2020届高考物理总复习教科版课件：选修3-4 第2课时 机械波:64张PPT

课件64张PPT。第2课时　机械波基础回顾核心探究演练提升 基础回顾 自主梳理·融会贯通知识梳理一、机械波的产生和分类
1.机械波的形成条件
(1)有发生机械振动的 .介质波源(2)有传播所需的 ,如空气、水等.2.传播特点(2)在波动中,各个质点的振动周期和频率都与 振动周期和频率相同.
3.机械波的分类
(1)横波:介质中质点的振动方向和波的传播方向 的波,有 (凸部)
和 (凹部),如绳波.
(2)纵波:介质中质点的振动方向和波的传播方向 的波,有 和 ,如弹簧波、声波.形式迁移波源垂直波峰波谷平行密部(1)机械波传播的只是振动的 、能量和信息,质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波 .疏部二、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 .平衡位置位移2.物理意义:表示在波的传播方向上,某时刻各质点离开 的位移.平衡位置3.图像应用:
(1)直接读取 和 ,以及该时刻各质点的位移.振幅A波长λ(2)确定某时刻各质点加速度和速度的 ,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 .方向振动方向传播方向三、波速、波长和频率(周期)的关系
1.波长λ:沿波的传播方向,任意两个 的同相振动的质点之间的距离,是 两个波峰(波谷)之间的距离.相邻2.波速v:波在介质中的传播速度,机械波的波速仅由 本身的性质决定.
3.频率f:由波源决定,等于 的振动频率,与介质种类 .相邻介质4.波长、波速和频率(周期)的关系
(1)v= ;(2)v= .振源无关λf四、波的干涉、衍射和多普勒效应
1.波的干涉和衍射相同容易干涉图样绕到障碍物(2)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波源与观察者如果相对静止,观察者接收到的频率 波源的频率.
(3)实质:波源频率 ,观察者接收到的频率 .频率频率增大2.多普勒效应
(1)定义:当波源与观察者之间有相对运动时,观察者测得的 与波源频率不同的现象.频率减小等于不变变化自主检测1.思考判断
(1)在机械波传播过程中,介质中的质点随波的传播而迁移.(　　)
(2)机械波在传播过程中,各个质点振动的周期、频率都相同.(　　)
(3)衍射不需要条件,只有明显衍射才有条件.(　　)
(4)在波的干涉中,加强点只是振幅增大,并非任一时刻位移都大.(　　)
(5)多普勒效应说明波源的频率发生变化.(　　)答案: (1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×2.(2018·福建莆田考前模拟)(多选)如图所示,a,b,c,…,k为连续的弹性介质中间隔相等的若干质点,e点为波源,t=0时刻从平衡位置开始向上做简谐运动,振幅为4 cm,周期为0.2 s,在波的传播方向上,后一质点比前一质点迟0.05 s开始振动.在t=0.35 s时,x轴上距e点6 m的某质点第一次到达最高点,则(　 　)
A.该机械波的波长为4 m
B.该机械波在弹性介质中的传播速度为10 m/s
C.图中相邻质点间距离为1 m
D.当c点在平衡位置向上振动时,d点位于波谷
E.当b点经过的路程为12 cm时,g点经过的路程为16 cmACE　3.(2018·贵州遵义航天中学模拟)(多选)如图所示,图(甲)为某一列简谐横波在t=0.5 s时的波形,图(乙)为介质中P处质点的振动图像,则关于该波的说法正确的是(　 　)
A.传播方向沿x轴正方向传播
B.波速为16 m/s
C.P处质点振动频率为1 Hz
D.P处质点在5 s内的路程为10 m
E.P处质点在5 s内的位移为0.5 mACD 核心探究 分类探究·各个击破考点一　机械波的形成与传播机械波的传播特点
(1)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.
(2)介质中每个质点都做受迫振动,因此,任一质点的振动频率和周期都和波源的振动频率和周期相同.
(3)波从一种介质进入另一种介质,由于介质的情况不同,它的波长和波速可能改变,但频率和周期都不会改变.
(4)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v= =λf.【典例1】 (2016·全国Ⅲ卷,34)(多选)由波源S形成的简谐横波在均匀介质中向左、右传播.波源振动的频率为20 Hz,波速为16 m/s.已知介质中P,Q两质点位于波源S的两侧,且P,Q和S的平衡位置在一条直线上,P,Q的平衡位置到S的平衡位置之间的距离分别为15.8 m、14.6 m,P,Q开始振动后,下列判断正确的是(　 　)
A.P,Q两质点运动的方向始终相同
B.P,Q两质点运动的方向始终相反
C.当S恰好通过平衡位置时,P,Q两点也正好通过平衡位置
D.当S恰好通过平衡位置向上运动时,P在波峰
E.当S恰好通过平衡位置向下运动时,Q在波峰BDE方法总结 波的传播方向与质点振动方向的互判方法1.[机械波的产生与传播](2016·全国Ⅰ卷,34)(多选)某同学漂浮在海面上,虽然水面波正平稳地以1.8 m/s的速率向着海滩传播,但他并不向海滩靠近.该同学发现从第1个波峰到第10个波峰通过身下的时间间隔为15 s.下列说法正确的是(　 　)
A.水面波是一种机械波
B.该水面波的频率为6 Hz
C.该水面波的波长为3 m
D.水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时能量不会传递出去
E.水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时振动的质点并不随波迁移多维训练ACE2.[波速公式的应用](2015·四川卷,2)平静湖面传播着一列水面波(横波),在波的传播方向上有相距3 m的甲、乙两小木块随波上下运动,测得两小木块每分钟都上下30次,甲在波谷时,乙在波峰,且两木块之间有一个波峰.这列水面波(　 　)
A.频率是30 Hz B.波长是3 m
C.波速是1 m/s D.周期是0.1 sC 考点二　振动图像与波动图像的综合应用1.波动图像的特点
(1)质点振动nT(波传播nλ)时,波形不变.(3)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.2.振动图像与波动图像的比较【典例2】 (2015·天津卷,3)图(甲)为一列简谐横波在某一时刻的波形图,a,b两质点的横坐标分别为xa=2 m和xb=6 m,图(乙)为质点b从该时刻开始计时的振动图像.下列说法正确的是(　 　)
A.该波沿+x方向传播,波速为1 m/s
B.质点a经4 s振动的路程为4 m
C.此时刻质点a的速度沿+y方向
D.质点a在t=2 s时速度为零D?核心点拨? (1)由振动图像确定t=0时刻质点b的振动方向,再由质点b振动方向与波传播方向的互判方法即可确定波的传播方向.
(2)质点a与质点b相距半个波长,振动方向始终相反.
解析:t=0时,b质点向+y方向运动,根据“下坡上”可判定波沿-x方向传播, A错误;a总是与b的振动方向相反,t=0时,a向-y方向运动,C错误;经过4 s, a回到平衡位置,路程为1 m,B错误;t=2 s时,a处于波谷,速度为零,D正确.反思总结 “一分、一看、二找”巧解波的图像与振动图像综合问题1.[已知振动图像确定波动图像]在均匀介质中,一列沿x轴正向传播的横波,其波源O在第一个周期内的振动图像如图所示,则该波在第一个周期末的波形图是(　 　)D多维训练解析:根据题图,t=0时刻,波源经平衡位置向下运动,而波形图中,质点的起振方向均与波源开始振动时的方向相同,根据波的传播过程中,“上坡下,下坡上”规律可知,波形图中刚刚开始振动的质点处于“上坡”位置,A,C项错误;由振动图像知,前半个周期振幅较小,故波形图中距波源较远的质点的振幅较小,B项错误,D项正确.2. [已知波的图像确定振动和波动关系](2016·天津卷,7) (多选)在均匀介质中坐标原点O处有一波源做简谐运动,其表达式为y=5sin ( t),它在介质中形成的简谐横波沿x轴正方向传播,某时刻波刚好传播到x=12 m处,波形图像如图所示,则(　 　)
A.此后再经6 s该波传播到x=24 m处
B.M点在此后第3 s末的振动方向沿y轴正方向
C.波源开始振动时的运动方向沿y轴负方向
D.此后M点第一次到达y=-3 m处所需时间是2 sAB3.[两种图像的综合应用](多选)图(a)为一列简谐横波在t=2 s时的波形图,图(b)为媒质中平衡位置在x=1.5 m处的质点的振动图像,P是平衡位置为x=2 m的质点,下列说法正确的是(　 　)
A.波速为0.5 m/s
B.波的传播方向向右
C.0～2 s时间内,P运动的路程为8 cm
D.0～2 s时间内,P向y轴正方向运动
E.当t=7 s时,P恰好回到平衡位置ACE考点三　波的多解问题1.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:波传播的距离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.
(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.2.解决波的多解问题的思路
一般采用从特殊到一般的思维方法,即找出一个周期内满足条件的关系Δt或Δx,若此关系为时间,则t=nT+Δt(n=0,1,2…);若此关系为距离,则x= nλ+Δx(n=0,1,2,…).【典例3】 (2015·全国Ⅰ卷,34)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v=25 cm/s.两列波在t=0时的波形曲线如图所示.求:
(1)t=0时,介质中偏离平衡位置位移为16 cm的所有质点的x坐标;
(2)从t=0开始,介质中最早出现偏离平衡位置位移为-16 cm的质点的时间.解析:(1)t=0时,在x=50 cm处两列波的波峰相遇,该处质点偏离平衡位置的位移为16 cm.两列波的波峰相遇处的质点偏离平衡位置的位移均为16 cm.
从图线可以看出,甲、乙两列波的波长分别为
λ1=50 cm,λ2=60 cm ①
甲、乙两列波波峰的x坐标分别为
x1=50+k1λ1,k1=0,±1,±2,… ②
x2=50+k2λ2,k2=0,±1,±2,… ③
由①②③式得,介质中偏离平衡位置位移为16 cm的所有质点的x坐标为
x=(50+300n)cm,n=0,±1,±2,… ④答案:(1)x=(50+300n)cm　n=0,±1,±2,… (2)0.1 s 方法总结 求解波的多解问题的一般步骤
(1)根据初、末两时刻的波形图确定传播距离与波长的关系通式.
(2)根据题设条件判断是唯一解还是多解.1.[周期性造成的多解问题](多选)最近两年以来,地震在世界各地频频发生,让人感觉地球正处于很“活跃”的时期.地震波既有横波,也有纵波,若我国地震局截获了一列沿x轴正方向传播的地震横波,在t(图中实线)与t+0.4 s(图中虚线)两个时刻x轴上-3～ 3 km区间内的波形图如图所示,则下列说法正确的是(　 　)
A.该地震波的波长为3 km
B.质点振动的最大周期为0.8 s
C.该地震波最小波速为5 km/s
D.从t时刻开始计时,x=2 km处的质点比x=2.5 km处的质点先回到平衡位置
E.从t+0.4 s时刻开始计时,x=2 km处的质点比x=2.5 km 处的质点后回到平衡位置BCD多维训练2. [双向性造成的多解问题](2017·天津静海校级月考)一列简谐横波沿x轴传播,相距2.0 m的两个质点a和b的振动图像分别为图示中的实线和虚线,实线为a的振动图像,虚线为b的振动图像.求:
(1)这列波的波长和传播速度为多少?答案:见解析(2)若该波的波长λ>2.0 m,则该波的传播速度为多少?答案:见解析考点四　波的干涉、衍射和多普勒效应1.波的干涉现象中振动加强点、减弱点的两种判断方法
(1)公式法
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距离之差Δr.(2)图像法
在某时刻波的干涉的波形图上,波峰与波峰(或波谷与波谷)的交点,一定是加强点,而波峰与波谷的交点一定是减弱点,各加强点或减弱点各自连接而成以两波源为中心向外辐射的连线,形成加强线和减弱线,两种线互相间隔,加强点与减弱点之间各质点的振幅介于加强点与减弱点的振幅之间.
2.多普勒效应的成因分析
(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.
(2)当波源与观察者相互靠近时,观察者接收到的频率变大,当波源与观察者相互远离时,观察者接收到的频率变小.【典例4】 (2018·沈阳模拟)(多选)如图是水面上两列频率相同的波在某时刻的叠加情况,以波源S1,S2为圆心的两组同心圆弧分别表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线),S1的振幅A1=3 cm,S2的振幅A2=2 cm,则下列说法正确的是(　 　)
A.质点D是振动减弱点
B.质点A,D在该时刻的高度差为10 cm
C.再过半个周期,质点B,C是振动加强点
D.质点C的振幅为1 cm
E.质点C此刻以后将向下振动BDE解析:两个波源的振动步调一致,图中A,D到两个波源路程差为零,是振动加强点,而B,C是波峰与波谷相遇,是振动减弱点,故A错误;图示时刻,质点A的位移为+3 cm+2 cm=+5 cm,质点D的位移为-3 cm-2 cm=-5 cm,故质点A,D在该时刻的高度差为10 cm,B正确;振动的干涉图像是稳定的,A,D一直是振动加强点,而B,C一直是振动减弱点,C错误;质点C是振动减弱点,振幅为3 cm-2 cm=1 cm,故D正确;质点C是振动减弱点,此刻在上方最大位移处,故质点C此刻以后将向下振动,故E正确.反思总结 正确理解振动加强点和减弱点
(1)振动加强的点和振动减弱的点始终以振源的频率振动,其振幅不变.振动加强点并不是始终处于波峰,其位移随时间不断变化,只是振幅最大,等于两列波的振幅之和.
(2)振动减弱的质点并非一定不振动,只是振幅最小,等于两列波的振幅之差.1.[波的叠加](2017·山东青岛市二模)(多选)如图波源S1在绳的左端发出频率为f1,振幅为A1的半个波形a,同时另一个波源S2在绳的右端发出频率为f2、振幅为A2的半个波形b,(f1A.两列波将同时到达P点
B.a的波峰到达S2时,b的波峰也恰好到达S1
C.两列波在P点叠加时P点的位移最大可达A1+A2
D.两列波相遇时,绳上位移可达A1+A2的点只有一个,此点在P点的左侧
E.两波源起振方向相同ADE多维训练解析:两列波在同一介质中传播,波速相等,同时到达中点P,A正确;因波长不同,当a的波峰到达S2时,b的波峰已越过S1,B错误;由于a的波长大于b的波长,两列波在P点叠加时两列波的波峰不可能同时到达P点,所以P点的位移最大不可能达到A1+A2,C错误;两列波相遇时,两列波的波峰同时到达P点的左侧,叠加后位移达到最大值,所以两列波相遇时,绳上位移可达A1+A2的点只有一个,而且此点在P点的左侧,D正确;依据波的传播方向可知,波源的振动方向均向上,E正确.2.[多普勒效应](2017·湖北襄阳一模)(多选)下列选项与多普勒效应有关的是(　 　)
A.科学家用激光测量月球与地球间的距离
B.医生利用超声波探测病人血管中血液的流速
C.技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡
D.交通警察向车辆发射超声波并通过测量反射波的频率确定车辆行进的速度
E.科学家通过比较星球与地球上同种元素发出光的频率来计算星球远离地球的速度BDE解析:多普勒效应是利用发射波与接收波间的频率变化来判断相对运动的情况.科学家用激光测量月球与地球间的距离是利用光速快,并且光束集中,故A错误;医生利用超声波探测病人血管中血液的流速是利用超声波的多普勒效应,故B正确;技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡是利用穿透能力强,故C错误;交通警察向车辆发射超声波并通过测量反射波的频率确定车辆行进的速度是利用超声波的多普勒效应,故D正确;科学家通过比较星球与地球上同种元素发出光的频率来计算星球远离地球的速度,是利用光的多普勒效应,故E正确.3. [波的干涉、衍射](2017·内蒙古包头一模)(多选)图(甲)为某一简谐波在t=1.0 s时刻的图像,图(乙)为图(甲)中C点的振动图像.则下列说法正确的是(　 　)
A.波速v=4 m/s
B.图(甲)中B点的运动方向向右
C.该波沿x轴负方向传播
D.要使该波能够发生明显的衍射,则障碍物的尺寸应远大于4 m
E.若该波能与另一列波发生稳定的干涉,则另一列波的频率为1 HzACE 演练提升 真题体验·强化提升1.[波的传播与振动](2017·全国Ⅲ卷,34)如图,一列简谐横波沿x轴正方向传播,实线为t=0时的波形图,虚线为t=0.5 s时的波形图.已知该简谐波的周期大于0.5 s.关于该简谐波,下列说法正确的是(　 　)
A.波长为2 m
B.波速为6 m/s
C.频率为1.5 Hz
D.t=1 s时,x=1 m处的质点处于波峰
E.t=2 s时,x=2 m处的质点经过平衡位置BCE2.[波的多解性](2016·四川卷,6)(多选)简谐横波在均匀介质中沿直线传播,P, Q是传播方向上相距10 m的两质点.波先传到P,当波传到Q开始计时,P,Q两质点的振动图像如图所示,则(　 　)
A.质点Q开始振动的方向沿y轴正方向
B.该波从P传到Q的时间可能为7 s
C.该波的传播速度可能为2 m/s
D.该波的波长可能为6 mAD3.[波的传播与干涉](2017·全国Ⅰ卷,34)如图(a),在xy平面内有两个沿z方向做简谐振动的点波源S1(0,4)和S2(0,-2).两波源的振动图线分别如图(b)和图(c)所示,两列波的波速均为1.00 m/s.两列波从波源传播到点A(8,-2)的路程差为　 　m,两列波引起的点B(4,1)处质点的振动相互　　 　　(填“加强”或“减弱”),点C(0,0.5)处质点的振动相互　　　 　(填“加强”或“减弱”).?解析:由几何关系可知AS1=10 m,AS2=8 m,所以路程差为2 m;同理可求BS1=BS2=0,为波长整数倍,由振动图像知两振源振动方向相反,故B点为振动减弱点,CS1-CS2=1 m,波长λ=vT=2 m,所以C点振动加强.答案:2　减弱　加强4.[波动图像与振动图像](2018·山东青州高考热身训练)简谐横波沿x轴传播,MN是x轴上两质点,如图(甲)是质点N的振动图像,图(乙)中实线是t=3 s时的波形,质点M位于x=8 m处,虚线是经过Δt后的波形(其中Δt>0),图中两波峰间距离Δx=7.0 m,求:(1)波速大小和方向;(2)时间Δt和从t=3 s时算起M点的位移第一次到达2.5 cm所需时间.答案: (2)6k+5.25(s)(k=0,1,2,3,…)　0.5 s