2019版高考物理總復習 專題十五 機械振動和機械波課件.ppt

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專題十五機械振動和機械波 高考幫 物理 專題十五機械振動和機械波 考情精解讀 A 考點幫 知識全通關 目錄CONTENTS 考綱要求 命題規(guī)律 命題分析預測 考點1簡諧運動規(guī)律和圖象描述 考點2機械波的形成與傳播 考點3實驗 探究單擺的運動 用單擺測定重力加速度 方法1簡諧運動的判定方法 方法2簡諧運動周期公式的應用方法 方法3波的圖象問題的求解方法 B 方法幫 題型全突破 C 考法幫 考向全掃描 考向1對彈簧振子的考查 考向2對機械波的形成與傳播的考查 考向3對波的疊加問題的考查 物理專題十五 機械振動和機械波 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 考情精解讀 考綱要求命題規(guī)律命題分析預測 物理專題十五 機械振動和機械波 1 簡諧運動 2 簡諧運動的公式和圖象 3 單擺 周期公式 4 受迫振動和共振 5 機械波 橫波和縱波 6 橫波的圖象 7 波速 波長和頻率 周期 的關系 8 波的干涉和衍射現象 9 多普勒效應 10 實驗 探究單擺的運動 用單擺測定重力加速度 考綱要求 命題規(guī)律 1 高考中對本專題的考查以圖象為主 考查簡諧運動的特點 機械波傳播的空間關系 波速的相關計算 波的多解問題以及用單擺測定重力加速度等 2 預計2019年高考對本專題的考查仍會以定性分析或簡單的定量計算為主 難度一般 但要注意本專題中與實際生活相聯系的題目 命題分析預測 A 考點幫 知識全通關 考點1簡諧運動規(guī)律和圖象描述考點2機械波的形成與傳播考點3實驗 探究單擺的運動 用單擺測定重力加速度 物理專題十五 機械振動和機械波 1 簡諧運動的對稱性 1 空間的對稱性振動質點在關于平衡位置對稱的兩點 位移x 回復力F 加速度a 速度v 動能Ek 勢能Ep的大小均相等 其中回復力F 加速度a與位移x的方向相反 而速度v與位移x的方向可能相同 也可能相反 2 時間的對稱性如圖所示 振動質點來回通過相同的兩點間的時間相等 即tBC tCB 振動質點通過關于平衡位置對稱的等長的兩線段的時間相等 即tBC tB C 2 簡諧運動的周期性做簡諧運動的物體 其位移x 回復力F 加速度a 速度v都隨時間t按 正弦 或 余弦 規(guī)律變化 它們的周期均相同 其位移隨時間變化的表達式為x Asin t 或x Acos t 考點1簡諧運動規(guī)律和圖象描述 3 簡諧運動的兩種模型 物理專題十五 機械振動和機械波 4 簡諧運動的圖象 1 從平衡位置開始計時 函數表達式為x Asin t 圖象如圖甲所示 2 從最大位移處開始計時 函數表達式為x Acos t 圖象如圖乙所示 圖甲圖乙 物理專題十五 機械振動和機械波 注意 簡諧運動的圖象表示的是振子的位移隨時間變化的規(guī)律 而振子的實際軌跡并不是正弦 或余弦 曲線 5 受迫振動和共振現象 1 簡諧運動 阻尼振動 受迫振動和共振現象的比較簡諧運動是一種理想化的模型 物體在運動過程中的一切阻力都不考慮 阻尼振動卻需要考慮阻力的影響 是更實際的一種運動 而受迫振動則是物體做阻尼振動時受到周期性驅動力作用下的振動 它們對比列表如下 物理專題十五 機械振動和機械波 續(xù)表 物理專題十五 機械振動和機械波 2 共振曲線 如圖所示的共振曲線表示受迫振動的振幅A 縱坐標 隨驅動力頻率f 橫坐標 的變化而變化 驅動力的頻率f跟振動系統(tǒng)的固有頻率f0相差越小 振幅越大 驅動力的頻率f等于振動系統(tǒng)的固有頻率f0時 振幅最大 做受迫振動的系統(tǒng)機械能不守恒 系統(tǒng)與外界時刻進行能量交換 物理專題十五 機械振動和機械波 考點2機械波的形成與傳播 1 機械波的形成 1 產生條件 要有機械振動和傳播機械波的介質 2 形成原因 介質中的質點受波源或鄰近質點的驅動做受迫振動 3 分類 分為橫波 質點振動方向和波的傳播方向垂直 和縱波 質點振動方向和波的傳播方向平行 2 機械波的傳播 1 介質依存性 機械波的傳播離不開介質 真空中不能傳播機械波 2 能量信息性 機械波是以振動的形式傳播 因此機械波可以傳遞能量和信息 3 傳播不移性 在波的傳播方向上 各質點只在各自的平衡位置附近振動 并不隨波定向遷移 4 時空重復性 時間上的重復性 周期 空間上的重復性 波長 5 周期 頻率同源性 介質 包括不同介質 中各質點振動的周期和頻率都等于振源振動的周期和頻率 而且在傳播過程中保持穩(wěn)定 6 起振同向性 各質點開始振動的方向與振源開始振動的方向相同 3 描述機械波的物理量 1 波長 相對平衡位置的位移總是相等的兩個相鄰的質點間的距離 2 周期 波在介質中傳播一個波長所用的時間 波的周期取決于波源 3 波速 波在單位時間內傳播的距離 機械波的波速取決于介質 不同頻率 相同性質的波在同一介質中的波速相同 波速可用公式v f計算 4 波的圖象 1 物理意義 描述介質中各質點在某一時刻偏離平衡位置的位移 2 簡諧波的圖象 正弦或余弦曲線 3 振動圖象和波動圖象的比較 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 考點3實驗 探究單擺的運動 用單擺測定 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 B 方法幫 題型全突破 方法1簡諧運動的判定方法方法2簡諧運動周期公式的應用方法方法3波的圖象問題的求解方法 物理專題十五 機械振動和機械波 方法1簡諧運動的判定方法 方法解讀 1 回復力判定式法做簡諧運動的回復力跟振動物體的位移成正比 但方向相反 即F kx 利用F kx判斷振動是否是簡諧運動的步驟 1 以平衡位置為原點 沿運動方向建立直角坐標系 2 在振動過程中任選一位置 平衡位置除外 對振動物體進行受力分析 3 將力沿振動方向分解 求出振動方向上的合力 4 判定振動方向上的合力與位移是否符合F kx關系即可 方法1簡諧運動的判定方法 2 振動圖象法簡諧運動的位移隨時間變化是一條正弦或余弦函數圖象 注意t 0時振子所處的位置 以平衡位置為坐標原點 以振動所在的直線為坐標軸 規(guī)定正方向 用振動圖象中該振子所在的位置坐標來表示振動位移 如圖所示 在t1時刻振子的位移為x1 在t2時刻振子的位移為x2 在t4時刻振子的位移為 x4 方法1簡諧運動的判定方法 題型1簡諧運動的證明考法示例1如圖所示 一立方體木塊漂浮在平靜的水面上 已知立方體的邊長為a 質量為m 平衡時其浸在水中的深度為h 水的密度為 現將其稍稍壓下 使其浸在水中的深度為b b h 由靜止釋放后木塊將在水面上下振動 試證明在不計阻力的情況下木塊的振動是簡諧運動 物理專題十五 機械振動和機械波 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 題型2簡諧運動圖象判定考法示例2 2016北京高考 15 6分 如圖所示 彈簧振子在M N之間做簡諧運動 以平衡位置O為原點 建立Ox軸 向右為x軸正方向 若振子位于N點時開始計時 則其振動圖象為解析開始計時時 彈簧振子從正向最大位移處開始運動 故位移 時間圖象為A項中的圖 即A項正確 答案A 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 方法2簡諧運動周期公式的應用方法 題型4簡諧運動周期和能量守恒的應用考法示例4 2013全國卷 34 1 5分 如圖所示 一輕彈簧一端固定 另一端連接一物塊構成彈簧振子 該物塊是由a b兩個小物塊粘在一起組成的 物塊在光滑水平面上左右振動 振幅為A0 周期為T0 當物塊向右通過平衡位置時 a b之間的粘膠脫開 以后小物塊a振動的振幅和周期分別為A和T 則AA0 填 或 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 解析物塊通過平衡位置時彈性勢能為零 動能最大 向右通過平衡位置后 a由于受到彈簧彈力做減速運動 b做勻速運動 小物塊a與彈簧組成的系統(tǒng)的機械能小于原來系統(tǒng)的機械能 所以小物塊a的振幅減小 A A0 新系統(tǒng)中 振子振動的振幅減小 振子質量減小 周期減小 T T0 答案 特別提醒做簡諧運動的物體 機械能守恒 在平衡位置時小物塊b離開 會帶走部分能量 則此后振子振幅將減小 若在彈簧壓縮到最短時拿走b 則此后振子振幅不變 但兩種情況的周期都是減小的 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 題型5單擺周期公式的應用考法示例5如圖所示 單擺甲放在空氣中 周期為T甲 單擺乙放在以加速度a向下加速的電梯中 周期為T乙 單擺丙帶正電 放在勻強磁場B中 周期為T丙 單擺丁帶正電 放在勻強電場E中 周期為T丁 單擺甲 乙 丙 丁中懸線長度 擺球大小與質量均相同 那么A T甲 T乙 T丁 T丙B T乙 T甲 T丙 T丁C T丙 T甲 T丁 T乙D T丁 T甲 T丙 T乙 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 特別提醒分析問題時注意等效重力加速度g的大小 對沿振動方向的合外力進行分析 單擺處在電場或磁場中 由于擺球帶電 擺球會受電場力或洛淪茲力 此時單擺的周期是否變化應從回復力的來源來看 如果除重力外的其他力參與提供回復力 則單擺周期變化 若不參與提供回復力 則單擺周期不變 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 方法3波的圖象問題的求解方法 方法3波的圖象問題的求解方法 3 上下坡 法 上下坡 法是把波形看成凹凸的路面 順著傳播方向看 上坡 時質點的振動方向向下 下坡 時質點的振動方向向上 如圖所示 因波的傳播方向向左 P點處在下坡段 由 上下坡 法得P點的振動方向向上 即 上坡下 下坡上 4 同側 法 同側 法的意思是 波的傳播方向與質點的振動方向必定在波形的同一側 如圖所示 因波向左傳播 要使質點P的振動方向與波的傳播方向在波形的同一側 質點P的振動方向只能向上 方法3波的圖象問題的求解方法 2 波的傳播問題的多解性產生的主要原因 1 周期性 時間周期性 時間間隔 t與周期T的關系不明確 空間周期性 波傳播距離 x與波長 的關系不明確 解決此類問題時 往往采用從特殊到一般的思維方法 即找出在一個周期內滿足條件的特例 在此基礎上 若知道時間關系 則加nT 若知空間關系 則加n 2 雙向性 傳播方向雙向性 波的傳播方向不確定 振動方向雙向性 質點振動方向不確定 3 兩質點間的波形不確定形成多解 3 在求解有關振動圖象和波的圖象問題時應注意以下幾點 1 區(qū)分波的圖象和振動圖象 關鍵是看橫軸表示的是位移x還是時間t 如果是位移x 則為波的圖象 如果是時間t 則為振動圖象 方法3波的圖象問題的求解方法 2 二者相互聯系 一個質點振動一個周期 波向前傳播一個波長 二者振幅相等 3 根據波的圖象和傳播方向 可確定某質點此時的位移和運動方向 從而可畫出該質點的振動圖象 4 根據某質點的振動圖象 可知道該質點的位移和運動方向 從而可知道波的傳播方向和某時刻的波形圖 題型6質點振動方向和波的傳播方向關系判定考法示例6 多選 如圖所示為一橫波在某一時刻的波形圖 已知質點F此時的振動方向如圖所示 則A 波向右傳播B 此時質點H和F的運動方向相同C 質點C比質點B先回到平衡位置D 此時速度數值最大的質點是A E I 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 解法三 上下坡法 由于 上坡 時質點振動方向向下 故從質點F向質點E和質點D運動時是 上坡 順著傳播方向 質點E D振動方向向下 而質點H B A振動方向向上 C正確 因為質點到達平衡位置時速度最大 D正確 解法四同側法因質點F的振動方向向下 由 同側 法得 波的傳播方向向左 如圖所示 選項A錯誤 由 同側 法可以判斷 此時質點H的振動方向向上 與質點F的振動方向相反 選項B錯誤 同理 此時質點B的振動方向向上 質點B要先到達最大位移處 然后再運動到平衡位置 所以質點C比B先回到平衡位置 選項C正確 因為質點到達平衡位置時速度最大 所以選項D正確 物理專題十五 機械振動和機械波 答案CD特別提醒不管用什么方法判定簡諧橫波的傳播方向和質點振動方向的關系都要注意 介質中質點在垂直于波的傳播方向上在其平衡位置附近振動 物理專題十五 機械振動和機械波 題型7波的多解性的考查考法示例7 2016四川高考 6 6分 多選 簡諧橫波在均勻介質中沿直線傳播 P Q是傳播方向上相距10m的兩質點 波先傳到P 當波傳到Q開始計時 P Q兩質點的振動圖象如圖所示 則A 質點Q開始振動的方向沿y軸正方向B 該波從P傳到Q的時間可能為7sC 該波的傳播速度可能為2m sD 該波的波長可能為6m 物理專題十五 機械振動和機械波 物理專題十五 機械振動和機械波 特別提醒由雙向性及周期性帶來的多解問題的一般解題思路 1 首先考慮雙向性 若題目未告知波的傳播方向或沒有其他條件暗示 應首先按波傳播的雙向性進行討論 2 對設定的傳播方向 確定 t和T的關系 一般先確定最簡單的情況 即一個周期內的情況 然后在此基礎上加nT 3 應注意題目是否有限制條件 如有的題目限制波的傳播方向 或限制時間 t大于或小于一個周期等 所以解題時應綜合考慮 加強多解意識 認真分析題意 4 空間的周期性與時間的周期性是一致的 實質上是波形平移規(guī)律的應用 所以應用時我們可以針對不同題目選擇其中一種方法求解 物理專題十五 機械振動和機械波 題型8振動圖象和波的圖象相結合的問題的考查考法示例8 2014全國卷 34 1 6分 多選 圖 a 為一列簡諧橫波在t 2s時的波形圖 圖 b 為媒質中平衡位置在x 1 5m處的質點的振動圖象 P是平衡位置為x 2m的質點 下列說法正確的是A 波速為0 5m sB 波的傳播方向向右C 0 2s時間內 P運動的路程為8cmD 0 2s時間內 P向y軸正方向運動E 當t 7s時 P恰好回到平衡位置 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 數學第四章 三角函數 物理專題十五 機械振動和機械波 C 考法幫 考向全掃描 考向1對彈簧振子的考查考向2對機械波的形成與傳播的考查考向3對波的疊加問題的考查考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 物理專題十五 機械振動和機械波 機械振動和機械波在新高考的選考要求中是命題熱點 其中簡諧運動規(guī)律及特點 機械波的傳播規(guī)律 波的圖象 振動圖象 波的干涉 衍射 偏振 多普勒效應 惠更斯原理等 一般以選擇題 填空題出現 機械波的波長 頻率和波速的關系 波的圖象則多出現在計算題中 高考命題頻率較高 考情揭秘 命題透視 彈簧振子是簡諧運動的兩個重要實例之一 也是高考命題熱點 常把彈簧振子和其他物體的運動相聯系 綜合考查 屬于中等偏難的問題 考向1對彈簧振子的考查 示例9 2015山東高考 38 1 4分 多選 如圖所示 輕彈簧上端固定 下端連接一小物塊 物塊沿豎直方向做簡諧運動 以豎直向上為正方向 物塊簡諧運動的表達式為y 0 1sin 2 5 t m t 0時刻 一小球從距物塊h高處自由落下 t 0 6s時 小球恰好與物塊處于同一高度 取重力加速度的大小g 10m s2 以下判斷正確的是A h 1 7mB 簡諧運動的周期是0 8sC 0 6s內物塊運動的路程是0 2mD t 0 4s時 物塊與小球運動方向相反 考向1對彈簧振子的考查 考向1對彈簧振子的考查 命題透視 波的形成和傳播是學習機械波的基礎 在高考中主要涉及波的形成原因 橫波和縱波的區(qū)別兩個方面 一般以選擇題形式出現 屬于簡單題 解答這類問題時應充分理解波的成因 振動和波的聯系與區(qū)別 考向2對機械波的形成與傳播的考查 示例10 2017全國卷 34 1 5分 多選 如圖 一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播 實線為t 0時的波形圖 虛線為t 0 5s時的波形圖 已知該簡諧波的周期大于0 5s 關于該簡諧波 下列說法正確的是A 波長為2mB 波速為6m sC 頻率為1 5HzD t 1s時 x 1m處的質點處于波峰E t 2s時 x 2m處的質點經過平衡位置 考向2對機械波的形成與傳播的考查 考向2對機械波的形成與傳播的考查 命題透視 波的疊加問題難度不大 但易被忽略 高考有時會通過對它的考查來考查學生的知識完備性以及對波傳播特性的理解 考向3對波的疊加問題的考查 示例11 2017全國卷 34 1 5分 如圖 a 在xy平面內有兩個沿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 00m 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 處質點的振動相互 填 加強 或 減弱 點C 0 0 5 處質點的振動相互 填 加強 或 減弱 圖 a 圖 b 圖 c 考向3對波的疊加問題的考查 命題立意本題主要考查波的疊加以及對數學知識的應用 意在考查學生應用數學知識解決物理問題的能力 解析由勾股定理可知 S1A 10m S2A 8m 路程差為2m 由圖 b c 可知兩波源起始振動方向相反 且兩波源到B點的距離相等 為5m 同時傳播到B點 故B處質點的振動相互減弱 由題意可知兩列波的波長為 vT 2m 兩列波到C點的路程差為1m 即半個波長 但兩列波起始振動方向相反 故C處質點的振動相互加強 答案2減弱加強 考向3對波的疊加問題的考查 命題透視 探究單擺周期與擺長的關系是高考中的?？贾R點 通?？疾閱螖[擺長和周期的測量 根據單擺的周期公式測定重力加速度的實驗 另外拓展考查中常涉及游標卡尺的讀數 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 示例12 2015北京高考 21 2 15分 圖甲用單擺測定重力加速度的實驗裝置如圖甲所示 組裝單擺時 應在下列器材中選用 選填選項前的字母 A 長度為1m左右的細線B 長度為30cm左右的細線C 直徑為1 8cm的塑料球D 直徑為1 8cm的鐵球 測出懸點O到小球球心的距離 擺長 L及單擺完成n次全振動所用的時間t 則重力加速度g 用L n t表示 下表是某同學記錄的3組實驗數據 并做了部分計算處理 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 請計算出第3組實驗中的T s g m s2 用多組實驗數據作出T2 L圖象 也可以求出重力加速度g 已知三位同學作出的T2 L圖線的示意圖如圖乙中的a b c所示 其中a和b平行 b和c都過原點 圖線b對應的g值最接近當地重力加速度的值 則相對于圖線b 下列分析正確的是 選填選項前的字母 圖乙 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 A 出現圖線a的原因可能是誤將懸點到小球下端的距離記為擺長LB 出現圖線c的原因可能是誤將49次全振動記為50次C 圖線c對應的g值小于圖線b對應的g值 某同學在家里測重力加速度 他找到細線和鐵鎖 制成一個單擺 如圖丙所示 由于家里只有一根量程為30cm的刻度尺 于是他在細線上的A點做了一個標記 使得懸點O到A點間的細線長度小于刻度尺量程 保持該標記以下的細線長度不變 通過改變O A間細線長度以改變擺長 實驗中 當O A間細線的長度分別為l1 l2時 測得相應單擺的周期為T1 T2 由此可得重力加速度g 用l1 l2 T1 T2表示 圖丙 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查 考向4對用單擺測定重力加速度的實驗的考查