备战2025年高考物理二轮复习课件（通用版）专题5振动与波、光学第1讲振动与波

这是一份备战2025年高考物理二轮复习课件（通用版）专题5振动与波、光学第1讲振动与波，共51页。PPT课件主要包含了通览知识明要点，研学考点提能力，考点一时间计算，考点二机械波，突破热点聚素养等内容，欢迎下载使用。
通览知识 明要点
研学考点 提能力
目 录 索 引
突破热点 聚素养
命题角度1 简谐运动的规律(1)位移:x=Asin(ωt+φ0)。(2)回复力:F=-kx。
例1 (2024浙江一模)如图所示,在xOy坐标系中一质量为m的小球绕原点O做顺时针方向的圆周运动,运动轨迹半径为R。一束平行光沿x轴正方向照射小球,在x=2R处放置一垂直于x轴的足够大屏幕,观察到影子在y轴方向上的运动满足y=Rsin 10πt。则(　　)A.影子做简谐运动,周期为2 sB.小球做匀速圆周运动的向心力为100mπ2RC.t=0.05 s时,小球位置坐标是(R,0)D.t=0.10 s时,小球速度沿y轴正方向答案 B
解析 根据影子在y轴方向运动的位移时间关系y=Rsin 10πt,可知影子做简谐运动,且ω=10π、T= =0.2 s,A错误;由向心力公式F=mω2R=100mπ2R可知,B正确;根据题中信息可知t=0时,小球位置坐标为(-R,0),沿y轴正方向运动,t=0.05 s时,即经过四分之一个周期,小球位置坐标是(0,R),C错误;t=0.10 s时,小球速度沿y轴负方向,D错误。
例2 (多选)(2023山东卷)如图所示,沿水平方向做简谐振动的质点,依次通过相距L的A、B两点。已知质点在A点的位移大小为振幅的一半,B点位移大小是A点的 倍,质点经过A点时开始计时,t时刻第二次经过B点,该振动的振幅和周期可能是(　　)
规律总结 简谐运动的五个特征
命题角度2 简谐运动图像的理解与应用(1)简谐运动图像是对一个质点离开平衡位置的位移随时间变化的“录像”;(2)由图像可直接得出质点的振幅A、周期T、频率f、位移x,判断速度、加速度、回复力的方向,比较速度、加速度、回复力、动能和势能的大小。
例3 (2024浙江1月选考)如图甲所示,质量相等的小球和点光源分别用相同的弹簧竖直悬挂于同一水平杆上,间距为l,竖直悬挂的观测屏与小球水平间距为2l,小球和点光源做小振幅运动时,在观测屏上可观测小球影子的运动。以竖直向上为正方向,小球和点光源的振动图像如图乙所示,则(　　)A.t1时刻小球向上运动B.t2时刻点光源的加速度向上C.t2时刻小球与影子相位差为πD.t3时刻影子的位移为5A答案 D
解析 以竖直向上为正方向,根据图乙可知,t1时刻,小球位于平衡位置,随后位移为负值,且位移增大,则t1时刻小球向下运动,A错误;以竖直向上为正方向,t2时刻点光源的位移为正值,点光源的振动图像为正弦函数图像,表明其做简谐运动,根据F回=-kx=ma可知,其加速度方向与位移方向相反,位移方向向上,则加速度方向向下,B错误;根据图乙可知,小球与点光源的振动步调总是相反,由于影子是点光源发出的光被小球遮挡后,在屏上留下的阴影,可知影子与小球的振动步调总是相同,即t2时刻小球与影子相位差为0,C错误;根据图乙可知,t3时刻,点光源位于最低点,小球位于最高点,根据光的直线传播可知,在屏上影子的位置也处于最高点,影子位于正方向上的最大位移处,根据几何关系有 ,解得x影子=5A,即t3时刻影子的位移为5A,D正确。
拓展衍生1.(2024河北卷)如图所示,一电动机带动轻杆在竖直框架平面内匀速转动,轻杆一端固定在电动机的转轴上,另一端悬挂一紫外光笔,转动时紫外光始终竖直投射至水平铺开的感光纸上,沿垂直于框架的方向匀速拖动感光纸,感光纸上就画出了描述光点振动的x-t图像,已知轻杆在竖直面内长0.1 m,电动机转速为12 r/min,该振动的圆频率和光点在12.5 s内通过的路程分别为(　　)A.0.2 rad/s,1.0 mB.0.2 rad/s,1.25 rad/s,1.0 rad/s,1.25 m答案 C
2.(2024广东一模)如图甲所示,轻质弹簧上端固定,下端挂有钩码,钩码下表面吸附一个小磁体。钩码在竖直方向做简谐运动时,某段时间内,小磁体正下方的智能手机中的磁传感器采集到磁感应强度随时间变化的图像如图乙所示,不计空气阻力,下列说法正确的是(　　)A.钩码做简谐运动的周期为t5-t1B.钩码动能变化的周期为t6-t2C.在t1时刻,钩码的重力势能最大D.t2~t4时间内,钩码所受合外力的冲量为零答案 A
解析 小磁体越靠近手机时,磁传感器采集到磁感应强度越大,则钩码做简谐运动的周期等于采集到磁感应强度随时间变化的周期,故为t5-t1,A正确; t6-t2等于钩码做简谐运动的周期,而在一次简谐运动中,对于某一时间点,至少有另外一个时间点的速率和动能与其相同,则动能变化的周期等于简谐运动周期的一半,即为 ,B错误;在t1时刻磁感应强度最大,说明小磁体靠近手机最近,重力势能最小,C错误;t2~t4时间内,钩码的速度方向发生变化,动量变化,说明合外力的冲量一定不为零,D错误。
命题角度1 机械波的形成与传播规律机械波的四个特点(1)介质中各质点的起振方向、振动频率和周期都和波源相同。体现带动(2)波从一种介质进入另一种介质时,波长和波速改变,但频率和周期都不变。(3)波源振动一个周期,波向前传播一个波长的距离,有v= =λf。(4)在波的传播过程中,同一时刻如果一个质点处于波峰,而另一质点处于波谷,则这两个质点一定是反相点。温馨提示 ①介质中各质点随波振动,但并不随波迁移;②质点振动nT(n=0,1,2,3,…)时,波形不变;③由于波的周期性、波传播方向的双向性,波的传播问题易出现多解现象。
例4 (2023湖南卷)如图甲所示,在均匀介质中有A、B、C和D四点,其中A、B、C三点位于同一直线上,AC=BC=4 m,DC=3 m,DC垂直AB。t=0时,位于A、B、C处的三个完全相同的横波波源同时开始振动,振动图像均如图乙所示,振动方向与平面ABD垂直,已知波长为4 m。下列说法正确的是(　　)A.这三列波的波速均为2 m/sB.t=2 s时,D处的质点开始振动C.t=4.5 s时,D处的质点向y轴负方向运动D.t=6 s时,D处的质点与平衡位置的距离是6 cm
解析 由题图乙可知,波的周期为4 s,波速为v= =1 m/s,A错误;t=2 s时,这三列波都还没有传到D点,D处的质点没有振动,B错误;t=4.5 s时,A、B处的振动没有传到D点,C处的振动传到D点后,又振动了1.5 s,根据题图乙可知,D处的质点正向y轴负方向运动,C正确;t=6 s时,A、B处的振动传到D点时,都使D处的质点向y轴正方向振动了1 s,而C处的振动传到D时,使D处的质点振动了3 s,根据波的叠加原理知,此时,D处的质点与平衡位置的距离是2 cm,D错误。
命题角度2 波的图像与振动图像
温馨提示 解答两种图像的综合问题时要注意区分波的传播位移和质点的振动位移。
例5 (多选)(2024山东临沂一模)一列简谐横波沿x轴传播,在t=0.125 s时的波形如图甲所示,M、N、P、Q是介质中的四个质点,已知N、Q两质点平衡位置之间的距离为16 m。图乙为质点P的振动图像。下列说法正确的是(　　)A.该波沿x轴负方向传播B.该波的波长为20 mC.质点P的平衡位置位于x=1 m处D.从t=0.125 s开始,质点Q比质点N早 s回到平衡位置答案 ACD
解析 由图乙可知,t=0.125 s时刻,质点P沿y轴负方向运动,根据同侧法可知该波沿x轴负方向传播,A正确;设该波的波长为λ,根据三角函数知识可知,
方法点拨 解决y-t图像和y-x图像综合问题的基本思路(1)由y-t图像可以获取波的振幅A、振动周期T。(2)由y-x图像可以获取波的振幅A、波长λ。
(4)明确y-t图像描述的是哪个质点的振动图像,y-x图像是哪一时刻波的图像,然后根据y-t图像确定y-x图像对应时刻该质点的位移和振动方向,最后根据y-x图像确定波的传播方向,进而判断其他有关问题。
命题角度3 波的干涉和衍射
(2)振动加强点的位移随时间而改变,振幅最大。 不是位移最大
温馨提示 波的干涉和衍射是波特有的性质,波的干涉实质是波的叠加,同时要理解波的独立传播性原理。发生干涉时,加强点始终加强,减弱点始终减弱;不同时刻加强点和减弱点的位移大小关系不确定。
例6 (多选)(2024河北唐山一模)某研究小组将两相干波源S1、S2置于矩形区域两个顶点上,O为AB边中点,如图所示。两波源开始振动一段时间后,发现A、O、B为三个连续分布的振幅最大的点。下列说法正确的是(　　)A.当波源S1位于波峰时,波源S2也位于波峰B.A、B两点间有两个振幅最小的点C.将两波源的频率都加倍,A点仍为振幅最大的点D.将两波源的频率都减半,A点仍为振幅最大的点答案 ABC
解析 A、O、B为三个连续分布的振幅最大的点,则O点为振动加强点,两波源振动步调一致,当波源S1位于波峰时,波源S2也位于波峰,A正确;A、O、B为三个连续分布的振幅最大的点,AO与OB之间各有一个振幅最小的点,A、B两点间有两个振幅最小的点,B正确;
拓展衍生3.(2023湖北卷)一列简谐横波沿x轴正向传播,波长为100 cm,振幅为8 cm。介质中有a和b两个质点,其平衡位置分别位于x= cm和x=120 cm处。某时刻b质点的位移为y=4 cm,且向y轴正方向运动。从该时刻开始计时,a质点的振动图像为(　　)
4.(多选)(2024山东卷)甲、乙两列简谐横波在同一均匀介质中沿x轴相向传播,波速均为2 m/s。t=0时刻二者在x=2 m处相遇,波形图如图所示。关于平衡位置在x=2 m处的质点P,下列说法正确的是(　　)A.t=0.5 s时,P偏离平衡位置的位移为0B.t=0.5 s时,P偏离平衡位置的位移为-2 cmC.t=1.0 s时,P向y轴正方向运动D.t=1.0 s时,P向y轴负方向运动答案 BC
5.(2023全国甲卷)分别沿x轴正向和负向传播的两列简谐横波P、Q的振动方向相同,振幅均为5 cm,波长均为8 m,波速均为4 m/s。t=0时刻,P波刚好传播到坐标原点,该处的质点将自平衡位置向下振动;Q波刚好传到x=10 m处,该处的质点将自平衡位置向上振动。经过一段时间后,两列波相遇。(1)在给出的坐标图上分别画出P、Q两列波在t=2.5 s时刻的波形图(P波用虚线,Q波用实线);(2)求出图示范围内的介质中,因两列波干涉而振动振幅最大和振幅最小的平衡位置。
答案 (1)如图所示(2)振幅最大的平衡位置为x=3 m、x=7 m,振幅最小的平衡位置为x=1 m、x=5 m和x=9 m解析 (1)根据Δx=vt得Δx=4×2.5 m=10 m画出波形图如答案图所示。
(2)两列波起振方向相反加强点:(x-0 m)-(10 m-x)=(2n+1) (n=0,±1,±2,…)2x-10 m=(2n+1) ,x∈[0,10 m]取n=0时,x=7 m取n=-1时,x=3 m减弱点:2x-10 m=nλ,x=1 m,5 m,9 m振幅最大的平衡位置为x=3 m、x=7 m振幅最小的平衡位置为x=1 m、x=5 m和x=9 m。
新教材、新高考、新情境:振动与波知识中的STSE问题涉及振动的STSE情境有共振方面的共振筛、公路减速带、军队便步过桥等,单摆周期方面的摆钟快慢的调节、力传感器测单摆周期或重力加速度;涉及波的STSE情境有波动方面的运动器材“战绳”、地震波,干涉方面的喇叭“啸叫”、消声器、水波的干涉现象以及多普勒效应的应用等。
在新高考中这类新情境问题主要还是考查振动参量的变化规律、共振、单摆的周期公式、波的形成与传播规律、振动与波的图像关系、波的干涉、衍射、多普勒效应等。
典例 (2024山东济南二模)图甲为超声波悬浮仪,上方圆柱体中,高频电信号(由图乙电路产生)通过压电陶瓷转换成同频率的高频声信号,发出超声波,下方圆柱体将接收到的超声波信号反射回去。两列超声波信号叠加后,会出现振幅几乎为零的点——节点,在节点两侧声波压力的作用下,小水珠能在节点附近保持悬浮状态,该情境可等效简化为图丙所示情形,图丙为某时刻两列超声波的波形图,P、Q为波源,点M(-1.5,0)、点N(0.5,0)分别为两列波的波前,已知声波传播的速度为340 m/s,LC振荡回路的振荡周期为T=2π ,
则下列说法正确的是(　　)A.该超声波悬浮仪所发出的超声波信号频率为340 HzB.两列波稳定叠加后,波源P、Q之间小水珠共有10个悬浮点C.两列波稳定叠加后,波源P、Q之间振幅为2A的点共有8个D.拔出图乙线圈中的铁芯,可以减少悬浮仪中的节点个数答案 C
波源P、Q振动步调相反,当波程差为半波长的奇数倍时,该点是振动加强点,当波程差为波长的整数倍时,该点是振动减弱点,设波源P、Q之间某一点坐标为x,悬浮点为振动减弱点,满足|(2-x)-[x-(-2.5)]|=|2x+0.5|=nλ(n为自然数),解得x=±0.25 cm、±0.75 cm、±1.25 cm、±1.75 cm、-2.25 cm,故两列波稳定叠加后,波源P、Q之间小水珠共有9个悬浮点,B错误;波源P、Q之间振幅为2A的点为振动加强点,满足 |(2-x)-[x-(-2.5)]|= |2x+0.5|= (n为自然数),解得x=0、±0.5 cm、±1 cm、±1.5 cm、-2 cm,两列波稳定叠加后,波源P、Q之间振幅为2A的点共有8个,C正确;拔出图乙线圈中的铁芯,LC振荡回路的振荡周期减小,超声波频率变大,波长变短,相同空间距离内节点个数变多,D错误。
1.(多选)图甲是一种较有年代的摆钟。其基本原理是利用了单摆的周期性,结合巧妙的擒纵器设计,实现计时的功能。图乙为其内部的结构简图。设原先摆钟走时准确,则(　　)A.摆动过程中,金属圆盘所受合力为其回复力B.摆钟在太空实验室内是无法正常使用的C.该摆钟从北京带到汕头,为使走时准确,需旋转微调螺母使金属圆盘沿摆杆向上移动D.该摆钟在冬季走时准确,到夏季为了走时准确,考虑热胀冷缩需旋转微调螺母使金属圆盘沿摆杆向上移动答案 BCD
解析 回复力是指向平衡位置的力,摆动过程中,金属圆盘所受重力沿轨迹切线方向的分力为其回复力,A错误;摆钟在太空实验室内处于完全失重状态,所以无法使用,B正确;该摆钟从北京带到汕头,重力加速度变小,由T=2π 可知,为使走时准确,需要摆钟的摆长变短,所以需旋转微调螺母使金属圆盘沿摆杆向上移动,C正确;该摆钟在冬季走时准确,到夏季温度升高,由于热胀冷缩,摆长变长,为了走时准确,需要摆长变短,所以需旋转微调螺母使金属圆盘沿摆杆向上移动,D正确。
2.(2024江西卷)如图甲所示,利用超声波可以检测飞机机翼内部缺陷。在某次检测实验中,入射波为连续的正弦信号,探头先后探测到机翼表面和缺陷表面的反射信号,分别如图乙、丙所示。已知超声波在机翼材料中的波速为6 300 m/s。关于这两个反射信号在探头处的叠加效果和缺陷深度d,下列选项正确的是(　　)A.振动减弱;d=4.725 mmB.振动加强;d=4.725 mmC.振动减弱;d=9.45 mmD.振动加强;d=9.45 mm
解析 根据反射信号图像可知,超声波的传播周期为T=2×10-7 s,又波速v=6 300 m/s,则超声波在机翼材料中的波长λ=vT=1.26×10-3 m。结合题图可知,两个反射信号传播到探头处的时间差为t=1.5×10-6 s,故两个反射信号的路程差为2d=vt=9.45×10-3 m= λ,解得d=4.725 mm,两个反射信号在探头处振动减弱,选项A正确。
3.(2024山东聊城一模)2024年1月23日02时09分,新疆阿克苏地区乌什县(北纬41.26度,东经78.63度)发生7.1级地震,震源深度22 km,地震发生时监测站监测到一列沿x轴传播的地震横波,t=0时刻波形如图甲所示,质点P从t=0时刻开始的振动图像如图乙所示。下列说法正确的是(　　)A.该横波沿x轴正方向传播B.该横波沿x轴传播20 km需要5 sC.Q点的振动方程为y=2sin 2πt cmD.该横波与频率为2 Hz的简谐横波相遇,一定能形成干涉图样答案 B