第8章　第21讲　机械波 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“机械波”专题，依据高考评价体系梳理了机械波的形成条件、图像规律、波速关系及干涉衍射多普勒效应等核心考点，通过易错辨析明确“波的多解问题”“振动与波动图像综合”等高频考点权重，归纳选择、计算等常考题型，构建系统备考框架。 课件亮点在于“知识整合+科学思维训练+真题突破”，如通过“上下坡法”“同侧法”判断波的传播与振动方向，培养模型建构与科学推理素养。以波的多解问题为例，结合周期性、双向性规律解析典型例题，配套跟踪训练，帮助学生掌握解题技巧，教师可据此高效指导复习，助力学生高考冲刺。

第21讲　机械波 一、机械波 1．机械波的形成条件 (1)有发生机械振动的波源。 (2)有传播介质，如空气、水等。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．机械波的分类 (1)横波：质点的振动方向与波的传播方向相互_______的波，有_______(凸部)和_______(凹部)。 (2)纵波：质点的振动方向与波的传播方向在___________上的波，有_______和_______。 垂直 波峰 波谷 同一直线 密部 疏部 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 二、横波的图像 1．横波的图像 (1)坐标轴：横轴表示各质点的___________，纵轴表示该时刻各质点的_______。 (2)意义：表示在波的传播方向上，某时刻各质点离开___________的位移。 (3)图像 平衡位置 位移 平衡位置 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (4)应用 ①直接读取_________和_________，以及该时刻各质点的______。 ②确定某时刻各质点加速度_______，并能比较大小。 ③结合波的传播方向可确定各质点的___________或由各质点的振动方向确定波的___________。 振幅A 波长λ 位移 方向 振动方向 传播方向 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．波长、波速、频率及其关系 (1)波长λ：在波动中，振动相位总是_______的两个相邻质点间的距离。 (2)波速v：波在介质中的传播速度，由_______本身的性质决定。 (3)频率f：由波源决定，等于波源的___________。 (4)波长、波速和频率的关系 ①v＝_______；②v＝______。 相同 介质 振动频率 λf 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 三、波特有的现象 1．波的叠加 观察两列波的叠加过程可知：几列波相遇时，每列波都能够保持各自的状态继续传播而不_________，只是在重叠的区域里，质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的_____________。 互相干扰 位移的矢量和 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．波的干涉和衍射   波的干涉 波的衍射 条件 两列波的频率必须_______ 明显条件：障碍物或孔的_______比波长小或相差不多 现象 形成加强区和减弱区相互隔开的稳定的___________ 波能够_____________或孔继续向前传播 相同 干涉图样 尺寸 绕过障碍物 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3.多普勒效应 (1)定义：由于波源和观察者之间有___________，使观察者感受到波的频率___________的现象。 (2)实质：波源频率_______，观察者接收到的频率___________。 (3)规律 ①波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的___________； ②波源与观察者如果相互远离，观察者接收到的___________； ③波源和观察者如果相对静止，观察者接收到的频率_______波源的频率。 相对运动 发生变化 不变 发生变化 频率增大 频率减小 等于 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 1.在水平方向传播的波为横波。( 　　) 2．在机械波中各质点不随波的传播而迁移。( 　　) 3．通过波的图像可以找出任一质点在任意时刻的位移。( 　　) 4．机械波在传播过程中，各质点振动的周期、起振方向都相同。( 　　) 5．机械波在一个周期内传播的距离就是振幅的4倍。( 　　) 6．波速表示介质中质点振动的快慢。( 　　) 7．两列波在介质中叠加，一定产生干涉现象。( 　　) 8．一切波都能发生衍射现象。( 　　) 9．多普勒效应说明波源的频率发生变化。( 　　) × √ × √ × × × √ × 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 1 机械波的传播与图像 (能力考点·深度研析) 1．波在传播过程中的特点 (1)介质中各质点并不随波迁移，只是传递振动形式，并伴随着能量和信息的传播。 (2)波从一种介质进入另一种介质，频率不变，波速和波长改变。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (4)波源质点的起振方向决定了它后面的质点的起振方向，各质点的起振方向与波源的起振方向相同。 (5)后面质点的振动状态落后于先振动的质点，每隔一个波长，振动落后一个周期。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．波的图像特点 (1)质点振动nT(波传播nλ)时，波形不变。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3．波的传播方向与质点的振动方向的判断方法   内容 图像 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 将波形图沿传播方向进行微小平移，再由x轴上某一位置的两波形曲线上的点来判定 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向1　机械波的形成与传播规律 均匀介质中质点A、B的平衡位置位于x轴上，坐标分别为0和xB＝16 cm。某简谐横波沿x轴正方向传播，波速为v＝20 cm/s，波长大于20 cm，振幅为y＝1 cm，且传播时无衰减。t＝0时刻A、B偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同，运动方向相反，此后每隔Δt＝0.6 s两者偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同。已知在t1时刻(t1>0)，质点A位于波峰。求： (1)从t1时刻开始，质点B最少要经过多长时间位于波峰； (2)t1时刻质点B偏离平衡位置的位移。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 [解析]　(1)t1时刻质点A位于波峰，波长λ>20 cm，xAB<λ，则t1时刻后质点B第一次到达波峰时，波传播的距离为xAB＝16 cm， 解得t＝0.8 s。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)由题意知，该波的传播周期T＝2Δt＝1.2 s， 则波长λ＝vT， 可得λ＝24 cm， 质点B位于x＝16 cm处， t1时刻的波形图如图所示， [答案]　(1)0.8 s　(2)－0.5 cm 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向2　波动图像 (多选)一列机械波的波源 是坐标轴原点，从t＝0时波源开始振动 ，t＝0.5 s时波形如图，则下列说法正确的 有( ) A．在这种介质中波速v＝4 m/s B．x＝1 m处质点在t＝0.3 s时位于波谷 C．波源振动方程y＝0.02sin(5πt＋π)m D．x＝－1 m处质点半个周期内向左平移半个波长 BC 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 【跟踪训练】 (波的图像)(多选)B超成像的基本原理是探头向人体发射一组超声波，遇到人体组织会产生不同程度的反射。探头接收到的超声波信号形成B超图像。如图为血管探头沿x轴正方向发送的简谐超声波图像，t＝0时刻波恰好传到质点M。已知此超声波的频率为1×107 Hz，下列说法正确的是( ) ACD 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (波的传播)(多选)如图所示，波源O从平衡位置开始竖直向上振动，产生的简谐波向左、右两个方向传播，波速均为v＝50 m/s。经过一段时间后，A、B两点开始振动，已知OA＝1.5 m，OB＝3.25 m，波的振动频率为f＝50 Hz，则下列说法正确的是( ) A.波的周期为0.01 s B．波的波长为1 m C．A、B两点的起振方向均竖直向上 D．当质点B开始振动时，质点A已振动了2个周期 BC 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2 波动图像与振动图像综合 (能力考点·深度研析) 两种图像的比较 图像类型 振动图像 波的图像 研究对象 某一振动质点 沿波传播方向 上的所有质点 研究内容 某一质点的位移随时间变化规律 某时刻所有质点的空间分布规律 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 图像类型 振动图像 波的图像 图像 物理意义 表示某质点各个时刻的位移 表示某时刻各质点的位移 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 图像类型 振动图像 波的图像 图像信息 (1)质点振动周期 (2)质点振幅 (3)各时刻质点位移 (4)各时刻速度、加速度方向 (1)波长、振幅 (2)任意一质点在该时刻的位移 (3)任意一质点在该时刻加速度方向 (4)传播方向、振动方向的互判 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 图像类型 振动图像 波的图像 形象比喻 记录着一个人一段时间内活动的录像带 记录着许多人某时刻动作、表情的集体照片 图像变化 随时间推移，图像延续，但已有形状不变 随时间推移，图像沿传播方向平移 一完整曲 线占横坐 标距离 表示一个周期 表示一个波长 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (多选)一列简谐横波沿x轴传播，图(a)是t＝0时刻的波形图；P是介质中位于x＝2 m处的质点，其振动图像如图(b)所示。下列说法正确的是( ) A．波速为2 m/s B．波向左传播 C．波的振幅是10 cm D．x＝3 m处的质点在t＝7 s时位于平衡位置 ABE 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 三步求解波的图像与振动图像综合问题 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 【跟踪训练】 (多选)一列简谐横波沿x轴传播，平衡位置位于坐标原点O的质点振动图像如下图所示。当t＝7 s时，简谐波的波动图像可能正确的是( ) AC 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3 波的多解问题 (能力考点·深度研析) 造成波动问题多解的主要因素 1．周期性 (1)时间周期性：时间间隔Δt与周期T的关系不明确。 (2)空间周期性：波传播距离Δx与波长λ的关系不明确。 2．双向性 (1)传播方向双向性：波的传播方向不确定。 (2)振动方向双向性：质点振动方向不确定。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3．波形的隐含性形成多解 在波动问题中，往往只给出完整波形的一部分，或给出几个特殊点，而其余信息均处于隐含状态。这样波形就有多种情况，形成波动问题的多解性。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向1　波传播的双向性和时间周期性引起的多解问题 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 [答案]　答案见解析 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 解决波的多解问题的一般思路 (1)首先找出造成多解的原因，比如考虑传播方向的双向性，可先假设波向右传播，再假设波向左传播，分别进行分析。 (2)根据周期性列式，若题目给出的是时间条件，则列出t＝nT＋Δt(n＝0,1,2，…)；若给出的是距离条件，则列出x＝nλ＋Δx(n＝0,1,2，…)进行求解。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 ►考向2　空间周期性引起的多解问题 下面左右两图分别是一列机械波在传播方向上相距6 m的两个质点P、Q的振动图像，下列说法正确的是( 　　) A．该波的周期是5 s B．该波的波速是3 m/s C．4 s时P质点向上振动 D．4 s时Q质点向上振动 C 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (基础考点·自主探究) 1．波的干涉中振动加强点和减弱点的判断 (1)根据干涉图样判断 ①波峰与波峰(或波谷与波谷)的交点，一定是加强点； ②波峰与波谷的交点一定是减弱点。 4 波的干涉、衍射、多普勒效应 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (2)根据路程差判断 某质点的振动是加强还是减弱，取决于该点到两相干波源的路程差Δr。 ①当两波源振动步调一致时：若Δr＝nλ(n＝0,1,2…)，则振动加强； 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 2．对波的衍射的理解 (1)衍射是否明显，要看孔、缝的宽度或障碍物的尺寸与波长的比值，比值越小，衍射现象相对越明显。 (2)任何时候都会产生衍射现象，只有明显和不明显的差异。当衍射现象弱时，可认为波沿直线传播。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 3．多普勒效应的成因与判断 (2)判断方法：当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率变大，相互远离时，接收到的频率变小。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 【跟踪训练】 (波的叠加)如图(a)，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(b)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( 　　) C 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 A．这三列波的波速均为2 m/s B．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 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 D处的质点向y轴负方向运动，C正确；t＝6 s时，波源C处的横波传播到D处后振动时间为t2＝t－tC＝3 s，由振动图像可知此时D处为波源C处传播横波的波谷；t＝6 s时，波源A、B处的横波传播到D处后振动时间为t3＝t－tAB＝1 s，由振动图像可知此时D处为波源A、B处传播横波的波峰。根据波的叠加原理可知此时D处质点的位移为y＝2A－A＝2 cm，故t＝6 s时，D处的质点与平衡位置的距离是2 cm，D错误。故选C。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (波的干涉)如图所示， 置于管口T前的声源发出一列单一频率声波， 分成两列强度不同的声波分别沿A、B两管传 播到出口O。先调节A、B两管等长，O处探测 到声波强度为400个单位，然后将A管拉长d＝15 cm，在O处第一次探测到声波强度最小，其强度为100个单位。已知声波强度与声波振幅平方成正比，不计声波在管道中传播的能量损失，则( 　　) A．声波的波长λ＝15 cm B．声波的波长λ＝30 cm C．两声波的振幅之比为3∶1 D．两声波的振幅之比为2∶1 C 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (波的干涉图样)(多选)两列频率相同、振幅分别为5 cm和7 cm的横波发生干涉时，某一时刻的图样如图所示，实线表示波峰，虚线表示波谷，下列关于K、M、N三点的说法正确的是( ) A．质点K为振动减弱的点 B．经过一段时间，质点M、N的位移大小可能相等 C．质点N的振幅为2 cm BCD 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (波的衍射)如图所示，正中心O点是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻相邻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔，经过一段时间，水面上的波形将分布于( 　　) A．整个区域 B．阴影Ⅰ以外区域 C．阴影Ⅱ以外区域 D．阴影Ⅲ以外区域 B 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 [解析]　由题图可直观看出，半波长为实虚两圆半径之差，且可看出挡板A的尺寸比波长大得多，而小孔B与波长长度差不多。根据波发生明显衍射的条件知，该波在挡板A处的衍射现象很不明显，即可认为波沿直线传播，故Ⅰ区内水面无波形，故选项A、C、D错误；该波的波长与小孔B差不多，能够发生明显的衍射，故在阴影区Ⅱ、Ⅲ之内存在明显的衍射波的波形，故选项B正确。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (多普勒效应)蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，有效利用超声脉冲导航，这种超声脉冲以持续1 ms或不到1 ms的时间短促发射，且每秒重复发射几次。假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为35 000 Hz，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的过程中，下列说法正确的是( 　　) A．墙壁接收到的超声脉冲频率等于35 000 Hz B．墙壁接收到的超声脉冲频率大于35 000 Hz C．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率小于35 000 Hz D．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于35 000 Hz B 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 [解析]　蝙蝠(波源)相对墙壁(观察者)的距离减小，所以墙壁接收到的超声脉冲的频率增大，故A项错误，B项正确；超声脉冲被反射后，其频率不变，但传播方向和蝙蝠的运动方向相反，蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲的频率会更大，故C、D两项错误。故选B项。 高考一轮总复习 • 物理 返回导航 (3)振源经过一个周期T完成一次全振动，波恰好向前传播一个波长的距离，所以有v＝＝λf。 (2)在波的传播方向上，当两质点平衡位置间的距离为nλ时(n＝1,2,3…)，它们的振动步调总相同；当两质点平衡位置间的距离为(2n＋1)(n＝0,1,2,3…)时，它们的振动步调总相反。 经历的时间t＝， 则x＝16 cm处， y＝Acos ＝－0.5 cm。 [解析]　由图中可知t＝0.5 s时，波传播的距离为x＝2.5 m，故波的速度为v＝＝ m/s＝5 m/s，故A错误；由图可知该波的波长为λ＝2 m，所以波的周期为T＝＝ s＝0.4 s，波传播到x＝1 m需要的时间t1＝＝ s＝0.2 s，由图可知该波的起振方向向下，t＝0.3 s该波振动了0.1 s，即T，所以位于波谷，故B正确；根据图像可知该波的振动方程为y＝Asin＝－0.02sin(5πt)m＝0.02sin(5πt＋π)m，故C正确；质点只是上下振动，不随波左右移动，故D错误。故选BC。 [解析]　波的周期为T＝＝1×10－7 s，易知1.25×10－7 s＝1.25 T，则质点M运动的路程为s＝1.25×4A＝2 mm，A正确；由波形图及波的传播方向为x轴正方向，可知质点M开始振动的方向沿y轴负方向，则质点M的振动方程为y＝－0.4sin (2π×107t)(mm)，则当质点M第一次位移为0.2 mm时，t＝×10－7 s，B错误；根据图像读出波长为λ＝14× 10－2 mm＝1.4×10－4 m，由v＝λf，解得v＝1.4×103 m/s，C正确；由图可知，M左侧的波谷与N之间的距离为x＝(35－14)×10－2 mm＝21×10－2 mm＝2.1×10－4 m，则传播到N点的时间t＝＝1.5×10－7s，可知在1.5×10－7 s时质点N恰好处于波谷，D正确。 [解析]　波的周期为T＝＝ s＝0.02 s，A项错误；波的波长为λ＝vT＝50×0.02 m＝1 m，B项正确；由于波源O的起振方向竖直向上，故A、B两点的起振方向均竖直向上，C项正确；从O传到B的时间为tB＝＝ s＝0.065 s，从O传到A的时间为tA＝＝ s＝0.03 s，则有Δt＝tB－tA＝0.035 s＝1T，当质点B开始振动时，质点A已振动了1个周期，D项错误。故选BC项。 [解析]　由图(a)可知波长为4 m，由图(b)可知波的周期为2 s，则波速为v＝＝ m/s＝2 m/s，故A正确；由图(b)可知t＝0时，P点向下运动，根据“上下坡”法可知波向左传播，故B正确；由图(a)可知波的振幅为5 cm，故C错误；根据图(a)可知t＝0时x＝3 m处的质点位于波谷处，由于t＝7 s＝3T＋T，可知在t＝7 s时质点位于波峰处；质点P运动的路程为s＝3×4A＋×4A＝70 cm，故D错误，E正确。故选ABE。 [解析]　由振动图像可知波的振幅A＝20 cm，波的周期T＝12 s，从振动图像上可以看出t＝7 s时平衡位置位于原点O的质点相对平衡位置的位移为y7＝－A，且向下运动。A图该质点位移符合条件，且当波沿x轴负方向传播时向下运动，符合题意，A项正确；C图该质点位移符合条件，且当波沿x轴正方向传播时向下运动，符合题意，C项正确。 [解析]　(1)由题图可知λ＝8 m。当波向右传播时，在Δt＝t2－t1时间内波传播的距离为s1＝nλ＋λ＝(8n＋3)m(n＝0,1,2，…) 波速为v1＝＝ m/s＝(16n＋6)m/s(n＝0,1,2，…)。 当波向左传播时，在Δt＝t2－t1时间内波传播的距离为 s2＝nλ＋λ＝(8n＋5)m(n＝0,1,2，…) 波速为v2＝＝ m/s＝(16n＋10)m/s(n＝0,1,2，…)。 (2)若波速大小为74 m/s，在Δt＝t2－t1时间内波传播的距离为s′＝v′·Δt＝74×0.5 m＝37 m，因为37 m＝4λ＋λ，所以波向左传播。 (3)根据需要进一步求与波速等有关的问题。 [解析]　由振动图像可看出该波的周期是4 s，A错误；由于Q、P两个质点振动反相，则可知两者间距离等于λ＝6 m，n＝0,1,2，…，根据v＝＝ m/s，n＝0,1,2，…，B错误；由P质点的振动图像可看出，在4 s时P质点在平衡位置向上振动，C正确；由Q质点的振动图像可看出，在4 s时Q质点在平衡位置向下振动，D错误。故选C。 若Δr＝(2n＋1)(n＝0,1,2…)，则振动减弱。 ②当两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。 (1)接收频率：观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数。当波以速度v通过观察者时，时间t内通过的完全波的个数为N＝。 [解析]　由图(b)的振动图像可知，振动的周期为4 s，故三列波的波速为v＝＝＝1 m/s，A错误；由图(a)可知，D处距离波源最近的距离为3 m，故开始振动后波源C处的横波传播到D处所需的时间为tC＝＝＝3 s，故t＝2 s时，D处的质点还未开始振动，B错误；由几何关系可知AD＝BD＝5 m，波源A、B产生的横波传播到D处所需的时间为tAB＝＝＝5 s，故t＝4.5 s时，仅波源C处的横波传播到D处，此时D处的质点振动时间为t1＝t－tC＝1.5 s，由振动图像可知此时 [解析]　A、B两管等长时，声波的振动加强，将A管拉长d＝15 cm后，两声波在O点减弱，根据题意设声波强度与振幅平方成正比，且O处的声波强度比值为4∶1，则＝，可得两声波的振幅之比＝，故C正确，D错误；根据振动减弱的条件可得＝2d，解得λ＝60 cm，故A、B错误。故选C。 D．由图中时刻再经过周期时，质点M的位移为零 [解析]　质点K为波谷与波谷的相遇点，为振动加强的点，选项A错误；质点M是振动加强点，质点N是振动减弱点，此时质点M的位移为12 cm，质点N的位移为2 cm；经过一段时间，质点M、N的位移大小可能相等，选项B正确；质点N是振动减弱点，振幅为7 cm－5 cm＝2 cm，选项C正确；题图中时刻质点M在波峰，再经过周期时，质点M的位移为零，选项D正确。 $