高三物理一轮复习第10章第2讲机械波课件(选修3-4)

1、一、机械波一、机械波1.机械波的形成条件:波源;介质。2.机械波的特点知识梳理知识梳理(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振动,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)各质点开始振动(即起振)的方向均相同。(4)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.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,用表示。(2)波速波在介质中的传播速度,由介质本身的性质决定。(3)频率由波源决定,等于波源的振动频率。(4)波长、波速和频率的关系:v=f。4.波的分类(

2、1)横波:质点的振动方向与传播方向垂直,凸起的最高处叫做波峰,凹下的最低处叫做波谷。(2)纵波:质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上,质点分布最密的位置叫做密部,质点分布最疏的位置叫做疏部。5.波的图像(1)图像:在平面直角坐标系中,用横坐标表示介质中各质点的平衡位置;用纵坐标表示某一时刻,各质点偏离平衡位置的位移,连接各位移矢量的末端,得出的曲线即为波的图像,简谐波的图像是正弦(或余弦)曲线。(2)物理意义:某一时刻介质中各质点相对平衡位置的位移。(3)从图像可获取的信息有:a.该时刻各质点的振动位移;b.振幅A和波长;c.若已知波的传播方向,由图像可知各质点的振动方向;若已知某质点该时

3、刻的振动方向,由图像可知波的传播方向。6.辨析(1)根据公式v=f可知波速与频率成正比()(2)波可以传递振动形式和能量()(3)在机械波传播过程中,质点会随波迁移()二、波特有的现象二、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,只是在重叠的区域里,任一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(1)两列波产生干涉的条件:频率相同、相位差恒定。(2)现象:两列波相遇时,某些区域振动总是加强,某些区域振动总是减弱,且加强区和减弱区互相间隔。(3)对两个完全相同的波源产生的干涉来说,凡到两波源的路程差为一个波长的整数倍时,振动加强;凡到

4、两波源的路程差为半个波长的奇数倍时,振动减弱。3.波的衍射(1)产生明显衍射现象的条件:障碍物或孔(缝)的尺寸跟波长差不多,或者比波长小。(2)现象:波绕过障碍物继续传播。4.多普勒效应由于波源和观察者之间有相对运动,使观察者接收到的波的频率发生变化的现象叫多普勒效应。5.辨析(1)发生多普勒效应时,波源发出的频率不变()(2)一切波均会发生衍射现象()1.一列简谐横波沿x轴正方向传播,某一时刻的波形图如图所示,此时质点P、S跟质点Q、R的振动位移大小相等、方向相反。由图可知,在此后的任一时刻()A.质点P和S的振动加速度大小和方向总相同B.质点P和Q的振动位移大小总相同、方向总相反C.质点P

5、和S的振动速度大小和方向总相同D.质点P和R的振动加速度大小总相同、方向总相反答案D由波动图像可得,P、R两点相隔半个波长,所以在振动过程中的位移、加速度总是大小相等、方向相反,故只有D对。2.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,波源自身的频率会变大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2.答案D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错。声源和观察者之间相对远离时频率变低,反之变高,音

6、调由频率决定,故C错D对。在电磁波的传播中也有这一现象,故A错。3.如图所示是一列简谐波在t=0时的波形图,介质中的质点P沿y轴方向做简谐运动的表达式为y=10sin(5t)cm。关于这列简谐波,下列说法中正确的是()A.这列简谐波的振幅为20cmB.这列简谐波的周期为5.0sC.这列简谐波在该介质中的传播速度为25cm/sD.这列简谐波沿x轴正向传播答案D由题图可知,质点偏离平衡位置的最大距离即振幅为10cm,A错;由该质点P振动的表达式可知这列简谐横波的周期为T=s=0.4s,B错;由题图可知,该波的波长为=4m,波速v=m/s=10m/s,C错;由质点P做简谐运动的表达式可知,t=0时刻

7、质点P正在向上运动,由此可判断波沿x轴正向传播,D正确。225T40.44.如图所示为一列简谐横波的波形图,其中虚线是t1=0.01s时的波形,实线是t2=0.02s时的波形,已知t2-t1=T/4。关于这列波,下列说法中正确的是()A.该波的传播速度可能是600m/sB.从t1时刻开始,经0.1s质点P通过的路程为0.8mC.若该波波源从O点沿x轴正向运动,则在x=200m处的观测者接收到的波的频率将大于25HzD.遇到宽约3m的障碍物时,该波能发生明显的衍射现象4.答案CD由波动图像知波长=8m,由题意知周期T=0.04s,则频率f=25Hz,波速v=200m/s,波向x轴的正方向传播,选

8、项A错误。从t1时刻开始,经0.1s质点P经过2.5个全振动,通过的路程为1m,选项B错误。根据多普勒效应,观察者和波源靠近时接收到的频率升高,远离时接收到的频率降低,选项C正确。发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸小于波长或者跟波长相差不多,故选项D也正确。1TT 重难一波的图像重难一波的图像1.根据某时刻波形图画另一时刻波形图的方法(1)特殊点法在波形图像上取数个特殊点(波峰、波谷或平衡位置),先根据波传播的方向确定它们的振动方向,再判断t后各点运动到什么位置,最后连成曲线,即为另一时刻的波形图。(2)平移法由x=vt,先计算出t时间内波传播的距离,再将原波形图沿波传播的方重难突破重难

9、突破向平移x即可。若画t时间前的波形图,利用逆向思维向波传播的反方向平移即可。2.波的传播方向与质点振动方向的互判方法(1)上下坡法沿波的传播方向看,“上坡”的点向下运动,“下坡”的点向上运动,简称“上坡下,下坡上”,如图所示。(2)带动法如图所示,在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P,若P在P上方,则P向上运动,若P在P下方,则P向下运动。时开始计时,已知P点相继出现两个波峰的时间间隔为0.4s,下面说法中错误的是()A.这列波的波长是4mB.这列波的传播速度是10m/sC.质点Q(x=9m)经过0.5s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典例1如图所示,一列简

10、谐横波沿x轴正方向传播,从波传到x=5m的M点解析从图中可以看出波长为4m,A对;“相继出现两个波峰”应理解为出现第一个波峰与出现第二个波峰之间的时间间隔T=0.4s,则v=10m/s,B对;质点Q(x=9m)经过0.4s开始振动,波传到Q时,其左侧质点在它下方,所以Q点在0.5s时处于波谷,再经过0.2s,即总共经过0.7s才第一次到达波峰,C错;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对,故选C。答案CT1-1一列简谐横波沿x轴负方向传播,波速v=4m/s。已知坐标原点(x=0)处质点的振动图像如图所示。在下列4幅图中能够正确表示t=0.15s时波形图的是()答案A解

11、析由x=0处质点的振动图像可知波的周期T=0.4s,由v=4m/s,得=vT=1.6m,x=0处质点在t=0.15s时刻的运动情况是在00.1m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像为A项。 重难二振动图像与波的图像的综合应用重难二振动图像与波的图像的综合应用1.振动图像表示某质点的位移随时间变化的规律,波的图像表示波中各质点在某时刻的位移。2.区分振动图像和波的图像,关键是看横轴表示的是位移x还是时间t,如果是时间t则为振动图像,如果是位移x则为波的图像。3.振动图像与波的图像的比较振动图像波的图像研究对象一个质点沿波传播方向的所有质点图像正(余)弦曲线正(余)弦曲线物理意

12、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后波形随时间推移,图像延续,但已有形状不变随时间推移,图像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像典例典例2如图甲为一列简谐横波在t=0.10s时刻的波形图,P是平衡位置为x=1m处的质点,Q是平衡位置为x=4m处的质点,图乙为质点Q的振动图像,则()A.t=0.15s时,质点Q的加速度达到正向最大B.t=0.15s时,质点P的运动方向沿y轴负

13、方向C.从t=0.10s到t=0.25s,该波沿x轴正方向传播了6mD.从t=0.10s到t=0.25s,质点P通过的路程为30cm解析由乙图像看出,t=0.15s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,所以加速度为正向最大值,A项正确;由乙图像看出,简谐运动的周期T=0.20s,t=0.10s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t=0.10s时的波形,所以t=0.15s时,经历了0.05s=的时间,图甲的波形向x轴负方向平移了=2m的距离,如图所示,因波向x4T4轴负方向传播,

14、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t=0.10s时质点P不处于平衡位置或最大位移处,故从t=0.10s到t=0.25s,质点P通过的路程不为30cm,D项错误。答案AB的振动图像如图乙所示,则()A.波沿x轴正向传播B.波速是25m/sC.经过t=0.4s,质点A通过的路程是4mD.质点P比质点Q先回到平衡位置2-1一列简谐横波,某时刻的图像如图甲所示,从该时刻开始计时,A质点解析由A质点的振动图像知A质点在t=0时刻由平衡位置向上振动,则波必定沿x轴负方向传播,A错误。由图甲知=20m,由图乙知T=810-1s,所以波速v=25m/s,B正确。0.4s=,所以质

15、点A通过的路程为2A=4m,C正确。由于波沿x轴负方向传播,P点振动方向向下,回到平衡位置的时间大于,而Q点回到平衡位置的时间为,所以D错误。T2T4T4T答案BC 重难三波长重难三波长、频率、频率f(周期周期T)、波速、波速v的关系的关系.三者关系满足三者关系满足v=f,注意三者分别由什么决定。注意三者分别由什么决定。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。当波从一种介质进入另一种介质时,波源没变,波的周期和频率不会发生变化。2.波速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:对一列波,其波长、波速、

16、周期的关系不会变化,始终是v=f,vT或T既然v、T都由相关因素决定,其实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。典例典例3 在均匀介质中选取平衡位置在同一直线上的9个质点,相邻两质点的距离均为L,如图甲所示。一列横波沿该直线向右传播,t=0时刻波传播到质点1,质点1开始向下运动,经过t第一次出现如图乙所示的波形,则下列说法正确的是()A.周期为t,波长为8LB.周期为t,波长为16LC.周期为t,波速为12L/tD.周期为t,波速为8L/t解析机械波传播的是质点的振动形式,任何一个质点的起振方向都与振源的起振方向一致,从图乙可以判断此时第9个质点的振动方向向上,与振源的起振

17、方向不同,说明波不是刚传到第9个质点,而是传到距离第9个质点有半个波长距离的第13个质点。即T=t,T=t,波长=8L,波速v=,C对。2323233223T12Lt答案C3-1一根粗细均匀的绳子,右侧固定,使左侧的S点上下振动,产生一列向右传播的机械波,某时刻的波形如图所示。下列说法中正确的是()A.该波的波速逐渐增大B.该波的波速逐渐减小C.该波的频率逐渐增大D.该波的频率逐渐减小答案C解析机械波传播的速度是由介质的性质决定的,同一介质中,机械波的波速相同且不变,选项A、B错误;机械波是振动形式的传播,由波形可以看出,该波的波长越来越小,由波速v=f,可知该波的频率逐渐增大,选项C正确,D

18、错误。 重难四波特有的现象重难四波特有的现象1.波的干涉现象中,振动加强点和减弱点的判断(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s=n(n为整数)处是加强区,s=(2n+1)(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。2.波的衍射和波的干涉的比较2内容定义现象可观察到现象的条件相同点2.波的衍射和波的干涉的比较波的衍射波可以

19、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3.多普勒效应(1)波源的频率不变,只是观察者接收到的波的频率发生变化。如果二者相互接近,观察者接收到的波的频率变大;如果二者相互远离,观察者接收到的波的频率变小。(2)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。典例典

20、例4 如图所示两列相干水波某时刻的波峰和波谷位置,实线表示波峰,虚线表示波谷,相邻实线与虚线间的距离为0.2m,波速为1m/s,在图示范围内可以认为这两列波的振幅均为1cm,C点是相邻实线与虚线间的中点,则()A.图示时刻A、B两点的竖直高度差为2cmB.图示时刻C点正处在平衡位置且向水面上运动C.F点到两波源的路程差为零D.经0.1s,A点的位移为零解析A、B两点为振动加强点,两点振幅均为2cm,两点竖直高度差为4cm,故A错;C点为B、D两点连线的中点,所以C点处在平衡位置,又因D点离波源较近,所以C点正向水面上运动,B正确;F点为振动减弱点,它到两波源距离之差应为半波长的奇数倍,故C错;由v=知T=s=0.4s,经t=0.1s=Tv0.41,A点由波峰回到平衡位置,D正确。答案BD4T4-1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点是振动减弱点答案BC解析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D点甲、乙两波都向上振动,是振动加强点;B、E两点是两波的波峰和波谷相遇,故是振动减弱点,故选B、C。4-2如图所示,是观察水面波衍射的实验装置,AC和BD是两块挡板,A