摘要:
**基本信息**
以“概念-模型-应用”逻辑链构建机械振动与机械波专项体系,提炼同侧法、多解通式等实用方法,融合生活与科技情境,强化物理观念与科学思维。
**专项设计**
|模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑|
|----|-----------|----------|----------|
|知识解构|4知识点|简谐运动对称性、同侧法判振动方向、多解问题通式|从简谐运动定义到两种模型,延伸至机械波传播规律,构建“振动-波动”认知链|
|基础演练|4题型(24题)|振动与波形图辨析技巧、干涉加强/减弱条件|针对考情高频题型,对应知识点应用,强化模型建构与科学推理|
|重难/真题|12题|综合情境问题拆解、跨知识点关联|结合高考真题,突出复杂情境分析,提升质疑创新与问题解决能力|
内容正文:
第18讲 机械振动与机械波(简谐运动、波形图)(专项训练)
目 录
研判·考情前瞻 1
巩固·知识解构 1
知识点1 简谐运动 2
知识点2 简谐运动的两种基本模型 3
知识点3 机械波的产生与传播 3
知识点4 波形图与振动图像的综合分析 4
模拟·基础演练 5
题型01 机械振动 5
题型02 振动图与波形图的辨析 8
题型03 波的多解问题 10
题型04 波的干涉与衍射 12
重难·创新演练 15
真题·实战演练 17
研判·考情前瞻
核心考点
2026年
2025年
2024年
机械振动
——
——
机械波
——
——
考情分析
题型与考向:选择题常考查简谐运动的特征量(振幅、周期、频率、相位)、振动图像与波形图的识别与转换、波的传播方向与质点振动方向的互判、波速公式的应用(v = λ/T = λf)、波的多解性分析(双向传播、周期性导致的多解)。计算题较少单独出现,偶尔结合波的干涉、衍射等综合考查。
情境与立意:
1.生活实际类:弹簧振子、单摆的振动规律;地震波、声波在不同介质中的传播特点。
2.科技前沿类:超声波探测、声呐定位、振动监测与降噪技术中的波动原理。
3.物理学史类:简谐运动规律的发现、惠更斯原理对波动理论的贡献。
复习目标
1.简谐运动的基本规律:理解回复力特征,掌握简谐运动的位移-时间关系及各物理量含义,明确周期T与频率f的关系,熟悉弹簧振子周期公式和单摆周期公式及其适用条件。
2.振动图像与波形图的比较:振动图像(x-t图)反映同一质点位移随时间变化,可直接读A、T;波形图(y-x图)反映同一时刻各质点位移随位置变化,可直接读A、λ;掌握由波形图判断质点振动方向的方法(“上坡下振、下坡上振”或“同侧法”),并能由波速公式建立两图的联系。
3.波的传播规律与多解性:掌握波的传播特点——①波在均匀介质中匀速传播(v = λ/T);②介质中各质点不随波迁移,仅在平衡位置附近振动;③波传播方向与质点振动方向垂直(横波)或平行(纵波)。理解波的多解性源于——波的传播方向不确定性(双向性)和振动时间与周期的关系(周期性),能通过分析通解表达式(如x = nλ + Δx或t = nT + Δt)求解所有可能值。
4.常见模型与易错点:掌握简谐运动的对称性(关于平衡位置对称的两点速度大小相等、加速度大小相等且方向相反)、波动中x轴与t轴物理意义的区分、Δx = v·Δt计算时方向符号的处理、波从一种介质进入另一种介质时频率不变(f不变,v和λ随介质改变)。
巩固·知识解构
知识点1 简谐运动
一、定义
物体在跟位移大小成正比、方向总指向平衡位置的回复力作用下的运动,叫做简谐运动.
二、简谐运动的运动特征
(1)位移x:从平衡位置指向振子所在位置的有向线段,方向始终背离平衡位置。
(2)加速度a:,方向始终指向平衡位置,大小与位移成正比。
(3)速度v:大小和方向均变化——靠近平衡位置时速度增大,远离平衡位置时速度减小。
三、简谐运动的三个重要特征量
(1)振幅A:振动物体离开平衡位置的最大距离,标量,表示振动强弱。
(2)周期T:振动物体完成一次全振动所需的时间,由系统本身性质决定。
(3)频率f:单位时间内完成全振动的次数,。
四、简谐运动的对称性
(1)在平衡位置两侧对称点上,位移大小相等、方向相反。
(2)对称点上加速度大小相等、方向相反。
(3)对称点上速度大小相等,方向可能相同或相反(视具体位置)。
(4)从平衡位置到最远点与从最远点回到平衡位置所用时间相等()
五、简谐运动的能量
(1)简谐运动的总能量等于动能和势能之和,守恒。
(2)平衡位置处:动能最大,势能为零。
(3)最大位移处:势能最大,动能为零。
(4)能量表达式:。
知识点2 简谐运动的两种基本模型
一、弹簧振子(水平弹簧振子):
(1)回复力:弹簧弹力(k为劲度系数)。
(2)周期:(与振幅无关)
(3)频率:
(4)特点:弹簧振子的周期只由振子质量和弹簧劲度系数决定,与振幅无关(等时性)。
(5)平衡位置:弹簧处于原长时振子所在位置。
二、单摆
(1)回复力:重力沿切线方向的分力
(2)在(小角度)条件下,,回复力,为简谐运动。
(3)周期:(与摆球质量、振幅无关)。
(4)频率:
(5)理解:单摆周期只由摆长l和重力加速度g决定。
(6)摆长l:悬点到摆球球心的距离(悬线长度 + 摆球半径)。
知识点3 机械波的产生与传播
一、机械波的产生条件
(1)波源(振动的物体)。
(2)介质(传播振动的物质,如空气、水、绳等)。
二、机械波的传播特点
(1)机械波传播的是振动形式和能量,介质本身不随波迁移(介质中各质点只在平衡位置附近振动)。
(2)波的传播方向与质点振动方向的关系:
横波:振动方向与传播方向垂直。
(4)各质点的振动周期(频率)均等于波源的振动周期(频率),与传播距离无关。
纵波:振动方向与传播方向平行。
(3)波在传播过程中,各质点的起振方向与波源的起振方向相同。
(5)波速由介质决定,与波源的振动频率无关——同一介质中不同频率的波传播速度相同。
三、描述波的三个物理量
(1)波长λ:
定义:在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离。
理解:一个完整波形的水平长度,或波在一个周期内传播的距离。
(2)波速v:
定义:波在介质中传播的速度,由介质性质决定。
公式:
(3)周期T和频率f:
由波源决定,与介质无关。
波在传播过程中,周期和频率不变。
四、波的图像(波形图)
(1)坐标轴:横轴表示各质点的平衡位置(x),纵轴表示各质点偏离平衡位置的位移(y)。
(2)物理意义:表示某一时刻介质中各质点相对平衡位置的位移。
(3)波形图与振动图像的区别:
振动图像
波形图
坐标轴
横轴为时间t,纵轴为位移y
横轴为位置x,纵轴为位移y
物理意义
一个质点在不同时刻的位移
不同质点在某一时刻的位移
信息
周期T、振幅A
波长λ、振幅A
作用
反映一个质点在不同时刻的位置关系
反应多个质点在同一时刻的位置关系
五、波的传播方向与质点振动方向的判断
(1)同侧法(上下坡法):沿波的传播方向看,“上坡”的质点向下振动,“下坡”的质点向上振动。
(2)带动法(微平移法):将波形沿传播方向平移一小段距离,比较质点在原位置和新位置的位置关系,即可判断振动方向。
(3)三角形法:若波向右传播,取波峰左侧的质点向下振动,右侧质点向上振动(结合波形图具体判断)。
知识点4 波形图与振动图像的综合分析
一、由波形图求波速、波长、周期
(1)从波形图中可直接读出波长λ(相邻两个波峰或波谷间的距离)。
(2)从波形图中读出振幅A。
(3)若已知波速v,则
(4)若已知周期T,则
二、由波形图判断某质点的振动方向
(1)已知波的传播方向 → 由“同侧法”判断各质点振动方向。
(2)已知某质点振动方向 → 由“同侧法”反推波的传播方向。
(3)已知某时刻后某质点的振动情况(如经Δt 后到达波峰或波谷),可确定波的传播方向及周期。
三、波的多解问题
(1)传播方向不确定:波可能沿+x方向传播,也可能沿−x 方向传播 → 两个解。
(2)周期性不确定:波形图每隔一个周期重复出现。已知两个时刻的波形,Δt 与T的关系可能是整数倍加部分周期。
(3)波长不确定:已知两质点间距离及振动关系,波长可能取多个值。
(4)解题策略:先写出通式,再根据题目条件(如v的范围、T的范围等)确定n的值,得到唯一解或多解。
四、波的干涉与衍射
(1)波的叠加原理:几列波相遇时,每列波各自保持原来的传播方向继续传播,在重叠区域,各质点的位移等于各列波单独传播时位移的矢量和。
(2)波的干涉条件:频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列波相遇时,某些点振动加强(振幅最大),某些点振动减弱(振幅最小)。
(3)振动加强点/减弱点的判断方法
①当两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。
(4)波的衍射条件:障碍物或孔的尺寸与波长差不多或比波长更小时,波能绕过障碍物继续传播。
模拟·基础演练
考查重点:机械振动中物理量计算、波形图与震动图辨析
⏳题型01 机械振动
1.(2026·四川眉山·二模)如图所示,倾角的光滑斜面固定在水平桌面上,一轻质弹簧一端固定在斜面顶端,另一端连着小球P(可视为质点),小球质量为、带电量为,在足够大的空间范围内,存在平行于斜面向下的匀强电场,电场强度大小。小球在斜面上做振幅为A的简谐运动,到达最高点时,弹簧恰好处于原长。已知弹簧的劲度系数为k,且始终处在弹性限度内,小球做简谐运动的周期,重力加速度大小为g,则下列说法正确的是( )
A.小球P的最大速度为
B.小球P在最低点时的加速度大小为
C.小球P从最高点运动到最低点的过程中,弹簧弹力对小球的冲量大小为
D.若小球P运动到最低点时电场突然反向(大小不变),此后小球做简谐运动的振幅为
2.(2026·四川攀枝花·二模)如图(a)所示的骨传导耳机作为一种独特的音频设备,受到越来越多的运动人士喜爱,它是通过颅骨将声音传递给听觉神经的设备,而无需将扬声器塞入耳道,其原理如图(b)所示。某同学在使用骨传导耳机听一段随身携带的手机中的音乐,若某段时间内接收到的声波引起耳蜗膜上某质点振动图像如图(c)所示,振幅为,已知声音在空气中传播的速度为,则下列说法中正确的是( )
A.使用骨传导耳机时,声波在颅骨中的传播形式只能是横波
B.耳蜗膜上该质点在任意个周期内的路程均为
C.若该段音乐在空气中传播,其声波波长为
D.耳蜗膜上该质点的位移随时间变化的关系式为
3.(2026·四川资阳·三模)如图所示为一个单摆在地面上做受迫振动的共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系),下列说法正确的是( )
A.此单摆的摆长约为0.5m
B.此单摆的固有周期约为0.5s
C.若摆长变小,共振曲线的峰将左移
D.若保持摆长不变,将该单摆移至月球表面上做受迫振动,则共振曲线的峰将左移
4.(2026·四川成都·二模)图甲为用手机和轻弹簧制作的一个振动装置。手机加速度传感器记录了手机在竖直方向的振动情况,以向上为正方向,得到手机振动过程中加速度a随时间t变化的曲线为正弦曲线,如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.时,弹簧弹力为0
B.时,手机位于平衡位置下方
C.从至,手机的动能增大
D.a随t变化的关系式为
5.(2026·四川成都·二模)(多选)如图甲所示,单摆摆球在竖直面内的A、C之间来回摆动,B点为运动中的最低位置,最大摆角α为5°,悬点O处接有一力传感器,记录摆线拉力大小F随时间t变化的关系如图乙所示。下列判断正确的是( )
A.单摆的周期为1s B.单摆的周期为2s
C.时刻,摆球在A点 D.时刻,摆球在B点
6.(2025·四川成都·一模)(多选)如图所示,将一轻质弹簧左端固定在墙上,右端连接质量为的小球静置于光滑水平面上。以弹簧原长时小球的位置为坐标原点,水平向右为正方向建立坐标轴,给小球一向右的初速度,小球沿轴做往复运动,作出小球运动过程中动量随位置坐标变化的图像。小球的运动状态可用图像上各点的坐标表示,其中A状态的坐标为,B状态的坐标为,C、D状态的横坐标均为。已知弹簧的弹性势能,为弹簧的劲度系数,为弹簧的形变量。下列说法正确的是( )
A.小球运动过程中的最大动能为
B.弹簧的劲度系数为
C.小球从C状态经B状态到D状态所经历的时间是其运动周期的四分之一
D.小球在C状态的动量大小为
⏳题型02 振动图与波形图的辨析
7.(2025·四川绵阳·三模)图甲为一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t=0时的图像,图甲中某质点的振动情况如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.图乙可能是质点b的振动图像
B.再经1s质点a将沿x轴运动到x=2m处
C.质点a 的位移与时间的关系为
D.波在传播过程中,质点a在2s内运动的路程为0.8m
8.(2026·四川绵阳·三模)一列简谐横波沿x轴方向传播,在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16m,图乙为质点P的振动图像。下列说法正确的是( )
A.该波沿x轴正方向传播
B.从开始,质点P比Q质点早回到平衡位置
C.质点P的平衡位置位于处
D.该波的波速为
9.一列简谐波沿x轴传播,某时刻其波形如图甲所示,平衡位置为的质点从该时刻开始的振动图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.该列简谐波沿x轴正方向传播
B.无法确定该简谐波的波长
C.该质点的振动周期为
D.从该时刻起内质点经过的路程为
10.(2026·四川遂宁·一模)一条轻长绳放置在水平桌面上,俯视图如图甲所示,用手握住长绳的一端O,从t=0时刻开始用手带动O点沿垂直绳的方向(图甲中y轴方向)在水平面内做简谐运动,0~6s内O点的振动图像如图乙所示。t=5s时轻长绳上的波形图可能正确的是( )
A. B.
C. D.
11.(2026·四川成都·三模)(多选)艺术体操的主要项目有绳操、球操、圈操、带操和棒操五项。图甲为某运动员进行带操比赛的照片。某段过程中彩带的运动可简化为沿轴方向传播的简谐横波,时的波形图如图乙所示,质点的振动图像如图丙所示。下列说法正确的是( )
A.时点的位移为
B.时质点的加速度沿轴正方向
C.到的过程中质点通过的路程为50 cm
D.质点的振动方程为
12.(2026·四川广元·二模)(多选)平衡位置位于O点的波源时刻沿y轴起振,形成一列沿x轴方向传播的简谐横波,时在区间内的波形如图甲所示,波源的振动图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.平衡位置位于处的质点沿y轴负方向起振
B.该波的波长为4.8m
C.该波的波速大小为30m/s
D.0~2.0s内,处的质点通过的路程为1m
⏳题型03 波的多解问题
13.(2026·四川泸州·一模)如图所示,实线是某时刻的波形图像,虚线表示0.2s后的波形图像,下列说法正确的是( )
A.若这列波向右传播,则可求它的最大周期
B.若这列波向左传播,则可确定它传播的距离的大小
C.若波速是35m/s,则波的传播方向向右
D.不管波的传播方向如何,由图像都可以确定的质点在0.2s时间内的位移和路程
14.(2026·四川内江·三模)如图所示,一列简谐横波在x轴上传播,图甲和图乙分别为x轴上a、b两质点的振动图像,且。下列说法中正确的是( )
A.波沿x轴正方向传播 B.波长可能是6m
C.波速可能是1.2m/s D.波速可能是3m/s
15.(2025·四川绵阳·三模)一列简谐横波沿轴正方向传播,轴上相距8.0m的甲、乙两质点的振动图像如图中实线、虚线所示,则该简谐横波波速可能是( )
A.2m/s B.4m/s C.8m/s D.12m/s
16.一列简谐横波沿x轴的正向传播,振幅为2cm,周期为T。已知为t=0时刻波上相距50cm的两质点a、b的位移都是1cm,但运动方向相反,其中质点a沿y轴负向运动,如图所示,下列说法不正确的是( )
A.该列简谐横波波长可能为150cm
B.该列简谐横波波长可能为12cm
C.当质点b的位移为+2cm时,质点a的位移为负
D.在t=时刻质点b速度最大
17.(2026·四川成都·一模)(多选)一列简谐横波沿x轴传播在t=0时刻的波形如图中实线所示,t=0.5s时刻的波形如图中虚线所示,虚线恰好过质点P的平衡位置。已知质点P平衡位置的坐标x=0.5m。下列说法正确的是( )
A.该简谐波传播的最小速度为1.0m/s
B.若波向轴正方向传播,质点P比质点Q先回到平衡位置
C.若波向轴负方向传播,质点P运动路程的最小值为5cm
D.质点O的振动方程可能为
18.(2025·四川巴中·模拟预测)(多选)某介质中,一列沿x轴正方向传播的简谐横波,在0时刻的波形如图中实线所示,1s时的波形如图中虚线所示。关于该列简谐横波,下列说法正确的是( )
A.波速可能为5m/s
B.介质中质点的振动周期可能为6s
C.介质中质点的振动频率可能为
D.1.5s时,平衡位置位于3m处的质点可能到达波峰
⏳题型04 波的干涉与衍射
19.(2026·四川巴中·模拟预测)如图所示,均匀介质中的三个质点、、分别静止于直角坐标系平面内的、和处。时刻,波源从平衡位置开始垂直平面向上振动,振动周期为,形成向外传播的简谐横波,图中实线圆表示某时刻相邻的波峰,则( )
A.该波的波速大小为
B.比先振动
C.从后,、的位移始终相同
D.从后,、的位移始终相同
20.(2026·四川宜宾·三模)如图所示,有两列简谐绳波沿同一段弹性绳相向传播,在时刻均刚好传到P点,甲波的振幅为2A,乙波的振幅为A。则( )
A.两列波传播速度之比为
B.两列波能发生稳定的干涉现象
C.P点的起振方向为方向
D.P点偏离平衡位置的最大位移为3A
21.两列频率相同、振动方向和振幅相同的相干简谐横波,在同一均匀介质中发生稳定干涉,干涉图样如图乙所示(图中实线表示波峰,虚线表示波谷)。其中一列波在t=0时刻的波形图如图甲所示,已知该列波的周期T=0.4s,t=0时刻x=4m处的质点P沿y轴正方向运动。下列说法正确的是( )
A.该波的波长为8m,沿x轴负方向传播
B.图乙中c点的最大位移为6cm
C.图乙中a点为振动减弱点,始终保持静止
D.图乙中b点在0.2s内通过的路程为12cm
22.(2026·四川绵阳·模拟预测)如图所示,在均匀介质中,时,位于A、B两点的两个波源同时由平衡位置开始向上振动,产生的两列简谐横波在该介质中的传播速度均为v,O是AB的中点,,C是AO线段上距O点最近的一个振动减弱点,下列说法正确的是( )
A.O点始终位于波峰处
B.两列波的频率均为
C.A、B之间的连线上共有5个振动加强点
D.同时将两波源的频率增大一倍后,C点是振动加强点
23.(2026·四川绵阳·二模)(多选)如图甲所示,、是在轴上距离坐标原点等距离的两波源,的振动图像如图乙实线所示,的振动图像如图乙虚线所示,产生的简谐横波在同种介质中沿轴传播。则点( )
A.是振动减弱点 B.是振动加强点
C.振幅为 D.振动周期为
24.(2025·四川成都·一模)(多选)一列简谐横波沿轴正向传播,时传至点,该波的波速,波形图如图(a)所示,此时处质点开始在同一平面振动,振动图像如图(b)所示。下列说法正确的是( )
A.时质点向负方向振动
B.内质点经过的路程为
C.时,处质点位移为0
D.经过一段时间振动稳定后,间有3个振动减弱点
重难·创新演练
1.一轻质弹簧左端固定在竖直墙壁上,右端连接着静止在水平地面上质量为的物块,如图所示。弹簧的劲度系数为,物块与水平地面间的动摩擦因数为,令最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现向左推动物块使弹簧压缩量达到在弹性限度内后再由静止释放,重力加速度,不计空气阻力,弹性势能公式:。下列说法正确的是( )
A.物块最终停在弹簧的原长处
B.从静止开始释放,到最终停下,物块运动的总路程为30cm
C.释放后瞬间重物的加速度大小为
D.物块第一次向右运动的最大距离为16cm
2.两名机器人手握一根轻绳的两端,以相同的频率,周期性上下抖动,振幅均为A=20cm,在绳子上形成了相向运动的简谐横波a和b,时刻,波形图如图所示,O、S两点为波源,已知,下列说法正确的是( )
A.两列波的起振方向相同
B.两列波相遇后,波速变为
C.绳上P点的振幅始终保持为零
D.当b波传播到Q点时,Q点已经运动了2m
3.如图所示,P、Q分别为位于x=0和x=9 cm处同时起振的两个波源,其产生的简谐波沿x轴传播,某同学画出传播过程中振动和波的x-y-t图,其中波的图像①②③与xOy平面平行,④为波源的振动图像,下列说法正确的是( )
A.t=6 s时,x=3 cm处质点向上运动
B.x=2 cm和x=7 cm处质点的位移方向可能相反
C.0~2025 s内,x=6 cm处质点经过的路程为4 cm
D.经足够长时间,0<x<2025 cm间有675个质点的振幅为4 cm
4.两波源分别位于和处,产生的简谐横波在同一均匀介质中沿x轴方向传播,左侧波源的振幅为2cm,波速为0.4m/s,右侧波源的振幅为3cm。如图所示为时刻两列相向传播的波形图(背向传播的波形未画出),此刻平衡位置位于和的两质点刚开始振动。下列说法正确的是( )
A.处的质点为振动加强点,之后其位移大小为5cm保持不变
B.处的质点在时向y轴负方向振动
C.处的质点在时向y轴负方向振动
D.在0~2025s内处的质点运动的路程比的质点多6cm
5.(多选)湖面上,两个浮子做简谐运动,其频率均为,振幅均为,它们的平衡位置分别为、。以为原点,平行于湖面建立如图所示直角坐标系,在轴正半轴上(图中未画出)。时,两浮子同时从平衡位置垂直湖面向外起振,激起同心圆水波,规定垂直湖面向外为简谐运动的正方向;时,处浮子发出的波刚好传到了图中的虚线位置,且恰好与处浮子发出的波的最远波峰相遇,下列说法正确的是( )
A.波的传播速度是
B.的坐标为
C.在轴上,和之间有2个振动加强点
D.时间内,处的质点运动的路程为
6.(多选)某均匀介质中两个频率为1Hz的波源S1,S2分别位于x1=-3m,x2=3m处,并先后在t1=0和t2=0.25s从平衡位置开始垂直纸面向外振动,S1与S2的振幅相等,形成简谐波在xOy平面内传播。平面内有两个质点P(0,4m)和质点Q(3m,8m),其中质点P在5.625s时第一次回到平衡位置。下列说法正确的是( )
A.质点P在2.5s时起振
B.两列波的波长为1m
C.PQ连线上有2个振动加强点
D.PQ连线上有3个振动减弱点
真题·实战演练
高频考点:振动图像与波形图、波的叠加
1.(2026·四川·高考真题)如图所示,空气中水平放置两端开口的圆柱形长管、管内有a、b、c三个位置,a、b距离为,c在b右侧。持续驱动活塞使其在a、b间做周期为的简谐运动,管内形成稳定机械波。声波在空气中的传播速度取,管足够长。则( )
A.管内机械波为横波
B.管内机械波的振幅为
C.管内机械波的波长为
D.每秒有10个完整的波经过位置c
2.(2026·浙江·高考真题)一列波速为、沿轴正方向传播的简谐波,时刻的波形如图所示。A、B、C为传播方向上的三个质点,B、C所在的位置分别为和。则( )
A.波的频率为0.5 Hz
B.图示时刻,向轴正方向运动
C.当波从点传播到点,运动了1 m
D.的振动方程为
3.(2026·湖南·高考真题)如图,均匀介质中有且仅有一个点波源产生简谐横波在xy平面内传播,A(4,3)、B(4,0)在xy平面内。某时刻,A处质点位于波峰,B处质点位于波谷。下列说法正确的是( )
A.若波源在(0,0)处,波长可能为1m B.若波源在(0,0)处,波长可能为2m
C.若波源在(0,3)处,波长可能为3m D.若波源在(0,3)处,波长可能为4m
4.(2026·山东·高考真题)(多选)波源在时开始振动,产生一列沿轴正方向传播的简谐横波。时质点刚好开始振动,质点与的平衡位置相距。某时刻的波形如图所示,下列说法正确的是( )
A.波速为
B.波长为
C.从图示状态经过,M和速度相同
D.从图示状态经过,M和偏离平衡位置的位移相同
5.(2025·山东·高考真题)(多选)均匀介质中分别沿x轴负向和正向传播的甲、乙两列简谐横波,振幅均为,波速均为,M、N为介质中的质点。时刻的波形图如图所示,M、N的位移均为。下列说法正确的是( )
A.甲波的周期为 B.乙波的波长为
C.时,M向y轴正方向运动 D.时,N向y轴负方向运动
6.(2024·浙江·高考真题)(多选)在如图所示的直角坐标系中,平面为介质Ⅰ和Ⅱ的分界面(z轴垂直纸面向外)。在介质I中的(0,)处有一点波源,产生波长为、速度为v的波。波传到介质Ⅱ中,其速度为,图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰,与x轴和y轴分别交于R和S点,此时波源也恰好位于波峰。M为O、R连线的中点,入射波与反射波在O点相干加强,则( )
A.介质Ⅱ中波的频率为 B.S点的坐标为(0,)
C.入射波与反射波在M点相干减弱 D.折射角的正弦值
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第18讲 机械振动与机械波(简谐运动、波形图)(专项训练)
模拟·基础演练
⏳题型01 机械振动
1
2
3
4
5
6
A
C
D
B
BD
AD
⏳题型02 振动图与波形图的辨析
7
8
9
10
11
12
C
D
D
D
AD
AB
⏳题型03 波的多解问题
13
14
15
16
17
18
A
C
C
B
AD
BD
⏳题型04 波的干涉与衍射
19
20
21
22
23
24
C
C
C
D
AC
AD
重难·创新演练
1
2
3
4
5
6
B
C
C
D
BD
BC
真题·实战演练
1
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4
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D
D
B
BD
BD
BD
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第18讲 机械振动与机械波(简谐运动、波形图)(专项训练)
目 录
研判·考情前瞻 1
巩固·知识解构 1
知识点1 简谐运动 2
知识点2 简谐运动的两种基本模型 3
知识点3 机械波的产生与传播 3
知识点4 波形图与振动图像的综合分析 4
模拟·基础演练 5
题型01 机械振动 5
题型02 振动图与波形图的辨析 10
题型03 波的多解问题 15
题型04 波的干涉与衍射 20
重难·创新演练 25
真题·实战演练 30
研判·考情前瞻
核心考点
2026年
2025年
2024年
机械振动
——
——
机械波
——
——
考情分析
题型与考向:选择题常考查简谐运动的特征量(振幅、周期、频率、相位)、振动图像与波形图的识别与转换、波的传播方向与质点振动方向的互判、波速公式的应用(v = λ/T = λf)、波的多解性分析(双向传播、周期性导致的多解)。计算题较少单独出现,偶尔结合波的干涉、衍射等综合考查。
情境与立意:
1.生活实际类:弹簧振子、单摆的振动规律;地震波、声波在不同介质中的传播特点。
2.科技前沿类:超声波探测、声呐定位、振动监测与降噪技术中的波动原理。
3.物理学史类:简谐运动规律的发现、惠更斯原理对波动理论的贡献。
复习目标
1.简谐运动的基本规律:理解回复力特征,掌握简谐运动的位移-时间关系及各物理量含义,明确周期T与频率f的关系,熟悉弹簧振子周期公式和单摆周期公式及其适用条件。
2.振动图像与波形图的比较:振动图像(x-t图)反映同一质点位移随时间变化,可直接读A、T;波形图(y-x图)反映同一时刻各质点位移随位置变化,可直接读A、λ;掌握由波形图判断质点振动方向的方法(“上坡下振、下坡上振”或“同侧法”),并能由波速公式建立两图的联系。
3.波的传播规律与多解性:掌握波的传播特点——①波在均匀介质中匀速传播(v = λ/T);②介质中各质点不随波迁移,仅在平衡位置附近振动;③波传播方向与质点振动方向垂直(横波)或平行(纵波)。理解波的多解性源于——波的传播方向不确定性(双向性)和振动时间与周期的关系(周期性),能通过分析通解表达式(如x = nλ + Δx或t = nT + Δt)求解所有可能值。
4.常见模型与易错点:掌握简谐运动的对称性(关于平衡位置对称的两点速度大小相等、加速度大小相等且方向相反)、波动中x轴与t轴物理意义的区分、Δx = v·Δt计算时方向符号的处理、波从一种介质进入另一种介质时频率不变(f不变,v和λ随介质改变)。
巩固·知识解构
知识点1 简谐运动
一、定义
物体在跟位移大小成正比、方向总指向平衡位置的回复力作用下的运动,叫做简谐运动.
二、简谐运动的运动特征
(1)位移x:从平衡位置指向振子所在位置的有向线段,方向始终背离平衡位置。
(2)加速度a:,方向始终指向平衡位置,大小与位移成正比。
(3)速度v:大小和方向均变化——靠近平衡位置时速度增大,远离平衡位置时速度减小。
三、简谐运动的三个重要特征量
(1)振幅A:振动物体离开平衡位置的最大距离,标量,表示振动强弱。
(2)周期T:振动物体完成一次全振动所需的时间,由系统本身性质决定。
(3)频率f:单位时间内完成全振动的次数,。
四、简谐运动的对称性
(1)在平衡位置两侧对称点上,位移大小相等、方向相反。
(2)对称点上加速度大小相等、方向相反。
(3)对称点上速度大小相等,方向可能相同或相反(视具体位置)。
(4)从平衡位置到最远点与从最远点回到平衡位置所用时间相等()
五、简谐运动的能量
(1)简谐运动的总能量等于动能和势能之和,守恒。
(2)平衡位置处:动能最大,势能为零。
(3)最大位移处:势能最大,动能为零。
(4)能量表达式:。
知识点2 简谐运动的两种基本模型
一、弹簧振子(水平弹簧振子):
(1)回复力:弹簧弹力(k为劲度系数)。
(2)周期:(与振幅无关)
(3)频率:
(4)特点:弹簧振子的周期只由振子质量和弹簧劲度系数决定,与振幅无关(等时性)。
(5)平衡位置:弹簧处于原长时振子所在位置。
二、单摆
(1)回复力:重力沿切线方向的分力
(2)在(小角度)条件下,,回复力,为简谐运动。
(3)周期:(与摆球质量、振幅无关)。
(4)频率:
(5)理解:单摆周期只由摆长l和重力加速度g决定。
(6)摆长l:悬点到摆球球心的距离(悬线长度 + 摆球半径)。
知识点3 机械波的产生与传播
一、机械波的产生条件
(1)波源(振动的物体)。
(2)介质(传播振动的物质,如空气、水、绳等)。
二、机械波的传播特点
(1)机械波传播的是振动形式和能量,介质本身不随波迁移(介质中各质点只在平衡位置附近振动)。
(2)波的传播方向与质点振动方向的关系:
横波:振动方向与传播方向垂直。
(4)各质点的振动周期(频率)均等于波源的振动周期(频率),与传播距离无关。
纵波:振动方向与传播方向平行。
(3)波在传播过程中,各质点的起振方向与波源的起振方向相同。
(5)波速由介质决定,与波源的振动频率无关——同一介质中不同频率的波传播速度相同。
三、描述波的三个物理量
(1)波长λ:
定义:在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离。
理解:一个完整波形的水平长度,或波在一个周期内传播的距离。
(2)波速v:
定义:波在介质中传播的速度,由介质性质决定。
公式:
(3)周期T和频率f:
由波源决定,与介质无关。
波在传播过程中,周期和频率不变。
四、波的图像(波形图)
(1)坐标轴:横轴表示各质点的平衡位置(x),纵轴表示各质点偏离平衡位置的位移(y)。
(2)物理意义:表示某一时刻介质中各质点相对平衡位置的位移。
(3)波形图与振动图像的区别:
振动图像
波形图
坐标轴
横轴为时间t,纵轴为位移y
横轴为位置x,纵轴为位移y
物理意义
一个质点在不同时刻的位移
不同质点在某一时刻的位移
信息
周期T、振幅A
波长λ、振幅A
作用
反映一个质点在不同时刻的位置关系
反应多个质点在同一时刻的位置关系
五、波的传播方向与质点振动方向的判断
(1)同侧法(上下坡法):沿波的传播方向看,“上坡”的质点向下振动,“下坡”的质点向上振动。
(2)带动法(微平移法):将波形沿传播方向平移一小段距离,比较质点在原位置和新位置的位置关系,即可判断振动方向。
(3)三角形法:若波向右传播,取波峰左侧的质点向下振动,右侧质点向上振动(结合波形图具体判断)。
知识点4 波形图与振动图像的综合分析
一、由波形图求波速、波长、周期
(1)从波形图中可直接读出波长λ(相邻两个波峰或波谷间的距离)。
(2)从波形图中读出振幅A。
(3)若已知波速v,则
(4)若已知周期T,则
二、由波形图判断某质点的振动方向
(1)已知波的传播方向 → 由“同侧法”判断各质点振动方向。
(2)已知某质点振动方向 → 由“同侧法”反推波的传播方向。
(3)已知某时刻后某质点的振动情况(如经Δt 后到达波峰或波谷),可确定波的传播方向及周期。
三、波的多解问题
(1)传播方向不确定:波可能沿+x方向传播,也可能沿−x 方向传播 → 两个解。
(2)周期性不确定:波形图每隔一个周期重复出现。已知两个时刻的波形,Δt 与T的关系可能是整数倍加部分周期。
(3)波长不确定:已知两质点间距离及振动关系,波长可能取多个值。
(4)解题策略:先写出通式,再根据题目条件(如v的范围、T的范围等)确定n的值,得到唯一解或多解。
四、波的干涉与衍射
(1)波的叠加原理:几列波相遇时,每列波各自保持原来的传播方向继续传播,在重叠区域,各质点的位移等于各列波单独传播时位移的矢量和。
(2)波的干涉条件:频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列波相遇时,某些点振动加强(振幅最大),某些点振动减弱(振幅最小)。
(3)振动加强点/减弱点的判断方法
①当两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。
(4)波的衍射条件:障碍物或孔的尺寸与波长差不多或比波长更小时,波能绕过障碍物继续传播。
模拟·基础演练
考查重点:机械振动中物理量计算、波形图与震动图辨析
⏳题型01 机械振动
1.(2026·四川眉山·二模)如图所示,倾角的光滑斜面固定在水平桌面上,一轻质弹簧一端固定在斜面顶端,另一端连着小球P(可视为质点),小球质量为、带电量为,在足够大的空间范围内,存在平行于斜面向下的匀强电场,电场强度大小。小球在斜面上做振幅为A的简谐运动,到达最高点时,弹簧恰好处于原长。已知弹簧的劲度系数为k,且始终处在弹性限度内,小球做简谐运动的周期,重力加速度大小为g,则下列说法正确的是( )
A.小球P的最大速度为
B.小球P在最低点时的加速度大小为
C.小球P从最高点运动到最低点的过程中,弹簧弹力对小球的冲量大小为
D.若小球P运动到最低点时电场突然反向(大小不变),此后小球做简谐运动的振幅为
【答案】A
【详解】A.小球P受沿斜面向下的电场力
则沿斜面向下的合力为
则平衡位置满足,因小球在平衡位置速度最大,则由能量关系
解得最大速度为,A正确;
B.小球P在最高点时的加速度大小为
由对称可知,在最低点的加速度也为g,B错误;
C.小球P从最高点运动到最低点的过程中,根据动量定理
其中,解得弹簧弹力对小球的冲量大小为,C错误;
D.若小球P运动到最低点时电场突然反向(大小不变),则此时电场力和重力的分量的合力为零,小球只在弹力作用下做简谐振动,则此后小球做简谐运动的振幅为,D错误。
故选A。
2.(2026·四川攀枝花·二模)如图(a)所示的骨传导耳机作为一种独特的音频设备,受到越来越多的运动人士喜爱,它是通过颅骨将声音传递给听觉神经的设备,而无需将扬声器塞入耳道,其原理如图(b)所示。某同学在使用骨传导耳机听一段随身携带的手机中的音乐,若某段时间内接收到的声波引起耳蜗膜上某质点振动图像如图(c)所示,振幅为,已知声音在空气中传播的速度为,则下列说法中正确的是( )
A.使用骨传导耳机时,声波在颅骨中的传播形式只能是横波
B.耳蜗膜上该质点在任意个周期内的路程均为
C.若该段音乐在空气中传播,其声波波长为
D.耳蜗膜上该质点的位移随时间变化的关系式为
【答案】C
【详解】A.声波在固体(颅骨)中传播时,既可以是横波也可以是纵波,并非只能是横波,A错误;
B.简谐运动中,只有从平衡位置或最大位移处开始的周期内,质点路程才等于振幅,任意位置开始的周期路程不一定为,B错误;
C.波的频率由振源决定,音乐在空气中传播时频率不变,由
解得 ,C正确;
D.由图c知, 时质点在平衡位置,向正方向运动,位移关系式应为, D错误。
故选C 。
3.(2026·四川资阳·三模)如图所示为一个单摆在地面上做受迫振动的共振曲线(振幅A与驱动力频率f的关系),下列说法正确的是( )
A.此单摆的摆长约为0.5m
B.此单摆的固有周期约为0.5s
C.若摆长变小,共振曲线的峰将左移
D.若保持摆长不变,将该单摆移至月球表面上做受迫振动,则共振曲线的峰将左移
【答案】D
【详解】AB.由图像可知,此单摆的固有频率为,则固有周期约为,根据可得,此单摆的摆长约为L=1m,AB错误;
C.若摆长变小,则固有周期减小,固有频率变大,则共振曲线的峰将右移,C错误;
D.若保持摆长不变,将该单摆移至月球表面上做受迫振动,根据,因月球上重力加速度较小,可知固有周期变大,固有频率减小,则共振曲线的峰将左移,D正确。
故选D。
4.(2026·四川成都·二模)图甲为用手机和轻弹簧制作的一个振动装置。手机加速度传感器记录了手机在竖直方向的振动情况,以向上为正方向,得到手机振动过程中加速度a随时间t变化的曲线为正弦曲线,如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.时,弹簧弹力为0
B.时,手机位于平衡位置下方
C.从至,手机的动能增大
D.a随t变化的关系式为
【答案】B
【详解】A.由题图乙知,时,手机加速度为0,由牛顿第二定律得弹簧弹力大小为,故A错误;
B.由题图乙知,时,手机的加速度为正,则手机位于平衡位置下方,故B正确;
C.由题图乙知,从至,手机的加速度增大,手机从平衡位置向最大位移处运动,速度减小,动能减小,故C错误;
D.由题图乙知,周期,则角频率
则随变化的关系式为,故D错误。
故选B。
5.(2026·四川成都·二模)(多选)如图甲所示,单摆摆球在竖直面内的A、C之间来回摆动,B点为运动中的最低位置,最大摆角α为5°,悬点O处接有一力传感器,记录摆线拉力大小F随时间t变化的关系如图乙所示。下列判断正确的是( )
A.单摆的周期为1s B.单摆的周期为2s
C.时刻,摆球在A点 D.时刻,摆球在B点
【答案】BD
【详解】AB.单摆摆球在最低点B时速度最大,由牛顿第二定律
可知此时拉力最大;在最高点A、C时速度为零,拉力最小。由图乙可知,拉力变化的周期为,而单摆在一个周期内两次经过最低点,拉力两次达到最大值,故单摆的周期,故A错误,B正确;
C.由图乙可知,时拉力达到最大值,对应摆球经过最低点B,故C错误;
D.由图乙可知,时拉力达到最大值,对应摆球经过最低点B,故D正确。
故选BD。
6.(2025·四川成都·一模)(多选)如图所示,将一轻质弹簧左端固定在墙上,右端连接质量为的小球静置于光滑水平面上。以弹簧原长时小球的位置为坐标原点,水平向右为正方向建立坐标轴,给小球一向右的初速度,小球沿轴做往复运动,作出小球运动过程中动量随位置坐标变化的图像。小球的运动状态可用图像上各点的坐标表示,其中A状态的坐标为,B状态的坐标为,C、D状态的横坐标均为。已知弹簧的弹性势能,为弹簧的劲度系数,为弹簧的形变量。下列说法正确的是( )
A.小球运动过程中的最大动能为
B.弹簧的劲度系数为
C.小球从C状态经B状态到D状态所经历的时间是其运动周期的四分之一
D.小球在C状态的动量大小为
【答案】AD
【详解】A.小球运动到平衡位置(即A状态)动能最大,由,
可得小球运动过程中的最大动能为,故A正确;
B.小球由B到A的过程,根据能量守恒得
解得,故B错误;
C.由题意可知,振幅
故小球的振动方程为
小球由A到C的过程有
解得
又因为
故
所以小球从C状态经B状态到D状态所经历的时间为
是其运动周期的三分之一,故C错误;
D.小球由B到C的过程,根据能量守恒有
又
联立可得,故D正确。
故选AD。
⏳题型02 振动图与波形图的辨析
7.(2025·四川绵阳·三模)图甲为一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t=0时的图像,图甲中某质点的振动情况如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.图乙可能是质点b的振动图像
B.再经1s质点a将沿x轴运动到x=2m处
C.质点a 的位移与时间的关系为
D.波在传播过程中,质点a在2s内运动的路程为0.8m
【答案】C
【详解】A.根据“同侧法”(即波的传播方向和质点的振动方向,永远在波形曲线的同一侧)可知,质点在时刻由平衡位置向下振动,而乙图中某质点在时刻恰好由平衡位置向上振动,故乙图不可能是质点的振动图像,故A错误;
B.质点只能在各自的平衡位置附近做简谐振动,而不会随着波迁移,故B错误;
C.由图乙可知,质点做简谐运动的振幅为,周期为,则角频率为
由甲图可知,当时,质点经过平衡位置向上振动,故初相位为
所以质点的位移与时间的关系为,故C正确;
D.由于该波的周期为,则质点在2s时间内恰好完成一个周期的振动,所以质点运动的路程为,故D错误。
故选C。
8.(2026·四川绵阳·三模)一列简谐横波沿x轴方向传播,在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16m,图乙为质点P的振动图像。下列说法正确的是( )
A.该波沿x轴正方向传播
B.从开始,质点P比Q质点早回到平衡位置
C.质点P的平衡位置位于处
D.该波的波速为
【答案】D
【详解】A.由图乙可知时刻,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,故A错误;
D.N质点先向下运动至最低点再回到最高点,用时为,有
根据乙图可知波的周期为
时N点的位移为,振动方向向下,N质点的方程为
代入可得
当
计算可知时N点运动至最低点,可知N质点先向下运动至最低点的时间为,可知
联立可得该波的波速为,故D正确;
B.从开始,质点Q第一次回到平衡位置所经历的时间为;P质点先向下运动至最低点再回到平衡位置,可知用时大于,可知质点Q比质点P早回到平衡位置,故B错误;
C.P质点先向下运动至最低点再回到最高点的时间为,有
根据乙图可知P点振动方程为
可知时P点的位移为
又时P点运动至最低点,可知运动至最低点用时
可知
可得
可得,故C错误。
故选D。
9.一列简谐波沿x轴传播,某时刻其波形如图甲所示,平衡位置为的质点从该时刻开始的振动图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.该列简谐波沿x轴正方向传播
B.无法确定该简谐波的波长
C.该质点的振动周期为
D.从该时刻起内质点经过的路程为
【答案】D
【详解】A.由图乙可知,时刻,处质点位移为,随后位移增大,说明质点沿轴正方向振动。根据波动的“上下坡法”可判断该波沿轴负方向传播,故A错误;
B.由图甲可得
解得,故B错误;
C.由图乙可得
解得,故C错误;
D.,内运动路程为
之后内运动路程为
则运动总路程为,故D正确。
故选D。
10.(2026·四川遂宁·一模)一条轻长绳放置在水平桌面上,俯视图如图甲所示,用手握住长绳的一端O,从t=0时刻开始用手带动O点沿垂直绳的方向(图甲中y轴方向)在水平面内做简谐运动,0~6s内O点的振动图像如图乙所示。t=5s时轻长绳上的波形图可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】D
【详解】BC.利用图乙可知t=4s后周期变小,波速不变,根据可知波长变短,故BC错误;
AD.t=5s时O点位移为零,沿y轴负方向运动,从而得出波形图对应的质点起振方向也沿y轴负方向,根据“上下坡法”可知D正确,故A错误,D正确。
故选D。
11.(2026·四川成都·三模)(多选)艺术体操的主要项目有绳操、球操、圈操、带操和棒操五项。图甲为某运动员进行带操比赛的照片。某段过程中彩带的运动可简化为沿轴方向传播的简谐横波,时的波形图如图乙所示,质点的振动图像如图丙所示。下列说法正确的是( )
A.时点的位移为
B.时质点的加速度沿轴正方向
C.到的过程中质点通过的路程为50 cm
D.质点的振动方程为
【答案】AD
【详解】从波形图乙得,波长,振幅; 从振动图丙得,周期,角频率
时在平衡位置且向轴正方向运动,根据同侧法可 得波沿轴正方向传播
A.时的波形方程为,在处
代入得 ,A正确;
B.时在平衡位置向上运动,经过
即时到达正向最大位移处,加速度指向平衡位置,故加速度沿轴负方向,B错误;
C.到,时间间隔,一个周期路程为
初始位置不在平衡位置或最大位移处,剩余的路程不等于,总路程不是,C错误;
D.设的振动方程为,,
由丙图,时,(向下运动)
得,,故,因此振动方程为,D正确。
故选 AD。
12.(2026·四川广元·二模)(多选)平衡位置位于O点的波源时刻沿y轴起振,形成一列沿x轴方向传播的简谐横波,时在区间内的波形如图甲所示,波源的振动图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.平衡位置位于处的质点沿y轴负方向起振
B.该波的波长为4.8m
C.该波的波速大小为30m/s
D.0~2.0s内,处的质点通过的路程为1m
【答案】AB
【详解】A.由波源的振动图像(图乙)可知,波源时刻从平衡位置向轴负方向起振,所有质点的起振方向都与波源相同,因此处的质点沿轴负方向起振,故A正确;
B.时,波源振动了,由图乙得周期,因此
波源恰好位于负最大位移处,与图甲处一致。从()到(),波形恰好对应个波长,即
解得,故B正确;
C.波速
不是,故C错误;
D.波传到处的时间
因此内该质点振动时间
由图可知振幅,则一个周期内质点路程为
不是,故D错误。
故选AB。
⏳题型03 波的多解问题
13.(2026·四川泸州·一模)如图所示,实线是某时刻的波形图像,虚线表示0.2s后的波形图像,下列说法正确的是( )
A.若这列波向右传播,则可求它的最大周期
B.若这列波向左传播,则可确定它传播的距离的大小
C.若波速是35m/s,则波的传播方向向右
D.不管波的传播方向如何,由图像都可以确定的质点在0.2s时间内的位移和路程
【答案】A
【详解】A.时间间隔
若波向右传播,可得时间关系
解得周期
当时,取得最大值
因此可以求出最大周期,故A正确;
B.由图可得波长
若波向左传播,传播距离
取不同值时,不同,无法确定传播距离的大小,故B错误;
C.若 ,内传播距离
符合波向左传播的距离规律,因此波向左传播,故C错误;
D.由于周期不确定,所以无法确定的质点在时间内的路程,故D错误。
故选A。
14.(2026·四川内江·三模)如图所示,一列简谐横波在x轴上传播,图甲和图乙分别为x轴上a、b两质点的振动图像,且。下列说法中正确的是( )
A.波沿x轴正方向传播 B.波长可能是6m
C.波速可能是1.2m/s D.波速可能是3m/s
【答案】C
【详解】A.波可沿正方向也可沿负方向传播,无法确定一定沿正方向,故A错误;
B.由振动图像可得:两质点振动周期;时刻,质点在平衡位置向下振动,质点在正最大位移(波峰)处。
若波沿轴正方向传播:到的距离满足
整理得
波速
若波沿轴负方向传播:到的距离满足
整理得
波速
若,代入两种波长表达式,得到的都不是非负整数,波长不可能为,故B错误;
C.波沿轴正方向传播,当时,
因此波速可能为 ,故C正确;
D.若,代入两种波速表达式,得到的都不是非负整数,波速不可能为,故D错误。
故选C。
15.(2025·四川绵阳·三模)一列简谐横波沿轴正方向传播,轴上相距8.0m的甲、乙两质点的振动图像如图中实线、虚线所示,则该简谐横波波速可能是( )
A.2m/s B.4m/s C.8m/s D.12m/s
【答案】C
【详解】根据题目描述,甲、乙两质点相距,结合振动图像可知,
若乙振动传到甲的情况,有
甲、乙两质点之间的距离可以表示为,其中
所以有
解得
根据波速,其中周期
解得
若甲振动传到乙的情况,有
甲、乙两质点之间的距离可以表示为,其中
所以有
解得
根据波速,其中周期
解得
所以当是此时的速度,C选项符合题意。
故选C。
16.一列简谐横波沿x轴的正向传播,振幅为2cm,周期为T。已知为t=0时刻波上相距50cm的两质点a、b的位移都是1cm,但运动方向相反,其中质点a沿y轴负向运动,如图所示,下列说法不正确的是( )
A.该列简谐横波波长可能为150cm
B.该列简谐横波波长可能为12cm
C.当质点b的位移为+2cm时,质点a的位移为负
D.在t=时刻质点b速度最大
【答案】B
【详解】AB.设质点的起振方向向上,则质点的振动方程为
且a、b中间的距离小于1个波长,对于b点有
解得
a点振动的时间比b点长,所以由
解得
a、b两个质点振动的时间差为
所以a、b之间的距离为
则通式为
(n=0,1,2,3)
则波长可以为
(n=0,1,2,3)
当n=0时
λ=150cm
由于n是整数,所以λ不可能为12cm,故A正确,不符合题意,B错误,符合题意;
C.当质点b的位移为+2cm时,即b到达波峰时,结合波形知,质点a在平衡位置下方,位移为负,故C正确,不符合题意;
D.由
得
当
时质点b到达平衡位置处,速度最大,故D正确,不符合题意。
故选B。
17.(2026·四川成都·一模)(多选)一列简谐横波沿x轴传播在t=0时刻的波形如图中实线所示,t=0.5s时刻的波形如图中虚线所示,虚线恰好过质点P的平衡位置。已知质点P平衡位置的坐标x=0.5m。下列说法正确的是( )
A.该简谐波传播的最小速度为1.0m/s
B.若波向轴正方向传播,质点P比质点Q先回到平衡位置
C.若波向轴负方向传播,质点P运动路程的最小值为5cm
D.质点O的振动方程可能为
【答案】AD
【详解】A.0.5s内波传播的最短距离为0.5m,故最小速度为1.0m/s,故A正确;
B.若波向x轴正方向传播,波速为
若波向x轴负方向传播,波速为
波向x轴正方向传播,0时刻后质点P背离平衡位置运动,质点Q靠近平衡位置运动,故质点P比质点Q后回到平衡位置,故B错误;
C.若波向x轴负方向传播,质点P向平衡位置运动,0.5s时质点P至少运动T,最短路程为25cm。故C错误;
D.若波向x轴正方向传播,则周期
质点O的振动方程
若波向x轴负方向传播,则周期
质点O的振动方程,故D正确。
故选AD。
18.(2025·四川巴中·模拟预测)(多选)某介质中,一列沿x轴正方向传播的简谐横波,在0时刻的波形如图中实线所示,1s时的波形如图中虚线所示。关于该列简谐横波,下列说法正确的是( )
A.波速可能为5m/s
B.介质中质点的振动周期可能为6s
C.介质中质点的振动频率可能为
D.1.5s时,平衡位置位于3m处的质点可能到达波峰
【答案】BD
【详解】ABC.从图中可知波在时间内传播的距离
根据波速
得
由
得
由
得,故B正确,AC错误;
D.由
得
当时
位于的波峰传到处,D正确。
故选BD。
⏳题型04 波的干涉与衍射
19.(2026·四川巴中·模拟预测)如图所示,均匀介质中的三个质点、、分别静止于直角坐标系平面内的、和处。时刻,波源从平衡位置开始垂直平面向上振动,振动周期为,形成向外传播的简谐横波,图中实线圆表示某时刻相邻的波峰,则( )
A.该波的波速大小为
B.比先振动
C.从后,、的位移始终相同
D.从后,、的位移始终相同
【答案】C
【详解】A.由题意可知,波长,,故A错误;
B.波传到A的时间,C到O的距离
波传到C的时间,A比C先振动时间,故B错误;
C.A、C到波源的距离差
,为波长的整数倍,说明两者振动相位相同,步调一致。时,A早已振动,波刚好传到C点,此后两质点振动同步,位移相同,故C正确;
D、B到O点距离,
,为半波长奇数倍,因此A、B振动相位相反,步调完全相反,位移始终大小相同,方向相反,故D错误。
故选C。
20.(2026·四川宜宾·三模)如图所示,有两列简谐绳波沿同一段弹性绳相向传播,在时刻均刚好传到P点,甲波的振幅为2A,乙波的振幅为A。则( )
A.两列波传播速度之比为
B.两列波能发生稳定的干涉现象
C.P点的起振方向为方向
D.P点偏离平衡位置的最大位移为3A
【答案】C
【详解】A.两列波在同一段弹性绳(同一介质)中传播,波速大小相等,因此传播速度之比为,故A项错误;
B.发生稳定干涉的条件是两列波频率相同。由图可知:甲波波长,乙波波长,根据,v相等、λ不同,因此频率不同,不能发生稳定干涉,故B项错误;
C.甲波向右传播,在P点由于同侧法可知,甲波带动P点向方向振动。乙波向左传播,在P点由于同侧法可知,乙波同样带动P点向方向振动。两列波在P点起振方向相同,所以P点的起振方向为方向,故C项正确;
D.两列波频率不同,永远不会出现甲波和乙波的波峰(或波谷)同时到达P点的情况,因此P点偏离平衡位置的最大位移一定小于,故D项错误。
故选C。
21.两列频率相同、振动方向和振幅相同的相干简谐横波,在同一均匀介质中发生稳定干涉,干涉图样如图乙所示(图中实线表示波峰,虚线表示波谷)。其中一列波在t=0时刻的波形图如图甲所示,已知该列波的周期T=0.4s,t=0时刻x=4m处的质点P沿y轴正方向运动。下列说法正确的是( )
A.该波的波长为8m,沿x轴负方向传播
B.图乙中c点的最大位移为6cm
C.图乙中a点为振动减弱点,始终保持静止
D.图乙中b点在0.2s内通过的路程为12cm
【答案】C
【详解】A.由左图可知,该波的波长。时刻处的质点沿轴正方向运动,根据“上下坡法”或波形微平移法判断,该波沿轴正方向传播,故A错误;
B.右图中 点是虚线与虚线的交点,即波谷与波谷相遇,为振动加强点。两列波振幅相同,均为,则点的最大位移为
故B错误;
C.图乙中点是实线与虚线的交点,即波峰与波谷相遇,为振动减弱点。由于两列波的振幅相同,减弱点的合振幅为零,所以点始终保持静止,故C正确;
D.图乙中点是实线与实线的交点,为振动加强点,其振幅
已知周期
时间
质点在一个周期内通过的路程为,则在半个周期内通过的路程
故D错误。
故选C。
22.(2026·四川绵阳·模拟预测)如图所示,在均匀介质中,时,位于A、B两点的两个波源同时由平衡位置开始向上振动,产生的两列简谐横波在该介质中的传播速度均为v,O是AB的中点,,C是AO线段上距O点最近的一个振动减弱点,下列说法正确的是( )
A.O点始终位于波峰处
B.两列波的频率均为
C.A、B之间的连线上共有5个振动加强点
D.同时将两波源的频率增大一倍后,C点是振动加强点
【答案】D
【详解】A. O是AB的中点,故O点到两波源距离相等,且两个波源同时由平衡位置开始向上振动,所以O点是振动加强点,但位移随时间变化,不是始终位于波峰处,故A错误;
B. C是AO线段上距O点最近的一个振动减弱点,故C点到两个波源的路程差为
其中,
联立解得
根据
解得频率为,故B错误;
C.设某振动加强点到A、B两波源的路程差为
根据振动加强点的条件有
联立解得
因取整数,则的取值范围为,可知一共有9个振动加强点,故C错误;
D.同时将两波源的频率增大一倍后,波速不变,根据
可知波长变为原来的,即
在频率增大前,C点到两个波源的路程差为
联立可得,在频率增大后
故C点是振动加强点,故D正确。
故选D。
23.(2026·四川绵阳·二模)(多选)如图甲所示,、是在轴上距离坐标原点等距离的两波源,的振动图像如图乙实线所示,的振动图像如图乙虚线所示,产生的简谐横波在同种介质中沿轴传播。则点( )
A.是振动减弱点 B.是振动加强点
C.振幅为 D.振动周期为
【答案】AC
【详解】A.由、的振动图像可知两波源的起振方向相反,点为两波源的中点,因此两波源在点引起的振动方向相反,为减弱点,故A正确,B错误;
C.由上述分析可知点的振幅为,故C正确;
D.点的振动周期与两波源、相同,为,故D错误。
故选AC。
24.(2025·四川成都·一模)(多选)一列简谐横波沿轴正向传播,时传至点,该波的波速,波形图如图(a)所示,此时处质点开始在同一平面振动,振动图像如图(b)所示。下列说法正确的是( )
A.时质点向负方向振动
B.内质点经过的路程为
C.时,处质点位移为0
D.经过一段时间振动稳定后,间有3个振动减弱点
【答案】AD
【详解】A.周期,时刻质点向正向振动,经质点运动方向相反,故向负向振动,故A正确;
B.经波在其传播方向传出,时质点位移为,故质点经过的路程为,故B错误;
C.左侧波经传至处,质点负向起振,振动位移为,右侧波经传至处,质点正向起振,振动位移为,故时,处质点位移为,故C错误;
D.为反步调振动的相干波源,波程差为0、处为减弱点,间有、、三个振动减弱点,故D正确。
故选AD。
重难·创新演练
1.一轻质弹簧左端固定在竖直墙壁上,右端连接着静止在水平地面上质量为的物块,如图所示。弹簧的劲度系数为,物块与水平地面间的动摩擦因数为,令最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现向左推动物块使弹簧压缩量达到在弹性限度内后再由静止释放,重力加速度,不计空气阻力,弹性势能公式:。下列说法正确的是( )
A.物块最终停在弹簧的原长处
B.从静止开始释放,到最终停下,物块运动的总路程为30cm
C.释放后瞬间重物的加速度大小为
D.物块第一次向右运动的最大距离为16cm
【答案】B
【详解】C.由牛顿第二定律
得加速度,故C错误;
D.释放后物块做简谐运动,平衡位置有
解得
弹簧处于压缩状态,向右运动的最大位移和释放点关于该平衡位置对称,所以物块第一次向右运动的最大距离为18cm,故D错误;
AB.物块向左运动的过程中,在新的平衡位置有
解得,弹簧处于拉伸状态,所以物块向左运动10cm。
以此类推,物块第二次向右运动2cm后停下来,所以物块停在距离弹簧原长左侧1cm处,总路程为,故B正确,A错误。
故选B。
2.两名机器人手握一根轻绳的两端,以相同的频率,周期性上下抖动,振幅均为A=20cm,在绳子上形成了相向运动的简谐横波a和b,时刻,波形图如图所示,O、S两点为波源,已知,下列说法正确的是( )
A.两列波的起振方向相同
B.两列波相遇后,波速变为
C.绳上P点的振幅始终保持为零
D.当b波传播到Q点时,Q点已经运动了2m
【答案】C
【详解】A.根据机械波传播特点是波形图在介质中沿传播方向向前平移(质点受迫振动导致的),即任何质点的起振方向与波源的起振方向相同,根据同侧法(上下坡法、微平移法)可知,a波的起振方向竖直向下,b波的起振方向竖直向上,A错误;
B.由波形图可知波的波长为2m,根据
波速只与介质有关,且波的传播具有独立性,因此两波叠加不会改变传播速度,B错误;
C.两列波的振动频率相同,因此当两波相遇后会发生干涉现象,根据速度时间关系可知,两波是同时到达P点,且振动方向恰好相反,即在P点发生干涉减弱现象,由两波振幅大小一样,因此P点振幅为零,一直处于平衡位置,C正确;
D.根据速度时间关系,a波比b波先传播到Q点,且时间差恰好为0.4s(一个周期),故Q点是先以a波的振动规律振动一个周期,运动了,D错误;
故选C。
3.如图所示,P、Q分别为位于x=0和x=9 cm处同时起振的两个波源,其产生的简谐波沿x轴传播,某同学画出传播过程中振动和波的x-y-t图,其中波的图像①②③与xOy平面平行,④为波源的振动图像,下列说法正确的是( )
A.t=6 s时,x=3 cm处质点向上运动
B.x=2 cm和x=7 cm处质点的位移方向可能相反
C.0~2025 s内,x=6 cm处质点经过的路程为4 cm
D.经足够长时间,0<x<2025 cm间有675个质点的振幅为4 cm
【答案】C
【详解】A.由振动图像④得周期为,振幅,由波形图得波长为
处质点到两波源的距离之差为
则该质点处于振动减弱点,所以时,处质点处于平衡位置,不向上运动,故A错误;
B.因为和处质点到两波源的距离差相等,均为,所以两位置处质点振动步调相同,任意时刻位移方向都相同,故B错误;
C.波速
波源P产生的波传播到处需要,波源Q产生的波传播到处需要
该点波程差
处为振动减弱点,后质点不再运动,实际振动时间为
经过的路程为,故C正确;
D.振幅为4cm的点是振动加强点,满足波程差(n=0,1,2…)
因为,所以
所以振动加强点为、、处质点,经足够长时间,间有3个质点的振幅为,故D错误。
故选C。
4.两波源分别位于和处,产生的简谐横波在同一均匀介质中沿x轴方向传播,左侧波源的振幅为2cm,波速为0.4m/s,右侧波源的振幅为3cm。如图所示为时刻两列相向传播的波形图(背向传播的波形未画出),此刻平衡位置位于和的两质点刚开始振动。下列说法正确的是( )
A.处的质点为振动加强点,之后其位移大小为5cm保持不变
B.处的质点在时向y轴负方向振动
C.处的质点在时向y轴负方向振动
D.在0~2025s内处的质点运动的路程比的质点多6cm
【答案】D
【详解】A.由图可知两列波的波长均为,两波源到,处的波程差为
该处为振动加强点,两列波均到达后振幅为
但质点位移随时间周期性变化,并非保持不变,故A错误;
B.处与处到右侧波源的距离相等,两处振动状态相同。由图中处为最大位移处, 时速度为, 并非沿轴负方向振动,故B错误;
C.波的周期为
左、右两列波的波前到达,处所需时间分别为,
两列波到达时均使质点从平衡位置沿轴负方向开始振动,且。在时,右侧波已作用,质点正由负最大位移返回平衡位置,此时两列波均使质点沿轴正方向振动,与题述相反,故C错误;
D.在时,与处的质点分别只受左、右两列波影响,另一列波到达各点所需时间均为
质点从平衡位置开始做简谐运动,在内的路程为,因此
由关系式
两列波均到达后,两点处两列波的波程差均为
两点均为振动减弱点,合振动的振幅均为
由于两点到右侧波源的波程相差
两点的合振动相位相反,任意时刻速率相等,所以此后相同时间内路程相等。故在内两质点的路程差为,故D正确。
故选D。
5.(多选)湖面上,两个浮子做简谐运动,其频率均为,振幅均为,它们的平衡位置分别为、。以为原点,平行于湖面建立如图所示直角坐标系,在轴正半轴上(图中未画出)。时,两浮子同时从平衡位置垂直湖面向外起振,激起同心圆水波,规定垂直湖面向外为简谐运动的正方向;时,处浮子发出的波刚好传到了图中的虚线位置,且恰好与处浮子发出的波的最远波峰相遇,下列说法正确的是( )
A.波的传播速度是
B.的坐标为
C.在轴上,和之间有2个振动加强点
D.时间内,处的质点运动的路程为
【答案】BD
【详解】A.由图可知,时发出的波传播的距离为,根据波速定义
故A错误。
B.结合频率,得波长
两波源起振方向均为正方向(向外),的最远波峰是其起振后第一个到达波峰的位置起振后经到达波峰,
因此该波峰到的距离为
相遇点到的距离为,因此两波源间距
即坐标为,B正确。
C.两波源起振方向相同,频率相同,波叠加满足的条件为
设横坐标为x的点为振动加强点,则有
若k=0时,
若k=1时,
故两波源间有三个加强点。故C错误;
D.处波程差为
即该点为振动减弱点,两列波传到此处后,质点合位移为0,故该点只在传到此处后在到达前振动,,
即
故该点路程为
故D正确。
故选BD。
6.(多选)某均匀介质中两个频率为1Hz的波源S1,S2分别位于x1=-3m,x2=3m处,并先后在t1=0和t2=0.25s从平衡位置开始垂直纸面向外振动,S1与S2的振幅相等,形成简谐波在xOy平面内传播。平面内有两个质点P(0,4m)和质点Q(3m,8m),其中质点P在5.625s时第一次回到平衡位置。下列说法正确的是( )
A.质点P在2.5s时起振
B.两列波的波长为1m
C.PQ连线上有2个振动加强点
D.PQ连线上有3个振动减弱点
【答案】BC
【详解】AB.点到两波源的距离均为。设发出的波到达点的时刻为,则发出的波在时到达点。波到达后到波到达前,点的振动相位由增至,位移始终为正,尚未回到平衡位置。两列波的周期均为
第二列波比第一列波晚起振,相位落后。波到达点后,设第一列波在点的相位为、每列波的振幅为,则点的合位移为
波刚到达时,此后第一次合位移为零时,故从到第一次回到平衡位置的时间为
由题意得,由匀速传播得,由波长、频率和波速的关系
整理得
上述结果表明点在时起振,且波长为,故A错误,B正确。
CD.在线段上任取一点,记,
波程差为
由于,,共线,从移到时,的增加量等于移动的距离,而由三角形两边之差小于第三边,的增加量小于移动的距离,所以连续且严格增大。端点处分别有,
第二列波相对第一列波的相位差为
振动加强的条件为,故
其中为整数。在内,对应的波程差为,,加强点共有2个。振动减弱的条件为
故
在内,对应的波程差为,,减弱点共有2个;结合前述加强点计数,故C正确,D错误。
故选BC。
真题·实战演练
高频考点:振动图像与波形图、波的叠加
1.(2026·四川·高考真题)如图所示,空气中水平放置两端开口的圆柱形长管、管内有a、b、c三个位置,a、b距离为,c在b右侧。持续驱动活塞使其在a、b间做周期为的简谐运动,管内形成稳定机械波。声波在空气中的传播速度取,管足够长。则( )
A.管内机械波为横波
B.管内机械波的振幅为
C.管内机械波的波长为
D.每秒有10个完整的波经过位置c
【答案】D
【详解】A.根据题意可知,管内机械波振动方向与传播方向平行,则管内机械波为纵波,故A错误;
B.活塞在间做简谐运动,且间距离为,则管内机械波的振幅为,故B错误;
C.管内机械波的波长为,故C错误;
D.管内机械波的周期为,则每秒有个完整的波经过位置,故D正确;
故选D。
2.(2026·浙江·高考真题)一列波速为、沿轴正方向传播的简谐波,时刻的波形如图所示。A、B、C为传播方向上的三个质点,B、C所在的位置分别为和。则( )
A.波的频率为0.5 Hz
B.图示时刻,向轴正方向运动
C.当波从点传播到点,运动了1 m
D.的振动方程为
【答案】D
【详解】A.从波形图可得波长,根据波速公式得频率,故A错误;
B.波沿轴正方向传播,用上下坡法,质点A振动方向为轴负方向,故B错误;
C.波从B传到C的距离
传播时间
该波周期
因此
质点B仅在平衡位置附近振动,半个周期内运动的路程为,故C错误;
D.角频率,振幅;
图示时刻C点在平衡位置,波向右传播,可知此时C点向轴负方向振动,由于周期也为,故时的运动状态与图示时刻相同,则C的振动方程为,故D正确。
故选D。
3.(2026·湖南·高考真题)如图,均匀介质中有且仅有一个点波源产生简谐横波在xy平面内传播,A(4,3)、B(4,0)在xy平面内。某时刻,A处质点位于波峰,B处质点位于波谷。下列说法正确的是( )
A.若波源在(0,0)处,波长可能为1m B.若波源在(0,0)处,波长可能为2m
C.若波源在(0,3)处,波长可能为3m D.若波源在(0,3)处,波长可能为4m
【答案】B
【详解】已知某时刻A处质点位于波峰,B处质点位于波谷,因此A、B两点的波程差应满足半波长的奇数倍(n=0,1,2,…)
AB.若波源在(0,0),由坐标可推得A点到波源距离
B点到波源距离
波程差
代入得
解得
当时,(非整数)
当时,
故A错误,故B正确;
CD.若波源在(0,3),则A点到波源距离
B点到波源距离
波程差仍为,同样有
当时,,无整数解
当时,,无整数解
故CD错误。
故选B。
4.(2026·山东·高考真题)(多选)波源在时开始振动,产生一列沿轴正方向传播的简谐横波。时质点刚好开始振动,质点与的平衡位置相距。某时刻的波形如图所示,下列说法正确的是( )
A.波速为
B.波长为
C.从图示状态经过,M和速度相同
D.从图示状态经过,M和偏离平衡位置的位移相同
【答案】BD
【详解】B.根据题图有
可得波长,故B正确;
A.结合B项分析可知
所以该波的波速,故A错误;
C.从题图示状态经过,则波沿轴正方向传播了,故从平衡位置运动到了波峰位置,速度为0,N从波谷位置运动到了平衡位置,速度最大,显然两点速度不同,故C错误;
D.该波的周期
从图示时刻计时,的振动方程为
N的振动方程为
经后,,故D正确。
故选BD。
5.(2025·山东·高考真题)(多选)均匀介质中分别沿x轴负向和正向传播的甲、乙两列简谐横波,振幅均为,波速均为,M、N为介质中的质点。时刻的波形图如图所示,M、N的位移均为。下列说法正确的是( )
A.甲波的周期为 B.乙波的波长为
C.时,M向y轴正方向运动 D.时,N向y轴负方向运动
【答案】BD
【详解】A.根据题图可知甲波的波长
根据
可得
A错误;
B.设左边在平衡位置的质点与质点平衡位置的距离为,根据题图结合
又
可得,
B正确;
C.时即经过,结合同侧法可知M向y轴负方向运动,C错误;
D.同理根据
可得
根据同侧法可知时N向y轴负方向运动,时即经过时间,N仍向y轴负方向运动,D正确。
故选BD。
6.(2024·浙江·高考真题)(多选)在如图所示的直角坐标系中,平面为介质Ⅰ和Ⅱ的分界面(z轴垂直纸面向外)。在介质I中的(0,)处有一点波源,产生波长为、速度为v的波。波传到介质Ⅱ中,其速度为,图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰,与x轴和y轴分别交于R和S点,此时波源也恰好位于波峰。M为O、R连线的中点,入射波与反射波在O点相干加强,则( )
A.介质Ⅱ中波的频率为 B.S点的坐标为(0,)
C.入射波与反射波在M点相干减弱 D.折射角的正弦值
【答案】BD
【详解】A.波从一种介质到另一种介质,频率不变,故介质Ⅱ中波的频率为
故A错误;
B.在介质Ⅱ中波长为
由于图示时刻介质Ⅱ中仅有一个波峰,与x轴和y轴分别交于R和S点,故S点的坐标为(0,),故B正确;
C.入射波和反射波可等效为P和虚像发出的两列波,M是OR中点,坐标为 ,M到P和P'的距离相等,路程差 ;题目说明O点(路程差也为0)相干加强,因此M也相干加强,故C错误;
D.根据
则
解得
故D正确。
故选BD。
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