期T=4s,波长=8m,波速v=2m/s,则再经过6s,波传播的距离为x=vt=12m,故该波传到x=24m处,选项A正确;M点在此时振动方向向下,则第3秒末,即经过了0.75T,该点的振动方向沿y轴正向,选项B正确;因波传到x=12m处时,质点向y轴正向振动,故波源开始振动时的运动方向沿y轴正方向,选项,C错误;题图中M点振动方向沿y轴负方向,M点第一次到达y=-3m位置所需要的时间小于半个周期,即小于2s,选项D错误。,【加固训练】如图中坐标原点处的质点O为一简谐横波波源,当t=0时,质点O开始从平衡位置振动,波沿x轴向两侧传播,P质点的平衡位置在12m之间,Q质点的平衡位置在23m之间。t1=2s时刻波形第一次如图所示,此时质点P、Q到平衡位置的距离相等,则(),A.波源的初始振动方向是从平衡位置沿y轴向下B.当t2=5s时刻,-4m和4m两处的质点会分别沿波的传播方向传到-0.3m和0.3m的位置C.t=2.5s时刻,P、Q两质点的位移、加速度、速度、振幅一定相同D.如果此波是从密度小的介质中传到密度大的介质中,则波的频率将变大,【解析】选A。据题,t1=2s时刻刚传到4m处,根据4m处质点向下振动可知波源起振的方向也向下,故A正确;简谐波向前传播过程中,质点不会“随波迁移”,故B错误;由题意知,t1=2s时刻,P、Q到平衡位置的距离相等,则P、Q的平衡位置关于x=2m对称,根据波形图可得波长为4m,由题意可知周期为2s,在2.5s时刻,P、Q均振动0.25个周期,波形向右平移个波长,x=2m处质点处于,波峰位置,由对称性知,PQ的位移、加速度相同,振幅相同,速度方向相反,故C错误;机械波进入到不同介质时频率不会发生改变,故D错误。,考点2振动图象与波动图象的综合应用【核心要素精讲】振动图象与波动图象的比较:,【高考命题探究】【典例2】(多选)(2014全国卷)图甲为一列简谐横波在t=2s时的波形图,图乙为媒质中平衡位置在x=1.5m处的质点的振动图象,P是平衡位置为x=2m的质点。下列说法正确的是世纪金榜导学号42722295(),A.波速为0.5m/sB.波的传播方向向右C.02s时间内,P运动的路程为8cmD.02s时间内,P向y轴正方向运动E.当t=7s时,P恰好回到平衡位置,【解析】选A、C、E。本题考查了机械振动与机械波。v=0.5m/s,A正确;x=1.5m处的质点t=2s时正在向下振动,根据“上坡下”可判断机械波向左传播,B错误;02s是半个周期,P点由波峰运动到波谷,C正确、D错误;7s是此时刻再经过5s,即1T,这时P点刚好回到平衡位置,E正确。,【强化训练】1.(2015天津高考)图甲为一列简谐横波在某一时刻的波形图,a、b两质点的横坐标分别为xa=2m和xb=6m,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1m/sB.质点a经4s振动的路程为4mC.此时刻质点a的速度沿+y方向D.质点a在t=2s时速度为零,【解析】选D。由题图甲可知,该波的波长为8m,由题图乙可知,波振动的周期为8s,并且质点b在开始计时时刻沿+y轴方向运动,则该波沿-x方向传播,且波速v=m/s=1m/s,故选项A错误;质点a经4s振动半个周期,振动的路程为两个振幅,即振动的路程为2A=20.5m=1m,故选项B错误;该波沿-x方向传播,则开始计时时刻质点a的速度沿-y轴方向运动,故选项C错误;质点a在t=2s时,处于波谷,其速度为零,故选项D正确。,2.一简谐机械横波沿x轴正方向传播,波长为,周期为T。t=0时刻的波形如图甲所示,a、b是波上的两个质点。图乙是波上某一质点的振动图象。下列说法中正确的是(),A.t=0时质点a的速度比质点b的大B.t=0时质点a的加速度比质点b的小C.图乙可以表示质点a的振动D.图乙可以表示质点b的振动,【解题指导】解答本题应明确以下两点:(1)质点在平衡位置处的振动速度最大,加速度为零;(2)质点在偏离平衡位置位移最大处的速度为零,加速度最大。,【解析】选D。质点在平衡位置处的振动速度是最大的,所以在零时刻a的速度小于b的速度,A错误;而质点偏离平衡位置越远加速度越大,a的加速度大于b的加速度,B错误;根据波的图象“同侧法”可以判断在零时刻,b在平衡位置且向下振动,D正确,C错误。,【规律总结】振动和波动图象的综合应用(1)“一分”:分清振动图象与波动图象,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)“一看”:看清横、纵坐标的单位。尤其要注意单位前的数量级。(3)“二找”:找准波动图象对应的时刻、找准振动图象对应的质点,【加固训练】(多选)(2017衡阳模拟)图(a)为一列简谐横波在t=0.10s时刻的波形图,P是平衡位置在x=1.0m处的质点,Q是平衡位置在x=4.0m处的质点;图(b)为质点Q的振动图象,下列说法正确的是(),A.在t=0.10s时,质点Q向y轴正方向运动B.在t=0.25s时,质点P的加速度方向与y轴正方向相同C.从t=0.10s到t=0.25s,该波沿x轴负方向传播了6mD.从t=0.10s到t=0.25s,质点P通过的路程为30cmE.质点Q简谐运动的表达式为y=0.10sin10t(m),【解析】选B、C、E。图(b)为质点Q的振动图象,则知在t=0.10s时,质点Q正从平衡位置向波谷运动,所以质点Q向y轴负方向运动,故A错误;在t=0.10s时,质点Q沿y轴负方向运动,根据波形平移法可知该波沿x轴负方向传播,此时P点正向上运动。由图(b)读出周期T=0.2s,从t=0.10s到t=0.25s经过的时间为t=0.15s=T,则在t=0.25s时,质点P位于x轴下方,加速度方向与y轴正,方向相同,故B正确;由图(a)知波长=8m,则波速为v=m/s=40m/s,从t=0.10s到t=0.25s经过的时间为t=0.15s,该波沿x轴负方向传播的距离为x=vt=400.15m=6m,故C正确;从t=0.10s到t=0.25s经过的时间为t=0.15s=T,由于t=0.10s时刻质点P不在平衡位置或波峰、波谷处,所以质点P通过的路程不是3A=,30cm,故D错误;质点Q简谐运动的表达式为y=Asint(m)=0.10sint(m)=0.10sin10t(m),故E正确。,考点3波的多解问题【核心要素精讲】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t=nT+t(n=0,1,2,);若此关系为距离,则x=n+x(n=0,1,2,),【高考命题探究】【典例3】(多选)(2016四川高考)简谐横波在均匀介质中沿直线传播,P、Q是传播方向上相距10m的两质点,波先传到P,当波传到Q开始计时,P、Q两质点的振动图象如图所示。则世纪金榜导学号42722296(),A.质点Q开始振动的方向沿y轴正方向B.该波从P传到Q的时间可能为7sC.该波的传播速度可能为2m/sD.该波的波长可能为6m,【思考探究】(1)t=0时刻,Q点振动方向如何?提示:t=0时刻,Q点向上振动,P点先振动,P点刚开始振动时和Q点起振的振动方向一致。,(2)P点图象向右平移4s可以得到Q点图象,能否认为波传播10m历时4s?提示:不可以直接这样认为,波传播具有周期性,传播10m可能历时4s+nT,因此本题是多解情况。,【解析】选A、D。由图象知,质点Q起振方向为y轴正方向,A正确;由图象知周期T=6s,振动由P向Q传播,故时间t=nT+4s=(6n+4)s,n=0、1、2、3,故不可能为7s,B错误;由x=vt=10m可得v=m/s,n=0、1、2、3,波速不可能为2m/s,C错误;根据=vT=m,当n=1时,=6m,D正确。故选A、D。,【迁移训练】,迁移1:波形多种情况的多解问题一列简谐横波沿直线传播,某时刻该列波上正好经过平衡位置的两质点相距6m,且这两质点之间的波峰只有一个,则该简谐波可能的波长为()A.4m、6m和8mB.6m、8m和12mC.4m、6m和12mD.4m、8m和12m,【解析】选C。根据题意,可能的波形有三种,如图所示:,则=6m,1=12m2=6m3=6m,3=4m因此选项C正确。,迁移2:波长不确定的多解问题甲、乙两图分别表示一简谐横波在传播方向上相距3.0m的两质点的振动图象,如果波长大于1.5m,则该波的波速大小可能是(),A.5m/sB.10m/sC.15m/sD.20m/s,【解析】选B。由图可知两质点的振动图象反向,T=0.2s,则有s=(n+)=3m(n=0、1、2、3)v=m/s(n=0、1、2、3)由题知,=vT1.5m,所以v7.5m/s。当n=0时,v=30m/s;当n=1,v=10m/s;当n=2,v=6m/s,所以n2时的速度舍去。由于n是整数,v不可能是15m/s和20m/s,故B正确。,迁移3:传播方向不确定带来的多解问题一列简谐横波沿直线传播,该直线上的a、b两点相距4.42m,图中实、虚两条曲线分别表示平衡位置在a、b两点处质点的振动曲线。由此可知(),A.此列波的频率一定是10HzB.此列波的波长一定是0.1mC.此列波的传播速度一定是34m/sD.a点一定比b点距波源近,【解析】选A。由图读出周期为T=0.1s,则此波的频率为f=10Hz,故A正确;若波从a传到b,则所用时间为t=(0.1n+0.03)s,波速为v=m/s,(n=0,1,2),当n=1时,波速为34m/s,波长为=vT=m,n是整数,不可能等于0.1m。若波从b传到a,则所用时间为t=(0.1n+0.07)s,波速v=m/s,(n=0,1,2),波长为=vT=m,n是整数,v不可能等于34m/s且,不可能等于0.1m,故B、C错误;由图不能断定波的传播方向,也就无法确定哪一点距波源近一些,故D错误。,【加固训练】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v=25cm/s,两列波在t=0时的波形曲线如图所示。求:,(1)t=0时,介质中偏离平衡位置位移为16cm的所有质点的x坐标。(2)从t=0开始,介质中最早出现偏离平衡位置位移为-16cm的质点的时间。,【解析】(1)t=0时,在x=50cm处两列波的波峰相遇,该处质点偏离平衡位置的位移为16cm。两列波的波峰相遇处的质点偏离平衡位置的位移均为16cm。从图线可以看出,甲、乙两列波的波长分别为1=50cm,2=60cm甲、乙两列波波峰的x坐标分别为,x1=(50+k11)cm,k1=0,1,2,x2=(50+k22)cm,k2=0,1,2,由式得,介质中偏离平衡位置位移为16cm的所有质点的x坐标为x=(50+300n)cm(n=0,1,2,),(2)只有两列波的波谷相遇处的质点的位移为-16cm。t=0时,两波波谷间的x坐标之差为x=式中,m1和m2均为整数。将式代入式得x=cm由于m1、m2均为整数,相向传播的波谷间的距离最小为x0=5cm,从t=0开始,介质中最早出现偏离平衡位置位移为-16cm的质点的时间为t=代入数据得t=0.1s,答案:(1)x=(50+300n)cm(n=0,1,2,)(2)0.1s,考点4波的干涉现象和多普勒效应【核心要素精讲】1.波的干涉现象中加强点、减弱点的两种判断方法:(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(n=0,1,2),则振动加强;,若r=(2n+1)(n=0,1,2),则振动减弱。当两波源振动步调相反时。若r=(2n+1)(n=0,1,2,),则振动加强;若r=n(n=0,1,2,),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:当波源与观察者相互靠近或者相互远离时,观察者接收到的波的频率会发生变化。(1)波源与观察者如果相互靠近,观察者接收到的频率增大。(2)波源与观察者如果相互远离,观察者接收到的频率减小。,(3)波源和观察者如果相对静止,观察者接收到的频率等于波源的频率