高考物理第10讲　机械振动和机械波、电磁振荡和电磁波 【正文】听课

第二部分机械振动和机械波光学和电磁波热学原子物理第10讲机械振动和机械波、电磁振荡和电磁波【网络构建】【关键能力】简谐运动质点作为振源,在介质中形成机械波,LC振荡电路作为电磁波的波源.弹簧振子、单摆、LC振荡电路作为常见波源,一定要掌握其运动学、动力学与能量变化特点;同时掌握这两种波形成的本质与传播特点.通常以“图像”作为载体,综合考查考生对波的理解能力、推理能力和空间想象能力.其中,波的叠加和干涉是高频考点,而振动方程虽然考频较低,但近些年高考卷中偶有出现,需要引起重视.题型1机械振动与机械波综合机械振动综合(1)研究简谐运动时所说的位移的起点都必须在平衡位置处.“平衡位置”不等于“平衡状态”,如单摆摆到最低点时,正处在平衡位置,但在指向悬点方向上的合力却不等于零,所以并不处于平衡状态.(2)回复力是一种效果力,是振动物体在沿振动方向上所受的合力.(3)弹簧振子与单摆两种简谐运动满足机械能守恒.(4)v和x、F、a之间的关系最复杂:当v、a同向(即v、F同向,也就是v、x反向)时,v一定增大;当v、a反向(即v、F反向,也就是v、x同向)时,v一定减小.(5)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;但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,两个频率越接近,受迫振动的振幅越大.例1[2024·北京卷]图甲为用手机和轻弹簧制作的一个振动装置.手机加速度传感器记录了手机在竖直方向的振动情况,以向上为正方向,得到手机振动过程中加速度a随时间t变化的曲线为正弦曲线,如图乙所示.下列说法正确的是 ()A.t=0时,弹簧弹力为0B.t=0.2s时,手机位于平衡位置上方C.从t=0至t=0.2s,手机的动能增大D.a随t变化的关系式为a=4sin(2.5πt)m/s2例2[2024·湖南长沙模拟]如图所示是某水平弹簧振子做简谐运动的x-t图像,M、P、N是图像上的3个点,分别对应t1、t2、t3时刻.下列说法正确的是 ()A.该振子的周期是0.2s,振幅是8cmB.在t2时刻振子的速度方向就是图像上P点的切线方向C.在t1到t2过程振子的速度先增大后减小D.在t2到t3过程振子的加速度逐渐减小【技法点拨】简谐运动的图像解读需要抓住位移这一核心,根据位移来判断速度、加速度、回复力、动能和势能如何变化.本题中通过图像读出周期和振幅,根据x-t图像得出速度的变化情况,由回复力与位移的关系得出回复力的变化情况,进而得出加速度的变化情况.机械波综合1.波的传播问题(1)各质点的起振方向与波源起振方向一致.(2)波的传播速度v在同种均匀介质中是不变的,与质点振动的速度不能混为一谈.(3)相距为Δx=nλ+λ2(n=0,1,2,…)的两个点为反相点,振动情况始终相反2.波的多解问题由于波的周期性、波传播方向的双向性,波的传播问题易出现多解现象.例3(多选)[2024·新课标卷]位于坐标原点O的波源在t=0时开始振动,振动图像如图所示,所形成的简谐横波沿x轴正方向传播.平衡位置在x=3.5m处的质点P开始振动时,波源恰好第2次处于波谷位置,则 ()A.波的周期是0.1sB.波的振幅是0.2mC.波的传播速度是10m/sD.平衡位置在x=4.5m处的质点Q开始振动时,质点P处于波峰位置例4[2024·陕西西安模拟]简谐横波在均匀介质中从a传向b.t=0时刻开始计时,a、b两点的振动图像如图所示,a与b间的距离为6m,该简谐横波的波速可能为 ()A.5m/s B.4m/sC.3m/s D.2m/s【迁移拓展】1.[2024·福建泉州模拟]枣园里有很多粗细不同、形状不同的枣树,在枣子成熟的季节,某同学想摇动自家枣园中细高枣树的树干,把枣子摇下来,下列说法正确的是 ()A.摇动同一棵树的频率增大,树干振动的幅度一定增大B.摇动同一棵树的频率增大,树干振动的幅度一定减小C.用不同的频率摇相同的树干,树干的振动频率一定相同D.用相同的频率摇不同的树干,树干的振动频率一定相同2.[2024·甘肃卷]如图为某单摆的振动图像,重力加速度g取10m/s2,下列说法正确的是 ()A.摆长为1.6m,起始时刻速度最大B.摆长为2.5m,起始时刻速度为零C.摆长为1.6m,A、C点的速度相同D.摆长为2.5m,A、B点的速度相同3.[2024·山东青岛模拟]远洋捕捞常常利用声呐探测鱼群的方位.渔船上声呐发出一列超声波,其在t=0时刻的波动图像如图甲,质点P的振动图像如图乙.下列说法正确的是 ()A.该波沿x轴正方向传播B.该波的传播速度为340m/sC.该超声波的频率为5HzD.增大该超声波频率,振幅会明显增大4.[2024·河南郑州模拟]抖动绳子一端可以在绳子上形成一列简谐横波.图甲为一列沿x轴传播的简谐横波某时刻的波动图像,此时振动恰好传播到x1=5m的质点A处,质点A此后的振动图像如图乙所示.质点B在x轴上位于x2=10m处,求:(1)这列波的传播速度大小;(2)质点A的振动方程表达式;(3)再经过4s,质点B运动的路程和位移.题型2波的叠加、干涉、衍射、多普勒效应1.波的叠加在波的叠加中,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和.2.波的干涉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Δr.①当两波源振动步调一致时,若Δr=nλ(n=0,1,2,…),则振动加强;若Δr=(2n+1)λ2(n=0,1,2,…),则振动减弱②当两波源振动步调相反时,若Δr=(2n+1)λ2(n=0,1,2,…),则振动加强;若Δr=nλ(n=0,1,2,…),则振动减弱3.多普勒效应(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[2024·安徽卷]某仪器发射甲、乙两列横波,在同一均匀介质中相向传播,波速v大小相等.某时刻的波形图如图所示,则这两列横波 ()A.在x=9.0m处开始相遇B.在x=10.0m处开始相遇C.波峰在x=10.5m处相遇D.波峰在x=11.5m处相遇例6[2023·广东卷]渔船常用回声探测器发射的声波探测水下鱼群与障碍物.声波在水中传播速度为1500m/s,若探测器发出频率为1.5×106Hz的声波,下列说法正确的是 ()A.两列声波相遇时一定会发生干涉B.声波由水中传播到空气中,波长会改变C.该声波遇到尺寸约为1m的被探测物时会发生明显衍射D.探测器接收到的回声频率与被探测物相对探测器运动的速度无关【迁移拓展】1.(多选)[2023·辽宁卷]“球鼻艏”是位于远洋轮船船头水面下方的装置,当轮船以设计的标准速度航行时,球鼻艏推起的波与船首推起的波如图所示,两列波的叠加可以大幅度减小水对轮船的阻力.下列现象的物理原理与之相同的是 ()A.插入水中的筷子,看起来折断了B.阳光下的肥皂膜,呈现彩色条纹C.驶近站台的火车,汽笛音调变高D.振动音叉的周围,声音忽高忽低2.[2024·山东济南模拟]手机上一般会有两个麦克风,一个比较大的位于手机下方,另一个位于手机顶部,如图甲所示.小明同学查阅手机说明书后知道手机顶部的麦克风为降噪麦克风.该同学进一步查阅资料得知:降噪麦克风通过降噪系统产生与外界噪音相位相反的声波,与噪音叠加从而实现降噪的效果.理想情况下的降噪过程如图乙所示,实线对应环境噪声,虚线对应降噪系统产生的等幅反相声波.下列说法正确的是 ()A.降噪过程应用的是声波的干涉原理,P点振动加强B.降噪声波的频率与环境噪声的频率应该相同C.降噪声波与环境噪声声波的传播速度大小不相等D.质点P经过一个周期向外迁移的距离为一个波长3.(多选)[2024·山东卷]甲、乙两列简谐横波在同一均匀介质中沿x轴相向传播,波速均为2m/s.t=0时刻二者在x=2m处相遇,波形图如图所示.关于平衡位置在x=2m处的质点P,下列说法正确的是 ()A.t=0.5s时,P偏离平衡位置的位移为0B.t=0.5s时,P偏离平衡位置的位移为-2cmC.t=1.0s时,P向y轴正方向运动D.t=1.0s时,P向y轴负方向运动题型3电磁振荡与电磁波1.电磁波与机械波的比较电磁波机械波产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点(波源)的振动产生特点横波纵波或横波波速在真空中等于光速c=3×108m/s在空气中不大(如声波波速在空气中一般为340m/s)是否需要介质不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(真空中不能传播)能量传播电磁能机械能2.LC振荡电路的周期T、频率f与自感系数L、电容C的关系是T=2πLC、f=12π例7[2024·福建福州模拟]电磁波的发现和使用带来了通信技术的发展.在以下磁感应强度B随时间t变化的磁场中,能产生电磁波的是 ()ABCD例8(多选)[2024·河南郑州模拟]电磁波在科学研究和日常生活中有着广泛的应用.如图所示,关于电磁波的应用,以下说法正确的是 ()A.图甲中经过调制后的电磁波的波长不变B.图乙中天文学家利用射电望远镜接收无线电波,进行天体物理研究C.图丙中红外线夜视仪是利用了红外线热效应强的特点D.图丁中CT机应用人体发射红外线的原理拍摄人体组织【技法点拨】本题考查电磁波的应用,解题要求熟记各种电磁波的特点和对比.【迁移拓展】1.[2024·浙江金华模拟]关于电磁波的特性和应用,下列说法中正确的是 ()A.微波炉利用红外线的热效应快速加热食物B.紫外线具有杀菌作用,医院常用紫外线进行消毒C.γ射线穿透力很强,医学上常用它进行人体透视检查D.车站、机场安全检查时“透视”行李箱的安检装置利用的是红外线2.[2024·河北石家庄模拟]2024年3月,支持5G网络的某品牌手机正式发售.5G网络采用3300~5000MHz频段的无线电波,4