高考物理二轮复习力与运动专题五机械振动和机械波课件（68页PPT）

(共68张PPT)
专题五　机械振动和机械波
[专题复习定位]
1．理解机械振动的特点和规律、机械波的传播和特点。　2.能根据振动和波动图像分析质点的振动和波动特点。
高考真题再现
命题点1　机械振动
1．(2025·安徽卷，T6)在竖直平面内，质点M绕定点O沿逆时针方向做匀速圆周运动，质点N沿竖直方向做直线运动，M、N在运动过程中始终处于同一高度。t＝0时，M、N与O点位于同一直线上，如图所示。此后在M运动一周的过程中，N运动的速度v随时间t变化的图像可能是(　 　)
√
√
√
解析：释放小球b后，当小球b向上运动挤压弹簧时，若弹簧的弹力大于小球a的重力，小球a会向上运动，A正确；
小球b做简谐运动时的振幅A＝l，B错误。
√
命题点2　机械波的形成和传播
4．(多选)(2025·河南卷，T8)贾湖骨笛是河南博物院镇馆之宝之一，被誉为“中华第一笛”。其中一支骨笛可以发出A5、B5、C6、D6、E6等音。已知A5音和D6音所对应的频率分别为880 Hz和1 175 Hz，则(　 　)
A．在空气中传播时，A5音的波长大于D6音的
B．在空气中传播时，A5音的波速小于D6音的
C．由空气进入水中，A5音和D6音的频率都变大
D．由空气进入水中，A5音的波长改变量大于D6音的
√
√
波的频率由波源决定，波从一种介质传播到另一种介质时，频率不变，C错误；
波从空气进入水中，速度变化量相同，A5音频率小于D6音频率，故A5音的波长变化量大于D6音的，D正确。
5．(2025·云南卷，T7)如图所示，均匀介质中矩形区域内有一位置未知的波源。t＝0时刻，波源开始振动产生简谐横波，并以相同波速分别向左、右两侧传播，P、Q分别为矩形区域左右两边界上振动质点的平衡位置。t＝1.5 s和t＝2.5 s时矩形区域外波形分别如图中实线和虚线所示，则(　 　)
A．波速为2.5 m/s
B．波源的平衡位置距离P点1.5 m
C．t＝1.0 s时，波源处于平衡位置且向下运动
D．t＝5.5 s时，平衡位置在P、Q处的两质点位移相同
√
从t＝0到t＝2.5 s的时间内波向前传播的距离x＝2 m/s×2.5 s＝5 m，则波源的平衡位置距离P点1 m，B错误；
由波的图像可知，波源的起振方向向下，1.0 s为半个周期，则t＝1.0 s时波源处于平衡位置且向上运动，C错误；
1.5 s时间内波向前传播的距离x′＝2 m/s×1.5 s＝3 m，而Q点到波源的平衡位置距离为3 m，所以t＝1.5 s时波传播至Q点，由波的周期性可知t＝5.5 s时P、Q间的波形与t＝1.5 s时的波形相同，Q处质点在平衡位置向下振动，P处质点在平衡位置向上振动，即t＝5.5 s时，平衡位置在P、Q处的两质点位移相同，均为0，D正确。
6．(2024·湖南卷，T2)如图，健身者在公园以每分钟60次的频率上下抖动长绳的一端，长绳自右向左呈现波浪状起伏，可近似为单向传播的简谐横波。长绳上A、B两点平衡位置相距6 m，t0时刻A点位于波谷，B点位于波峰，两者之间还有一个波谷。下列说法正确的是(　 　)
A．波长为3 m
B．波速为12 m/s
C．t0＋0.25 s时刻，B点速度为0
D．t0＋0.50 s时刻，A点速度为0
√
命题点3　振动图像和波形图
7．(2024·广东卷，T3)一列简谐横波沿x轴正方向传播，波速为1 m/s，t＝0时的波形如图所示。t＝1 s时，x＝1.5 m处的质点相对平衡位置的位移为(　 　)
A.0 B．0.1 m
C．－0.1 m D．0.2 m
√
8．(多选)(2025·陕晋青宁卷，T8)一列简谐横波在介质中沿直线传播，其波长大于1 m，a、b为介质中平衡位置相距2 m的两质点，其振动图像如图所示，则t＝0时的波形图可能为(　 　)
√
√
命题点4　机械波的干涉、衍射和多普勒效应
9．(2023·广东卷，T4)渔船常用回声探测器发射的声波探测水下鱼群与障碍物。声波在水中传播速度为1 500 m/s，若探测器发出频率为1.5×106 Hz的声波，下列说法正确的是(　 　)
A．两列声波相遇时一定会发生干涉
B．声波由水中传播到空气中，波长会改变
C.该声波遇到尺寸约为1 m的被探测物时会发生明显衍射
D．探测器接收到的回声频率与被探测物相对探测器运动的速度无关
√
解析：根据多普勒效应可知，探测器接收到的回声频率与被探测物相对探测器运动的速度有关，而两列声波发生干涉的条件是频率相等，所以两列声波相遇时不一定发生干涉，故A、D错误；
声波由水中传播到空气中时，声波的波速发生变化，所以波长会发生改变，故B正确；
10．(2025·黑吉辽蒙卷，T5)平衡位置在同一水平面上的两个振动完全相同的点波源，在均匀介质中产生两列波。若波峰用实线表示，波谷用虚线表示，P点位于其最大正位移处，曲线ab上的所有点均为振动减弱点，则下列图中可能满足以上描述的是(　 　)
√
解析：波峰与波峰相遇时质点处于最大正位移处，故P点应为波峰与波峰相遇，B、D错误；
根据波的传播和干涉规律可知，选项A中曲线ab上存在振动加强点，C正确，A错误。
11．(2025·广东卷，T1)关于受迫振动和多普勒效应，下列说法正确的是(　 　)
A．系统的固有频率与驱动力频率有关
B．只要驱动力足够大，共振就能发生
C．应用多普勒效应可以测量车辆的速度
D．观察者与波源相互远离时，接收到的波的频率比波源的频率大
√
解析：系统的固有频率是指振动系统不受外力作用时振动的频率，驱动力频率是指施加在系统上的周期性外力的频率，两者无关，故A错误；
共振能否发生取决于驱动力的频率是否等于系统的固有频率，与驱动力的大小无关，故B错误；
多普勒效应是指波源与观察者相互靠近或者相互远离时，接收到的波的频率发生变化的现象，在生活中可以用来测量车辆的速度，故C正确；
观察者与波源相互远离时，观察者接收到的波的频率比波源的频率小，故D错误。
题型分类讲练
题型一　机械振动
1．简谐运动的规律
规律 x＝A sin (ωt＋φ)
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 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
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
考向1　简谐运动的规律
　(多选)如图甲所示，把小球安装在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小球和弹簧穿在光滑的水平杆上。小球振动时，沿垂直于振动方向以速度v匀速拉动纸带，纸带上可留下痕迹，a、b是纸带上的两点，如图乙所示。不计阻力，由此可判断(　 　)
A.t时间内小球的运动路程为vt
B.小球和弹簧组成的系统机械能守恒
C.小球通过a点时的速度大于通过b点的速度
D.如果小球以较小的振幅振动，那么周期也会变小
√
√
解析：vt是t时间内纸带运动的路程，并不是小球的运动路程，A错误；
小球振动过程只有弹簧的弹力做功，小球和弹簧组成的系统机械能守恒，B正确；
由题图乙可知小球通过a点时更衡位置，其速度大于通过b点的速度，C正确；
小球的运动为简谐运动，其振动周期与振幅无关，D错误。
　如图所示，学校门口水平路面上两减速带的间距为2 m，若某汽车匀速通过该减速带，其车身悬挂系统(由车身与轮胎间的弹簧及避震器组成)的固有频率为2 Hz，则下列说法正确的是(　 　)
A.汽车行驶的速度越大，颠簸得越厉害
B.汽车行驶的速度越小，颠簸得越厉害
C.当汽车以3 m/s的速度行驶时，颠簸得最厉害
D.当汽车以4 m/s的速度行驶时，颠簸得最厉害
√
解析：由于v＝xf＝4 m/s，因此当汽车以4 m/s的速度行驶时，通过减速带的频率与汽车的固有频率相同，发生共振，汽车颠簸得最厉害。
考向2　单摆及周期公式
　 某同学在探究单摆运动中，图甲是用力传感器对单摆运动过程进行测量的装置图，图乙是与力传感器连接的计算机屏幕所显示的Ft图像，根据图乙的信息可得(π2取10，重力加速度g取10 m/s2)(　 　)
A.摆球所受重力和摆线对摆球拉力的合力充当单摆的回复力
B.从t＝0时刻开始，摆球第一次摆到最低点的时刻为0.5 s
C.用米尺量得细线长度l，即摆长为l
D.由图乙可计算出单摆的长度为1.0 m
√
解析：单摆的回复力由摆球所受重力在垂直于摆线方向的分力充当，而摆球所受重力和摆线对摆球拉力的合力在径向上提供向心力，故A错误；
当小球运动到最低点时，线上的拉力达到最大，力传感器的示数最大，所以从0时刻开始，摆球第一次到最低点的时间为0.5 s，故B正确；
摆长为细线的长度与小球半径之和，故C错误；
题型二　机械波的形成和传播
1．机械波的形成和传播
形成条件 (1)波源；(2)传播介质，如空气、水等
传播特点 (1)机械波传播的只是振动的形式和能量，质点只在各自的平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移；
(2)介质中各质点振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同；
(3)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；
(4)一个周期内，波向前传播一个波长
2.机械波的分析方法
项目 方法解读 图像演示
“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
项目 方法解读 图像演示
“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
　用手上下抖动绳的一端，产生一列向右传播的横波。某时刻波形如图所示，其中a、b、c是绳上的三个质点，则(　 　)
A.a向上振动　　　　　 B．c向下振动
C.a速率最大 D．b速率最大
解析：由于波向右传播，根据前面质点的振动带动后面质点的振动，可知质点a、b向下振动，质点c向上振动，并且质点a恰好通过平衡位置，速率最大。
√
　(2025·广州市一模)某次地震时，震源同时产生P波(纵波)和S波(横波)，传播速率分别约为8 km/s和4 km/s，某监测点记录到P波比S波早到达120 s。假设震源的振动周期为1.25 s，地震波沿直线传播，则(　 　)
A.P波的频率为S波的一半
B.P波的波长为S波的一半
C.P波的波长约为5.0 km
D.震源距监测点约960 km
√
　(2025·广西卷，T13)某乐器发出频率为两倍关系的两个纯音(简谐声波)，其波形叠加后呈现一种周期性变化。图甲和图乙分别为同一时刻两列简谐声波单独沿x正方向传播的波形图，图中的坐标原点位于同一质点处，声速为340 m/s。
(1)从图中读出这两列波的波长。
解析：由题图甲可知4λ甲＝2.0 m，解得λ甲＝0.5 m，由题图乙可知2λ乙＝2.0 m，解得λ乙＝1.0 m。
答案：0.5 m　1.0 m　
(2)该时刻这两列波叠加，分别求x＝0和x＝0.375 m处的质点在该时刻偏离平衡位置的位移。
(3)求这两列波叠加后的周期。
题型三　波动和振动图像
项目 振动图像 波动图像
研究对象 一个振动质点 沿波传播方向的所有质点
研究内容 某一质点的位移随时间的变化规律 某时刻所有质点的空间分布规律
图像
项目 振动图像 波动图像
物理意义 表示同一质点在各时刻的位移 表示某时刻各质点的位移
图像信息 (1)质点振动周期；
(2)质点振幅；
(3)某一质点在各时刻的位移；
(4)各时刻速度、加速度的方向 (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的方向；
(4)传播方向、振动方向的互判
项目 振动图像 波动图像
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，波形沿传播方向平移
一个完整
曲线占横
坐标的距离 表示一个周期 表示一个波长
考向1　图像的理解和应用
　(2025·深圳市南山区期末统考)一列沿x轴传播的简谐横波，在t＝0时的波形如图甲所示，P、Q是波上的两个质点，此时质点P沿y轴负方向运动，图乙是波上某一质点的振动图像。下列说法正确的是(　 　)
A．该波沿x轴负方向传播
B．图乙可能为Q点的振动图像
C．t＝0.10 s时，质点Q加速度方向向下
D．该波的波速为40 m/s
√
解析：此时质点P沿y轴负方向运动，根据波形平移法可知，该波沿x轴正方向传播，可知t＝0时刻质点Q从平衡位置沿y轴正方向运动，则题图乙不可能为Q点的振动图像，故A、B错误；
由题图乙可知周期T＝0.20 s，结合题图甲可知，t＝0.10 s时，质点Q位于平衡位置，加速度为零，故C错误；
　(2025·肇庆市二模)一列简谐横波沿x轴传播，t＝0时刻的波形图如图中的实线所示，t＝0.5 s时刻的波形图如图中的虚线所示，前0.5 s时间内，平衡位置位于x＝4 m处的质点加速度方向未发生改变，下列说法正确的是(　 　)
A．波源振动的周期为1.5 s
B．该简谐横波沿x轴负方向传播
C.该简谐横波传播的速度大小为4 m/s
D．平衡位置位于x＝1.5 m处的质点在t＝0时的速度方向沿y轴正方向
√
平衡位置位于x＝1.5 m处的质点在t＝0时，根据同侧法知，速度方向沿y轴正方向，故D正确。
　一列简谐横波沿着x轴正方向传播，t＝0时刻波源从坐标原点处开始振动。图甲是波在t＝0.6 s时的部分波动图像，图乙是这列波上x＝1.4 m处的质点的振动图像(t＝0.7 s开始振动)。求：
(1)波的振动周期以及波源的振动方程；
答案：0.4 s　y＝－30sin 5πt(cm)　
(2)t＝1.5 s时间内，x＝0.6 m处的质点的路程。
答案：360 cm
考向2　波传播的多解问题
　 甲、乙两列简谐横波在同一介质中分别沿x轴正向和负向传播，波速均为2.5 cm/s，两列波在t＝0时的部分波形曲线如图所示。求：
(1)t＝0时，介质中偏离平衡位置位移为8 cm的所有质点的x坐标；
解析：根据两列波的振幅都为4 cm可知，偏离平衡位置位移为8 cm的质点即为两列波的波峰相遇。
根据波形图可知，甲、乙的波长分别为λ甲＝5 cm，λ乙＝6 cm，则甲、乙两列波的波峰坐标分别为
x1＝(5＋k1×5) cm(k1＝0，±1，±2，±3，…)
x2＝(5＋k2×6) cm(k2＝0，±1，±2，±3，…)
综上所述，所有波峰和波峰相遇的质点坐标
x＝(5＋30n) cm(n＝0，±1，±2，±3，…)。
答案：(5＋30n) cm(n＝0，±1，±2，±3，…)
(2)从t＝0开始，介质中最早出现偏离平衡位置位移为－8 cm的质点的时间。
答案：0.1 s
题型四　波的干涉和衍射　多普勒效应
　 两列简谐横波在同一介质中沿相反方向传播，某时刻两列波相遇，如图所示，图示时刻x＝9 m处的质点正在向下振动，若两列波的波速均为15 m/s，则下列说法正确的是(　 　)
A．实线波沿x轴正方向传播
B．实线波与虚线波的频率之比为2∶3
C．两列波在相遇区域能发生干涉现象
D．从图示时刻起再过0.3 s，平衡位置x＝9 m处的质点位于y＝15 cm处
√
解析：题图所示时刻x＝9 m处的质点正在向下振动，根据“上下坡”法可知，实线波应沿x轴负方向传播，虚线波应沿x轴正方向传播，故A错误；
由于两列波频率不相等，所以在相遇区域不能发生干涉现象，故C错误；
从题图所示时刻经过0.3 s，x＝9 m处的质点实线波处于波峰，虚线波处于平衡位置，根据叠加原理可知，质点位于y＝15 cm处，故D正确。
√
解析：根据干涉原理可知，降噪时，为了使得效果明显，反噪声波与噪声波的频率与振幅需要相等，不能够认为振幅越大，频率越大，降噪效果越明显，故A、B错误；
　机械波在深度不同的A、B两部分水中传播，某时刻的波形如图所示，图中明亮区域中间位置为波峰，A部分中波峰间距是B部分中波峰间距的2倍，已知B部分中波速为0.6 m/s，则该机械波(　 　)
A．在B部分中更容易发生衍射现象
B．在A部分中的波速为0.3 m/s
C.由A部分进入B部分频率变大
D．在两部分交界面发生了折射现象
√
解析：因A部分中波峰间距是B部分中波峰间距的2倍，可知波在A部分中的波长等于B部分的波长的2倍，即λA＝2λB，则该机械波在A部分中更容易发生衍射现象，A错误；
波在两部分中传播时周期和频率不变，则λA＝vAT，λB＝vBT，该机械波在A部分中的波速vA＝1.2 m/s，B、C错误；
波在两种介质中的传播速度不相等，则在两部分交界面发生了折射现象，D正确。