专题01 机械振动与机械波（期末复习课件）高二物理下学期沪科版

GREEN BUSINESS 专题01 机械振动与机械波 物理 高二下期末大串讲·上海沪科版 01 知识导图·思维引航 知识导图·思维引航 02 核心精讲·题型突破 精准划分题型以把握命题规律，深入掌握考试动态与趋势 4 考点1  简谐运动的规律 核心精讲·题型突破 核心精讲 规律 x=Asin(ωt+φ) 图像 反映同一质点在各个时刻的位移 受力特征 回复力F=-kx，F(或a)的大小与x的大小成正比，方向相反 运动特征 靠近平衡位置时，a、F、x都减小，v增大；远离平衡位置时，a、F、x都增大，v减小 5 考点1  简谐运动的规律 核心精讲·题型突破 核心精讲 能量特征 振幅越大，能量越大。在运动过程中，动能和势能相互转化，系统的机械能守恒 周期 性特征 质点的位移、回复力、加速度和速度均随时间做周期性变化，变化周期就是简谐运动的周期T；动能和势能也随时间做周期性变化，其变化周期为 对称 性特征 关于平衡位置O对称的两点，加速度的大小、速度的大小、相对平衡位置的位移大小相等；动能、势能相等 【技巧点拨】简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零;在最大位移处，速度为零，加速度最大. 6 考点2  简谐运动的两种模型 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点二 对比 模型 弹簧振子 单摆 定义及条件 ①弹簧质量可忽略 ②无摩擦等阻力 ③在弹簧弹性限度内 ①摆线的质量不计且不可伸长，摆球的直径比摆线的长度小得多，摆球可视为质点.单摆是一种理想化模型. ②单摆的振动可看作简谐运动的条件是:最大摆角α<5°. 示意图 平衡位置 弹簧处于原长处 （图中O点） 最低点（图中O点） 7 考点2  简谐运动的两种模型 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点二 对比 模型 弹簧振子 单摆 回复力 弹簧的弹力提供   摆球重力沿与摆线垂直方向的分力， ，负号表示回复力F回与位移x的方向相反． 周期 说明 ①弹簧振子的周期与振幅、与水平方向的夹角无关，仅与弹簧的劲度系数k和振子的质量m有关 ①向心力：摆线的拉力和摆球重力沿摆线方向分力的合力充当向心力， . ②当摆球在最高点时， ， . ③当摆球在最低点时， ， 最大， . 8 考点2  简谐运动的两种模型 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点二 单摆模型的拓展 支撑面“单摆” 偏角很小时等效为单摆 复合场中的单摆 g0=g±　　g0=g 斜面上的单摆 g0=gsin θ　　　g0=gsin θ 双线摆 等效摆长　　　等效摆长 l=l1sin θ　　　l=l1sin θ+l3 小球在垂直纸面方向摆动 9 考点2  简谐运动的两种模型 考点突破·考法探究 真题研析 【例1】（23-24高二下·上海嘉定·期末）动能定理和动量定理不仅适用于质点在恒力作用下的运动，也适用于质点在变力作用下的运动，这时两个定理表达式中的力均指平均力，但两个定理中的平均力的含义不同。在动量定理中的平均力F1是指合力对时间的平均值，动能定理中的平均力F2是指合力对位移的平均值。请回答以下问题： （1）质量为1.0kg的物块，受变力作用下由静止开始沿直线运动，在2.0s的时间内运动了2.5m的位移，速度达到了2.0m/s。分别求出平均力F1和F2的值； （2）如图，质量为m的弹簧振子在光滑水平面上做简谐运动，以某一速度通过平衡位置O点运动至A点时，速度恰好为0，已知弹簧的劲度系数为k，弹簧振子的振幅为A，分别求出平均力F1和F2的值。（已知弹簧的弹性势能 （x为弹簧的形变量），简谐运动物体的振动周期 ） 10 考点2  简谐运动的两种模型 考点突破·考法探究 真题研析 11 考点2  简谐运动的两种模型 考点突破·考法探究 真题研析 【例2】 （23-24高二下•上海嘉定•期末）一摆的摆长为1m，摆球质量0.01kg，开始时处在平衡位置。若给小球一个向右的水平冲量0.02kg•m/s，以刚打击后为t=0时刻（　　） A．t=0时，摆球速度为1m/s B．此次振动的周期为1s C．若将该摆从山脚移到山顶，其周期减小 D．若将该摆固定在加速向上运动的电梯中，其周期减小 D 12 考点2  简谐运动的两种模型 考点突破·考法探究 真题研析 13 考点3  简谐运动的图像 核心精讲·题型突破 核心精讲 1、意义:表示振动物体位移随时间变化的规律 2、从图象可获取的信息 （1）振幅A、周期T(或频率f)和初相位φ0(如图所示)． （2）某时刻振动质点离开平衡位置的位移． （3）某时刻质点速度的大小和方向：曲线上各点切线的斜率的大小和正负分别表示各时刻质点的速度大小和方向，速度的方向也可根据下一相邻时刻质点的位移的变化来确定． （4）某时刻质点的回复力和加速度方向：回复力总是指向平衡位置，回复力和加速度方向相同． （5）某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能和势能的变化情况． 【技巧点拨】注意振动图像不是质点的运动轨迹. 14 考点4：简谐运动、受迫振动和共振的比较 核心精讲·题型突破 核心精讲 简谐运动 受迫振动 共振 受力情况 受回复力 受驱动力作用 受驱动力作用 振动周期或频率 由系统本身性质决定，即固有周期T0或固有频率f0 由驱动力的周期或频率决定，即T=T驱或f=f驱 T驱=T0或 f驱=f0 振动能量 振动系统的机械能不变 由产生驱动力的物体提供 振动物体获得的能量最大 常见例子 弹簧振子或单摆(θ≤5°) 机械工作时底座发生的振动 共振筛、声音的共鸣等 说明   做受迫振动的系统的机械能不守恒,系统与外界时刻进行能量交换 共振曲线 15 考点5 机械波的产生及描述 核心精讲·题型突破 核心精讲 1、产生条件：波源及介质 2、分类： （1）横波：质点振动方向与波的传播方向垂直的波叫横波.横波有凸部（波峰）和凹部（波谷）. （2）纵波：质点振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波.纵波有密部和疏部. 3、波长、波速和频率及其关系 （1）波长：两个相邻的且在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长.振动在一个周期里在介质中传播的距离等于一个波长. （2）波速：波的传播速率.机械波的传播速率由介质决定，与波源无关. （3）频率：波的频率始终等于波源的振动频率，与介质无关. （4）三者关系: 【技巧点拨】气体、液体、固体都能传播纵波，但气体、液体不能传播横波. 16 考点6 机械波的特征 核心精讲·题型突破 核心精讲 1、机械波传播的是振动形式和能量.质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移. 2、介质中每个质点都做受迫振动，介质中各质点的振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同. 3、离波源近的质点带动离波源远的质点依次振动.波传到任意一点，该点的起振方向都和波源的起振方向相同． 4、波源经过一个周期T完成一次全振动，波恰好向前传播一个波长的距离，所以 . 5、质点振动 时，波形不变． 6、在波的传播方向上，当两质点平衡位置间的距离为 时，它们的振动步调总相同；当两质点平衡位置间的距离为 时，它们的振动步调总相反． 7、一个周期内，质点完成一次全振动，通过的路程为4A，位移为零 17 考点7 波的图像 核心精讲·题型突破 核心精讲 1、坐标轴：横轴表示各质点的平衡位置，纵轴表示该时刻各质点的位移． 2、意义：表示波的传播方向上，介质中的各个质点在同一时刻相对平衡位置的位移.当波源作简谐运动时，它在介质中形成简谐波，其波动图像为正弦或余弦曲线． 3、图象 4、由波的图像可获取的信息 （1）从图像可以直接读出振幅（注意单位）. （2）从图像可以直接读出波长（注意单位）. （3）可求任一点在该时刻相对平衡位置的位移（包括大小和方向） （4）在波速方向已知（或已知波源方位）时可确定各质点在该时刻的振动方向.⑤可以确定各质点振动的加速度方向（加速度总是指向平衡位置） 18 考点7 波的图像 考点突破·考法探究 真题研析 【例3】（23-24高二下·上海嘉定·期末）一列横波沿x轴传播，t1、t2时刻波的图像分别如图所示的实线和虚线，已知t2-t1= s，波速v=12m/s，则该波的传播方向为_____________ ；P点1s内的路程为___________ 。 x轴正方向 0.8m 19 考点7 波的图像 考点突破·考法探究 真题研析 20 考点7 波的图像 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点六 波的传播方向与质点振动方向的互判 “上下坡”法 沿波的传播方向，“上坡”时质点向下振动，“下坡”时质点向上振动 “同侧”法 波形图上某点表示传播方向和振动方向的箭头在图线同侧 “微平移”法 将波形沿传播方向进行微小的平移，再由对应同一x坐标的两波形曲线上的点来判断振动方向 21 考点7 波的图像 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点七 振动图象和波的图象的比较 比较项目 振动图象 波的图象 研究对象 一个质点 波传播方向上的所有质点 研究内容 某质点位移随时间的变化规律 某时刻所有质点在空间分布的规律 图象 正弦曲线 正弦曲线 横坐标 表示时间 表示各质点的平衡位置 物理意义 某质点在各时刻的位移 某时刻各质点的位移 22 考点7 波的图像 核心精讲·题型突破 核心精讲 知识点七 振动图象和波的图象的比较 比较项目 振动图象 波的图象 振动方向的判断 (看下一时刻的位移) (将波沿传播方向平移) Δt后的图形 随时间推移，图象延续，但已有形状不变 随时间推移，图象沿波的传播方向平移，原有波形做周期性变化 联系 ①纵坐标均表示质点的位移 ②纵坐标的最大值均表示振幅 ③波在传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，每一个质点都有自己的振动图象 23 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 核心精讲·题型突破 核心精讲 1、波的衍射：波在传播过程中偏离直线传播，绕过障碍物的现象.衍射现象总是存在的，只有明显与不明显的差异.波发生明显衍射现象的条件是:障碍物（或小孔）的尺寸比波的波长小或能够与波长差不多. 2、波的叠加：几列波相遇时，每列波能够保持各自的状态继续传播而不互相干扰，只是在重叠的区域里，任一质点的总位移等于各列波分别引起的位移的矢量和 3、波的独立性原理：两列波相遇前、相遇过程中、相遇后，各自的运动状态不发生任何变化. 【技巧点拨】波的衍射的三点注意 ①并非只有缝、孔或障碍物很小时才会发生明显的衍射现象，明显衍射的条件是缝、孔或障碍物的尺寸与波长相比更小或相差不多． ②任何波都能发生衍射现象，衍射不需要条件． ③发生明显的衍射现象需要一定的条件． 24 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 【例4】（23-24高二下·上海黄浦·期末）如图为两列简谐横波在同一绳上传播时某时刻的波形图，质点M位于x=0.2m处，则M点的振动总是_____________（选填“加强”或“减弱”或“无法确定”）；由图示时刻开始，再经过 甲波周期，M将位于___________（选填“波峰”或“波谷”或“无法确定”）。 加强 波谷 25 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 26 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 核心精讲·题型突破 核心精讲 4、波的干涉：频率相同的两列波叠加，某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔的现象 （1）产生稳定干涉现象的条件：两列波的频率相同，振动情况稳定. （2）加强或减弱点判断 ①当两相干波源振动步调一致时 若Δr=nλ(n=0,1,2,…),则振动加强;若Δr=(2n+1)(n=0,1,2,…),则振动减弱. ②当两相干波源振动步调相反时 若Δr=(2n+1)(n=0,1,2,…),则振动加强;若Δr=nλ(n=0,1,2,…),则振动减弱. 27 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 【例5】（23-24高二下·上海嘉定·期末）某消音器的原理图如图所示，声音自入口进入后分成两部分，分别通过通道a、b继续向前传播，在右端汇聚在一起后通过出口排出，则（　　） A．该消音器的消音原理为声波的衍射 B．该消音器的消音原理为声波的干涉 C．两路声波的传播速度不相同 D．同一消音器只能消除某一频率的声音 B 28 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 29 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 核心精讲·题型突破 核心精讲 5、多普勒效应的规律:当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率增加;当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的频率变小。 （1）应用:测速仪、彩超 30 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 【例6】（23-24高二下·上海浦东新·期末）（多选）如图所示是产生机械波的波源О做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰。下列说法中正确的是（　　） A．该图表示的是多普勒现象 B．此时波源正在向A观测者靠近 C．C、D两位观测者此时接收到的频率和波源发出的频率相等 D．B观测者此时接收到的频率小于波源发出的频率 ABD 31 考点8机械波的传播、衍射、叠加、干涉和多普勒效应 考点突破·考法探究 真题研析 32 考点一  机械振动的概念、形成、表达式及特征 核心精讲·题型突破 命题预测 1．【新情境】 北宋沈括在《梦溪笔谈》中有一段记录：“鼓其应弦，纸人跃，它弦即不动”，意思是将纸人粘在一张琴的一根弦上，当弹动另一张琴与它相同音的弦时，这个纸人会跳抖，表明弦线的振动．此现象为（    ） A．全反射现象 B．干涉现象 C．共振现象 D．多普勒效应 C 33 考点一  机械振动的概念、形成、表达式及特征 核心精讲·题型突破 命题预测 2．【新情境】如图甲，一只小鸟飞到树枝上休息，从它与树枝接触之后的一段时间内，其上下振动的v-t图像如图乙，速度取向下为正。以下说法正确的是（　　） A． t1时刻小鸟速度向下达到最大，树枝对其弹力达到最大 B． t2时刻小鸟处于最低位置 C． t2时刻小鸟处于静止状态，所受合力为零 D． t3时刻小鸟处在最高点 B 34 考点一  机械振动的概念、形成、表达式及特征 核心精讲·题型突破 命题预测 3．【新考法】如图所示，两个弹簧振子悬挂在同一支架上，已知甲弹簧振子的固有频率为 ，乙弹簧振子的固有频率为75Hz，当支架在受到竖直方向、频率为18Hz的驱动力作用做受迫振动时，两个弹簧振子的振动情况是（　　） A．甲的振幅较大，且振动频率为75Hz B．甲的振幅较大，且振动频率为70Hz C．乙的振幅较大，且振动频率为18Hz D．乙的振幅较大，且振动频率为70Hz B 35 考点二  简谐运动的两种模型及振动图像 核心精讲·题型突破 命题预测 4．【新考法】如图所示，长为L的轻绳上端固定于O点，下端系一可视为质点的小球，在O点正下方的P点固定一颗小钉子。现将小球拉到A点，轻绳被拉直，然后由静止释放，B点是小球摆动的最低点，C点是小球能够到达的左侧最高点。小球第一次向左摆动的过程中，从A点到B点所用的时间为t，从B点到C点所用的时间为t/2，∠BPC<5°，则OP的长度为（　　） A． B． C． D． C 36 考点二  简谐运动的两种模型及振动图像 核心精讲·题型突破 命题预测 5．【新考法】如图所示，甲、乙两个单摆的悬点在同一水平天花板上，两摆球间用一根细线水平相连，以水平地板为参考面，甲、乙两摆线与竖直方向的夹角分别为θ1和θ2，且θ1>θ2。当细线突然断开后，两摆球都做简谐运动，下列说法中正确的是（　　） A．甲摆球的重力势能改变量大于乙摆球的重力势能改变量 B．甲摆球的机械能小于乙摆球的机械能 C．甲摆的周期等于乙摆的周期 D．甲摆球的最大速度小于乙摆球的最大速度 B 37 考点二  简谐运动的两种模型及振动图像 核心精讲·题型突破 命题预测 6．【新考法】 (多选)如图1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，小球和光源的振动图像如图2所示，则（　　） A． t1时刻小球向下运动 B． t2时刻小球与影子相位差为π C． t2时刻光源的加速度向上 D． t3时刻影子的位移为5A AD 38 考点三  波的图像、多解及与振动图像结合的综合问题 核心精讲·题型突破 命题预测 7．【新情境】如图甲，战绳训练是当下一种火热的健身方式，健身员晃动战绳一端，使战绳的一端上下振动（可视为简谐振动）。如图乙所示是某次训练中t＝0.2s时战绳的波形图，绳上质点 P 的振动图像如图丙所示。下列说法正确的是（　　） A．该波沿x轴正方向传播 B．若增大抖动的幅度，波速会增大 C．从t＝0.2s到t＝0.6s，质点P通过的路程为 300cm D．P点的振动方程为 AD 39 考点四  波的传播、叠加、衍射及多普勒效应 核心精讲·题型突破 命题预测 8．【新情境】振动和波存在于我们生活的方方面面，关于下列几幅图片描绘的情景分析正确的是（　　） A．图甲救护车向右运动的过程中，A、B两人听到警笛声的频率相同 B．图乙要在大山后面的房舍内收听到广播，发射台发出的信号的波长越短，效果越好 C．图丙在发射载人宇宙飞船时，火箭要产生较强的超低频振动，由于该频率与人体内脏和身躯的固有频率接近，所以容易使人体器官发生共振，造成人体器官的损伤 D．图丁是干涉型消声器的结构示意图，波长为λ的同一声波通过上下两通道后相遇的路程差应该为λ的整数倍 C 40 考点五  波的干涉 核心精讲·题型突破 命题预测 8．【新考法】如图所示，由S处发出的声音通过左右两条管道SAT和SBT传到出口T处。右侧可伸缩的B管可以通过拉出或推入，以改变B管的长度，忽略声音传播过程中的一切能量损失。开始时，从入口S处发出某一频率、人耳可分辨的声音，左右两侧管道关于S，T对称，此时T处接收到的声音响度最大。将B管缓慢拉出，当拉出的长度为l时，T处接收到的声音响度再次达到最大，下列说法正确的是（　　） A．该现象利用了声波的衍射原理 B．该声波的波长λ=l C．拉出的长度为2l时，T处接收到的声音响度也最大 D．声音在左右两条管道内空气中的传播速度不同 C 41 GREEN BUSINESS 汇报：xxx 谢谢 聆听 【答案】D 【详解】A．由动量定理有,解得,故A错误； B．单摆周期公式,解得,故B错误； C．若将该摆从山脚移到山顶，重力加速度将减小，根据,得周期增大，故C错误； D．若将该摆固定在加速向上运动的电梯中，处于超重现象，电梯中的重力加速度为,得加速度变大，根据,得周期减小，故D正确。 故选D。 【答案】D 【详解】A．由动量定理有,解得,故A错误； B．单摆周期公式,解得,故B错误； C．若将该摆从山脚移到山顶，重力加速度将减小，根据,得周期增大，故C错误； D．若将该摆固定在加速向上运动的电梯中，处于超重现象，电梯中的重力加速度为,得加速度变大，根据,得周期减小，故D正确。 故选D。 【答案】 x轴正方向 0.8m 【详解】 [1]由于 所以该波沿x轴正方向传播； [2]波的周期为 所以P点1s内的路程为 【答案】 加强 波谷 【详解】[1]由图可知，两列波周期相同，同时两列波在M点的振动方向都是向下，所以该点总是加强。 [2]初始M点由平衡位置向下振动，再经过周期，M点刚好到达波谷。 【答案】B 【详解】A B．该消音器的消音原理为波的干涉，故A错误、B正确； C．声波在同一种介质中传播速度相同，两路声波的传播速度相同，故C错误； D．设声波的波长为，a、b通道的路程差为，则 只要是n为奇数的声波都能被消除，n为偶数的声波则不能被消除，又 同一消音器只能消除多种频率的声音，故D错误。 故选B。 【答案】ABD 【详解】A．机械波的波源О在匀速运动，当波源与观察者发生相对运动时，观察者接受到的频率发生改变，可知，该图表示的是多普勒现象，故A正确； B．根据图示可知，在相等时间内，A观测者接受到的完整波数目增大，可知，观察者接受到的频率增大，则此时波源正在向A观测者靠近，故B正确； C．题中图像具有对称性，结合上述可知，波源O正在向A观测者运动，则C、D两位观测者与波源均相对远离，则C、D两位观测者此时接收到的频率小于波源发出的频率，故C错误； D．结合上述可知，B观测者与波源相对远离，则B观测者此时接收到的频率小于波源发出的频率，故D正确。 故选ABD。 $$