高考物理总复习教师用书第十四章 波与相对论[选修3-4]

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第十四章波与相对论[选修 3-4]
求 考
简谐运动 全反射、光导纤维 1.命题规律
从近几年的高考试题来
看,对该部分内容主要
考查简谐运动的图像、
波的图像以及波的传播
规律等,另外对光学知
识的考查主要以折射定
律、全反射等知识为主。
2.考查热点
预计在明年高考中,对
该部分内容仍将以图像
为重点考查振动和波动
问题,并以光的折射和
全反射为要点考查光学
知识。
简谐运动的公式和图像 光的干涉、衍射和偏振现象 Ⅰ
单摆、单摆的周期公式 Ⅰ 电磁波的产生
受迫振动和共振 电磁波的发射、传播和接收 Ⅰ
机械波、横波和纵波 Ⅰ 电磁波谱
横波的图像 Ⅱ 狭义相对论的基本假设
波速、波长和频率(周期)
的关系 Ⅰ 质能关系
波的干涉和衍射现象 实验十四:探究单摆的运动、用
单摆测定重力加速度
多普勒效应 Ⅰ
光的折射定律 Ⅱ 实验十五:测定玻璃的折射率
折射率 实验十六:用双缝干涉测光的波
79 课时 机械振动(双基落实课)
点点通() 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
)是一条正弦曲线,这样的振动叫做简谐运动。
2平衡位置:物体在振动过程中回复力为零的位置。
3回复力
(1)定义:使物体返回到平衡位置的力。
(2)方向:总是指向平衡位置。
(3)来源:属于效果力,可以由某一个力提供,也可以由几个力的合力或某个力的分力
提供。
4描述简谐运动的物理量
定 义 意 义
位移 平衡位置指向质点所在位置的有向
线段
质点时刻相对
平衡位置的位移
振幅 振动物体离开平衡位置的最大距离 描述振动的强弱和能量
周期 振动物体完成一次全振动所需时间 描述振动的快慢,两者互为倒
数:T
频率 振动物体单位时间内完成全振动的次
相位 ωtφ
描述周期性运动在各个时刻所处的
不同状态
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[小题练通]
1(鲁科教材原题)做简谐运动的质点通过平衡位置时,具有最大值的物理量是(  )
A.加速度         B.速度
C.位移 D.回复力
解析:B 做简谐运动的质点通过平衡位置时,位移、回复力、加速度都为零,速度
为最大值,故 B正确。
2(沪科教材原题)一弹簧振子做简谐运动,周期为 T。下列判断中正确的是(  )
A.若 t时刻和(tΔt)时刻振子位移的大小相等、方向相同,则 Δt一定等于 T的整数倍
B.若 t时刻和(tΔt)时刻振子速度的大小相等、方向相反,则 Δt一定等于的整数倍
C.若 ΔtT,则在 t时刻和(tΔt)时刻振子的加速度一定相等
D.若 Δt=,则在 t时刻和(tΔt)时刻弹簧长度一定相等
解析:C 位移大小相等、方向相同,Δt不一定是 T的整数倍,A错误;速度大小相
等、方向相反,Δt不一定是的整数倍,B错误;若 ΔtT,则在 t时刻和(tΔt)时刻振子的加
速度一定相等,C正确;若 Δt=,在 t时刻和(tΔt)时刻弹簧长度不一定相等,D错误。
3.两个简谐运动的表达式分别为:xA10sincmxB8sin(4πtπ)cm,下列说法正确
的是(  )
A.振动 A的相位超前振动
B.振动 A的相位滞后振动
C.振动 A的相位滞后振动
D.两个振动没有位移相等的时刻
解析:B 由两个简谐运动的表达式可知,振动 A的相位滞后振动 B
AC错误;由简谐运动的特点易知,两个振动有位移相等的时刻,D错误。
4(多选)(2019·鞍山模拟)一弹簧振子做简谐运动,O为平衡位置,当它O时开
计时,0.3 s,第一次到达点 M0.2 s 次到达点 M,则弹簧振子的周期不
可能为(  )
A0.53 s      B1.4 s     C1.6 s
D2 s E3 s
解析:BDE 由题知,弹簧振子的运动可分两种情况讨论,第 1种情况如图甲所示
O为平衡位置,OB(OC)代表振幅,弹簧振子从点 O到点 C所需时间为,因为简谐运动具
有对称性,所以弹簧振子从点 MC和从点 C到点 M所用时间相等,故=0.3 s+=0.4
s解得 T1.6 s2情况如图乙所,若弹簧子一开始从平位置B运动,设
M与点 M关于点 O称,则弹簧振子从点 M经过B到点 M所用的时间与弹簧
子从点 M经过点 C到点 M所需时间相等,即 0.2 s,弹簧振子从点 O到点 M从点 M
O及从点 O到点 M所需时间相等,为= s,故周期为 T0.5 s s0.53 s,所以周期不可
能为选项 BDE
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5()沿垂直
的弹簧振BC两点间做械振动,可以
k10 N/m0.5
kg移动的速度为 2 m/s弹簧弹性能的达式 Epky2(y弹簧
形变),不计切摩擦。在一次弹簧振子实验中到如图所的图线,
则下列说法中正确的是(  )
A.该弹簧振子的振幅为 1 m
B.该弹簧振子的周期为 1 s
C.该弹簧振子的最大加速度为 10 m/s2
D.该弹簧振子的最大速度为 2 m/s
E.该弹簧振子振动过程中机械能守恒
解析:BCE 弹簧振子的振幅为振子偏离平衡位置的最大距离,所以该弹簧振子的
振幅A0.5 mA误;由题图所示振动曲线可知,白纸移x2 m弹簧振子振动
个周期,所以弹簧振子的周期为 T==1 sB正确;该弹簧振子所受最大回复力为 FkA
10×0.5 N5 N,最大加速度为 a==10 m/s2C正确;根据题述弹簧弹性势能的表达式 Ep
ky2不计一切摩擦弹簧振子动过程中机械守恒,则 mvm2kA2可得该弹振子
的最大速度为 vm A m/sD错误,E正确。
[融会贯]
(1)做简谐运动的质点处于平衡位置时,位移、回复力、加速度都为零,而速度为最大值。
(2)简谐运动的速度、时间、位移和加速度等物理量具有一定的对称性。要善于利用这种对
称性分析问题。
点点通() 简谐运动的图像
1.从平衡位置处开计时,函数表达式为 xAsin ωt,图像如图
2.从最大位移处开计时,函数表达式为 xAcos ωt,图像如图
  3.合图像理简谐运动的规律——五个特征
受力
特征 回复力 FkxF(a)的大小与 x的大小成正,方向相反
运动
特征
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 振幅大,能量大。在运动过程中,系的动能和能相互转化,机械
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特征 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变化变化周期
简谐运动的周期 T动能和能也时间做周期性变化其变化周期为
特征
关于平衡位置 O的两点,速度的大小、动能、能相等,相对平衡位
置的位移大小相等
[小题练通]
1(多选)(教科教材原题)一质点做简谐运动的图像如图所,则下列论中,正确的是
(  )
A.质点速度最大加速度为零的时刻分别是 0.1 s0.3 s
B.质点速度为零加速度为方向最大值的时刻分别是 0 s0.4 s
C.质点所受的回复力方向由正变负的时刻是 0.3 s
D.振动系统势能最大加速度为正方向最大值的时刻是 0.3 s
解析:ABC 质点在 0.1 s 0.3 s 时刻,位移为零,故加速度为零,速度最大,A
确;质点在 0 s 0.4 s 时刻,位移为正方向最大值,故速度为零,加速度为负方向最大值
B正确;质点在 0.3 s 时刻,位移由负方向变为正方向,则回复力由正方向变为负方向,C
正确;质点在 0.3 s 时刻,位移为零,振动系统势能和加速度都为零,D错误。
2(沪科教材原题)一质点做简谐运动,振动图像如图所。由
图可知(  )
A.质点振动的振幅时间变化
B.质点振动的频率为 4 Hz
C.在 t2.5 s 时,质点偏离平衡位置运动
D.在 t4 s 时,质点受到的回复力为最大值
解析:D 由题图可知,质点振动的频率 f HzB错误;t2.5 s 时,质点向平衡
位置运动,C错误;t4 s 时,质点位移为最大值,受到的回复力为最大值,D正确;做简
谐运动的质点振动的振幅是不随时间变化的,A错误。
3(多选)两弹簧振子,振动图像如图所,则可知(  )
A速度为零时,加速度最大
B加速度为零时,速度最小
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C1.251.5 s 时间内,的回复力大小大,的回复力大小
D的振动频率之比 ff12
E的振幅之比 AA21
解析:CDE 由题图可知,甲运动到最大位移处(速度为零)时,乙刚好运动到平衡位
置,加速度为零,速度最大,A错误;甲运动到平衡位置(加速度为零)时,乙也运动到平衡
位置,速度最大,B错误;由|F|k|x|可知,C正确;甲做简谐运动的周期 T2.0 s,乙做
简谐运动的周期 T1.0 s,甲、乙的振动周期之比 TT21,根据周期与频率成反比,
可知甲、乙的振动频率之比 ff12D正确;甲的振幅 A10 cm,乙的振幅 A5
cm,甲、乙的振幅之比 AA21E正确。
4.(人教教材原题)如图所t0t4 s 范围内回
以下问题。
(1)的位移的
时速度的方向相同哪些时间内跟瞬时速度的方向相反
(2)质点在第 2 s 的位移是多少?
(3)质点在前 2 s 过的程是多少?
解析:(1)01 s23 s 内位移方向和瞬时速度方向相同,在 12 s34 s 内位移方
向和瞬时速度方向相反。
(2)质点在第 2 s 末的位移是零。
(3)质点在前 2 s 内走过的路程是 2A20 cm
答案:见解析
[融会贯通]
由简谐运动的图像可获得的信息
(1)振幅 A、周期 T
(2)某一时刻质点离开平衡位置的位移。
(3)某一时刻质点的回复力、加速度和速度的方向。
复力和加速度方向:因回复力总是指平衡置,所以回复力和速度
像上总是指向 t轴。
度的方向:速的方向可通过下一时刻移的化来判定,下一时位移
大,质点的速度方向就是远离 t轴;下一时刻位移若减小,质点的速度方向就是指向 t轴。
(4)某段时间内质点的位移、回复力、加速度、速度、动能、势能的变化情况。
点点通() 单摆及其周期公式
简谐运动的两种模型(对比记忆单摆)
弹簧振子(水平)单摆
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简谐
运动
(1)弹簧质量可忽略
(2)无摩擦力等
(3)在弹簧弹性度内
(1)摆线为不可伸缩轻细线
(2)无空气等对摆
(3)θ小于 5°
回复
弹簧的弹力
球重力沿与摆线垂直(即切
)方向的分力
平衡
位置 弹簧处于原长处 最
周期 与振幅T
能量
转化
弹性能与动能的相互转化
机械能守恒
重力能与动能的相互转化
机械能守恒
[小题]
1(多选)(鲁科教材原题)振动的单摆摆,返回到平衡位置时(  )
A.回复力指向点      B.合外力为零
C.合外力指向 D.回复力为零
解析:CD 单摆摆球返回到平衡位置时,回复力为零,但由于摆球做圆周运动,合
外力提供向心力,方向指向悬点,故 CD正确。
2(沪科材原)若单摆的长不质量加为4倍,球经过平
位置的速度来的,则单摆振动的物理量变化情况(  )
A.频率不,振幅不 B.频率不,振幅改变
C.频率改变,振幅改变 D.频率改变,振幅不
解析:B 根据 T可知,当摆球质量和经过平衡位置的速度变化时,单摆的周期
和频都不改变振幅反映单摆动过程中能量大小,由 Ekmv2知,球经过平
位置时的动能不变,则摆球在偏离平衡位置最大位移处的重力势能不变,因其质量改变,故
振幅发生改变,故 B正确。
3(教科教材原题)一物体在某行星受到的力是它在地球受到的
力的,在地球上走时正确的摆(的周期与单摆简谐运动的周期相同)此行星上
此钟针走一整经历的时间实际上(  )
A h B h
C2 h D4 h
解析:C 行星表面重力加速度g,根据 T,摆钟搬到此行星上,周期变为原
来的 2倍,则分针走一圈经历的时间实际上是 2 h,故 C正确。
4(多选)某实验小究单摆时改进了实验方,将一力传感器连接到计
O点为单摆的点,现将摆(为质点)拉至 A点,线处于张紧状态。由
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静止释放,则摆AC间来回摆动,B点为最位置,
AOBCOBαα小于 5°大小知,同时由计摆线对摆力大小 F
时间 t的曲线,如(中所字母均知量)图中 t0时刻为摆A
点开运动的时刻。知摆长为 l,重力加速度为 g根据题中(包括图中)信息,下列
说法正确的是(  )
A.该单摆的周期为 t2
B.可求出的质量
C.不能求出在最B时的速度大小
D.若在地球的两做该实验,则测单摆的周期最大
E.若加摆的质量,单摆的周期不
解析:ABE 由题图乙可知单摆的周期 Tt2,故 A正确;在 B点拉力 F有最大值,
根据牛顿第二定律 Fmaxmgm,在 AC两点拉力 F有最小值,Fminmgcos α,由 A点到
B点根据机械能守恒定律有 mgl(1cos α)mv2,由此可求得摆球的质m=,在 B点时的
速度 v B正确,C错误;地球的两极重力加速度最大,若在地球的两极做该实验,
单摆周期为 T,所以测得单摆的周期最小,故 D错误;根据单摆周期公式可知,单摆
的周期与摆球质量关,故 E正确。
[融会贯通]
(1)单摆在平衡位置时,回复力为零,但合外力不为零。
(2)单摆的周期和频率由摆长和重力加速度定,与摆球的质量、振动的能量大小关。
点点通() 受迫振动和共振
1受迫振动
动力下的振动。做受迫振动的物体,它做受迫振动的周期(或频率)等于
动力的周期(或频率)与物体的有周期(或频率)关。
2共振
做受迫振动的物体,它的动力的频率与有频率接近,
就越相等达到振现
曲线如图所
[小题]
1(鲁科教材原题)关于有频率,以下说法正确的是(  )
A有频率是由物体本身决定的
B.物体不振动时有频率为零
C.振幅大,有频率
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D.所有物体有频率相同
解析:A 有频率是由物体本身决定的,与是振动、振幅大小关,不同物体固
有频率不同,故 A正确。
2(多选)(沪科教材原题)有一个振动系,它做由振动时的频率为 4f,现在用频率分
别为 f2f4f5f动力次对它用,比较每次振动定后的情况,下列判断中正确
的是(  )
A.振动的振幅
B.振动的频率
C.振动的振幅先变再变
D.振动的频率保持
解析:BC 振动系统振动的频率和动力频率相同,因此频率大,而
动力频率与有频率(由振动时的频率)相等时,振幅最大,即振幅变大变小,故 BC
正确。
3.如图所,两个弹簧振子在同一支架上弹簧振
有频率为 8 Hz弹簧振子的有频率为 72 Hz
频率为 9 Hz 用做受迫振动时,两个弹簧
振子的振动情况(  )
A的振幅大,振动频率为 8 Hz
B的振幅大,振动频率为 9 Hz
C的振幅大,振动频率为 9 Hz
D的振幅大,振动频率为 72 Hz
解析:B 弹簧振子做受振动时,振动频率一定等于动力的频率,故甲和乙的振
动频率都是 9 Hz;甲弹簧振子的有频率更接近驱动力的频率,根据受振动的振幅特
可知,甲的振幅大,B正确。
[融会贯通]
对共振的理解
(1)振曲线:图所示,坐标力频f纵坐A
直观地反映了驱力频率对某有频率为 f0振动系统受振动振幅的
由图可知,ff0越接近,振幅 A大;当 ff0时,振幅 A最大。
(2)守恒
系统与外时刻行能量交换
1(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,则(  )
A.若振幅为 0.1 m,振子的周期可能为 s
B.若振幅为 0.1 m,振子的周期可能为 s
C.若振幅为 0.2 m,振子的周期可能为 4 s
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D.若振幅为 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 n012,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:
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,由简谐运动的对称性可知,由 P点到 Q点用时为,即 T1
s,其中 n012,当 n0时,T6 sn1时,T s;第②③种情况,由 P点到 Q
点用时至少为,周期最大为 2 s;第种情况,周期一定小于 2 s,故 C错误,D正确。
2(多选)(2016·海南高考)下列说法正确的是(  )
A.在同一点,单摆做简谐振动的周期的平方与摆长成正
B.弹簧振子做简谐振动时,振动系能与动能保持
C.在同一点,当摆长不时,摆质量大,单摆做简谐振动的周期
D.系定的受迫振动时,系振动的频率等于周期性动力的频率
E知弹簧振子初始时刻的位置及振动周期,知振子在意时刻运动速度的方
解析ABD 在同一地点,重力加速度 g定值,根据单摆周期公式 T可知
周期的平方与摆长成正比,故选项 A正确;弹簧振子做简谐振动时,有动能和势能
,根据机械能可知,振动系的势与动能之保持变,故选B正确
根据单摆周期公式 T可知,单摆的周期与摆球质量关,故选项 C错误;当系统做
定的受振动时,系统振动的频率等于周期性动力的频率,故选项 D正确;若弹簧振子
始时刻在波峰波谷位置,知周期后,可以确定任意时刻运动速度的方向,若弹簧振子
始时刻不在波峰波谷位置,则无法确定任意时刻运动速度的方向,故选项 E错误。
3(多选)(2019·模拟)某振动系有频率为 f0,在周期性动力的用下做受迫
振动,动力的频率为 f。下列说法正确的是(  )
A.当 f<f0时,该振动系的振幅f而减
B.当 f>f0时,该振动系的振幅f而增
C.该振动系振动定后,振动的频率等于 f0
D.该振动系振动定后,振动的频率等于 f
E.当 ff0时,该振动系一定发生共振
BDE A
所示A错误B;振定后统振动的频率等于的频
CD;根条件可知ff0,该
动系统一定发生振,故 E正确。
4(多选)一个质点以 O为平衡位置,在 AB间做简谐运动,如图(a),它的振动图
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像如图(b)。设向为正方向,下列说法正确的是(  )
AOB5 cm
B.第 0.2 s 质点的速度方向是 AO
C.第 0.4 s 质点的加速度方向是 AO
D.第 0.7 s 质点位于 O点与 A
E.质点在 4 s 内完成 5次全振动
解析ACE 题图(b)可知幅为 5 cm,则 OBOA5 cmA正确00.2 s
内质点从 B点向 O点运动,第 0.2 s 末质点的速度方向是 BOB项错误;第 0.4 s 末质点
运动到 A点处,则此时质点的加速度方向是 AOC项正确;第 0.7 s 末质点位于 O点与 B
点之间,D项错误;简谐运动周期 T0.8 s,则质点在 4 s 振动的数为=5E
正确。
5()O简谐运动,位
变化的图像如图所abcd质点在不同时刻的相应位
置,下列说法正确的是(  )
A.质点通过位置 c时速度最大,加速度为零
B.质点通过位置 b时,相对平衡位置的位移为
C.质点从位置 ac和从位置 bd所用时间相等
D.质点从位置 ab和从位置 bc的平速度相等
E.质点在 bd两位置速度相同
解析:ACE 由题图知,位置 c为质点运动中的平衡位置,由简谐运动的特点可知
选项 A;简谐运的振动图像是曲线,故点通位置 b,相对平位置
的位移为 Asin πA,选项 B错误;质点从位置 ac和从位置 bd所用时间都等于 2 s
选项 C正确;质点从位置 ab和从位置 bc所用时间相等,位移不相等,所以平速度
不相等,选项 D错误;由质点运动的对称性知,选项 E正确。
6()地面受迫振动共振线(A
动力频率 f的关系)如图所,则下列说法正确的是(  )
A单摆的有周期为 2 s
B单摆的摆长1 m
C.若摆长大,单摆的有频率
D.若摆长大,共振曲线的将向移动
E单摆的振幅是 8 cm
解析:ABD 由题图所示振曲线知此单摆的有频率为 0.5 Hz,则有周期为 2
s;由 T 可得此单摆的摆长1 m若摆长增大,则单摆的周期增大,有频
摘要:

第1页共62页第十四章波与相对论[选修3-4]考纲要求考情分析简谐运动Ⅰ全反射、光导纤维Ⅰ1.命题规律从近几年的高考试题来看,对该部分内容主要考查简谐运动的图像、波的图像以及波的传播规律等,另外对光学知识的考查主要以折射定律、全反射等知识为主。2.考查热点预计在明年高考中,对该部分内容仍将以图像为重点考查振动和波动问题,并以光的折射和全反射为要点考查光学知识。简谐运动的公式和图像Ⅱ光的干涉、衍射和偏振现象Ⅰ单摆、单摆的周期公式Ⅰ电磁波的产生Ⅰ受迫振动和共振Ⅰ电磁波的发射、传播和接收Ⅰ机械波、横波和纵波Ⅰ电磁波谱Ⅰ横波的图像Ⅱ狭义相对论的基本假设Ⅰ波速、波长和频率(周期)的关系Ⅰ质能关系Ⅰ波的干...

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