第二部分機(jī)械振動和機(jī)械波光學(xué)和電磁波熱學(xué)原子物理第10講機(jī)械振動和機(jī)械波、電磁振蕩和電磁波【網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建】【關(guān)鍵能力】簡諧運動質(zhì)點作為振源,在介質(zhì)中形成機(jī)械波,LC振蕩電路作為電磁波的波源.彈簧振子、單擺、LC振蕩電路作為常見波源,一定要掌握其運動學(xué)、動力學(xué)與能量變化特點;同時掌握這兩種波形成的本質(zhì)與傳播特點.通常以“圖像”作為載體,綜合考查考生對波的理解能力、推理能力和空間想象能力.其中,波的疊加和干涉是高頻考點,而振動方程雖然考頻較低,但近些年高考卷中偶有出現(xiàn),需要引起重視.題型1機(jī)械振動與機(jī)械波綜合機(jī)械振動綜合(1)研究簡諧運動時所說的位移的起點都必須在平衡位置處.“平衡位置”不等于“平衡狀態(tài)”,如單擺擺到最低點時,正處在平衡位置,但在指向懸點方向上的合力卻不等于零,所以并不處于平衡狀態(tài).(2)回復(fù)力是一種效果力,是振動物體在沿振動方向上所受的合力.(3)彈簧振子與單擺兩種簡諧運動滿足機(jī)械能守恒.(4)v和x、F、a之間的關(guān)系最復(fù)雜:當(dāng)v、a同向(即v、F同向,也就是v、x反向)時,v一定增大;當(dāng)v、a反向(即v、F反向,也就是v、x同向)時,v一定減小.(5)物體做受迫振動的頻率等于驅(qū)動力的頻率,與物體的固有頻率無關(guān);但受迫振動的振幅由驅(qū)動力頻率和物體的固有頻率共同決定,兩個頻率越接近,受迫振動的振幅越大.例1[2024·北京卷]圖甲為用手機(jī)和輕彈簧制作的一個振動裝置.手機(jī)加速度傳感器記錄了手機(jī)在豎直方向的振動情況,以向上為正方向,得到手機(jī)振動過程中加速度a隨時間t變化的曲線為正弦曲線,如圖乙所示.下列說法正確的是 ()A.t=0時,彈簧彈力為0B.t=0.2s時,手機(jī)位于平衡位置上方C.從t=0至t=0.2s,手機(jī)的動能增大D.a隨t變化的關(guān)系式為a=4sin(2.5πt)m/s2例2[2024·湖南長沙模擬]如圖所示是某水平彈簧振子做簡諧運動的x-t圖像,M、P、N是圖像上的3個點,分別對應(yīng)t1、t2、t3時刻.下列說法正確的是 ()A.該振子的周期是0.2s,振幅是8cmB.在t2時刻振子的速度方向就是圖像上P點的切線方向C.在t1到t2過程振子的速度先增大后減小D.在t2到t3過程振子的加速度逐漸減小【技法點撥】簡諧運動的圖像解讀需要抓住位移這一核心,根據(jù)位移來判斷速度、加速度、回復(fù)力、動能和勢能如何變化.本題中通過圖像讀出周期和振幅,根據(jù)x-t圖像得出速度的變化情況,由回復(fù)力與位移的關(guān)系得出回復(fù)力的變化情況,進(jìn)而得出加速度的變化情況.機(jī)械波綜合1.波的傳播問題(1)各質(zhì)點的起振方向與波源起振方向一致.(2)波的傳播速度v在同種均勻介質(zhì)中是不變的,與質(zhì)點振動的速度不能混為一談.(3)相距為Δx=nλ+λ2(n=0,1,2,…)的兩個點為反相點,振動情況始終相反2.波的多解問題由于波的周期性、波傳播方向的雙向性,波的傳播問題易出現(xiàn)多解現(xiàn)象.例3(多選)[2024·新課標(biāo)卷]位于坐標(biāo)原點O的波源在t=0時開始振動,振動圖像如圖所示,所形成的簡諧橫波沿x軸正方向傳播.平衡位置在x=3.5m處的質(zhì)點P開始振動時,波源恰好第2次處于波谷位置,則 ()A.波的周期是0.1sB.波的振幅是0.2mC.波的傳播速度是10m/sD.平衡位置在x=4.5m處的質(zhì)點Q開始振動時,質(zhì)點P處于波峰位置例4[2024·陜西西安模擬]簡諧橫波在均勻介質(zhì)中從a傳向b.t=0時刻開始計時,a、b兩點的振動圖像如圖所示,a與b間的距離為6m,該簡諧橫波的波速可能為 ()A.5m/s B.4m/sC.3m/s D.2m/s【遷移拓展】1.[2024·福建泉州模擬]棗園里有很多粗細(xì)不同、形狀不同的棗樹,在棗子成熟的季節(jié),某同學(xué)想搖動自家棗園中細(xì)高棗樹的樹干,把棗子搖下來,下列說法正確的是 ()A.搖動同一棵樹的頻率增大,樹干振動的幅度一定增大B.搖動同一棵樹的頻率增大,樹干振動的幅度一定減小C.用不同的頻率搖相同的樹干,樹干的振動頻率一定相同D.用相同的頻率搖不同的樹干,樹干的振動頻率一定相同2.[2024·甘肅卷]如圖為某單擺的振動圖像,重力加速度g取10m/s2,下列說法正確的是 ()A.擺長為1.6m,起始時刻速度最大B.擺長為2.5m,起始時刻速度為零C.擺長為1.6m,A、C點的速度相同D.擺長為2.5m,A、B點的速度相同3.[2024·山東青島模擬]遠(yuǎn)洋捕撈常常利用聲吶探測魚群的方位.漁船上聲吶發(fā)出一列超聲波,其在t=0時刻的波動圖像如圖甲,質(zhì)點P的振動圖像如圖乙.下列說法正確的是 ()A.該波沿x軸正方向傳播B.該波的傳播速度為340m/sC.該超聲波的頻率為5HzD.增大該超聲波頻率,振幅會明顯增大4.[2024·河南鄭州模擬]抖動繩子一端可以在繩子上形成一列簡諧橫波.圖甲為一列沿x軸傳播的簡諧橫波某時刻的波動圖像,此時振動恰好傳播到x1=5m的質(zhì)點A處,質(zhì)點A此后的振動圖像如圖乙所示.質(zhì)點B在x軸上位于x2=10m處,求:(1)這列波的傳播速度大小;(2)質(zhì)點A的振動方程表達(dá)式;(3)再經(jīng)過4s,質(zhì)點B運動的路程和位移.題型2波的疊加、干涉、衍射、多普勒效應(yīng)1.波的疊加在波的疊加中,質(zhì)點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和.2.波的干涉某質(zhì)點的振動是加強還是減弱,取決于該點到兩相干波源的距離之差Δr.①當(dāng)兩波源振動步調(diào)一致時,若Δr=nλ(n=0,1,2,…),則振動加強;若Δr=(2n+1)λ2(n=0,1,2,…),則振動減弱②當(dāng)兩波源振動步調(diào)相反時,若Δr=(2n+1)λ2(n=0,1,2,…),則振動加強;若Δr=nλ(n=0,1,2,…),則振動減弱3.多普勒效應(yīng)(1)接收頻率:觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù).(2)當(dāng)波源與觀察者相互靠近時,觀察者接收到的頻率變大,當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時,觀察者接收到的頻率變小.例5[2024·安徽卷]某儀器發(fā)射甲、乙兩列橫波,在同一均勻介質(zhì)中相向傳播,波速v大小相等.某時刻的波形圖如圖所示,則這兩列橫波 ()A.在x=9.0m處開始相遇B.在x=10.0m處開始相遇C.波峰在x=10.5m處相遇D.波峰在x=11.5m處相遇例6[2023·廣東卷]漁船常用回聲探測器發(fā)射的聲波探測水下魚群與障礙物.聲波在水中傳播速度為1500m/s,若探測器發(fā)出頻率為1.5×106Hz的聲波,下列說法正確的是 ()A.兩列聲波相遇時一定會發(fā)生干涉B.聲波由水中傳播到空氣中,波長會改變C.該聲波遇到尺寸約為1m的被探測物時會發(fā)生明顯衍射D.探測器接收到的回聲頻率與被探測物相對探測器運動的速度無關(guān)【遷移拓展】1.(多選)[2023·遼寧卷]“球鼻艏”是位于遠(yuǎn)洋輪船船頭水面下方的裝置,當(dāng)輪船以設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)速度航行時,球鼻艏推起的波與船首推起的波如圖所示,兩列波的疊加可以大幅度減小水對輪船的阻力.下列現(xiàn)象的物理原理與之相同的是 ()A.插入水中的筷子,看起來折斷了B.陽光下的肥皂膜,呈現(xiàn)彩色條紋C.駛近站臺的火車,汽笛音調(diào)變高D.振動音叉的周圍,聲音忽高忽低2.[2024·山東濟(jì)南模擬]手機(jī)上一般會有兩個麥克風(fēng),一個比較大的位于手機(jī)下方,另一個位于手機(jī)頂部,如圖甲所示.小明同學(xué)查閱手機(jī)說明書后知道手機(jī)頂部的麥克風(fēng)為降噪麥克風(fēng).該同學(xué)進(jìn)一步查閱資料得知:降噪麥克風(fēng)通過降噪系統(tǒng)產(chǎn)生與外界噪音相位相反的聲波,與噪音疊加從而實現(xiàn)降噪的效果.理想情況下的降噪過程如圖乙所示,實線對應(yīng)環(huán)境噪聲,虛線對應(yīng)降噪系統(tǒng)產(chǎn)生的等幅反相聲波.下列說法正確的是 ()A.降噪過程應(yīng)用的是聲波的干涉原理,P點振動加強B.降噪聲波的頻率與環(huán)境噪聲的頻率應(yīng)該相同C.降噪聲波與環(huán)境噪聲聲波的傳播速度大小不相等D.質(zhì)點P經(jīng)過一個周期向外遷移的距離為一個波長3.(多選)[2024·山東卷]甲、乙兩列簡諧橫波在同一均勻介質(zhì)中沿x軸相向傳播,波速均為2m/s.t=0時刻二者在x=2m處相遇,波形圖如圖所示.關(guān)于平衡位置在x=2m處的質(zhì)點P,下列說法正確的是 ()A.t=0.5s時,P偏離平衡位置的位移為0B.t=0.5s時,P偏離平衡位置的位移為-2cmC.t=1.0s時,P向y軸正方向運動D.t=1.0s時,P向y軸負(fù)方向運動題型3電磁振蕩與電磁波1.電磁波與機(jī)械波的比較電磁波機(jī)械波產(chǎn)生由周期性變化的電場、磁場產(chǎn)生由質(zhì)點(波源)的振動產(chǎn)生特點橫波縱波或橫波波速在真空中等于光速c=3×108m/s在空氣中不大(如聲波波速在空氣中一般為340m/s)是否需要介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)能量傳播電磁能機(jī)械能2.LC振蕩電路的周期T、頻率f與自感系數(shù)L、電容C的關(guān)系是T=2πLC、f=12π例7[2024·福建福州模擬]電磁波的發(fā)現(xiàn)和使用帶來了通信技術(shù)的發(fā)展.在以下磁感應(yīng)強度B隨時間t變化的磁場中,能產(chǎn)生電磁波的是 ()ABCD例8(多選)[2024·河南鄭州模擬]電磁波在科學(xué)研究和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用.如圖所示,關(guān)于電磁波的應(yīng)用,以下說法正確的是 ()A.圖甲中經(jīng)過調(diào)制后的電磁波的波長不變B.圖乙中天文學(xué)家利用射電望遠(yuǎn)鏡接收無線電波,進(jìn)行天體物理研究C.圖丙中紅外線夜視儀是利用了紅外線熱效應(yīng)強的特點D.圖丁中CT機(jī)應(yīng)用人體發(fā)射紅外線的原理拍攝人體組織【技法點撥】本題考查電磁波的應(yīng)用,解題要求熟記各種電磁波的特點和對比.【遷移拓展】1.[2024·浙江金華模擬]關(guān)于電磁波的特性和應(yīng)用,下列說法中正確的是 ()A.微波爐利用紅外線的熱效應(yīng)快速加熱食物B.紫外線具有殺菌作用,醫(yī)院常用紫外線進(jìn)行消毒C.γ射線穿透力很強,醫(yī)學(xué)上常用它進(jìn)行人體透視檢查D.車站、機(jī)場安全檢查時“透視”行李箱的安檢裝置利用的是紅外線2.[2024·河北石家莊模擬]2024年3月,支持5G網(wǎng)絡(luò)的某品牌手機(jī)正式發(fā)售.5G網(wǎng)絡(luò)采用3300~5000MHz頻段的無線電波,4