专题5 第18课时 机械振动和机械波.docx
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- 专题5 第18课时机械振动和机械波 专题 18 课时 机械振动 机械波
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1、第18课时机械振动和机械波命题规律1.命题角度:(1)机械振动;(2)机械波;(3)振动图像与波的图像的综合应用.2.常考题型:选择题高考题型1机械振动1简谐运动的规律规律xAsin(t)图像反映同一质点在各个时刻的位移受力特征回复力Fkx,F(或a)的大小与x的大小成正比,方向相反运动特征靠近平衡位置时,a、F、x都减小,v增大;远离平衡位置时,a、F、x都增大,v减小能量特征振幅越大,能量越大在运动过程中,动能和势能相互转化,系统的机械能守恒周期性特征质点的位移、回复力、加速度和速度均随时间做周期性变化,变化周期就是简谐运动的周期T;动能和势能也随时间做周期性变化,其变化周期为对称性特征关
2、于平衡位置O对称的两点,加速度的大小、速度的大小、动能、势能相等,相对平衡位置的位移大小相等2.简谐运动的应用单摆单摆周期表达式:T2.考向一描述简谐运动的物理量例1(多选)(2019江苏卷13B(1)一单摆做简谐运动,在偏角增大的过程中,摆球的()A位移增大 B速度增大C回复力增大 D机械能增大答案AC解析摆球做简谐运动,在平衡位置处位移为零,在摆角增大的过程中,摆球的位移增大,速度减小,选项A正确,B错误;在摆角增大的过程中,摆球受到的回复力增大,选项C正确;单摆做简谐运动,机械能守恒,所以在摆角增大的过程中,摆球机械能保持不变,选项D错误考向二简谐运动图像例2(多选)如图1甲所示为以O点
3、为平衡位置,在A、B两点间做简谐运动的弹簧振子,图乙为这个弹簧振子的振动图像,由图可知下列说法中正确的是()图1A在t0.2 s时,弹簧振子的加速度为正向最大B从t0到t0.2 s时间内,弹簧振子做加速度增大的减速运动C在t0.6 s时,弹簧振子有最小的弹性势能D在t0.2 s与t0.6 s两个时刻,振子的速度都为零答案BD解析在t0.2 s时,弹簧振子的位移为正向最大值,而弹簧振子的加速度大小与位移大小成正比,方向与位移方向相反,A错误;从t0到t0.2 s时间内,弹簧振子从平衡位置向正向最大位移处运动,位移逐渐增大,加速度逐渐增大,加速度方向与速度方向相反,弹簧振子做加速度增大的减速运动,
4、B正确;在t0.6 s时,弹簧振子的位移为负向最大值,即弹簧的形变量最大,弹簧振子的弹性势能最大,C错误;在t0.2 s与t0.6 s两个时刻,振子在最大位移处,速度为零,D正确考向三振动方程例3(多选)如图2所示,水平弹簧振子沿x轴在M、N间做简谐运动,坐标原点O为振子的平衡位置,其振动方程为x5sin (10t) cm.下列说法正确的是()图2AMN间距离为5 cmB振子的运动周期是0.2 sCt0时,振子位于N点Dt0.05 s时,振子具有最大加速度答案BC解析MN间距离为2A10 cm,选项A错误;因10 rad/s,可知振子的运动周期是T s0.2 s,选项B正确;由x5sin (1
5、0t) cm可知,t0时,x5 cm,即振子位于N点,选项C正确;由x5sin(10t) cm可知,t0.05 s时,x0,此时振子在O点,振子加速度为零,选项D错误高考题型2机械波形成条件(1)波源;(2)传播介质,如空气、水等传播特点(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(4)一个周期内,波向前传播一个波长波的图像(1)坐标轴:横轴表示各质点的平衡位置,纵轴表示该时刻各质点的位移(2)意义:表示在波的传播方向上,某时
6、刻各质点离开平衡位置的位移波长、波速和频率的关系(1)vf;(2)v.波的叠加(1)两个振动情况相同的波源形成的波,在空间某点振动加强的条件为xn(n0,1,2),振动减弱的条件为x(2n1)(n0,1,2)(2)振动加强点的位移随时间而改变,振幅为两波振幅的和A1A2.波的多解问题由于波的周期性、波传播方向的双向性,波的传播易出现多解问题.考向一波的图像例4(2020天津卷4)一列简谐横波沿x轴正方向传播,周期为T,t0时的波形如图3所示t时()图3A质点a速度方向沿y轴负方向B质点b沿x轴正方向迁移了1 mC质点c的加速度为零D质点d的位移为5 cm答案C解析t时,此列简谐横波的波形如图所
7、示质点a正在经过平衡位置,速度方向沿y轴正方向,故A错误;波传播过程中,质点只能在平衡位置附近振动,不会随波迁移,故B错误;质点c处在平衡位置,加速度a0,故C正确;质点d的位移为5 cm,故D错误考向二波的叠加例5(多选)(2020浙江7月选考15)如图4所示,x轴上2 m、12 m处有两个振动周期均为4 s、振幅均为1 cm的相同的波源S1、S2,t0时刻同时开始竖直向下振动,产生波长均为4 m沿x轴传播的简谐横波P、M、Q分别是x轴上2 m、5 m和8.5 m的三个点,下列说法正确的是()图4A6.0 s时P、M、Q三点均已振动B8.0 s后M点的位移始终是2 cmC10.0 s后P点的
8、位移始终是0D10.5 s时Q点的振动方向竖直向下答案CD解析由v得两列波的波速均为1 m/s,且S1P4 m,S1M7 m,S1Q10.5 m,S2P10 m,S2M7 m,S2Q3.5 mM点开始振动时间t7 s,故A错误;S1MS2M0,故M点是振动加强点,振幅A2A02 cm,但位移并不是始终为2 cm,故B错误;S2PS1P6 m1,故P点为振动减弱点,位移始终为0,故C正确;t10.5 s时,由于S1Q10.5 m,故S1形成的波刚好传到Q点,即10.5 s时Q点由S1引起的振动为竖直向下,由S2Q3.5 m,10.5 s时,S2波使Q点振动了10.5 s s7 s1T的时间,即此
9、时Q点在S2波的波峰,则Q点的实际振动方向竖直向下,故D正确例6(2020全国卷34(2)一振动片以频率f做简谐振动时,固定在振动片上的两根细杆同步周期性地触动水面上a、b两点,两波源发出的波在水面上形成稳定的干涉图样c是水面上的一点,a、b、c间的距离均为l,如图5所示已知除c点外,在ac连线上还有其他振幅极大的点,其中距c最近的点到c的距离为l.求:图5(1)波的波长;(2)波的传播速度答案(1)l(2)fl解析(1)如图,设距c点最近的振幅极大的点为d点,a与d的距离为r1,b与d的距离为r2,d与c的距离为s,波长为.则r2r1由几何关系有r1lsr22(r1sin 60)2(lr1c
10、os 60)2联立式并代入题给数据得l(2)波的频率为f,设波的传播速度为v,有vf联立式得vfl.考向三波的多解例7(多选)(2021山东卷10)一列简谐横波沿x轴传播,如图6所示,实线为t12 s时的波形图,虚线为t25 s时的波形图以下关于平衡位置在O处质点的振动图像,可能正确的是()图6答案AC解析若该波沿x轴正方向传播,在t12 s时O点振动方向竖直向上,则传播时间tt2t13 s,满足tTnT(n0,1,2,3)解得T s(n0,1,2,3)当n0时,解得周期T4 sA正确,B错误;若该波沿x轴负方向传播,t25 s时O点处于波谷,则tTnT(n0,1,2,3)解得T s(n0,1
11、,2,3)当n0时,解得周期T12 sC正确,D错误高考题型3振动图像与波的图像的综合应用巧解振动图像与波的图像综合问题的基本方法例8(2020北京卷6)一列简谐横波某时刻波形如图7甲所示由该时刻开始计时,质点L的振动情况如图乙所示下列说法正确的是()图7A该横波沿x轴负方向传播B质点N该时刻向y轴负方向运动C质点L经半个周期将沿x轴正方向移动到N点D该时刻质点K与M的速度、加速度都相同答案B解析由题图乙知,开始计时时刻,即0时刻质点L向上振动,再结合题图甲,可知该横波沿x轴正方向传播,故A错误;由该横波沿x轴正方向传播,从题图甲可看出,质点N该时刻向y轴负方向运动,故B正确;横波传播时,质点
12、不随波迁移,故C错误;该时刻质点K与M的速度为零,加速度大小相等,但方向相反,故D错误例9(2021山东潍坊市昌乐一中高三期末)图8甲为一列简谐横波在t2 s时的波动图像,图乙为该波中x2 cm处质点P的振动图像,根据图像分析可得()图8A该简谐横波沿x轴正方向传播B简谐横波的波速大小为1 m/sCP点振动后在任意一个2 s内的路程均为10 cmD在t2.5 s时P点位移为y2.5 cm答案C解析由P点的振动图像可知,t2 s时,P点向下振动,由波动图像可知,该简谐横波沿x轴负方向传播,A错误;由题图可知4 cm,T4 s,则波速v m/s0.01 m/s,B错误;因为2 sT,则P点振动后在
13、任意一个2 s内的路程均为2A10 cm,C正确;由P点的振动图像可知,在t2.5 s时P点位移y5 cm2.5 cm,D错误1(2021天津市河西区高三期末)如图9甲所示,一个有固定转动轴的竖直圆盘转动时,固定在圆盘上的小圆柱带动一个T形支架在竖直方向振动, T形支架的下面系着一个由弹簧和小球组成的振动系统圆盘静止时,让小球做简谐运动,其振动图像如图乙所示圆盘匀速转动时,小球做受迫振动小球振动稳定时,下列说法正确的是()图9A小球振动的固有频率是4 HzB小球做受迫振动时周期一定是4 sC圆盘转动周期在4 s附近时,小球振幅显著增大D圆盘转动周期在4 s附近时,小球振幅显著减小答案C解析小球
14、振动的固有周期T4 s,则其固有频率为f0.25 Hz,A错误;小球做受迫振动时周期等于驱动力的周期,即等于圆盘转动周期,不一定等于小球的固有周期4 s,B错误;圆盘转动周期在4 s附近时,驱动力周期接近小球的固有周期,小球产生共振现象,振幅显著增大,C正确,D错误2(2021山东德州市高三期末)如图10所示为两列相干水波的干涉图样,图中的实线表示波峰,虚线表示波谷已知两列波的振幅均为5 cm,C点是BE连线的中点,下列说法中正确的是()图10A再过半个周期,A点变为减弱点B图示时刻C点正处于平衡位置且向下运动CD点保持静止不动D图示时刻A、B两点的竖直高度差为10 cm答案C解析此时A点是波
15、峰与波峰相遇,为振动加强点,但不总是处于波峰位置,不过总是振动加强点,所以再过半个周期,A点还是振动加强点,A错误;题图所示时刻C点处于平衡位置,两列波在此点单独引起的速度均向上,故C点此时的合速度向上,将向上运动,B错误;由题图可知,D点是波峰与波谷相遇点,所以D点保持静止不动,C正确;A点是波峰与波峰相遇,则A点相对平衡位置高10 cm,而B点是波谷与波谷相遇,则B点相对平衡位置低10 cm,所以题图所示时刻A、B两点的竖直高度差为20 cm,D错误3(2021山东滨州市高三期末)如图11甲所示为一简谐波在t0.2 s时刻的图像,图乙所示为x0.3 m处质点P的振动图像下列说法正确的是()
16、图11A质点P的振动方程为y0.08sin (5t) mB这列波的传播方向沿x轴正方向C这列波的波速是2 m/sDt0.35 s时质点P的位移为4 cm答案A解析由题图乙可知,质点P在0.2 s时沿y轴正方向运动,因此这列波沿x轴负方向传播,B错误;由题图甲可知,波长0.4 m,由题图乙可知,周期T0.4 s,因此波速v1 m/s,C错误;由于5 rad/s,振幅A0.08 m,在t0时刻,质点P恰好位于平衡位置,且沿着y轴负方向运动,因此质点P的振动方程为y0.08sin (5t) m,A正确;将t0.35 s代入质点P的振动方程可得y0.08sin (50.35) m m,D错误4(202
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