物理备课资料 十 机械振动与机械波 光学 选修3-4

专题十机械振动与机械波光学专题十机械振动与机械波光学( (选修选修3 34 4模块模块) )定位定位 五年考情分析五年考情分析2017年年2016年年2015年年2014年年2013年年卷卷T34(1)T34(1)振动图像振动图像, ,波的干涉波的干涉机械波的机械波的传播传播双缝干涉双缝干涉振动图振动图像与波像与波动图像动图像机械波的机械波的传播传播T34(2)T34(2)光的折射光的折射光的折射光的折射与全反射与全反射机械波的传机械波的传播与叠加播与叠加光的折光的折射与全射与全反射反射光的全反光的全反射射, ,光导光导纤维纤维卷卷T34(1)T34(1)双缝干涉双缝干涉电磁波电磁波光的折射、光的折射、色散、干涉色散、干涉振动图振动图像与波像与波动图像动图像简谐运动简谐运动T34(2)T34(2)光的折射光的折射机械波的机械波的传播传播机械波的机械波的传播传播光的折光的折射与全射与全反射反射光的折射光的折射与全反射与全反射卷卷T34(1)T34(1)机械波的传机械波的传播与图像播与图像机械波的机械波的传播传播T34(2)T34(2)光的折射与光的折射与全反射全反射光的折射光的折射专题专题定位定位本专题解决两大类问题本专题解决两大类问题: :一是机械振动和机械波一是机械振动和机械波; ;二是光和电磁波二是光和电磁波. .作为选考模块之一作为选考模块之一, ,高考试题中独立于其他模块而单独命题高考试题中独立于其他模块而单独命题. .命题方命题方式是由两个小题组合而成式是由两个小题组合而成. .常考知识点有常考知识点有: :波动图像波动图像; ;波长、波波长、波速和频率及其相互关系速和频率及其相互关系; ;光的折射、全反射及相应的几何关系光的折射、全反射及相应的几何关系; ;光的干涉、衍射及双缝干涉实验光的干涉、衍射及双缝干涉实验; ;简谐运动的规律及振动图像简谐运动的规律及振动图像; ;电磁波的有关性质电磁波的有关性质. .应考应考建议建议加强对基本概念和规律的理解加强对基本概念和规律的理解, ,抓住波的传播和图像、光的折射定抓住波的传播和图像、光的折射定律这两条主线律这两条主线, ,强化训练强化训练, ,提高对典型问题的分析能力提高对典型问题的分析能力整整 合合突突 破破实实 战战整合整合 网络要点重温网络要点重温【网络构建网络构建】 【要点重温要点重温】 1.1.振动和波振动和波(1)(1)振动的周期性、对称性振动的周期性、对称性:x=:x= . .(2)(2)波的产生和传播波的产生和传播:v=:v= .2.2.光的折射和全反射光的折射和全反射(1)(1)折射定律折射定律: :光从真空进入介质时光从真空进入介质时: =n.: =n.(2)(2)全反射条件全反射条件: :光从光密介质射入光疏介质光从光密介质射入光疏介质; ;入射角等于或大于临界角入射角等于或大于临界角C,sinC,sin C=C= . .Asin tAsin tsinsinirfT1n【要点重温要点重温】 3.3.波的干涉、衍射等现象波的干涉、衍射等现象(1)(1)干涉、衍射是波特有的现象干涉、衍射是波特有的现象. .干涉条件干涉条件: :频率相同、相位差恒定频率相同、相位差恒定, ,振动方向振动方向相同相同; ;明显衍射条件明显衍射条件: : . . . .缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多, ,或或者比波长更小者比波长更小(3)(3)光的干涉条纹特点光的干涉条纹特点: :明暗相间明暗相间, ,条纹间距条纹间距x=x= . .ld热点考向一振动和波动的综合应用热点考向一振动和波动的综合应用【核心提炼核心提炼】 1.1.简谐运动具有对称性和周期性简谐运动具有对称性和周期性位移位移x x、回复力、回复力F F、加速度、加速度a a、速度、速度v v都随时间按都随时间按“正弦正弦”或或“余弦余弦”规律变化规律变化, ,它它们的周期均相同们的周期均相同; ;振动质点来回通过相同的两点间所用时间相等振动质点来回通过相同的两点间所用时间相等; ;振动质点关振动质点关于平衡位置对称的两点于平衡位置对称的两点,x,F,a,v,x,F,a,v,动能动能E Ek k, ,势能势能E Ep p的大小均相等的大小均相等, ,其中其中F,aF,a与与x x方方向相反向相反,v,v与与x x的方向可能相同也可能相反的方向可能相同也可能相反. .突破突破 热点考向聚焦热点考向聚焦2.2.深刻理解波动中的质点振动深刻理解波动中的质点振动质点振动的周期质点振动的周期( (频率频率)=)=波源的周期波源的周期( (频率频率)=)=波的传播周期波的传播周期( (频率频率).).同一时刻同一时刻分别处于波峰和波谷的两个质点振动情况一定相反。分别处于波峰和波谷的两个质点振动情况一定相反。3.3.波的多解性波的多解性波的周期性、传播方向的双向性波的周期性、传播方向的双向性, ,波形的隐含性是造成波动问题多解的主要波形的隐含性是造成波动问题多解的主要因素因素. .4.4.“一分、一看、二找一分、一看、二找”巧解波动图像与振动图像的综合问题巧解波动图像与振动图像的综合问题(1)(1)分清振动图像与波动图像分清振动图像与波动图像. .只要看清横坐标即可只要看清横坐标即可, ,横坐标为横坐标为x x则为波动图像则为波动图像, ,横坐标为横坐标为t t则为振动图像则为振动图像. .(2)(2)看清横、纵坐标的单位看清横、纵坐标的单位, ,尤其要注意单位前的数量级尤其要注意单位前的数量级. .(3)(3)找准波动图像对应的时刻找准波动图像对应的时刻. .(4)(4)找准振动图像对应的质点找准振动图像对应的质点. .【典例典例1 1】 ( (20172017全国全国卷卷,34,34)()(多选多选) )如图如图, ,一列简谐横波沿一列简谐横波沿x x轴正方向传播轴正方向传播, ,实线为实线为t=0t=0时的波形图时的波形图, ,虚线为虚线为t=0.5 st=0.5 s时的波形图时的波形图. .已知该简谐波的周期大于已知该简谐波的周期大于0.5 s.0.5 s.关于该简谐波关于该简谐波, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.波长为波长为2 m2 mB.B.波速为波速为6 m/s6 m/sC.C.频率为频率为1.5 Hz1.5 HzD.t=1 sD.t=1 s时时,x=1 m,x=1 m处的质点处于波峰处的质点处于波峰E.t=2 sE.t=2 s时时,x=2 m,x=2 m处的质点经过平衡位置处的质点经过平衡位置BCEBCE【预测练习预测练习1 1】 ( (20172017河北衡水三模河北衡水三模)()(多选多选) )简谐横波在均匀介质中沿直线简谐横波在均匀介质中沿直线传播传播,P,Q,P,Q是传播方向上相距为是传播方向上相距为16 m16 m的两个质点的两个质点, ,波先传到波先传到P P点点, ,从波传到从波传到Q Q点开点开始计时始计时,P,Q,P,Q两质点的振动图像如图所示两质点的振动图像如图所示. .下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.质点质点P P开始振动的方向沿开始振动的方向沿y y轴正方向轴正方向B.B.该波从该波从P P传到传到Q Q的时间可能为的时间可能为10 s10 sC.C.该波的波长可能为该波的波长可能为16 m16 mD.D.该波的传播速度可能为该波的传播速度可能为1 m/s1 m/sABDABD热点考向二光的折射和全反射热点考向二光的折射和全反射 【核心提炼核心提炼】光的折射和全反射题型的分析思路光的折射和全反射题型的分析思路(1)(1)确定要研究的光线确定要研究的光线, ,有时需根据题意有时需根据题意, ,分析、寻找临界光线、边界光线为分析、寻找临界光线、边界光线为研究对象研究对象. .(2)(2)找入射点找入射点, ,确认界面确认界面, ,并画出法线并画出法线. .(3)(3)明确两介质折射率的大小关系明确两介质折射率的大小关系. .若光疏若光疏光密光密: :定有反射、折射光线定有反射、折射光线. .若光密若光密光疏光疏: :如果入射角大于或等于临界角如果入射角大于或等于临界角, ,一定发生全反射一定发生全反射. .(4)(4)根据反射定律、折射定律列出关系式根据反射定律、折射定律列出关系式, ,结合几何关系结合几何关系, ,联立求解联立求解. .充分考充分考虑三角形、圆的特点虑三角形、圆的特点, ,运用几何图形中的角关系、三角函数、相似形、全等运用几何图形中的角关系、三角函数、相似形、全等形等形等, ,仔细分析光传播过程中产生的几何关系仔细分析光传播过程中产生的几何关系. .【典例典例2 2】 ( (20172017全国全国卷卷,34,34) )如图如图, ,一半径为一半径为R R的玻璃半球的玻璃半球,O,O点是半球的球点是半球的球心心, ,虚线虚线OOOO表示光轴表示光轴( (过球心过球心O O与半球底面垂直的直线与半球底面垂直的直线).).已知玻璃的折射率已知玻璃的折射率为为1.5.1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上现有一束平行光垂直入射到半球的底面上, ,有些光线能从球面射出有些光线能从球面射出( (不不考虑被半球的内表面反射后的光线考虑被半球的内表面反射后的光线).).求求: : (1)(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值; ;(2)(2)距光轴距光轴 的入射光线经球面折射后与光轴的交点到的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O O点的距离点的距离. .3R(1)(1)出射光线与出射光线与ABAB面的夹角面的夹角; ;答案答案: :( (1)451)45 (2)(2)光在棱镜中传播所用的时间光在棱镜中传播所用的时间( (光在真空中的速度为光在真空中的速度为c).c).热点考向三光的波动性热点考向三光的波动性【核心提炼核心提炼】1.1.光的色散光的色散(1)(1)在同一介质中在同一介质中, ,不同频率的光的折射率不同不同频率的光的折射率不同, ,频率越高频率越高, ,折射率越大折射率越大. .(2)(2)光的频率越高光的频率越高, ,在介质中的波速越小在介质中的波速越小, ,波长越小波长越小. .2.2.光的衍射和干涉光的衍射和干涉(1)(1)光的衍射是无条件的光的衍射是无条件的, ,但发生明显衍射现象是有条件的但发生明显衍射现象是有条件的. .(2)(2)两列光波发生稳定干涉现象时两列光波发生稳定干涉现象时, ,条纹间隔均匀条纹间隔均匀, ,亮度均匀亮度均匀, ,中央为亮条纹中央为亮条纹. .3.3.狭义相对论的重要结论狭义相对论的重要结论(1)(1)在任何惯性系中观察光速均为在任何惯性系中观察光速均为c.c.(2)(2)相对观测者运动的物体长度变短相对观测者运动的物体长度变短. .(3)(3)相对观测者运动的时钟变慢相对观测者运动的时钟变慢. .【典例典例3 3】 ( (20172017天津卷天津卷,2,2) ) 明代学者方以智在明代学者方以智在阳燧倒影阳燧倒影中记中记载载:“:“凡宝石面凸凡宝石面凸, ,则光成一条则光成一条, ,有数棱则必有一面五色有数棱则必有一面五色”, ,表明白光通过多表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象棱晶体折射会发生色散现象. .如图所示如图所示, ,一束复色光通过三棱镜后分解成两一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光束单色光a,b,a,b,下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.若增大入射角若增大入射角i,i,则则b b光先消失光先消失B.B.在该三棱镜中在该三棱镜中a a光波长小于光波长小于b b光光C.aC.a光能发生偏振现象光能发生偏振现象,b,b光不能发生光不能发生D.D.若若a,ba,b光分别照射同一光电管都能发生光电效应光分别照射同一光电管都能发生光电效应, ,则则a a光的遏止电压低光的遏止电压低D D【预测练习预测练习3 3】 ( (20172017山西大学附中二模山西大学附中二模)()(多选多选) )如图所示如图所示, ,一束由两种色光一束由两种色光混合的复色光沿混合的复色光沿POPO方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面方向射向一上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面, ,得到得到三束光线三束光线,若平面镜的上下表面足够宽若平面镜的上下表面足够宽, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( ( ) )A.A.光束光束仍为复色光仍为复色光, ,光束光束,为单色光为单色光B.B.玻璃对光束玻璃对光束的折射率大于对光束的折射率大于对光束的折射率的折射率C.C.改变改变角角, ,光线光线,仍保持平行仍保持平行D.D.通过相同的双缝干涉装置通过相同的双缝干涉装置, ,光束光束产生的条纹宽度大于光束产生的条纹宽度大于光束的的E.E.在真空中在真空中, ,光束光束的速度等于光束的速度等于光束的速度的速度ACEACE解析解析: :光束光束为在玻璃平面镜上表面的反射光为在玻璃平面镜上表面的反射光, ,光束光束,为先在玻璃上为先在玻璃上表面折射表面折射, ,再在下表面反射再在下表面反射, ,然后再在上表面折射出去的光线然后再在上表面折射出去的光线,A,A正确正确; ;玻玻璃对光束璃对光束的折射率大于玻璃对光束的折射率大于玻璃对光束的折射率的折射率,B,B错误错误; ;改变改变角角, ,光束光束,仍保持平行仍保持平行,C,C正确正确; ;光束光束的波长短的波长短, ,因而形成的干涉条纹窄因而形成的干涉条纹窄,D,D错误错误; ;在真空中在真空中, ,单色光的速度均为光速单色光的速度均为光速c,Ec,E正确正确. .实战实战 高考真题演练高考真题演练1.(1.(20172017全国全国卷卷,34,34)(1)(1)如图如图(a),(a),在在xyxy平面内有两个沿平面内有两个沿z z方向做简谐振动方向做简谐振动的点波源的点波源S S1 1(0,4)(0,4)和和S S2 2(0,-2).(0,-2).两波源的振动图线分别如图两波源的振动图线分别如图(b)(b)和图和图(c)(c)所示所示, ,两列波的波速均为两列波的波速均为1.00 m/s.1.00 m/s.两列波从波源传播到点两列波从波源传播到点A(8,-2)A(8,-2)的路程差为的路程差为m,m,两列波引起的点两列波引起的点B(4,1)B(4,1)处质点的振动相互处质点的振动相互( (填填“加强加强”或或“减弱减弱”),),点点C(0,0.5)C(0,0.5)处质点的振动相互处质点的振动相互 ( (填填“加强加强”或或“减弱减弱”).).解析解析: :(1)(1)由几何关系可知由几何关系可知ASAS1 1=10 m,AS=10 m,AS2 2=8 m,=8 m,所以路程差为所以路程差为2 m;2 m;同理可同理可求求BSBS1 1=BS=BS2 2=0,=0,为波长整数倍为波长整数倍, ,由振动图像知两振源振动方向相反由振动图像知两振源振动方向相反, ,故故B B点点为振动减弱点为振动减弱点,CS,CS1 1-CS-CS2 2=1 m,=1 m,波长波长=vT=2 m,=vT=2 m,所以所以C C点振动加强点振动加强. .答案答案: :(1)2(1)2减弱加强减弱加强(2)(2)如图如图, ,一玻璃工件的上半部是半径为一玻璃工件的上半部是半径为R R的半球体的半球体,O,O点为球心点为球心; ;下半部是下半部是半径为半径为R R、高为、高为2R2R的圆柱体的圆柱体, ,圆柱体底面镀有反射膜圆柱体底面镀有反射膜. .有一平行于中心轴有一平行于中心轴OCOC的光线从半球面射入的光线从半球面射入, ,该光线与该光线与OCOC之间的距离为之间的距离为0.6R.0.6R.已知最后从半球面已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行射出的光线恰好与入射光线平行( (不考虑多次反射不考虑多次反射).).求该玻璃的折射率求该玻璃的折射率. .答案答案: :(2)1.43(2)1.432.(2.(20172017全国全国卷卷,34,34)(1)(1)在双缝干涉实验中在双缝干涉实验中, ,用绿色激光照射在双缝上用绿色激光照射在双缝上, ,在缝在缝后的屏幕上显示出干涉图样后的屏幕上显示出干涉图样. .若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距, ,可选可选用的方法是用的方法是( (填正确答案标号填正确答案标号).). A.A.改用红色激光改用红色激光B.B.改用蓝色激光改用蓝色激光C.C.减小双缝间距减小双缝间距D.D.将屏幕向远离双缝的位置移动将屏幕向远离双缝的位置移动E.E.将光源向远离双缝的位置移动将光源向远离双缝的位置移动答案答案: :(1)ACD(1)ACD(2)(2)一直桶状容器的高为一直桶状容器的高为2l,2l,底面是边长为底面是边长为l l的正方形的正方形; ;容器内装满某种透明液容器内装满某种透明液体体, ,过容器中心轴过容器中心轴DDDD、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示. .容器右侧内壁容器右侧内壁涂有反光材料涂有反光材料, ,其他内壁涂有吸光材料其他内壁涂有吸光材料. .在剖面的左下角处有一点光源在剖面的左下角处有一点光源, ,已知由已知由液体上表面的液体上表面的D D点射出的两束光线相互垂直点射出的两束光线相互垂直, ,求该液体的折射率求该液体的折射率. .答案答案: :(2)1.55(2)1.553.(3.(20172017海南卷海南卷,16,16) (1) (1)如图如图, ,空气中有两块材质不同、上下表面平行的透明空气中有两块材质不同、上下表面平行的透明玻璃板平行放置玻璃板平行放置; ;一细光束从空气中以某一角度一细光束从空气中以某一角度(090(090) )入射到第一块入射到第一块玻璃板的上表面玻璃板的上表面. .下列说法正确的是下列说法正确的是( () )A.A.在第一块玻璃板下表面一定有出射光在第一块玻璃板下表面一定有出射光B.B.在第二块玻璃板下表面一定没有出射光在第二块玻璃板下表面一定没有出射光C.C.第二块玻璃板下表面的出射光方向一定与入射光方向平行第二块玻璃板下表面的出射光方向一定与入射光方向平行D.D.第二块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的左侧第二块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的左侧E.E.第一块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的右侧第一块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的右侧解析解析: :光线从第一块玻璃板的上表面射入光线从第一块玻璃板的上表面射入, ,在第一块玻璃板中上表面的折射在第一块玻璃板中上表面的折射角和下表面的入射角相等角和下表面的入射角相等, ,根据光的可逆性原理可知根据光的可逆性原理可知, ,光在第一块玻璃板下光在第一块玻璃板下表面一定有出射光表面一定有出射光, ,同理同理, ,在第二个玻璃板下表面也一定有出射光在第二个玻璃板下表面也一定有出射光, ,故故A A正正确确,B,B错误错误. .因为光在玻璃板中的上表面的折射角和下表面的入射角相等因为光在玻璃板中的上表面的折射角和下表面的入射角相等, ,根根据光的可逆性原理知据光的可逆性原理知, ,从下表面出射光的折射角和开始在上表面的入射角从下表面出射光的折射角和开始在上表面的入射角相等相等, ,即两光线平行即两光线平行, ,所以第二块玻璃板下表面的出射光方向一定与入射光所以第二块玻璃板下表面的出射光方向一定与入射光方向平行方向平行, ,故故C C正确正确. .根据光线在玻璃板中发生偏折根据光线在玻璃板中发生偏折, ,由于折射角小于入射角由于折射角小于入射角, ,可知第二块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的左侧可知第二块玻璃板下表面的出射光一定在入射光延长线的左侧, ,故故D D正确正确,E,E错误错误. .(2)(2)从两个波源发出的两列振幅相同、频率均为从两个波源发出的两列振幅相同、频率均为5 Hz5 Hz的简谐横波的简谐横波, ,分别沿分别沿x x轴正、轴正、负方向传播负方向传播, ,在某一时刻到达在某一时刻到达A,BA,B点点, ,如图中实线、虚线所示如图中实线、虚线所示. .两列波的波速均两列波的波速均为为10 m/s.10 m/s.求求: :质点质点P,OP,O开始振动的时刻之差开始振动的时刻之差; ;再经过半个周期后再经过半个周期后, ,两列波在两列波在x=1 mx=1 m和和x=5 mx=5 m之间引起的合振动振幅极大和极之间引起的合振动振幅极大和极小的质点的小的质点的x x坐标坐标. .该波的波长为该波的波长为=vT=10=vT=100.2 m=2 m,0.2 m=2 m,根据波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇时振动加强根据波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇时振动加强, ,当波峰与波谷相遇当波峰与波谷相遇时振动减弱时振动减弱, ,可知可知, ,两列波在两列波在x=1 mx=1 m和和x=5 mx=5 m之间引起的合振动振幅极大的之间引起的合振动振幅极大的质点的质点的x x坐标为坐标为1 m,2 m,3 m,4 m,5 m.1 m,2 m,3 m,4 m,5 m.合振动振幅极小的质点的合振动振幅极小的质点的x x坐标为坐标为1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m.1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m.答案答案: :(2)(2)0.05 s0.05 s1 m,2 m,3 m,4 m,5 m1 m,2 m,3 m,4 m,5 m1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m