2020版高考物理第十四章第80課時機械波（重點突破課）講義.docx

第80課時機械波(重點突破課) 考點一波的形成和傳播波的傳播、波的圖像、波長的概念是這部分內(nèi)容的重點，而波的周期性、波的多解問題是難點，分析這些問題時要在腦海中形成波的傳播的動態(tài)圖形。1波的形成和傳播(1)機械波的形成條件有發(fā)生機械振動的波源。有介質(zhì)，如空氣、水等。(2)機械波的傳播特點機械波傳播的只是振動的形式和能量，質(zhì)點只在各自的平衡位置附近做簡諧運動，并不隨波遷移。介質(zhì)中各質(zhì)點的振動周期和頻率都與波源的振動周期和頻率相同。一個周期內(nèi)，質(zhì)點完成一次全振動，通過的路程為4A，位移為零。(3)機械波的分類橫波質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波，有波峰(凸部)和波谷(凹部)縱波質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向在同一直線上的波，有密部和疏部2.波的圖像(1)坐標軸：橫軸表示在波的傳播方向上各質(zhì)點的平衡位置，縱軸表示某時刻各質(zhì)點偏離平衡位置的位移。如圖所示。(2)意義：表示在波的傳播方向上，某時刻各質(zhì)點離開平衡位置的位移。3波長、波速、頻率及其關系(1)波長：在波動中，振動相位總是相同的兩個相鄰質(zhì)點間的距離。(2)波速v：波在介質(zhì)中的傳播速度，由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定。(3)頻率f：由波源決定，等于波源的振動頻率。(4)波長、波速和頻率的關系：vf。考法細研考法1波的形成與傳播例1(多選)(2016全國卷)某同學漂浮在海面上，雖然水面波正平穩(wěn)地以1.8 m/s的速率向著海灘傳播，但他并不向海灘靠近。該同學發(fā)現(xiàn)從第1個波峰到第10個波峰通過身下的時間間隔為15 s。下列說法正確的是()A水面波是一種機械波B該水面波的頻率為6 HzC該水面波的波長為3 mD水面波沒有將該同學推向岸邊，是因為波傳播時能量不會傳遞出去E水面波沒有將該同學推向岸邊，是因為波傳播時振動的質(zhì)點并不隨波遷移解析水面波是一種機械波，A正確；根據(jù)題意得周期T s s，頻率f0.6 Hz，B錯誤；波長 m3 m，C正確；波傳播過程中，傳播的是振動形式，能量可以傳遞出去，但質(zhì)點并不隨波遷移，D錯誤，E正確。答案ACE波的傳播問題的分析方法(1)波傳播時，波的信息和能量可以向外傳播，但振動的質(zhì)點并不隨波遷移。(2)波的傳播具有周期性，波在一個周期傳播的距離等于一個波長。波長的大小等于相鄰兩波峰(或波谷)之間的距離。(3)波長、波速、周期和頻率的計算可利用關系式v和vf。 考法2波的圖像分析例2(多選)(2018全國卷)一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播，在t0和t0.20 s時的波形分別如圖中實線和虛線所示。已知該波的周期T0.20 s。下列說法正確的是()A波速為0.40 m/sB波長為0.08 mCx0.08 m的質(zhì)點在t0.70 s時位于波谷Dx0.08 m的質(zhì)點在t0.12 s時位于波谷E若此波傳入另一介質(zhì)中其波速變?yōu)?.80 m/s，則它在該介質(zhì)中的波長為0.32 m解析因周期T0.20 s，故波在t0到t0.20 s時間內(nèi)傳播的距離小于波長，由yx圖像可知傳播距離x0.08 m，故波速v0.40 m/s，故A正確；由yx圖像可知波長0.16 m，故B錯誤；由v得，波的周期T0.4 s，根據(jù)振動與波動的關系知t0時，x0.08 m的質(zhì)點沿y方向振動，t0.7 s1T，故此時該質(zhì)點位于波谷；因為T0.12 s，此時x0.08 m的質(zhì)點在x軸上方沿y 方向振動，故C正確，D錯誤；根據(jù)vT得，波速變?yōu)?.80 m/s時波長0.32 m，故E正確。答案ACE考法3波的圖像和振動圖像的綜合應用例3(2018全國卷)一列簡諧橫波在t s時的波形圖如圖(a)所示，P、Q是介質(zhì)中的兩個質(zhì)點。圖(b)是質(zhì)點Q的振動圖像。求：(1)波速及波的傳播方向；(2)質(zhì)點Q的平衡位置的x坐標。解析(1)由題圖(a)可以看出，該波的波長為36 cm由題圖(b)可以看出，周期為T2 s波速為v18 cm/s由題圖(b)知，當t s時，質(zhì)點Q向上運動，結合題圖(a)可得，波沿x軸負方向傳播。(2)設質(zhì)點O的振動方程為yOAsin(t)，其中 rad/st s時，有yOAsin，可得即yOAsin由題圖(b)可知yQAsin t所以O、Q兩質(zhì)點的相位差為xQ9 cm。答案(1)18 cm/s沿x軸負方向傳播(2)9 cm分析波的圖像與振動圖像綜合問題的注意事項(1)分清振動圖像與波的圖像。橫坐標為x則為波的圖像，橫坐標為t則為振動圖像。(2)看清橫、縱坐標的單位，注意單位前的數(shù)量級。(3)找準波的圖像對應的質(zhì)點和振動圖像對應的時刻。 考法4波的多解問題例4如圖所示，實線是一列簡諧橫波某時刻的波形圖，虛線是0.2 s 后的波形圖。(1)若波向左傳播，求它傳播的距離及最小距離；(2)若波向右傳播，求它的周期及最大周期；(3)若波速為35 m/s，求波的傳播方向。解析(1)由題圖知，4 m，若波向左傳播，傳播的距離為xn(4n3)m(n0,1,2，)，最小距離為xmin3 m。(2)若波向右傳播，xn，所用時間為tT0.2 s，故周期為T s，所以最大周期為Tmax0.8 s。(3)因為xvt350.2 m7 m，所以波向左傳播。答案見解析解答波的多解問題的方法(1)假設波向x軸正方向或負方向傳播。(2)由題目提供的波形變化等條件列出傳播距離或傳播時間與波長、周期等相關的通式。(3)根據(jù)v、vf或v求出速度或其他未知量的關系通式。(4)分析題目中有沒有其他限制條件，判斷通過關系通式得到的多解能否變?yōu)橛邢迋€解或唯一解。 集訓沖關1(多選)一列簡諧橫波在t0時刻的波形圖如圖所示，已知這列波沿x軸正方向傳播，M為傳播方向上一質(zhì)點，此時M點的縱坐標為 cm。若經(jīng)過時間t0.1 s，M點首次到達波峰。下列說法中正確的是()A波動方程為y2sin(2x)cmBM點的坐標為(0.3，)C波的傳播速度大小為1.25 m/sD質(zhì)點的振動周期為1 sE從t0時刻起經(jīng)過0.5 s，M點運動的路程為(6)cm解析：選ACE根據(jù)題圖可知：波長1 m，振幅A2 cm，則波動方程為yAsin x2sin(2x)cm，選項A正確；將M點縱坐標y cm代入波動方程，結合題圖解得M點的坐標為，選項B錯誤；由于經(jīng)過時間t0.1 s，M點首次到達波峰，即M點左側相鄰的波峰傳播到M點，傳播距離等于xm m，波的傳播速度v，代入數(shù)據(jù)解得v1.25 m/s，選項C正確；質(zhì)點的振動周期T，代入數(shù)據(jù)可得T0.8 s，選項D錯誤；0.5 st0.4 s，所以從t0時刻起經(jīng)過0.5 s，M點首次到達波谷位置，所以M點運動的路程：s(2)cm2A(6)cm，選項E正確。2(多選)圖(a)為一列簡諧橫波在t2 s時的波形圖，P是平衡位置為x2 m的質(zhì)點，圖(b)為介質(zhì)中平衡位置在x1.5 m 處的質(zhì)點的振動圖像。下列說法正確的是()A波速為0.5 m/sB波的傳播方向向右C02 s時間內(nèi)，P運動的路程為8 cmD02 s時間內(nèi)，P沿y軸正方向運動E當t7 s時，P恰好回到平衡位置解析：選ACE根據(jù)題圖可知：該波的波長2 m，周期T4 s，故波速v0.5 m/s，A正確；從題圖(b)可知：x1.5 m處的質(zhì)點在t2 s時，在平衡位置沿y軸負方向運動，根據(jù)“上下坡法”結合題圖(a)可知，波的傳播方向向左，B錯誤；02 s時間內(nèi)，P運動的時間等于，運動的路程s4A8 cm，C正確；02 s時間內(nèi)，P從正向最大位移處運動到負向最大位移處，即沿y軸負方向運動，D錯誤；當t7 s時，P點從題圖(a)所示(t2 s)運動了5 s，即T，到達平衡位置，E正確。3(2018全國卷)聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，在鋼鐵中的傳播速度為4 900 m/s。一平直橋由鋼鐵制成，某同學用錘子敲擊一下橋的一端發(fā)出聲音，分別經(jīng)空氣和橋傳到另一端的時間之差為1.00 s。橋的長度為_m。若該聲波在空氣中的波長為，則它在鋼鐵中的波長為的_倍。解析：設聲波在鋼鐵中的傳播時間為t，由Lvt知，340(t1.00)4 900t，解得t s，代入Lvt中解得橋長L365 m。聲波在傳播過程中頻率不變，根據(jù)vf知，聲波在鋼鐵中的波長。答案：3654(2019南昌模擬)如圖所示實線是一列簡諧橫波在t10時刻的波形，虛線是這列波在t20.5 s時刻的波形，這列波的周期T符合：3Tt2t14T，求：(1)若波向右傳播，波速為多大；(2)若波向左傳播，波速為多大。解析：(1)波向右傳播時，傳播距離x滿足xk(k0,1,2,3，)由t，v知傳播時間滿足tt2t1kTT(k0,1,2,3，)由3Tt2t14T，可知k取3故t3TT，解得T s由題圖知8 m，解得v54 m/s。(2)波向左傳播時，傳播距離x滿足xk(k0,1,2,3，)由t，v知傳播時間滿足tkTT(k0,1,2,3，)由3Tt2t14T，可知k取3故t3TT，解得T s由8 m，解得v58 m/s。答案：(1)54 m/s(2)58 m/s考點二波的干涉、衍射和多普勒效應波的干涉、衍射、多普勒效應都是波的特性，這些現(xiàn)象的特點及發(fā)生的條件是高考考查的重點，而干涉、衍射的現(xiàn)象及圖樣易混淆，要注意正確分辨。1波的干涉和衍射現(xiàn)象波的干涉波的衍射條件兩列波的頻率必須相同，相位差保持不變產(chǎn)生明顯衍射的條件：障礙物或孔的尺寸比波長小或相差不多現(xiàn)象形成加強區(qū)和減弱區(qū)相互隔開的穩(wěn)定的干涉圖樣波能夠繞過障礙物或孔繼續(xù)傳播2多普勒效應(1)現(xiàn)象：觀察者感到頻率發(fā)生變化。(2)條件：波源和觀察者之間有相對運動。(3)實質(zhì)：波源頻率不變，觀察者接收到的頻率變化。 考法細研考法1波的干涉現(xiàn)象例1(2017全國卷)如圖(a)，在xy平面內(nèi)有兩個沿z方向做簡諧振動的點波源S1(0,4)和S2(0，2)。兩波源的振動圖線分別如圖(b)和圖(c)所示。兩列波的波速均為1.00 m/s。兩列波從波源傳播到點A(8，2)的路程差為_m，兩列波引起的點B(4,1)處質(zhì)點的振動相互_(填“加強”或“減弱”)，點C(0,0.5)處質(zhì)點的振動相互_(填“加強”或“減弱”)。解析(1)點波源S1(0,4)的振動形式傳播到點A(8，2)的路程為L110 m，點波源S2(0，2)的振動形式傳播到點A(8，2)的路程為L28 m，兩列波從波源傳播到點A(8，2)的路程差為LL1L22 m；由于兩列波的波源到點B(4,1)的路程相等，路程差為零，且t0時兩列波的波源的振動方向相反，所以兩列波到達點B時振動方向相反，引起點B處質(zhì)點的振動相互減弱；由振動圖線可知，波動周期為T2 s，波長為vT2 m，由于兩列波的波源到點C(0，0.5)的路程分別為3.5 m和2.5 m，路程差為1 m，而t0時兩列波的波源的振動方向相反，所以兩列波到達點C時振動方向相同，引起點C處質(zhì)點的振動相互加強。答案2減弱加強波的干涉現(xiàn)象中加強點、減弱點的兩種判斷方法1公式法某質(zhì)點的振動是加強還是減弱，取決于該點到兩相干波源的距離之差r及兩波源的振動步調(diào)。(1)當兩波源振動步調(diào)一致時若rn(n0,1,2，)，則振動加強；若r(2n1)(n0,1,2，)，則振動減弱。(2)當兩波源振動步調(diào)相反時若r(2n1)(n0,1,2，)，則振動加強；若rn(n0,1,2，)，則振動減弱。2波形圖法在某時刻波的干涉的波形圖上，波峰與波峰(或波谷與波谷)的交點，一定是加強點，而波峰與波谷的交點一定是減弱點，各加強點或減弱點各自連接而成以兩波源為中心向外輻射的連線，形成加強線和減弱線，兩種線互相間隔，加強點與減弱點之間各質(zhì)點的振幅介于加強點與減弱點的振幅之間。 考法2波的衍射現(xiàn)象例2如圖，P為橋墩，A為靠近橋墩浮在水面的葉片，波源S連續(xù)振動，形成水波，此時葉片A靜止不動。為使水波能帶動葉片振動，可用的方法是()A提高波源頻率B降低波源頻率C增加波源距橋墩的距離D減小波源距橋墩的距離解析葉片A靜止不動，是因為水波不能繞過橋墩傳過來，即水波衍射現(xiàn)象不太明顯，而發(fā)生明顯衍射的條件是，障礙物的尺寸比波長小或差不多，所以要讓葉片A動起來只能減小橋墩的尺寸或增大水波的波長，水波的速度一定，降低波源頻率會增大波長，提高波源頻率會減小波長，故A錯誤，B正確；改變波源與橋墩的距離不會讓衍射現(xiàn)象更明顯，故C、D錯誤。答案B考法3多普勒效應例3(多選)(2019綿陽模擬)一頻率為600 Hz的聲源以20 rad/s 的角速度沿一半徑為0.8 m 的圓周(圓心為O點)做勻速圓周運動。一觀察者站在離圓心很遠的P點且相對于圓心靜止，如圖所示，則觀察者接收到()A聲源在A點時發(fā)出聲音的頻率大于600 HzB聲源在B點時發(fā)出聲音的頻率等于600 HzC聲源在C點時發(fā)出聲音的頻率等于600 HzD聲源在C點時發(fā)出聲音的頻率小于600 HzE聲源在D點時發(fā)出聲音的頻率小于600 Hz解析根據(jù)多普勒效應，當聲源和觀察者相互靠近時，觀察者接收到的頻率大于聲源的頻率，當聲源和觀察者相互遠離時，觀察者接收到的頻率小于聲源的頻率，將聲源運動至A、B、C、D四個點時相對于觀察者的速度方向標出來，可得：聲源運動到A點時有靠近觀察者的趨勢，運動到C點時有遠離觀察者的趨勢，聲源在B、D兩點的速度方向垂直于O點與觀察者的連線，故A、B、D正確，C、E錯誤。答案ABD 集訓沖關1(多選)(2019廣州荔灣區(qū)模擬)如圖是水平面上兩列頻率相同的波在某時刻的疊加情況，以波源S1、S2為圓心的兩組同心圓弧分別表示同一時刻兩列波的波峰(實線)和波谷(虛線)，S1的振幅A13 cm，S2的振幅A22 cm。則下列說法正確的是()A質(zhì)點D是振動減弱點B質(zhì)點A、D在該時刻的高度差為10 cmC再過半個周期，質(zhì)點B、C是振動加強點D質(zhì)點C的振幅為1 cmE質(zhì)點C此刻以后將向下振動解析：選BDE題圖中質(zhì)點A、D分別是波峰與波峰相遇