2020高考物理 专题6机械振动与机械波热点分析与预测

2020高考物理热点分析与预测专题6机械振动与机械波 一、2020大纲解读振动在介质中的传播形成波，本专题涉及的级要求有三个：弹簧振子、简谐运动、简谐运动的振幅、周期和频率、简谐运动的位移时间图象；单摆，在小振幅条件下单摆做简谱运动，周期公式；振动在介质中的传播波、横波和纵波、横波的图像、波长、频率和波速的关系。它们是高考考查的重点，其中振动与波动的结合问题是高考出题的一个重要方向，单摆的问题经常结合实际的情景进行考查，有时也综合题出现，但往往比较简单，以考查周期公式为主。涉及的I级要求有五个，其中共振，波的叠加、干涉、衍射等问题都曾在高考中出现，复习中不能忽视。只要振动的能量转化、多普勒效应在高考中出现次数的相对较少是考查的冷门。二、重点剖析1.机械振动这一部分概念较多，考点较多，对图象要求层次较高，因而高考试题对本部分内容考查的特点是试题容量较大，综合性较强，一道题往往要考查力学的多个概念或者多个规律。因此，在复习本专题时，要注意概念的理解和记忆、要注意机械振动与牛顿定律、动量守恒定律、机械能守恒定律的综合应用。要求掌握简谐运动的判断方法，知道简谐运动中各物理量的变化特点，知道简谐运动具有周期性，其运动周期由振动系统本身的性质决定，清楚简谐运动涉及到的物理量较多，且都与简谐运动物体相对平衡位置的位移x存在直接或间接关系，如果弄清了图6-1的关系，就很容易判断各物理量的变化情况。2.理解和掌握机械波的特点：（1）在简谐波传播方向上，每一个质点都以它自己的平衡位置为中心做简谐运动；后一质点的振动总是落后于它前一质点的振动。（2）波传播的只是运动形式（振动）和振动能量，介质并不随波的传播而迁移。（3）同一列波上所有质点的振动都具有相同的周期和频率。3理解波长是两个相邻的在振动过程中对平衡位置的位移总相等的质点间的距离。也是波在一个周期内向前传播的距离，波的周期决定于振源的周期，一列波上所有质点振动的周期都相等。4掌握衍射、干涉是波的特有现象。知道在两列波相遇叠加时遵从叠加原理，两列波叠加时不受波的频率限制；干涉是一种特殊的叠加，即在两波的频率相同时使某些振动加强点总加强振动减弱点总减弱的现象。5本专题难点有：（1）波速与质点的振动速度无关。波的传播速度是由介质的物理性质决定的，在同一种介质中波的传播速度不变；而波上各质点的运动是在自身平衡位置附近的振动，是变加速运动。（2）振动图象和波动图象的相同点和不同点。（3）波的多解问题往往是由波的传播方向的双向性、波长的多种可能性、周期的多种可能性而引起的，在个别问题中的多解可能是由多种因素造成的，在求解过程中要特别注意。三、考点透视考点1： 简谐振动的回复力与振幅例1、 光滑的水平面上盛放有质量分别为m 和m/2 的两木块，下方木块与一劲度系数为k的弹簧相连，弹簧的另一端固定在墙上，如图所示。已知两木块之间的最大静摩擦力为f，为使这两个木块组成的系统象一个整体一样地振动，系统的最大振幅为（ ）ABCD考点2：用单摆测重力加速度例2、在“用单摆测重力加速度”的实验中:（1）某同学的操作步骤为：a取一根细线，下端系住直径为d的金属小球，上端固定在铁架台上。b用米尺量得细线长度lc在摆线偏离竖直方向5位置释放小球。d用秒表记录小球完成n次全振动的总时间t，得到周期Tt/n。 e用公式计算重力加速度。按上述方法得出的重力加速度值与实际值相比（选填“偏大”、“相同”或“偏小”）。（2）已知单摆在任意摆角时的周期公式可近似为，式中T0为摆角趋近于0时的周期，a为常数。为了用图像法验证该关系式，需要测量的物理量有；若某同学在实验中得到了如图所示的图线，则图像中的横轴表示。3.由振动图象分析波动的问题例3、一列横波沿x轴传播，在x=0与x=1cm的两质点的振动图线分别如图6-7中实线与虚线所示由此可以得出（ ）A波长一定是4cmB波的周期一定是4sC波的振幅一定是2cmD波的传播速度一定是1cm/s解析：本题考查波的空间周期性和双向性，波的周期和振幅与质点振动的周期和振幅相同，由振动图象可知波的周期一定是4s，波的振幅一定是2cm，BC正确；根据两质点的振动图象和波传播的空间周期性和双向性知：x=解得：cm（n0,1,2），由得：v（2n+1）m/s（n0,1,2），故AD选项是错误，故正确答案BC。答案：BC点评：理解不同位置处振动图象之间的关系，弄清波的多解的性、周期性是解决本题的关键。4. 波动图线与振动图线相结合的物理量问题。例4、 一列沿着x 轴正方向传播的横波，在t=O时刻的波形如图甲所示。图2甲中某质点的振动图象如图乙所示。质点N的振幅是 m，振动周期为 s，图2乙表示质点 (从质点K、L、M、N中选填)的振动图象。该波的波速为 m/s。解析：由波动图线图2甲可直接读出振幅0.8m，波长m；由振动图线图2乙可直接读出振幅0.8m，周期s；由于波沿着x 轴正方向传播，在质点K、L、M、N中，开始时刻是从平衡位置向上振动的只有质点L；波速m/sm/s。答案：0.8，4，L，0.5反思：本题是一道很好考查考生双基的问题，属于容易题，做题时，只要细心，基本知识掌握牢固，从波动图线可直接读出振幅与波长，从振动图线可直接读出振幅与周期，然后利用波速，波长与周期(频率)之间的关系求出波速，就能得到正确答案。四、热点分析1.从质点的振动分析波的形成与传播例1、湖面上一点O上下振动，振幅为0.2m，以O点为圆心形成圆形水波，如图6-8所示，A、B、O三点在一条直线上，OA间距离为4.0m，OB间距离为2.4m。某时刻O点处在波峰位置，观察发现2s后此波峰传到A点，此时O点正通过平衡位置向下运动，OA间还有一个波峰。将水波近似为简谐波。（1）求此水波的传播速度、周期和波长。（2）以O点处在波峰位置为0时刻，某同学打算根据OB间距离与波长的关系，确定B点在0时刻的振动情况，画出B点的振动图像你认为该同学的思路是否可行？若可行，画出B点振动图像，若不可行，请给出正确思路并画出B点的振动图象。解析：（1）由波的传播知vx/t=2 m/s；由2s后O点处的波峰传到A点，此时O点正通过平衡位置向下运动，OA间还有一个波峰知OA间距离为1.25，即3.2m，所以T/v=1.6s（2）可行，OB间距离为2.4 m为0.75，波从O点向右传播，则B点振动状态落后O点0.75T，故O点处在波峰时，B点由平衡位置向下运动，周期也是1.6s， 振动图象如图6-9所示。反思：理解机械振动和波动的关系，熟练掌握波速、周期和波长是正确解答该题的基础。2.从质点的振动图象分析波动图象例2、一列简谐横波沿x轴负方向传播，波速为v=4m/s。已知坐标原点（x=0）处质点的振动图像如图6-10所示，在下列4幅图中能够正确表示t=0.15s时波形的图是（ ）解析：本题考查由一个质点的振动图象和波的传播方向分析不同时刻的波形图，由振动图象得到原点处的质点在t=0.15s时位于y正半轴且向下运动，由于波沿负x轴方向传播，所以此时刻靠近波源的右侧相邻质点在其下方，正确答案为A反思：物理图象能形象地表达物理规律、直观地描述物理过程、鲜明地表示物理量之间的相互关系，是分析解决物理问题的有效手段，是高考的热点，复习时要重视。3.由波的图像分析质点的振动情况例3 、一列简谐横波沿x轴传播，周期为T，t=0时刻的波形如图所示。此时平衡位置位于x=3m处的质点正在向上运动，若a、b两质点平衡位置的坐标分别为xa=2.5 m，xb =5.5 m，则（ ）A.当a质点处在波峰时，b质点恰在波谷B.t=T/4时，a质点正在向y轴负方向运动C.t=3T/4时，b质点正在向y轴负方向运动D.在某一时刻，a、b两质点的位移和速度可能相同五、能力突破1.单摆测重力加速度例1、近年来已有普通人乘坐宇宙飞船进入太空旅行，这标志着人类已经进入新的航天时代。假设我国组成高中学生航天兴趣小组，准备乘坐外星考查飞船前往x星球，其中的任务之一就是测量该星球表面的重力加速度g。他们准备的器材如下：A钩码（质量未知） B秒表 C弹簧秤 D毫米刻度尺E无弹性的细线 F带孔的金属球（直径d=2.4cm） G天平H支架 I电源（1）在精确度要求不太高时，比较简单的测量方法是利用器材 、和 （填字母），测出 由表达式g= 求出。（2）精确度要求较高时，可利用振动测量，器材可选用 。测量周期时，秒表记录了30次全震动的时间，示数如图6-12。则周期为T= 。若测得摆球上端至悬点的长度L=89.2cm，则重力加速度的大小g= 。解析：本题考查灵活测量重力加速度的方法，精确度不高时用重力公式可知：，精确度要求较高时用单摆周期公式可得：答案：（1）A、C、G，重力G及质量m，（2）B、D、E、F、H，1.9s，9.85m/s2（9.809.89都对）反思：本题目考查单摆测重力加速度实验，涉及单摆的问题与其他知识的结合，综合性较强。解题时要把握好该实验的原理。2. 波的形成和过程例2、在均匀介质中选取平衡位置在同一直线上的9个质点，相邻两质点的距离均为L，如图6-13所示，一列横波沿该直线向右传播，t=0时到达质点1，质点1开始向下运动，经过时间t第一次出现如图6-14所示的波形.则该波的（ ）A.周期为t，波长为8LB.周期为t，波长为8LC.周期为t，波速为12L/tD.周期为t，波速为8L/t解析：由图6-14可看出，该波波长=8L.质点9此时向上运动，这说明在t内，波传播的距离大于一个波长.因质点1开始振动的方向向下，故波传播到质点9时，其起振的方向应向下，而图6-14中质点9向上振动，这说明质点9已振动了，故t=T+，T=t.波速v=，由此可知选项BC正确。答案：BC反思：本题涉及了波在传播过程中各质点的位置变化以及波形的平移，了解波的形成原理和过程是解题的关键，本题体现了高考对基础知识的考查。3.波的多解性例3、如图6-15所示，实线是沿x轴传播的一列简谐横波在t = 0时刻的波形图，虚线是这列波在t = 0.2 s时刻的波形图已知波速是0.8 m/s ，则下列说法正确的是（ ）A这列波的波长是14B这列波的周期是0.125sC这列波可能是沿x轴正方向传播的Dt=0时，x=4处的质点速度沿y轴负方向解析：本题考查波的时间周期性和双向性，由波形图可知波长为12cm，A错误；由得T0.15s，B错误；波向左传播则x=（12n4）cm，波向右传播则x=（12n8）cm，又由x=vt得x=16cm，所以波向左传播，C错误；根据波向左传播则t=0时，x=4处的质点速度沿y轴负方向，D正确，本题正确答案为D。答案：D反思：掌握分析波的多解性问题的方法，注意波动的空间周期性、时间周期性和双向性等就可灵活解题。4. 波的叠加问题例4、有两列简谐横波a、b在同一媒质中沿x轴正方向传播，波速均为v2.5m/s。在t0时，两列波的波峰正好在x2.5m处重合，如图所示。（1）求两列波的周期Ta和Tb。（2）求t0时，两列波的波峰重合处的所有位置。（3）辨析题：分析并判断在t0时是否存在两列波的波谷重合处。某同学分析如下：既然两列波的波峰存在重合处，那么波谷与波谷重合处也一定存在。只要找到这两列波半波长的最小公倍数，即可得到波谷与波谷重合处的所有位置。你认为该同学的分析正确吗？若正确，求出这些点的位置。若不正确，指出错误处并通过计算说明理由。解析：（1）从图6中可以看出两列波的波长分别为a2.5m，b4.0m，因此它们的周期分别为：s=1s，s=1.6s（2）两列波的最小公倍数为S=20mt0时，两列波的波峰重合处的所有位置为m （，1，2）（3）该同学的分析不正确。要找两列波的波谷与波谷重合处，必须从波峰重合处出发，找到这两列波半波长的奇数倍恰好相等的位置。设距离x2.5m为L处两列波的波谷与波谷相遇，并设，式中m、n均为正整数只要找到相应的m、n即可将a2.5m，b4.0m代入并整理，得由于上式中m、n在整数范围内无解，所以不存在波谷与波谷重合处。反思：解答本题的关键是要找两列波的波峰与波峰重合处，从波峰重合处仔细观察出发，找到这两列波的波长的最小公倍数的位置，要找两列波的波谷与波谷重合处，必须从波峰重合处出发，找到这两列波半波长的奇数倍相等的位置。5.振动与波的图像的问题例5、一列沿着x轴正方向传播的横波，在t=O时刻的波形如图甲所示。图甲中某质点的振动图象如图乙所示质点N的振幅是 m，振动周期为 s，图乙表示质点 (从质点K、L、M、N中选填)的振动图象。该波的波速为 ms。解析：由甲图可知波长，由乙图可知振幅，周期，所以波速；因为波沿轴正方向传播，由甲图可以判断时刻L向上振动，N向下振动，K在正的最大位移处，M在负的最大位移处，由乙图可知时刻，质点向上振动，所以为L的振动图象；答案：0.8；4；L；0.5反思：本题考查了振动的振幅、周期以及波动的波速等基本概念，并且简单地考查了振动图象和波的图象。六、规律整合从近三年高考试题来看，振动和波的高考试题主要集中在振动、波动的图象上，波动和振动之间有着密切的联系。振动是波动的成因，波动是振动的传播，做简谐运动的物体，其振动图象和简谐波的波动图象都是正弦或余弦曲线。在某时刻的波动图象中，质点振动方向、波的传播方向和波形三者是密切相关的，知道其中的任意两者，就可求出第三者，即由波形、波的传播方向可确定质点的振动方向；由波形、质点的振动方向可确定波的传播方向，所以在复习阶段重点应帮助考生掌握波的传播方向跟波上质点振动方向的关系，掌握波的传播距离、质点的振动、波的图象随时间变化的关系，并通过波的图象分析波动问题和波上质点的振动问题。在分析问题时，要灵活应用。解题方法点拨：1.要注意波动问题的多解性，在波的传播过程中，每过一个周期，波的图象就会重复出现，波的周期性特征是波动问题多解的原因之一。2.判断质点振动方向与波的传播方向的关系可对比前一质点的运动情况，或根据沿波的传播方向，利用“上下坡法”、“风吹草动法”、“微平移法”、“带动法”等方法进行判断。七、高考预测机械振动和机械波是每年高考的必考内容，分值为6分，着重考查基础知识，复习时深度不宜过深。从近三年高考试题发展趋势来看，2020年高考中本专题可能会以下列题型出现：1选择题。它可能把波的图象、频率、波长、波速的关系，质点振动方向和波传播方向的关系，及单摆的周期、机械能守恒等知识有机整合成一道选择题。2实验题和填空题。可以考查“用单摆测重力加速度”、“回声测距离”等。3计算题。计算题中可能会求考查波速与周期、波长的关系、振动图象、波的图象等知识。