物理二轮（山东专用）学案：专题6 机械振动和机械波 光 电磁波 Word版含解析.doc

1、- 1 - 析考情 明考向_考情分析_透视命题规律 一、构建体系 透析考情 思维导图 考情分析 1.高考对本讲命题热点 主要有以下特点： (1)在考查机械波的形成 和传播时，往往以考查 振动图像和波动图像为 主，主要涉及的知识为 波速、 波长和频率(周期) 的关系。 (2)光学部分以考查光的 折射定律和全反射、光 的干涉、衍射等知识为 主。 2.2021 年高考题型仍会 以选择题和计算题的形 式出现，选择题侧重考 查机械波的传播特点、 光学现象分析、电磁波 的特点等，如 2020 年山 东卷第 3 题、第 4 题和 第 9 题；计算题主要考 查光的折射、全反射的 综合应用，也可能会考 查振动和

2、波动的综合应 用。 3.本部分内容应加强对 基本概念和规律的理 解，抓住波的传播特点 和图像分析、光的折射 定律和全反射这两条主 线，兼顾振动图像和光 的特性(干涉、衍射、偏 振)、光的本性，强化典 型问题的训练，力求掌 握解决本部分内容的基 本方法。 二、熟记规律 高效突破 1振动 (1)物理量变化分析：以位移为桥梁，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。 (2)矢量方向分析：矢量均在其值为零时改变方向。 - 2 - (3)振动的方程：xAsin t。 (4)单摆周期公式为 T2 l g，单摆的周期与摆球的质量无关。 (5)受迫振动的频

3、率等于驱动力的频率，当驱动力的频率与系统的固有频率相等时，会发生共 振现象。 2波的形成与传播 (1)波在传播中的两点注意 波从一种介质进入另一种介质，频率(周期)是不变的；波在介质中的传播速度 v 由介质的性 质决定； 波速的计算：vf T，v x t(其中 x 为 t 时间内波沿传播方向传播的距离)。 (2)波的传播问题中的四个易错点 沿波的传播方向上各质点的起振方向与波源的起振方向一致。 介质中各质点随波振动，但并不随波迁移。 沿波的传播方向上波每个周期传播一个波长的距离。 在波的传播过程中，同一时刻如果一个质点处于波峰，而另一质点处于波谷，则这两个质 点一定是反相点。 (3)波的传播方

4、向与质点的振动方向的判断方法： “上下坡”法、 “同侧”法 、 “微平移”法。 3光的折射和全反射 (1)折射定律：光从真空进入介质时 nsin i sin r c v。 (2)全反射条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角等于或大于临界角 C，sin C1 n。 (3)在同一介质中，不同频率的光对应的折射率不同，频率越高，对应的折射率越大。 4波的干涉、衍射等现象 (1)干涉、衍射是波特有的现象。 干涉条件：频率相同、相位差恒定，振动方向相同； 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，或者比波长更小。 (2)两个振动情况相同的波源发生干涉时的振动加强区：rn(n0，1，2，)；

5、 振动减弱区：r(n1 2)(n0，1，2，)。 (3)光的干涉条纹特点：明暗相间，条纹间距 xl d。 研考向 提能力_考向研析_掌握应试技能 考向一 机械振动、机械波 1简谐运动的对称性和周期性 位移 x、回复力 F、加速度 a、速度 v 都随时间按“正弦”或“余弦”规律变化，它们的周期 均相同；振动质点来回通过相同的两点间所用时间相等；振动质点关于平衡位置对称的两点， x、F、a、v、动能 Ek、势能 Ep的大小均相等，其中 F、a 与 x 方向相反，v 与 x 的方向可能相 同也可能相反。 2波的传播方向与质点振动方向的互判 方法解读 图像演示 “上下 坡”法 沿波的传播方向， “上坡

6、”时质点向下振 动，“下坡”时质点向上振动 “同侧” 法 波形图上某点表示传播方向和振动方向 的箭头在图线同侧 - 3 - “微平 移”法 将波形沿传播方向进行微小的平移， 再由 对应同一x坐标的两波形曲线上的点来判 断振动方向 3.波动问题多解的原因 (1)波传播的周期性：在波的传播方向上相距波长整数倍的质点振动情况相同，因此质点的位 移、加速度、振动方向和波的形状出现了周期性的变化。 (2)波传播具有双向性：当波沿 x 轴方向传播时，波既可以沿 x 轴正方向传播，也可以沿 x 轴 负方向传播，导致多解。 典例 1 (多选)图(a)为一列简谐横波在 t0.20 s 时刻的波形图，P 是平衡位

7、置在 x1.0 m 处 的质点，Q 是平衡位置在 x4.0 m 处的质点；图(b)为质点 Q 的振动图像。下列说法正确的是 ( ) A在 t0.10 s 时，质点 Q 向 y 轴负方向运动 B从 t0.10 s 到 t0.25 s，该波沿 x 轴负方向传播了 6 m C从 t0.10 s 到 t0.25 s，质点 P 通过的路程为 30 cm D质点 Q 简谐运动的表达式为 y0.10sin 10t m 解析 图(b)为质点 Q 的振动图像，则知在 t0.10 s 时，质点 Q 正从平衡位置向波谷运动， 所以质点 Q 向 y 轴负方向运动，故 A 正确；在 t0.20 s 时，质点 Q 沿 y

8、 轴正方向运动，根据 “上下坡法”可知，该波沿 x 轴正方向传播，由图(a)知波长 8 m，由图(b)知周期 T0.2 s， 则波速为 v T 8 0.2 m/s40 m/s，从 t0.10 s 到 t0.25 s 经过的时间为 t0.15 s，则该波 沿 x 轴正方向传播的距离为 xvt400.15 m6 m，故 B 错误；从 t0.10 s 到 t0.25 s 经过的时间为 t0.15 s3 4T，由于 t0.10 s 时刻质点 P 不在平衡位置、波峰或波谷处，所以 质点 P 通过的路程不是 3A30 cm，故 C 错误；质点 Q 简谐运动的表达式为 yAsin 2 T t 0.10sin

9、2 0.2t m0.10sin 10t m，故 D 正确。 答案 AD 方法技巧 “一分、一看、二找”巧解波动图像与振动图像的综合问题 (1)分清振动图像与波动图像。只要看清横坐标即可，横坐标为 x 则为波动图像，横坐标为 t 则为振动图像如典例中的图(a)横坐标为 x，图(b)横坐标为 t。 (2)看清横、纵坐标的单位，尤其要注意单位前的数量级。 (3)找准波动图像对应的时刻如典例中图(a)为 t0.20 s 时刻的波形图。 找准振动图像对应的质点如典例中图(b)为质点 Q 的振动图像。 1(2020 高考山东卷)一列简谐横波在均匀介质中沿 x 轴负方向传播，已知 x5 4 处质点的振 动方

10、程为 yA cos(2 T t)，则 t3 4T 时刻的波形图正确的是( ) - 4 - 解析：由题意知，t0 时，x5 4 处的质点位于波峰(yA)，则 x0 处质点恰位于 y0 的平 衡位置，其波形如图中实线所示。 经 t3 4T 时，x0 处质点恰振动到最低点，其波形如图中虚线所示，比较可知选项 D 正确。 答案：D 2(2020 山东泰安高三下学期二模)如图所示为一列沿 x 轴正方向传播的简谐横波，在 t0 时 刻的波形，从此时刻开始，介质中的质点 P、Q 回到平衡位置的最短时间分别为 0.2 s、0.8 s。 下列说法正确的是( ) At1.5 s 时刻质点 P 正沿 y 轴的负方向

11、运动 Bt1.5 s 时刻质点 Q 加速度最大 C01.5 s 内质点 Q 发生的路程为 30 cm D01.5 s 内波传播的路程为 9 cm 解析：根据题意可知，P 回到平衡位置为 0.2 s 小于 Q 回到平衡位置的 0.8 s，说明 P 直接回到 平衡位置， 沿y轴的负方向运动， Q要先到达最高点， 再回到平衡位置， 该波的周期为T2(0.2 0.8)s2 s，由于3T 4 (1.50.2)sT 2，所以 t1.5 s 时刻质点 P 正沿 y 轴的正方向运动，故 A 错误；由于(1.50.8)s0.7 sT 2，所以 t1.5 s 时刻质点 Q 在波谷位置与平衡位置间，加速度 不是最大

12、，故 B 错误；01.5 s 内，质点 Q 不是从平衡位置、波峰或波谷处开始运动，如果 - 5 - 质点 Q 从最高点位置出发发生的路程为 x1.5 2 410 cm30 cm， 但是实际质点 Q 的路程要 小一点的，故 C 错误；由图像可知，波长为 12 cm，01.5 s 内波传播的路程为 st T，解 得 s9 cm，故 D 正确。 答案：D 3(多选)(2020 山东滨州高三下学期二模)图甲是一列沿 x 轴方向传播的简谐横波在 t0 时刻 的波形图，图乙是 x0.5 m 处质点的振动图像。下列说法正确的是( ) A此列波沿 x 轴正方向传播 B此波的波速为 1 m/s C此波的振幅为

13、8 cm Dx0.5 m 处质点在 01 s 内的路程为 8 cm 解析：当 t0 时刻 x0.5 m 处的质点向上运动，根据“上下坡”法得波沿 x 轴负方向传播， 故 A 错误；由题图可知，波长为 4 m，周期为 T4 s，则波速为 v T1 m/s，故 B 正确； 设此波的振幅为 A， x0.5 m 处质点的振动方程为 yAsin(2 T t 4)cm， 当 t0 时则有 Asin 4 cm 4 2 cm，解得 A8 cm，故 C 正确；x0.5 m 处质点在 01 s 内的路程为 s2(88sin 4)cm168 2 cm，故 D 错误。 答案：BC 4如图(a)，在 xy 平面内有两个

14、沿 z 方向做简谐振动的点波源 S1(0，4)和 S2(0，2)。两波源 的振动图线分别如图(b)和图(c)所示。 两列波的波速均为 1.00 m/s。 两列波从波源传播到点 A(8， 2)的路程差为_m，两列波引起的点 B(4，1)处质点的振动相互_(选填“加强” 或“减弱”)，点 C(0，0.5)处质点的振动相互_(选填“加强”或“减弱”)。 - 6 - 解析：点波源 S1(0，4)的振动形式传播到点 A(8，2)的路程为 L110 m，点波源 S2(0，2) 的振动形式传播到点 A(8，2)的路程为 L28 m，两列波从波源传播到点 A(8，2)的路程差 为 LL1L22 m。由于两列波

15、的波源到点 B(4，1)的路程相等，路程差为零，且 t0 时两 列波的波源的振动方向相反，所以两列波到达点 B 时振动方向相反，引起的点 B 处质点的振 动相互减弱。由振动图线可知，波动周期为 T2 s，波长 vT2 m。由于两列波的波源到 点 C(0，0.5)的路程分别为 3.5 m 和 2.5 m，路程差为 1 m，而 t0 时两列波的波源的振动方向 相反，所以两列波到达点 C 时振动方向相同，引起的点 C 处质点的振动相互加强。 答案：2 减弱 加强 考向二 光的折射和全反射 1光的折射和全反射三个公式 (1)nsin 1 sin 2(1、2 分别为入射角和折射角)。 (2)nc v(c

16、 为光速，v 为光在介质中的传播速度)。 (3)临界角公式：sin C1 n。 2光的折射和全反射题型的分析思路 (1)确定要研究的光线，有时需要根据题意分析、寻找临界光线和边界光线。 (2)找入射点，确认界面，并画出法线。 (3)明确两介质折射率的大小关系 若光疏光密：定有反射、折射光线。 若光密光疏：如果入射角大于或等于临界角，一定发生全反射。 (4)根据反射定律、折射定律列出关系式，结合几何关系，具体求解。 典例 2 如图甲所示是由某透明材料制成的横截面为正三角形的三棱镜。一细红色光束 SO 从空气中射向 AB 面，与 AB 成 45 角，经三棱镜折射后，从 AC 边射出，出射光线与 A

17、C 边夹 角也成 45 角，求： (1)这种透明材料的折射率； (2)若用这种材料制成如图乙所示的器具，左侧是半径为 R 的半圆，右侧是长为 4 2R、高为 2R 的长方体， 一束红色光从左侧 P 点沿半径方向射入器具。 要使光全部从器具的右端面射出， 则光在器具中传播所需最长时间是多少？已知光在空气中的传播速度为 c。 解析 (1)作出光路图，如图所示，由几何关系可知，光在三棱镜中的折射角 r 为 30 ，根据 光的折射定律有 nsin i sin r 得 n 2。 - 7 - (2)要使光从器具的右端面出射必须以全反射的方式传播，每次的入射角都大于或等于临界角， 但等于临界角时路程最大，时

18、间最长，如图所示。 第一次发生全反射，由几何关系知 sin Cl1 s1 1 n 得 s1nl1 设光经 N 次全反射从另一个端面射出，则在长方体内的总路程为 s1 s1s1s2s3snnl1nl24 2Rn 光在材料内传播的总路程 ss1s24 2RnR 光在材料内的传播速度 vc n 所以光在材料中最长传播的时间 ts v 4 2RnR c n 4 2Rn 2nR c 9 2R c 。 答案 (1) 2 (2)9 2R c 规律总结 几何光学临界问题的分析 (1)画出正确的光路图，从图中找出各种几何关系；利用好光路图中的临界光线，准确地判断 出恰好发生全反射的临界条件。 (2)充分考虑三角

19、形、圆的特点，运用几何图形中的边角关系、三角函数、相似三角形等，仔 细分析光传播过程中产生的几何关系。 (3)在全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即 vc n，利用 t l v求解光 的传播时间。 5(多选)(2020 高考山东卷)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE 为嵌在三棱镜内 部紧贴 BBCC 面的线状单色可见光光源，DE 与三棱镜的 ABC 面垂直，D 位于线段 BC 的中 点。图乙为图甲中 ABC 面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 2，只考虑由 DE 直接射 向侧面 AACC 的光线。下列说法正确的是( ) - 8 - A光从 AACC 面出射的区

20、域占该侧面总面积的1 2 B光从 AACC 面出射的区域占该侧面总面积的2 3 C若 DE 发出的单色光频率变小，AACC 面有光出射的区域面积将增大 D若 DE 发出的单色光频率变小，AACC 面有光出射的区域面积将减小 解析：根据 sin C1 n，得光线在 AC 面上发生全反射的临界角 C45 ，如图所示。从 AC 面上 射出的光线为射到 FC 区域的光线，由几何关系得 FC1 2AC，即有光线射出的区域占总面积 的一半，A 正确，B 错误；当单色光的频率变小时，折射率 n 变小，根据 sin C1 n知，临界角 C 变大，图中的 F 点向 A 点移动，故有光射出的区域的面积变大，C 正

21、确，D 错误。 答案：AC 6 (2020 福建南平高三第一次质检)如图， 一长方体透明玻璃砖在底部挖去半径为 R 的半圆柱， 玻璃砖长为 L。一束单色光垂直于玻璃砖上表面射入玻璃砖，且覆盖玻璃砖整个上表面，已知 该单色光在玻璃砖中的折射率为 n 2，在真空中的传播速度 c3.0108 m/s，求： (1)单色光在玻璃砖中的传播速度； (2)半圆柱面上有光线射出的表面积。 解析：(1)由 nc v得 vc n2.1210 8 m/s。 (2)光线经过玻璃砖上表面到达下方的半圆柱面出射时可能发生全反射，如图， 设恰好发生全反射时的临界角为 C，由折射定律 n 1 sin C - 9 - 得 C

22、4 则有光线射出的部分圆柱面的面积为 S2CRL 得 S 2RL。 答案：(1)2.12108 m/s (2) 2RL 7.如图所示，甲、乙两块透明介质，折射率不同，截面为1 4圆周，半径均为 R，对接成半圆。 一光束从 A 点垂直射入甲中， OA 2 2 R， 在 B 点恰好发生全反射， 从乙介质 D 点(图中未画出) 射出时，出射光线与 BD 连线间夹角为 15 。已知光在真空中的速度为 c，求： (1)乙介质的折射率； (2)光由 B 到 D 传播的时间。 解析：(1)如图，由几何关系知，甲介质中，临界角为 C甲45 甲介质折射率 n甲 1 sin C甲 解得 n甲 2 乙介质中，光束在

23、 D 点发生折射，入射角 i45 ，折射角 r60 得乙介质折射率 n乙sin r sin i 6 2 (2)光在甲介质中的传播速度为 v甲 c n甲 2 2 c 光在甲介质中的传播距离为 x甲 2 2 R - 10 - 光在甲介质中的传播时间为 t甲x 甲 v甲 解得 t甲R c 光在乙介质中的传播速度为 v乙 c n乙 6 3 c 光在乙介质中的传播距离为 x乙 2 2 R 光在乙介质中的传播时间为 t乙x 乙 v乙 解得 t乙 3R 2c 因此光由 B 到 D 传播的总时间为 tt甲t乙（2 3）R 2c 答案：(1) 6 2 (2)（2 3）R 2c 考向三 波特有的几种现象 1光波和

24、机械波都能发生的干涉、衍射、多普勒效应等现象，是波特有的现象。偏振现象是 横波的特有现象。要观察到稳定的干涉现象和明显的衍射现象需要满足一定的条件。 2光的色散问题 (1)在同一介质中，不同频率的光的折射率不同，频率越高，折射率越大。 (2)由 nc v，n 0 可知，光的频率越高，在介质中的波速越小，波长越小。 3对光的双缝干涉的理解 (1)由干涉条纹间距公式 xl d 知，当 l、d 相同时，x，可见光中的红光条纹间距最大， 紫光最小。 (2)干涉图样的间隔均匀，亮度均匀，中央为亮条纹。 (3)如用白光做实验，中间亮条纹为白色，亮条纹两边为由紫到红的彩色。 典例 3 (多选)以下物理学知识

25、的相关叙述中，正确的是( ) A交警通过发射超声波测量车速是利用了波的多普勒效应 B用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的偏振 C通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，说明光具有波动性 D红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线 解析 交警通过发射超声波测量车速是利用了波的多普勒效应，从汽车上反射回的超声波的 频率发生了变化，故 A 正确；用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的干 涉，故 B 错误；通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，是波的衍射现象，说明 光具有波动性，故 C 正确；红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体也能辐射红外

26、线， 故 D 错误。 答案 AC 8(2019 高考北京卷)利用图 1 所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得 到如图 2 中甲和乙两种图样。下列关于 P 处放置的光学元件说法正确的是( ) - 11 - A甲对应单缝，乙对应双缝 B甲对应双缝，乙对应单缝 C都是单缝，甲对应的缝宽较大 D都是双缝，甲对应的双缝间距较大 解析：单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距 相等。根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样， 选项 A 正确。 答案：A 9(2020 高考山东卷)双缝干涉实验装置的截面图如图所示。光源

27、S 到 S1、S2的距离相等，O 点为 S1、S2连线中垂线与光屏的交点。光源 S 发出的波长为 的光，经 S1出射后垂直穿过玻 璃片传播到 O 点，经 S2出射后直接传播到 O 点，由 S1到 O 点与由 S2到 O 点，光传播的时间 差为 t。玻璃片厚度为 10，玻璃对该波长光的折射率为 1.5，空气中光速为 c，不计光在玻 璃片内的反射。以下判断正确的是( ) At5 c Bt15 2c Ct10 c Dt15 c 解析：无玻璃片时，光传播 10 所用时间为 t110 c 有玻璃片时，光传播 10 所用时间为 t210 v 且 vc n c 1.5 联立式得 tt2t15 c ，选项 A

28、 正确。 答案：A 10(多选)光是人出生第一眼见到的物质，可是迄今为止人们还不能说对光有了深入的了解。 下列对光的认识正确的是( ) A光垂直界面射入另一种介质时仍沿直线传播，因此其传播速度也不变 B海市蜃楼等现象说明有时眼见也不为实 C由于同种介质对不同颜色的光的折射率不同，导致复色光通过三棱镜时发生色散现象 D光的干涉说明光具有波动性 - 12 - 解析：光垂直界面射入另一种介质时虽然仍沿直线传播，但其传播速度一定发生变化，且变 化遵循折射规律，A 错误；海市蜃楼是由于光的折射引起的，不是实际情景，B 正确；由于同 种介质对不同色光的折射率不同，导致复色光通过三棱镜时，不同色光的折射角不

29、同而分离 发生色散，C 正确；干涉是波的特性，因此光的干涉说明光具有波动性，D 正确。 答案：BCD 11(多选)下列说法正确的是( ) A只有横波才能产生干涉、衍射现象 B均匀变化的磁场产生均匀变化的电场向外传播就形成了电磁波 C泊松亮斑支持了光的波动说，牛顿环是光的干涉产生的 D用同一实验装置观察双缝干涉现象，光的波长越大，光的双缝干涉条纹间距就越大 解析：任意波，只要频率相同， 均能产生干涉现象， A 错误；均匀变化的磁场产生稳定的电场， 稳定的电场不能再产生磁场，故不能激发电磁波，B 错误；泊松亮斑是衍射现象，支持了光的 波动说，牛顿环是光的干涉产生的，C 正确；根据干涉条纹间距公式 xL d ，用同一实验装 置观察，光的波长越大，光的双缝干涉条纹间距就越大，D 正确。 答案：CD