（课标版）2020届高考物理二轮复习 专题七 第15讲 选修3-4 振动和波动 光课件

第15讲选修3-4振动和波动光总纲目录考点一机械振动和机械波考点二光的折射和全反射考点三光的波动性、电磁波、相对论考点一机械振动和机械波1.(多选)[2019课标Ⅰ,34(1),5分]一简谐横波沿x轴正方向传播,在t= 时刻,该波的波形图如图(a)所示,P、Q是介质中的两个质点。图(b)表示介质中某质点的振动图像。下列说法正确的是 ()2TA.质点Q的振动图像与图(b)相同B.在t=0时刻,质点P的速率比质点Q的大C.在t=0时刻,质点P的加速度的大小比质点Q的大D.平衡位置在坐标原点的质点的振动图像如图(b)所示E.在t=0时刻,质点P与其平衡位置的距离比质点Q的大答案CDE本题考查了机械振动及机械波图像的综合应用,考查了学生的综合分析能力,体现了物理观念中运动与相互作用的素养要素。由图(b)可知,在 时刻,该质点处于平衡位置且向y轴负方向运动,再从图(a)中利用“上下坡法”,结合波沿x轴正方向传播可知,在 时刻,质点Q在平衡位置且向y轴正方向运动,平衡位置在原点处的质点在平衡位置且向y轴负方向运动,所以A选项错误,D选项正确。分析可知,在t=0时刻,质点P位于波谷,此时质点P的速率为0,加速度最大,位移大小最大,但质点Q在平衡位置,速率最大,加速度为0,位移为0,所以B选项错误,C和E选项均正确。2T2T2.(多选)[2019课标Ⅲ,34(1),5分]水槽中,与水面接触的两根相同细杆固定在同一个振动片上。振动片做简谐振动时,两根细杆周期性触动水面形成两个波源。两波源发出的波在水面上相遇,在重叠区域发生干涉并形成了干涉图样。关于两列波重叠区域内水面上振动的质点,下列说法正确的是 (BDE)A.不同质点的振幅都相同B.不同质点振动的频率都相同C.不同质点振动的相位都相同D.不同质点振动的周期都与振动片的周期相同E.同一质点处,两列波的相位差不随时间变化答案BDE本题考查了机械波的干涉内容,突出了理解能力、综合分析能力的应用,体现了核心素养中模型建构、科学推理和科学论证要素。两列波发生干涉时,会出现振动加强区和振动减弱区,振动加强区的质点振幅大,振动减弱区的质点振幅小,故A错误。波动过程中质点的振动频率由波源决定,故B项正确。不同质点的振动相位不一定相同,故C错误。振动质点的周期由波源决定,故D项正确。由题意知,两列波在重叠区域发生干涉并形成干涉图样,则在同一质点处,两列波的相位在不断变化,但两列波的相位差不变,故E项正确。3.[2019课标Ⅱ,34(1),5分]如图,长为l的细绳下方悬挂一小球a,绳的另一端固定在天花板上O点处,在O点正下方 l的O'处有一固定细铁钉。将小球向右拉开,使细绳与竖直方向成一小角度(约为2°)后由静止释放,并从释放时开始计时。当小球a摆至最低位置时,细绳会受到铁钉的阻挡。设小球相对于其平衡位置的水平位移为x,向右为正。下列图像中,能描述小球在开始一个周期内的x-t关系的是 ()34答案A本题考查单摆问题中对单摆模型的理解及对周期公式的认识,体现出模型建构的素养。由单摆的周期公式T=2π 可知,单摆的摆长越大,周期越大,题中单摆在一个全振动中,当x0时摆长为l,T1=2π ;当x0时,摆长为 ,T2=π ,则T1=2T2,由机械能守恒定律可知,小球将运动到与初始位置等高的地方,由几何关系可知,当x0时,振幅变小,故A项正确。 Lglg4llg1.解波动图像与振动图像综合问题的基本方法求解波动图像与振动图像综合类问题可采用“一分、一看、一找”的方法:(1)分清振动图像与波动图像,此问题最简单,只要看清横坐标即可,横坐标为x则为波动图像,横坐标为t则为振动图像。(2)看清横、纵坐标的单位,尤其要注意单位前的数量级。(3)找准波动图像对应的时刻及振动图像对应的质点,灵活应用“波振法则”。2.波的多解问题的分析思路3.机械波的干涉图样中,实线和实线的交点、虚线和虚线的交点及其连线为振动加强处;实线和虚线的交点及其连线处为振动减弱处。振动加强点有时位移也为零,只是振幅为两列波的振幅之和,显得振动剧烈。考向一简谐运动1.(多选)如图所示为同一地点的两单摆甲、乙的振动图像,下列说法中正确的是 (ABE)A.甲、乙两单摆的摆长相等B.甲摆的振幅比乙摆大C.甲摆的机械能比乙摆大D.甲摆的周期比乙摆大E.在t=0.5s时有正向最大加速度的是乙摆答案ABE可从题图上看出甲摆振幅大,B正确;由题图知两摆周期相等,则摆长相等,因两摆球质量关系不明确,无法比较它们的机械能的大小,A正确,C、D错误;t=0.5s时乙摆球在负的最大位移处,故有正向最大加速度,E正确。考向二波的叠加2.(多选)如图是水面上两列频率相同的波在某时刻的叠加情况,以波源S1、S2为圆心的两组同心圆弧分别表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线);S1的振幅A1=3cm,S2的振幅A2=2cm,下列说法正确的是 (BDE)A.质点D是振动减弱点B.质点A、D在该时刻的高度差为10cmC.再过半个周期,质点B、C是振动加强点D.质点C的振幅为1cmE.质点C此刻以后将向下运动答案BDE两个波源的振动频率一致,题图中质点A、D到两个波源路程差为零,是振动加强点,而质点B、C是波峰与波谷相遇,是振动减弱点,故A错误;题图示时刻,质点A的位移为3cm+2cm=5cm,质点D的位移为-3cm+(-2cm)=-5cm,故质点A、D在该时刻的高度差为10cm,故B正确;振动的干涉是稳定的,质点A、D一直是振动加强点,而质点B、C一直是振动减弱点,故C错误;质点C是振动减弱点,振幅为3cm-2cm=1cm,故D正确;质点C是振动减弱点,此刻在上方最大位移处,故质点C此刻以后将向下运动,故E正确。考向三波动图像与振动图像的综合应用3.(多选)(2019安徽芜湖模拟)某列简谐横波传播的路径上有P、Q两质点,图甲所示为质点P的振动图像,图乙所示为t=0.3s时刻的波形图。则由图可知 ()A.质点做简谐运动的振幅A=0.4mB.t=0.2s时,质点P的速度大于Q的速度C.简谐波的波速v=20m/sD.0~0.3s,质点P通过的路程为0.9mE.0~0.3s,波沿x轴的负方向传播6m答案BCE质点做简谐运动的振幅A=0.2m,选项A错误;波的周期T=0.2s,t=0.3s时刻质点P在平衡位置向上振动,由题图甲可知,波沿x轴负方向传播,则根据t=0.3s时刻的波形图可知,t=0.2s时刻P点仍在平衡位置,向下振动,振动速度最大;Q点在平衡位置上方,则质点P的速度大于Q的速度,选项B正确;波长λ=4m,则波速v= = m/s=20m/s,选项C正确;0.3s=1.5T,则0~0.3s质点P通过的路程为6A=1.2m,选项D错误;0~0.3s,波沿x轴的负方向传播x=vt=6m,选项E正确。λT40.2考向四波的多解问题4.(2019福建漳州模拟)一列简谐横波在均匀介质中传播,介质中有相距d=3m的P、Q两点与波源在同一条直线上,其振动的图像分别如图甲、乙所示。 (1)请写出质点P做简谐运动的位移与时间的关系式;(2)如果波从P点传到Q,求波速的大小。答案(1)y=0.4cos0.5πt(m)(2) m/s(n=0,1,2,…)解析(1)由题图可知振幅A=0.4m角速度ω= = rad/s所以质点P做简谐运动的位移与时间的关系式为y=0.4cos0.5πt(m)(2)由振动图像可知,P点在正向最大位移处,且将向下振动时,Q点在平衡位置,且将向下振动,由位置关系可知343n2πTπ2d= λ(n=0,1,2,…)波长λ= m由图像知,T=4s波速v= = m/s(n=0,1,2,…)34n1243nλT343n考点二光的折射和全反射1.[2019课标Ⅲ,34(2),10分]如图,直角三角形ABC为一棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=30°。一束光线平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜,然后垂直于AC边射出。(ⅰ)求棱镜的折射率;(ⅱ)保持AB边上的入射点不变,逐渐减小入射角,直到BC边上恰好有光线射出。求此时AB边上入射角的正弦。答案(ⅰ) (ⅱ) 解析本题考查了光的折射、全反射,突出应用数学知识处理物理问题的能力,体现了核心素养中模型建构、科学论证要素,有利于培养考生的应用与创新价值观。(ⅰ)光路图及相关量如图所示。 33-22光束在AB边上折射,由折射定律得 =n ①式中n是棱镜的折射率。由几何关系可知α+β=60° ②由几何关系和反射定律得β=β'=∠B ③联立①②③式,并代入i=60°得n=  ④(ⅱ)设改变后的入射角为i',折射角为α',由折射定律得sinsiniα3 =n ⑤依题意,光束在BC边上的入射角为全反射的临界角θc,且sinθc=  ⑥由几何关系得θc=α'+30° ⑦由④⑤⑥⑦式得入射角的正弦为sini'=  ⑧sin'sin'iα1n3-222.[2019课标Ⅰ,34(2),10分]如图,一艘帆船静止在湖面上,帆船的竖直桅杆顶端高出水面3m。距水面4m的湖底P点发出的激光束,从水面出射后恰好照射到桅杆顶端,该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin53°=0.8)。已知水的折射率为 。(ⅰ)求桅杆到P点的水平距离;(ⅱ)船向左行驶一段距离后停止,调整由P点发出的激光束方向,当其与竖直方向夹角为45°时,从水面射出后仍照射在桅杆顶端,求船行驶的距离。43答案(ⅰ)7m(ⅱ)5.5m解析(ⅰ)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1,到P点的水平距离为x2;桅杆高度为h1,P点处水深为h2;激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有 =tan53° ① =tanθ ②由折射定律有sin53°=nsinθ ③11xh22xh设桅杆到P点的水平距离为x,则x=x1+x2 ④联立①②③④式并代入题给数据得x=7m⑤(ⅱ)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时,从水面出射的方向与竖直方向夹角为i',由折射定律有sini'=nsin45° ⑥设船向左行驶的距离为x',此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1',到P点的水平距离为x2',则x1'+x2'=x'+x ⑦ =tani' ⑧ =tan45° ⑨联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得x'=(6 -3)m≈5.5m⑩11'xh22'xh2光的几何计算题往往是光的反射、折射、全反射(临界点)及几何图形关系的综合问题,解决此类问题应注意以下四个方面:(1)依据题目条件,正确分析可能的全反射及临界角;(2)通过分析、计算确定光传播过程中可能的折射、反射,把握光的“多过程”现象;(3)准确作出光路图;(4)充分考虑三角形、圆的特点,运用几何图形中的角关系、三角函数、相似三角形等,仔细分析光传播过程中产生的几何关系。考向一光的折射及折射率的计算1.(2019安徽芜湖模拟)一个透明圆柱体的半径为R,其横截面如图所示,AB是一条直径,一束平行单色光沿AB方向射向圆柱体,该圆柱体的折射率为 。若有一条入射到P点的光线(P点图中未标出),经折射后恰好到B点,求:(1)该入射光线射入圆柱体的入射角i;(2)光在圆柱体介质中,由P点运动至B点所用的时间t。(设光在真空中的速度为c)3答案(1)60°(2) 解析(1)设这条光线经P点折射后过B点,光路图如图所示 根据折射定律n= 在△OBP中,由几何关系得i=2r由以上两式可得:r=30°,i=60°3Rcsinsinir这条入射光线的入射角i为60°(2)设B、P两点间距为x,由几何关系得x=2Rcosr折射率n= x=vt由以上三式可得t= cv3Rc考向二光的折射与全反射的综合2.(2019山东淄博二模)如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角三角形ABC,腰长为a,∠A=90°。一束细光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向射到AB边上的中点,光进入棱镜后直接射到AC边上,并刚好能发生全反射。已知真空中的光速为c,试求:(1)该棱镜材料的折射率n;(2)光从AB边到AC边的传播时间t。 答案(1) (2) 解析(1)设光从AB边射入时折射