2012届高考物理二轮复习精品课件(大纲版)专题15 振动和波

专题十五振动和波专题十五振动和波主干知识整合专题十五│主干知识整合一、机械振动1．简谐运动(1)简谐运动是一种理想模型，从动力学角度看，简谐运动的质点所受回复力要满足________的条件；从能量角度看，振动过程中其动能和势能作周期性转化，但机械能的总量不变．(2)质点做简谐运动过程经过平衡位置时，质点的______、______、______最大；达到最大位移处时，质点的位移、回复力、加速度、势能最大．(3)简谐运动具有周期性、对称性的特点．F＝－kx速度动量动能专题十五│主干知识整合(4)振动图象反映的是振动质点相对于平衡位置的位移随______的变化规律，简谐运动图象是正弦或余弦曲线，通过振动图象可以得到质点振动的振幅、周期、任一时刻的位移和振动方向等．(5)弹簧振子和单摆是典型的简谐运动模型．2．受迫振动与共振(1)受迫振动指物体在_____________作用下的运动；(2)物体做受迫振动时的周期和频率等于驱动力的周期和频率，当驱动力的频率和物体的固有频率相等时，受迫振动的振幅最大．二、机械波的传播规律1．参与机械波传播的各质点初始振动方向相同，且都与振源的初始振动方向________．时间周期性驱动力相同专题十五│主干知识整合2．参与机械波传播的各质点都在自己平衡位置附近做机械振动，振动的周期和频率与机械波的周期和频率________，质点本身并不沿波的传播方向做定向移动．3．波在一个周期内传播的距离为一个波长，单位时间内传播的距离称为________．4．机械波是质点振动形式的传播，更是能量在介质中的传递，由此可知即使振源停止振动，在传播方向上已经形成的波形也会继续向前推进，一直到能量消耗完为止．三、各种波的产生机理1．机械波的波源是________；简谐机械波的波源为简谐运动．相同波速机械振动专题十五│主干知识整合2．无线电波的波源为________．LC振荡电路利用了电容器的________作用和电感的自感作用，产生的振荡电流、磁场能、极板电荷量和电场能均作周期性变化．3．原子的________层电子受激发而在不同的轨道间发生跃迁产生的光波的频率取决于跃迁时的原子的________，频率为ν＝4．物质波是由于物体运动而对应着的波，这种波与物体运动的动量有关，其德布罗意波长的计算式为：λ＝电磁振荡充放电外能级差专题十五│主干知识整合四、各种波的传播共性1．各种波均传播着波源的信息与能量，各种波的频率均与________的频率相同，在传播过程中均满足波速公式ν＝λf.2．各种波在同一均匀介质中总是沿直线传播，在传播波的过程中，介质并不随波迁移；当两列或多列波相遇时服从波的________原理，波与波将互不干扰地传播，即两列机械波在相遇时和分离后都能保持其原有的周期、振幅、波长以及传播方向；在两列波相叠加的区域里，任一个质点的实际位移都等于两列波分别在该点所引起的位移的矢量和．波源叠加专题十五│主干知识整合3．无论是何种波均能发生波的反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应等波的现象．(1)波的干涉问题中，一定要理解振动加强点与振动减弱点的含义：①振动加强点并非指位移增大，而是指振幅增大，其值为两列波振幅之和；②振动加强点并非位移一直最大，而振动加强点也是振动的，所以位移也有很小的时候，可以为零；③振动加强点是振动始终加强的，并非一会儿振动加强，一会儿振动减弱；④振动减弱点是指在介质中的某两列波引起的位移总是相反，如两列波振幅相同，则减弱点的位移始终为零，振幅为零；专题十五│主干知识整合⑤在波的干涉现象中，若两列波振动情况总是相同的，则振动加强点到两列波的距离之差等于半波长的偶数倍或整波长的整数倍，即：＝2n×(n＝0,1,2,3…)；振动减弱点到两列波的距离之差等于半波长的奇数倍，即＝(2n－1)×(n＝0,1,2,3…)．这是判断某点振动加强或减弱的一种方法．另一种方法是若某点是波峰与波峰、波谷与波谷相遇，则该点的振动加强；若某点是波峰与波谷相遇，则该点的振动减弱．专题十五│主干知识整合(2)发生明显的衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小，或者跟波长相差不多．波长越长，障碍物或孔的尺寸越小，衍射现象越明显．(3)产生多普勒效应的条件：波源与观察者之间存在相对运动．当两者相互靠近时，感觉波的频率升高；当两者相互远离时，感觉波的频率降低．要点热点探究专题十五│要点热点探究►探究点一简谐运动模型的识别与应用高中阶段研究的简谐运动问题主要是涉及单摆和弹簧振子两个基本模型，解决此类问题首先要对简谐运动的概念及简谐运动的特征(对称性、周期性)有深刻的理解，其次要能迅速判定和识别研究对象的运动是否是简谐运动．专题十五│要点热点探究例1如图4－15－1所示是竖直面内的光滑半圆弧轨道，O为圆心，A、B是圆弧上位于同一水平线的两点，C为圆弧最低点，AC间有一光滑直杆，OA与竖直方向的夹角为θ.现有可视为质点的甲、乙两个小球分别套在AC直杆、BC圆弧上(图中未画出)，另一可视为质点的小球丙处于O点．现让甲、乙、丙三小球分别从A、B、O点无初速释放，到达C处所经过的时间分别为t1、t2、t3，不计空气阻力，不考虑三小球的碰撞，则关于时间t1、t2、t3的大小关系，下列说法正确的是()专题十五│要点热点探究A．t1＜t3B．t1＞t2C．t1＜t2D．因为θ数值不明确，t1、t2大小关系不能确定【点拨】(1)三个小球各自的运动性质如何？各属于什么运动模型？(2)注意相关几何关系的挖掘和利用．专题十五│要点热点探究例1D【解析】如图所示，甲从A点运动到C点的过程，甲做匀变速直线运动，作辅助线如图所示，根据几何关系得：AC＝2Rsina＝gsin则t1＝丙从O点运动到C点的过程做自由落体运动，则t3＝故t1t3，A错误；由于不知道θ是否小到可以将乙从B点运动到C点的过程看作单摆运动的程度，故不能应用单摆周期公式计算t2，也就无法比较t1、t2的大小关系，所以B、C错误，D正确．专题十五│要点热点探究专题十五│要点热点探究【点评】本题要确定由B点开始运动的小球沿圆弧轨道下滑过程是否属于单摆运动．确定物体运动为单摆运动的两个关键条件：(1)回复力是重力的切向分力；(2)摆角小于5°.要记牢单摆周期公式T＝2π周期与振幅和摆球的质量无关．有时单摆周期公式和天体问题相综合进行考查，如果是在其他星球表面的单摆，在计算周期时要代入该星球表面的重力加速度．另外，上题中对于从A点和O点开始运动的小球的运动时间的比较，要特别注意“圆弧”这一几何条件的应用．专题十五│要点热点探究►探究点二机械波的形成与传播规律机械波的产生过程实质是振源的振动引起其他质点依次受迫振动的过程，所以也是能量的传播过程．根据教材中的“机械波产生过程图示”可以很好地理解其产生机理，同时也便于进一步准确理解其传播规律并熟练应用．专题十五│要点热点探究比较项目机械波电磁波波源不同机械波是机械振动产生的电磁波是由电磁振荡、原子核外电子受激发、原子核受激发而产生的传播机理不同机械波是由于介质中的质点间存在相互作用力而使介质质点做受迫振动而形成的电磁波是由于变化的电场与变化的磁场相互感应而形成的在真空中的表现不同机械波不能在真空中传播电磁波可在真空中传播，且传播速度均为c＝3×108m/s专题十五│要点热点探究比较项目机械波电磁波波速不同性质相同的机械波的波速只由介质决定，与机械波的频率无关电磁波的波速不仅与介质有关，而且与波的频率有关，频率越高，波速越小.专题十五│要点热点探究例2将固有频率为10Hz的弹性振片的一端固定，另一端系一轻绳．某时刻给振片一个初速度让其自由振动，经过一段时间，绳上呈现如图4－15－2所示的波形，已知OP＝50cm.则()A．波的传播速度为5m/sB．波从O点传到P点所用的时间为0.25sC．再过0.25s，P点到达波谷D．振片开始振动时的速度方向向上专题十五│要点热点探究【点拨】注意从题图中找出有用信息，包括波长、起振方向等．例2D【解析】由波形图可知，设波长为λ，则OP＝λ，故λ＝0.4m，波速v＝λf＝4m/s，选项A错误；波传播到P点所用时间t＝＝0.125s，选项B错误；再经过0.25s＝2T，P点到达平衡位置，选项C错误；由于P点的起振方向向上，能反映振片的起振方向也向上，选项D正确．专题十五│要点热点探究【点评】本题考查波的产生过程及波传播的基本规律，为中等难度选择题．对于一般波的图象问题的分析，必须要掌握的基本技能有：①通过波的图象读取振幅、波长等参量，并能综合振动图象提供的信息进行周期、频率、波速等参量的运算；②能进行波的传播方向和某一质点振动方向的相互推断；③能通过某时刻的波形确定一段时间后的波形(微平移法、描点法)；④起振方向的确定(这一点很有用，如本题中D选项的分析及相关信息的判定都要用到)．掌握好这些基本功，有利于迅速解题．专题十五│要点热点探究[2010·全国卷Ⅱ]一简谐横波以4m/s的波速沿x轴正方向传播．已知t＝0时的波形如图4－15－3所示，则()A．波的周期为1sB．x＝0处的质点在t＝0时向y轴负向运动C．x＝0处的质点在t＝s时速度为0D．x＝0处的质点在t＝s时速度值最大专题十五│要点热点探究例2变式题AB【解析】由波的图象可知半个波长是2m，波长是4m，周期是T＝＝1s，选项A正确；波在沿x轴正方向传播，则x＝0处的质点在沿y轴的负方向运动，选项B正确；x＝0处的质点的位移是振幅的一半处要运动到平衡位置的时间是时刻x＝0的质点越过了平衡位置但速度不是最大，选项C、D错误．专题十五│要点热点探究►探究点三波的图象与多解问题(1)振动图象可以提供某一个质点在各个时刻的振动情况、振动周期、振幅；波的图象可以提供波长、振幅、各质点在某一时刻的位移情况；(2)两个图象信息整合可以求出波速，进而确定其他相关问题．波的多解问题是经常出现的一类典型问题，分析难度一般较大，在具体问题的分析中要注意及时总结和归纳解题方法和规律．专题十五│要点热点探究例3一列简谐横波沿x轴的正方向传播，在x轴上－3m～3m区间，t时刻与(t＋0.6s)时刻的波形图正好重合，如图4－15－4所示．下列说法正确的是()A．质点振动周期可能为0.9sB．该波的波速可能为20m/sC．在(t＋0.4s)时刻，x＝－2m处的质点位移可能为零D．从(t＋0.3s)时刻开始计时，x＝1m处的质点可能比x＝－1m处的质点先到达波峰位置专题十五│要点热点探究【点拨】注意可能性的分析和通式的确定．专题十五│要点热点探究波形图如图所示，即t时刻波形为图中实线或图中虚线，若为图中实线，则x＝－1m处的质点先达到平衡位置；若为图中实线，则x＝1m处的质点先达到平衡位置，所以D正确．专题十五│要点热点探究【点评】分析波的多解问题的关键是看清题目产生多解的原因并准确列出通式．波的多解问题主要是以下几方面原因引起：(1)波长存在可能值；(2)周期存在可能值；(3)某一质点振动方向的不确定性；(4)波的传播方向的不确定性．专题十五│要点热点探究P、Q为介质中的两个质点，一列简谐横波沿x轴正方向由P传到Q，图4－15－5甲为该列简谐横波某一时刻的波形图，图乙为P、Q两质点的振动图象，则P、Q两质点平衡位置之间的距离可能是()A．0.5mB．1.5mC．2.5mD．3.5m专题十五│要点热点探究例3变式题AC【解析】由波的图象和振动图象可知，波长λ＝2m，周期T＝0.2s，PQ之间的距离可能为(n＝0,1,2，…)，即在四个选项中，A、C是可能的．专题十五│要点热点探究►探究点四波的特性及其比较问题对于波的特有现象(包括波的叠加、干涉、衍射、偏振和多普勒效应)，要清楚其产生条件和规律，详见本讲【主干知识整合】对应内容．高中阶段接触的波主要是机械波和电磁波，二者具有波的共性但又有本质的区别，尤其要注意各种波的产生机理和特性(详见本讲【主干知识整合】对应内容)，将各种波进行综合考查可以作为高考命题的一个重要命题角度．专题十五│要点热点探究例3关于波的干涉和衍射，正确的说法是()A．有的