2020《三维设计》新课标一轮复习教师用书教师用书第十四章 波与相对论

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1 66
第十四章 波与相对论[选修 34]
[全国卷 5年考情分析]
未曾独立命题的考
命题概率较小的考点 命题概率较大的考点
简谐运动()
简谐运动的公式
和图像()
单摆、单摆的周
期公式()
受迫振动和共振
()
机械波、横波和
纵波()
多普勒效应()
光的干涉、衍射
和偏振现象()
电磁波谱()
狭义相对论的基
本假设()
质能关系()
实验十四:探究
单摆的运动、用单
摆测定重力加速度
实验十五:测定
玻璃的折射率
波的干涉和
衍射现象()'17Ⅰ卷T34(1)(5 )
()
'18
Ⅰ卷T34(2)(10 )
Ⅲ卷T34(1)(5 )
'17 Ⅲ卷T34(1)(5 )
'16 Ⅱ卷T34(2)(10 )
光的折射定
()
'18Ⅲ卷T34(2)(10
)
'17Ⅰ卷T34(2)(10
)
'17Ⅱ卷T34(2)(10
)
'16Ⅲ卷T34(2)(10
)
'15 Ⅰ卷T34(2)(10 )
'14
Ⅰ卷T34(1)(6 )
Ⅱ卷T34(1)(5 )
波速、
波长和
频率
(周期)
的关系
()
'18 Ⅱ卷T34(1)(5 )
折射率()
'18Ⅰ卷T34(1)(5 )
'14Ⅱ卷T34(2)(10
)'17
Ⅰ卷T34(1)(5 )
Ⅲ卷T34(1)(5 )
电磁波的产
()'16Ⅱ卷T34(1)(5 ) '16
Ⅰ卷T34(1)(5 )
Ⅱ卷T34(2)(10 )
'15 Ⅱ卷T34(2)(10 )
电磁波的发
射、传播和接
()
'16Ⅱ卷T34(1)(5 )
全反
射、
光导纤
()
'18 Ⅱ卷T34(2)(10 )
'17 Ⅲ卷T34(2)(10 )
实验十六:
用双缝干涉
测光的波长
'17Ⅱ卷T34(1)(5 )
'15Ⅰ卷T34(1)(5 )
'16 Ⅰ卷T34(2)(10 )
'15 Ⅱ卷T34(1)(5 )
'14 Ⅰ卷T34(2)(9 )
1节 机
一、简谐运动
1简谐运动
(1)定义:如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律,即它的振动图像(xt 图像)
是一条正弦曲线,这样的振动就叫做简谐运动。
2 66
(2)条件:如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成 正比,并且总是指向平衡
位置,质点的运动就是简谐运动。
(3)平衡位置:物体在振动过程中回复力为的位置。
(4)回复力:使物体返回到平衡位置的力。
① 方向:总是指向平衡位置。
② 来源:属于效果力,可以是某一个力,也可以是几个力的合力或某个力的分力。
2简谐运动的两种模型
模型 弹簧振子(水平)单摆
示意图
简谐
运动
条件
① 弹簧质量要忽略
② 无摩擦等阻力
③ 在弹簧弹性限度内
① 摆线为不可伸缩的轻细线
② 无空气阻力等
③ 最大摆角小于等于
回复力 弹簧的弹力提供
摆球重力沿与摆线垂直方向(即切
)的分力
平衡
位置 弹簧处于原长处 最低点
周期 与振幅无关 T
能量
转化
弹性势能与动能的相互转化,机
械能守恒
重力势能与动能的相互转化,机
械能守恒
二、简谐运动的公式和图像
1表达式
(1)动力学表达式:F=- kx ,其中“-”表示回复力与位移的方向相反。
(2)xA sin( ωt φ 0)Aωf
ωtφ0代表简谐运动的相位,φ0叫做初相。
2图像
(1)从平衡位置开始计时,函数表达式为 xAsin ωt,图像如图甲所示。
(2)从最大位移处开始计时,函数表达式为 xAcos ωt,图像如图乙所示。
三、受迫振动和共振
1受迫振动
系统动力下的动。迫振频率驱动力的
而与系统的固有频率无关。
2共振
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驱动频率系统固有时,迫振的振到最,这叫做
振。共振曲线如图所示。
[深化理解]
1.简谐运动是机械振动中最简单的一种理想化的振动,并不是所有的振动是简谐运
动。
2.做简谐运动的物体离平衡位置运动时,其位移、加速度、回复力均增大,而速度
在关于平衡位置对点,物体的位移、加速度、回复力大小相等、方向相反,而速
度大小相等、方向可能相反也可能相
3.做简谐运动的物体过平衡位置时,回复力一定为所受合力不一定为
如单摆。
4.物体做受迫振动的频率一定等于驱动力的频率,不一定等于系统的固有频率,固
有频率系统本身决定。
[基础自测]
一、判断题
(1)简谐运动是匀变速运动。(×)
(2)周期、频率是表物体做简谐运动快慢程度的物量。()
(3)振幅等于振子运动轨迹的长度。(×)
(4)简谐运动的回复力可以是恒力。(×)
(5)弹簧振子每次经过平衡位置时,位移为、动能最大。()
(6)单摆在任何情况下的运动是简谐运动。(×)
(7)物体做受迫振动时,其振动频率与固有频率无关。()
(8)简谐运动的图像描述的是振动质点的轨迹(×)
二、选择题
1[鲁科版选修 34 P5讨论与交流改编]如图所示,弹簧振子在 BC间振动,O为平
衡位置,BOOC5 cm振子从 BC的运动时间是 1 s列说法中正的是(  )
A.振子从 BOC成一全振动
B.振动周期是 1 s,振幅是 10 cm
C两次全振动,振子过的程是 20 cm
D.从 B开始3 s,振子过的程是 30 cm
解析:D 振子从 BOC仅完成了半次全振动,所以周期 T2×1 s2 s,选项
AB错误;振幅 ABO5 cm,振子在一次全振动中通过的路程为 4A20 cm,所以两次
全振动中通过的路程为 40 cm,选C错误3 s 的时间为 1.5T,所以振子通过的路程30
cm,选项 D正确。
2.有一弹簧振子,振幅为 0.8 cm,周期为 0.5 s,初始时方向的最大加速度,
它的振动方程是(  )
Ax8×103sin m
Bx8×103sin m
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Cx8×101sin m
Dx8×101sin m
解析A 振幅 A0.8 cm8×103 m由周T0.5 s ωrad/s,初始
具有负方向的最大加速度,则初始位移为正方向最大,初相 φ0=,所以振动方程 x
Asin(ωtφ0)8×103sinmA正确。
3[人教版选修 34 P21T2]()如图所示,A球振动使
BC振动,振动达到定时,下列说法中正的是(  )
AAC的振动周期相等
BC的振幅比 B的振幅小
CC的振幅比 B的振幅大
DABC的振动周期相等
CD BCA
期,选项 A错误,D正确;A球、C球摆长相等,所以固有频率相等,则 C球发生共振,C
的振幅比 B的振幅大,选项 B错误,C正确。
考对本节内的考中在简谐运动的规律、简谐运动图像的理解和应用、受
迫振动和共振,通常以选题的现,度一
考点一 简谐运动的规律[生共研类]
简谐运动的规律——五个特征
受力
特征 回复力 F=-kxF(a)的大小与 x的大小成正比,方向相反
运动
特征
靠近平衡位置时,aFx都减小,v;远离平衡位置时,aFx都增大,v
能量
特征 振幅大,能量大。在运动过程中,系统的动能和势能相互转化,机械能守恒
周期性
特征
质点的位移、回复力、加速度和速度时间做周期性化,化周期就是简谐运动
的周期 T动能和势能也时间做周期性化,其化周期为
特征
关于平衡位置 O点,速度的大小、动能、势能相等,相对平衡位置的位
移大小相等
[典例] (多选)如图所示,一轻质弹簧上端固定花板上,下端连接一
,物沿直方向以 O点为点,在 CD间做周期为 T简谐运动。
已知t1度大v、方下,Ek。下说法(
)
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At2度大小也v,方向下t2t1最小小于
B.如果在 t2的动能也为 Ekt2t1的最小T
C.物块通O点时动能最大
D块通O点时,其加速度最小
E.物运动C点时,其加速度最小
[解析] 如果在 t2时刻物块的速度大小也为 v方向也向下,则 t2t1的最小值小于,选
A正确;如果在 t2刻物块的动能也为 Ekt2t1的最小值小于,选项 B错误;当物块
通过 O点时,其加速度最小,速度最大,动能最大,选项 CD正确;物块运动至 C点时,
其加速度最大,速度为零,选项 E错误。
[答案] ACD
以位移为桥梁分析简谐运动中各物理量的变化情况
(1)位移增大时,振动质点的回复力、加速度、势能均增大,速度、动能均减小;反之,则
产生相反的变化。各矢量均在其值为零时改变方向。
(2)位移相同时,回复力、加速度、动能、势能可以确定,但速度可能有两个方向,由于周
期性,运动时间也不确定。    
[题点全练]
1[简谐运动周期的理解]
(多选)关于简谐运动的周期,以下说法的是(  )
A.间一个周期的个时,物体的振动情况
B.间隔半个周期的个时,物体的速度和加速度可能时相
C个周期内物体的动能化一定为
D.一个周期内物体的势能化一定为
E过一个周期质点过的
解析ACD 根据周期的定义可知,物体完成一次全振动,所有的物理量都恢复到
初始状态,故选项 AD正确。当间隔半个周期的奇数倍时,所有的矢量都变得大小相等、
向相反,且物体的速度和加速度不同时为零,故选项 B错误,C正确。经过一个周期,质点
通过的路程为 4A,选项 E错误。
2.[简谐运动中各物理量的分析]
(多选)如图所示,轻弹簧固定,下端连接一小物,物沿直方向
做简谐运动。以直 向 为正方向,物简谐运动的表达式为 y
0.1sin(2.5πt)mt0,一小球从h自由落t0.6 s 时,小球
恰好与物处于度。重力加速度 g10 m/s2以下判断的是(  )
Ah1.7 m
B.简谐运动的周期是 0.8 s
C0.6 s 内物运动的程是 0.2 m
Dt0.4 s 时,物与小球运动方向相反
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解析:AB t0.6 s 时,物块的位移为 y0.1sin(2.5π×0.6)m=-0.1 m,则对小球有
h|y|gt2,解得 h1.7 m,选项 A正确;简谐运动的周期是 T== s0.8 s,选项 B
0.6 s 内物运动程是 3A0.3 m,选C误;t0.4 s时,块经平衡向下
运动,则此时物块与小球运动方向相同,选项 D错误。
3[简谐运动周期的计算]
(多选)(2018·天津高考)一振子沿 x做简谐运动,平衡位置在坐标原点。t0时振子的
位移为-0.1 mt1 s 时位移为 0.1 m(  )
A振幅为 0.1 m,振子的周期可能为 s
B振幅为 0.1 m,振子的周期可能为 s
C振幅为 0.2 m,振子的周期可能为 4 s
D振幅为 0.2 m,振子的周期可能为 6 s
解析:AD 若振幅为 0.1 m,则 T1 s,其中 n0,1,2,当 n0时,T2 sn
1时,T sn2时,T s,故 A正确,B错误。若振幅为 0.2 m,振动分 4种情况讨论:
第①种情况,设振动方程为 xAsin(ωtφ)t0时,-=Asin φ,解得 φ=-,所以
P点到 O点用时至少为,由简谐运动的对称性可知,由 P点到 Q点用时至少为,即 T1
s,其中 n0,1,2,当 n0时,T6 sn1时,T s;第②③种情况,由 P点到 Q
用时至少为,周期最大为 2 s;第④种情况,周期一定小于 2 s,故 C错误,D正确。
考点 简谐运动图像的理解和应用[础自]
[题点全练]
1.[简谐运动图像的理解]
(2017·北京高考)某弹簧振子沿 x的简谐运动图像如图所示,下列描述的是(  )
At1 s 时,振子的速度为,加速度为的最大
Bt2 s 时,振子的速度为,加速度为正的最大
Ct3 s 时,振子的速度为的最大,加速度为
Dt4 s 时,振子的速度为正,加速度为的最大
解析:A t1 s 时,振子在正的最大位移处,振子的速度
为零,由 a=-知,加速度为负的最大值,A项正确;t2 s 时,振子位于平衡位置,速度
为负的最大值,加速度为零,B项错误;t3 s 时,振子在负的最大位移处,速度为零,加
速度为正的最大值,C项错误;t4 s 时,振子位于平衡位置,速度为正的最大值,加速度
为零,D项错误。
2[两横波图像的对比]
(多选)简谐横波沿x正方向传播,波AB质点在平衡位置间的离为 0.5
m,且小于一个波长,如图甲所示,AB质点振动图像如图乙所示。由此(  )
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A.波中质点在一个周期内过的程为 8 cm
B机械波的波长为 4 m
C机械波的波速为 0.5 m/s
Dt1.5 s 时,AB质点的位移相
Et1.5 s 时,AB质点的振动速度相
解析:ACE 根据 AB两质点的振动图像可知该波的周期为 4 s,振幅为 2 cm
中质点在一个周期内通过的路程4个振幅,为 4×2 cm8 cm选项 A确;根AB
两质点的振动图像可画出 AB两点之间的波形图,AB两点之间的距离为波长,即 λ0.5
m,该波的波长为 λ2 m,选项 B错误;该机械波的传播速度为 v0.5 m/s,选项 C
确;t1.5 s 时,A点的位移为负值B点的位移为正值,两质点位移一定不同,选
D错误;在 t1.5 s 时,A质点的振动速度方向沿 y轴负方向,B质点的振动速度方向沿 y
轴负方向,且两质点位移大小相同,故两质点振动速度相同,选项 E正确。
3[单摆图像的分析]
(多选)图甲所示,一单摆做小角度摆动,从某摆球由左右通过平衡位置开始计时 ,
相对平衡位置的位移 x时间 t化的图像如图乙所示。不计空气阻力,重力加速度 g10
m/s2。对于这个单摆的振动过程,下列说法的是(  )
A.单摆的摆长1.0 m
B.单摆的位移 x时间 t化的关系式为 x8sin(πt) cm
C.从 t0.5 s t1.0 s 的过程中,摆球的重力势能逐渐增
D.从 t1.0 s t1.5 s 的过程中,摆球所受回复力逐渐减
E.从 t1.0 s t1.5 s 的过程中,摆球所受回复力逐渐增
解析:ABE 由题图乙可知单摆的周期 T2 s,振幅 A8 cm,由单摆的周期公式 T
,代入数据可得 l1 m,选项 A正确;由 ω=可得 ωπ rad/s,则单摆的位移 x随时
t变化的关系式为 xAsin ωt8sin(πt) cm,选B正确;从 t0.5 s t1.0 s 的过程中,
摆球从最高点运动到最低点,重力势能减小,选项 C误;t1.0 s t1.5 s 过程
摆球的位移增大,回复力增大,选项 D错误,E正确。
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[名师微点]
1.对简谐运动图像的认识
(1)简谐运动的图像是一条正弦或弦曲线,如图所示。
(2)图像反的是位移时间的化规律,时间的加而伸,图像不代表质点运动
轨迹
2图像信息
(1)图像可以得出质点振动的振幅、周期和频率。
(2)可以定某时质点离开平衡位置的位移。
(3)可以定某时质点回复力、加速度的方向。
(4)定某时质点速度的方向。
(5)比较不回复力、加速度的大小。
(6)比较不质点的动能、势能的大小。
考点 受迫振动和共振[础自]
[题点全练]
1.[受迫振动的理解]
()如图所示为受迫振动的置,在一根张紧
几个摆球,可以用一个单摆()几个单摆。
列说法的是(  )
A.某个单摆摆动过程中多一位置时,速度可能不
加速度一定相
B.如果驱动摆的摆长为 L单摆的振动周期等于
C.如果驱动摆的摆长为 L,振幅为 A某个单摆的摆长大于 L,振幅也大于 A
D.如果某个单摆的摆长等于驱动摆的摆长,这个单摆的振幅最大
E.驱动摆只把振动式传播单摆,不传播能量
解析:ABD 某个单摆摆动过程中多次通过同一位置时,速度大小相等但方向可能
不同,根据 F=-kx 可得,加速度 a==-x,故加速度一定相同,A正确;如果驱动摆的
摆长为 L,根据单摆的周期公式有 T,而其他单摆都是受迫振动,故其振动周期都等于
驱动摆的周期,B正确;当受迫振动的单摆的固有周期等于驱动摆的周期时,受迫振动的振
幅最大,故某个单摆的摆长大,振幅不一定也大,C错误;同一地区,单摆的固有频率只取
决于单摆的摆长,则只有摆长等于驱动摆的摆长时,单摆的振幅能够达到最大,这种现象称
为共振,受迫振动不仅传播运动形式,还传播能量和信息,D正确,E错误。
2[共振现象的理解]
(多选)时,每两根钢轨接缝处都必须有一定的间速运列车经
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接缝处时,车轮受到一次冲击根钢轨长度相等,所以这个冲击力是周期性
的,列车由于受到周期性的冲击力做受迫振动。通钢轨长为 12.6 m列车的固有振动周期
0.315 s。下列说法的是(  )
A列车危险速率为 40 m/s
B列车桥需速,是为了防止列车发生共振现象
C列车的振动频率和列车的固有频率总是相等的
D钢轨的长度有列车高速运
解析:ABD 对于受迫振动,当驱动力的频率与固有频率相等时将发生共振现象,
所以列车的危险速率 v==40 m/sA正确;为了防止共振现象发生,过桥时需要减速,B
正确;列车运行时的振动频率总等于驱动力的频率,只有共振时才等于列车的固有频率,C
错误;由 v=可知,l增大,T不变,v变大,所以 D正确。
3[受迫振动的应用]
如图示,圆盘时,固定一个 T
方向振动,T形架一个弹簧和小球成的系统。圆盘以不的周期速转动时,测
小球振动的振幅与圆盘转动频率的关系如图乙所示。当圆盘转动的频率为 0.4 Hz 时,小球
振动的周期是________ s;当圆盘停止转动,小球自由振动时,它的振动频率是________
Hz
0.4 Hz 0.4
Hz,小球振动的周期为 T==2.5 s。由题图乙可知小球的固有频率为 0.6 Hz,所以当圆盘停
止转动后,小球自由振动的频率为 0.6 Hz
答案:2.5 0.6
[名师微点]
1自由振动、受迫振动和共振的关系比较
振动自由振动 受迫振动 共振
受力情况 仅受回复力 受驱动力 受驱动力
振动周期 系统本性质决 由驱动力的周期或频 TT0ff0
10 66
或频率 定,即固有周期 T0
固有频率 f0
定,即 TT
ff
振动能量 振动物体的机械能不
产生驱动力的物体
提供
振动物体获得的能量
最大
常见例弹簧振子或单摆
(θ5°)
机械作时底座发生
的振动
共振声音的共
2.对共振的理解
(1)共振曲线
如图所示,横坐标为驱动力的频率 f坐标为振幅 A。它直观地
映了力的率对固有f0振动统做迫振振幅
图可ff0,振幅 A;当 ff0时,振幅 A最大。
(2)受迫振动中系统能量的转化:
做受迫振动的系统的机械能不守恒,系统与外界刻进行能量交换
[课时跟踪检测]
1.一个弹簧振子做简谐振动,从平衡位置开始计时,3 s 时,振子第一到达 P
点,又经2 s 二次经P点。则该弹簧振子的振动周期可能为(  )
A32 s           B16 s
C8 s D4 s
解析:B 根据题意,弹簧振子经 3 s 第一次到达 P点,再经 1 s 到达最大位移处,再
1 s 第二次到达 P点,所以 4 sTT,振动周期为 16 s s,选项 B正确。
2.(多选)如图所示是质点做简谐运动的图像,由此(  )
At0时,质点的位移、速度
Bt1 s 时,质点的位移最大,速度为,加速度最大
Ct2 s 时,质点的位移为,速度向最大,加速度为
Dt4 s 时,质点停止运动
E.质点的周期为 4 s,频率为 0.25 Hz
解析BCE t0时,质点的位移为零,加速度为零,此时质点在平衡位置具
沿x轴正方向的最大速度,选项 A错误;当 t1 s 时,质点的位移最大,加速度负向最大,
此时质点振动到平衡位置正方向的最大位移处,速度为零,选项 B正确t2 s ,质点的
位移为零,加速度为零,速度最大,方向沿 x轴负方向,选项 C正确;t4 s 时,质点速度
最大,选项 D错误;由题给图像可以确定周期 T4 s,频率 f==0.25 HzE正确。
3(多选)(2019·武汉调)关于受迫振动和共振,下列说法的是(  )
A火车时限速度是为了防止火车发生共振
B驱动力的频率为 5 Hz受迫振动的振动频率一定为 5 Hz
C驱动力的频率等于系统的固有频率时,受迫振动的振幅最大
摘要:

第1页共66页第十四章波与相对论[选修3-4][全国卷5年考情分析]未曾独立命题的考点命题概率较小的考点命题概率较大的考点简谐运动(Ⅰ)简谐运动的公式和图像(Ⅱ)单摆、单摆的周期公式(Ⅰ)受迫振动和共振(Ⅰ)机械波、横波和纵波(Ⅰ)多普勒效应(Ⅰ)光的干涉、衍射和偏振现象(Ⅰ)电磁波谱(Ⅰ)狭义相对论的基本假设(Ⅰ)质能关系(Ⅰ)实验十四:探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度实验十五:测定玻璃的折射率波的干涉和衍射现象(Ⅰ)'17Ⅰ卷T34(1)(5分)横波的图像(Ⅱ)'18Ⅰ卷T34(2)(10分)Ⅲ卷T34(1)(5分)'17Ⅲ卷T34(1)(5分)'16Ⅱ卷T34...

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