全國通用版2022年高考物理專題復(fù)習(xí)專題15機械振動和機械波課件

專題十五機械振動和機械波

考情解讀課標(biāo)要求1.通過實驗,認識簡諧運動的特征.能用公式和圖像描述簡諧運動.2.通過實驗,探究單擺的周期與擺長的定量關(guān)系.知道單擺的周期與擺長、重力加速度的關(guān)系.會用單擺測量重力加速度的大小.3.通過實驗,認識受迫振動的特點.了解產(chǎn)生共振的條件及其應(yīng)用.4.通過觀察,認識波的特征.能區(qū)別橫波和縱波.能用圖像描述橫波.理解波速、波長和頻率的關(guān)系.5.知道波的反射和折射現(xiàn)象.通過實驗,了解波的干涉與衍射現(xiàn)象.6.通過實驗,認識多普勒效應(yīng).能解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因.能列舉多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實例.

考情解讀命題探究1.命題分析:高考對本專題的考查以圖像為主,重點是簡諧運動的特點、振動和波動圖像、波的傳播、波的疊加、波速的計算、波的多解問題以及用單擺測定重力加速度等.2.趨勢分析:預(yù)計今后的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,難度中等.要多注意本專題中與實際生活相聯(lián)系的題目.

考情解讀核心素養(yǎng)聚焦物理觀念:1.掌握簡諧運動的特征及波的傳播規(guī)律;2.掌握單擺的周期公式,掌握振動圖像和波動圖像;3.從相互作用和能量的角度認識振動和波.科學(xué)思維:1.構(gòu)建簡諧運動、單擺等模型研究問題;2.運用公式和圖像描述振動和波動問題;3.運用證據(jù)及推理解釋波的干涉、衍射現(xiàn)象.科學(xué)探究:通過“用單擺測定重力加速度”等實驗,提高科學(xué)素養(yǎng).科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:1.嘗試用學(xué)過的知識解決實際生產(chǎn)生活中的振動與波的問題;2.通過實驗探究,形成嚴謹、認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度.

考情解讀核心考點考題取樣考法考向1.簡諧運動規(guī)律和圖像描述單擺測重力加速度2020山東,T42019全國Ⅱ,T34(1)2018天津,T8考查簡諧運動的方程和圖像考查簡諧運動的圖像考查簡諧運動的特征

考情解讀核心考點考題取樣考法考向2.機械波的形成與傳播2020全國Ⅰ,T34(2)2020浙江7月選考,T152019全國Ⅰ,T34(1)2019全國Ⅲ,T34(1)2019北京,T13考查結(jié)合波的干涉對振動加強點的理解考查在波的傳播過程中不同質(zhì)點在不同時刻的振動規(guī)律考查波的圖像和質(zhì)點振動圖像的關(guān)系考查波的疊加與干涉現(xiàn)象考查簡諧橫波的傳播與質(zhì)點振動的關(guān)系和多解性

考點1簡諧運動規(guī)律和圖像描述單擺測重力加速度

考點

必備知識通關(guān)1.簡諧運動的兩種模型模型彈簧振子單擺示意圖簡諧運動的條件(1)彈簧質(zhì)量忽略不計;(2)無摩擦力等阻力;(3)在彈性限度內(nèi)(1)擺線為不可伸長的輕質(zhì)細線;(2)無空氣阻力;(3)最大擺角θ<5°.

考點

必備知識通關(guān)模型彈簧振子單擺回復(fù)力由彈簧的彈力提供,F回=F彈=-kx(x為彈簧形變量).平衡位置F回=0,a=0,彈簧處于原長.F回=0,a切=0,擺球擺動到最低點.

考點

必備知識通關(guān)模型彈簧振子單擺能量轉(zhuǎn)化關(guān)系彈性勢能與動能相互轉(zhuǎn)化,機械能守恒.重力勢能與動能相互轉(zhuǎn)化,機械能守恒.固有周期

考點

必備知識通關(guān)2.簡諧運動的特征(1)動力學(xué)特征:F回=-kx.“-”表示回復(fù)力的方向與位移的方向總是相反.(2)運動學(xué)特征:做變加速運動.①遠離平衡位置的過程,由F=-kx=ma可知,x增大,F增大,a增大,但a與v反向,故v減小,動能減小.②靠近平衡位置的過程:由F=-kx=ma可知,x減小,F減小,a減小,但a與v同向,故v增大,動能增加.x、v、a均按正弦或余弦規(guī)律發(fā)生周期性變化.

考點

必備知識通關(guān)

考點

必備知識通關(guān)②如圖所示,振子經(jīng)過關(guān)于平衡位置O對稱的兩點P、P'(OP=OP')時,速度大小、動能、勢能相等,相對于平衡位置的位移大小相等.③振子由P到O所用時間等于由O到P'所用時間,即tPO=tOP'.④振子往復(fù)運動過程中通過同一段路(如OP段)所用時間相等,即tOP=tPO.

考點

必備知識通關(guān)

考點

必備知識通關(guān)4.四種振動類型的比較簡諧運動阻尼振動受迫振動共振受力情況不受阻力作用.受阻力作用.受阻力和驅(qū)動力作用驅(qū)動力頻率等于固有頻率.頻率固有頻率.固有頻率.驅(qū)動力頻率.驅(qū)動力頻率.振幅不變.減小.大小變化不確定.最大.

考點

必備知識通關(guān)簡諧運動阻尼振動受迫振動共振振動圖像形狀不確定振動能量振動物體的機械能不變.振動物體的機械能不斷減小.由產(chǎn)生驅(qū)動力的物體提供.振動物體獲得的能量最大.常見例子彈簧振子或單擺做小角度擺動.敲鑼打鼓發(fā)出的聲音越來越弱.

機器運轉(zhuǎn)時底座發(fā)生的振動.共振篩、共鳴箱等.

考法

解題能力提升考法1對簡諧運動的基本規(guī)律的考查示例1[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(2.5πt)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(nèi)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E.t=0.6s時,物塊的位移是-0.1m

考法

解題能力提升思維導(dǎo)引：先根據(jù)振動方程計算出t=0.6s時振子離開平衡位置的位移,再根據(jù)振子所處的位置確定小球做自由落體運動的位移.

考法

解題能力提升考法2對簡諧振動圖像及其應(yīng)用的考查示例2

[2016北京,15,6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,則其振動圖像為

考法

解題能力提升解析：振子在N點時開始計時,其位移為正向最大,并按余弦規(guī)律變化,故選項A正確.

考法

解題能力提升歸納總結(jié)簡諧運動是以平衡位置O為位移起點的,確定初始位置及正方向是突破點,且要通過簡諧運動的圖像提取相關(guān)信息.1.質(zhì)點在任一時刻的位移.2.質(zhì)點的振幅A和周期T.3.各時刻質(zhì)點的振動方向.判斷方法:振動方向可以根據(jù)下一時刻位移的變化來判定.下一時刻位移若增大,質(zhì)點的振動方向是遠離平衡位置;下一時刻位移若減小,質(zhì)點的振動方向是指向平衡位置.4.比較各時刻質(zhì)點的加速度(回復(fù)力)的大小和方向.5.比較不同時刻質(zhì)點的勢能和動能的大小.質(zhì)點的位移越大,它具有的勢能越大,動能越小.從圖像讀取x

的大小及方向F的大小及方向a的大小及方向

考法

解題能力提升考法3對單擺周期公式的理解與應(yīng)用示例3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向下做勻加速運動的電梯中,周期為T乙;單擺丙中擺球帶正電,放在勻強磁場B中,周期為T丙;單擺丁中擺球帶正電,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(zhì)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

考法

解題能力提升

考法

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考法

解題能力提升感悟反思單擺處在電場或磁場中時,由于擺球帶電,擺球會受電場力或洛倫茲力,此時單擺的周期是否變化應(yīng)從回復(fù)力的來源來看,如果除重力外的其他力參與提供回復(fù)力,則單擺的周期變化;若不參與提供回復(fù)力,則單擺的周期不變.

考法

解題能力提升考法4對受迫振動、共振現(xiàn)象的考查示例4下列說法正確的是A.單擺在周期性外力作用下做受迫振動,其振動周期與單擺的擺長有關(guān)B.某學(xué)生用單擺測定重力加速度,處理數(shù)據(jù)時計算得到的數(shù)值偏大些,不可能是測量擺長時誤加了小球直徑C.單擺的周期隨振幅的增大而增大D.當(dāng)驅(qū)動力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時,受迫振動的振幅最大,這種現(xiàn)象叫做共振

考法

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考法

解題能力提升深度理解1.如圖所示的共振曲線表示受迫振動的振幅A(縱坐標(biāo))隨驅(qū)動力頻率f(橫坐標(biāo))的變化而變化的規(guī)律.驅(qū)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(qū)動力的頻率f等于振動系統(tǒng)的固有頻率f0時,振幅最大.2.做受迫振動的系統(tǒng)機械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進行著能量交換.

考法

解題能力提升考法5實驗:用單擺測量重力加速度的大小(1)組裝單擺時,應(yīng)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(2)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).

圖甲示例5

[2015北京,21(2),15分]用單擺測定重力加速度的實驗裝置如圖甲所示.

考法

解題能力提升組次123擺長L/cm80.0090.00100.0050次全振動時間t/s90.095.5100.5振動周期T/s1.801.91

重力加速度g/(m·s-2)9.749.73

(3)下表是某同學(xué)記錄的3組實驗數(shù)據(jù),并做了部分計算處理.請計算出第3組實驗中的T=

s,g=

m/s2.

考法

解題能力提升(4)用多組實驗數(shù)據(jù)作出T2-L圖像,也可以求出重力加速度g.已知三位同學(xué)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(yīng)的g值最接近當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹?則相對于圖線b,下列分析正確的是

(選填選項前的字母).

A.出現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)的g值小于圖線b對應(yīng)的g值圖乙

考法

解題能力提升(5)某同學(xué)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(biāo)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(biāo)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(dāng)O、A間細線的長度分別為l1、l2時,測得相應(yīng)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

考法

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考法

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考法

解題能力提升歸納總結(jié)1.原理與操作

考法

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產(chǎn)生原因處理方法偶然誤差測量時間(單擺周期)及擺長時產(chǎn)生誤差.①多次測量再求平均值.②從單擺經(jīng)過平衡位置時開始計時.系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身.①擺球要選體積小,密度大的.②最大擺角要小于5°.

考法

解題能力提升3.注意事項(1)擺長要待懸掛好球后再測,計算擺長時要將擺線長加上擺球半徑.(2)單擺要在豎直平面內(nèi)擺動,不要使之成為圓錐擺.(3)要從平衡位置開始計時,并數(shù)準全振動的次數(shù).

高分幫模型構(gòu)建彈簧振子的力學(xué)問題1.彈簧振子在振動的過程中,彈簧的形變量在時刻改變,彈力也在時刻改變.但當(dāng)振子振動到兩端處時其加速度一定是大小相等,方向相反的.2.根據(jù)振子振動到兩端處時加速度大小相等、方向相反的特征,由牛頓第二定律,求出彈簧在這兩種情況下的彈力,再利用輕彈簧上的彈力處處相等,分析彈簧另一端物體的受力,從而根據(jù)平衡條件得出此物體受到的其他力的變化規(guī)律.

高分幫示例6如圖所示,傾角為θ、表面光滑的斜面體固定在水平面上,底端有垂直斜面的擋板,勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧,下端拴接著質(zhì)量為M的物體B,上端放著質(zhì)量為m的物體P(P與彈簧不拴接).現(xiàn)沿斜面向下壓P一段距離然后釋放,它就沿斜面上下做簡諧運動,振動過程中,P始終沒有離開彈簧.試求:(1)P振動時振幅的最大值.(2)P以最大振幅振動時,B對擋板的最大壓力.

高分幫

高分幫(2)P以最大振幅振動時,由簡諧運動的特點可知,P到達最低點時,彈簧的壓縮量Δx'=2Δx.以B為研究對象,則B受到重力、斜面的支持力、擋板的支持力和彈簧沿斜面向下的壓力,沿斜面的方向Nmax=Mgsinθ+k·Δx'聯(lián)立得Nmax=Mgsinθ+2mgsinθ.考點2機械波的形成與傳播

考點

必備知識通關(guān)1.機械波的形成(1)產(chǎn)生條件:①要有做機械振動的波源;②要有傳播機械振動的介質(zhì).(2)形成原因:介質(zhì)中的質(zhì)點受波源或鄰近質(zhì)點的驅(qū)動做受迫振動.(3)分類:①橫波(質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直,凸起的最高處叫波峰,凹下的最低處叫波谷).②縱波(質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向平行,質(zhì)點分布最密的地方叫密部,分布最疏的地方叫疏部).

考點

必備知識通關(guān)2.機械波的傳播(1)介質(zhì)依存性:機械波的傳播離不開介質(zhì),機械波不能在真空中傳播.(2)能量信息性:機械波是以振動的形式傳播的,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(zhì)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(fù)性:時間上的重復(fù)性——周期,空間上的重復(fù)性——波長.(5)周期、頻率同源性:介質(zhì)(包括不同介質(zhì))中各質(zhì)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(zhì)點開始振動的方向與振源開始振動的方向相同.

考點

必備知識通關(guān)3.描述機械波的物理量(1)波長λ:相對平衡位置的位移總是相等的兩個相鄰的質(zhì)點間的距離.(2)周期T:波在介質(zhì)中傳播一個波長所用的時間.波的周期取決于波源.(3)波速v:波在單位時間內(nèi)傳播的距離.機械波的波速取決于介質(zhì),不同頻率、相同性質(zhì)的波在同一種介質(zhì)中的波速相同,波速可用公式v=λf計算.4.波的干涉、衍射、多普勒效應(yīng)(1)波的疊加:當(dāng)兩列波相遇時,每列波將保持原有的特性,即頻率、振幅、波長、波速及振動方向均不變,繼續(xù)按原來的方向傳播,它們互不干擾.在兩列波的重疊區(qū)域內(nèi),介質(zhì)中的質(zhì)點同時參與兩種振動,其振動的位移等于這兩列波分別引起的位移的矢量和.

考點

必備知識通關(guān)

考點

必備知識通關(guān)學(xué)習(xí)·理解當(dāng)縫、孔或障礙物的尺寸遠小于波長時,盡管滿足發(fā)生明顯衍射的條件,但由于衍射波的能量很弱,也很難觀察到波的衍射現(xiàn)象.

考點

必備知識通關(guān)(3)干涉現(xiàn)象頻率相同的兩列波疊加時,某些區(qū)域的振幅增大、某些區(qū)域的振幅減小,這種現(xiàn)象叫做波的干涉,形成的圖樣叫做波的干涉圖樣.①產(chǎn)生穩(wěn)定干涉圖樣的條件必須是兩列同類的波,并且波的頻率相同、相位差恒定.②關(guān)于加強點(區(qū))和減弱點(區(qū))

考點

必備知識通關(guān)

考點

必備知識通關(guān)

考法

解題能力提升考法1對質(zhì)點振動方向和波的傳播方向關(guān)系的判定示例1[多選]一簡諧機械橫波沿x軸負方向傳播,已知波的波長為8m,周期為2s,t=1s時刻波形如圖1所示,a、b、d是波上的三個質(zhì)點.圖2是波上某一點的振動圖像,則下列說法正確的是A.圖2可以表示d質(zhì)點的振動B.圖2可以表示b質(zhì)點的振動C.a、b兩質(zhì)點在t=1.5s時速度大小相同D.該波傳播速度為v=4m/sE.t=0時b質(zhì)點速度沿y軸正方向

考法

解題能力提升

考法

解題能力提升方法解讀

波的傳播方向與質(zhì)點振動方向的互判方法

內(nèi)容圖像“帶動”法(“特殊點”法)在質(zhì)點P附近靠近波源一側(cè)的圖線上另找一點P',P'在P上方,P'帶動P向上運動,則P向上運動(若P'在P下方,P'帶動P向下運動,則P向下運動).“微平移”法將波形沿傳播方向進行微小的平移,再由對應(yīng)同一x坐標(biāo)的兩波形曲線上的點來判斷質(zhì)點振動方向.

考法

解題能力提升

內(nèi)容圖像“上下坡”法沿波的傳播方向,“上坡”時質(zhì)點向下振動,“下坡”時質(zhì)點向上振動.“同側(cè)”法波形圖上某點,表示傳播方向和振動方向的箭頭在圖線同側(cè).不管用什么方法判定簡諧橫波的傳播方向和質(zhì)點的振動方向都要注意,介質(zhì)中各個質(zhì)點在垂直于波的傳播方向上、各自的平衡位置附近振動.

考法

解題能力提升考法2對波的傳播多解性問題的考查示例2

[多選]一列橫波在某時刻的波形圖如圖中實線所示,經(jīng)2×10-2s后的波形圖如圖中虛線所示,則該波的波速v和頻率f可能是A.v為5m/s

B.v為35m/sC.f為50Hz D.f為37.5Hz

考法

解題能力提升

考法

解題能力提升

考法

解題能力提升歸納總結(jié)

解決機械波的多解問題從三方面考慮1.時間的周期性每經(jīng)過nT,質(zhì)點完成n次全振動回到原來的狀態(tài),在時間上形成多解,多解通式為t=nT+Δt.2.空間的周期性在波形圖上,相距nλ的質(zhì)點振動狀態(tài)完全一致,在空間上形成多解,多解通式為x=nλ+Δx.3.雙向性(1)傳播方向雙向性:波的傳播方向不確定.(2)振動方向雙向性:質(zhì)點振動方向不確定.

考法

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考法

解題能力提升考法3對波的干涉、衍射及多普勒效應(yīng)的考查示例3

[2017全國Ⅰ,34(1),5分]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1.00m/s.兩列波從波源傳播到點A(8,-2)的路程差為