1、第十四章振動和波2018級福建省普通高中教學(xué)指導(dǎo)意見與2021年選擇考預(yù)測內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)1.通過觀察和分析,理解簡諧運(yùn)動的特征.能用公式和圖象描述簡諧運(yùn)動的特征.2.通過實驗,探究單擺的周期與擺長的關(guān)系.3.知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系.會用單擺測定重力加速度.4.通過實驗,認(rèn)識受迫振動的特點.了解產(chǎn)生共振的條件以及在技術(shù)上的應(yīng)用.5.通過觀察,認(rèn)識波是振動傳播的形式和能量傳播的形式.能區(qū)別橫波和縱波.能用圖象描述橫波.理解波速、波長和頻率(周期)的關(guān)系.6.通過實驗,認(rèn)識波的干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象.7.通過實驗感受多普勒效應(yīng).解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因.列舉多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實例.8.通過實例認(rèn)識

2、電磁波譜,知道光是電磁波.9.觀察光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象.知道產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象的條件.用雙縫干涉實驗測定光的波長.10.了解激光的特性和應(yīng)用.用激光觀察全息照相.實驗:探究單擺的運(yùn)動、用單擺測定重力加速度實驗:用雙縫干涉測光的波長選擇考預(yù)測根據(jù)福建省普通高中物理學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見,本章調(diào)整較大.在往年的全國卷及福建卷中都作為二選一的選考題出現(xiàn),只有一部分人選做.選修34考查2個題目,在全國卷中都是(1小1大,即一題選擇、一題計算),而在福建卷中則兩題都是選擇題,為了33和34的等值評價,福建卷的兩個選擇題屬于容易題,難度都在0.5以上.2021年選擇性考試改為福建本省自主命題且實行單科考試后

3、,考試時長和試題題量均會相應(yīng)增加,選修33和34 都變成必考題.預(yù)計2021年的考試中,簡諧運(yùn)動的圖象、波動圖象以及波的傳播規(guī)律、光的干涉與衍射等知識,必定出現(xiàn)在試題中,題型一般以選擇題形式出現(xiàn),通常一個題目中同時考查多個知識點,考查的知識面較大,但難度小.而對兩個實驗的考查在“1小1大”實驗布局中也有可能作為“小實驗”出現(xiàn).全國卷考情分析供老師參考考點內(nèi)容要求高考(全國卷)三年命題情況對照分析201720182019簡諧運(yùn)動卷t34(1):波的干涉加強(qiáng)點和減弱點的判斷t34(2):折射定律卷t34(1):雙縫干涉圖樣t34(2):折射定律卷t34(1):波動圖象t34(2):光的全反射、折射

4、定律卷t34(1):三棱鏡對色光的折射率、折射角t34(2):應(yīng)用波動圖象與振動圖象研究波的傳播卷t34(1):聲波在空氣、鋼鐵中的傳播速度和波長t34(2):折射定律、全反射定律卷t34(1):波動圖象t34(2):折射定律卷t34(1):應(yīng)用波動圖象與振動圖象研究質(zhì)點的振動t34(2):光的折射、全反射現(xiàn)象的計算卷考查題型為五項選擇題和計算題卷t34(1):單擺的周期公式、振動的圖象t34(2):用雙縫干涉測量光的波長卷考查題型為四項選擇題和實驗題卷t34(1):波的干涉t34(2):光的全反射、折射定律卷考查題型為五項選擇題和計算題簡諧運(yùn)動的公式和圖象單擺、單擺的周期公式受迫振動和共振機(jī)

5、械波、橫波和縱波橫波的圖象波速、波長和頻率(周期)的關(guān)系波的干涉和衍射現(xiàn)象多普勒效應(yīng)電磁波譜光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象實驗一:探究單擺的運(yùn)動、用單擺測定重力加速度實驗三:用雙縫干涉測光的波長第1節(jié)機(jī)械振動一、簡諧運(yùn)動1.定義:像彈簧振子那樣,如果物體所受回復(fù)力的大小與位移大小成正比,并且總是指向平衡位置,則物體的運(yùn)動叫做簡諧運(yùn)動.2.回復(fù)力(1)定義:總是指向平衡位置的力.(2)大小:與位移的大小成正比.(3)來源:屬于效果力,可以由某一個力提供,也可以由幾個力的合力或某個力的分力提供.3.平衡位置:物體在振動過程中回復(fù)力為零的位置.4.描述簡諧運(yùn)動的物理量定義意義位移由平衡位置指向質(zhì)點所在位置

6、的有向線段描述物體振動中某時刻相對于平衡位置的位置變化振幅振動物體離開平衡位置的最大距離描述振動的強(qiáng)弱和能量周期振動物體完成一次全振動所需時間描述振動的快慢,兩者互為倒數(shù):t=頻率振動物體單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)相位t+0描述周期性運(yùn)動在各個時刻所處的不同狀態(tài)二、簡諧運(yùn)動的公式和圖象1.表達(dá)式(1)動力學(xué)表達(dá)式:f=-kx,其中“-”表示回復(fù)力與位移的方向相反.(2)運(yùn)動學(xué)表達(dá)式:x=asin(t+0),其中a代表振幅,=2f表示簡諧運(yùn)動振動的快慢,(t+0)代表簡諧運(yùn)動的相位,0叫做初相.2.圖象(1)從平衡位置處開始計時,函數(shù)表達(dá)式為x=asin t,圖象如圖(甲)所示.(2)從最大位移

7、處開始計時,函數(shù)表達(dá)式為x=acos t,圖象如圖(乙)所示.三、簡諧運(yùn)動的兩種模型彈簧振子(水平)單擺示意圖簡諧運(yùn)動條件(1)彈簧質(zhì)量可忽略(2)無摩擦等阻力(3)在彈簧彈性限度內(nèi)(1)擺線為不可伸縮的輕細(xì)線(2)無空氣等對擺球的阻力(3)最大擺角小于5回復(fù)力彈簧的彈力擺球重力沿與擺線垂直(即切向)方向的分力平衡位置彈簧處于原長處最低點周期與振幅無關(guān)t=2能量轉(zhuǎn)化彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒重力勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒四、受迫振動和共振1.受迫振動在周期性外力作用下產(chǎn)生的振動,物體做受迫振動的周期(或頻率)等于驅(qū)動力的周期(或頻率),而與物體的固有周期(或頻率)無關(guān).2.共振

8、由圖知當(dāng)f=f固時振幅最大.3.受迫振動中系統(tǒng)能量的變化:受迫振動系統(tǒng)機(jī)械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進(jìn)行能量交換.1.思考判斷(1)簡諧運(yùn)動是勻變速運(yùn)動.()(2)簡諧運(yùn)動的回復(fù)力可以是恒力.()(3)單擺運(yùn)動到平衡位置時所受合力為0.()(4)物體做受迫振動時,其振動頻率與固有頻率無關(guān).()(5)簡諧運(yùn)動的圖象描述的是振動質(zhì)點的軌跡.()(6)做簡諧運(yùn)動的質(zhì)點先后通過同一點,回復(fù)力、速度、加速度、位移都是相同的.()2.(多選)下列說法正確的是(abd)a.在同一地點,單擺做簡諧振動的周期的二次方與其擺長成正比b.彈簧振子做簡諧振動時,振動系統(tǒng)的勢能與動能之和保持不變c.在同一地點,當(dāng)擺長不變

9、時,擺球質(zhì)量越大,單擺做簡諧振動的周期越小d.系統(tǒng)做穩(wěn)定的受迫振動時,系統(tǒng)振動的頻率等于周期性驅(qū)動力的頻率解析:根據(jù)單擺周期公式t=2可以知道,在同一地點,重力加速度g為定值,故周期的平方與其擺長成正比,故選項a正確;彈簧振子做簡諧振動時,只有動能和勢能參與轉(zhuǎn)化,根據(jù)機(jī)械能守恒條件可以知道,振動系統(tǒng)的勢能與動能之和保持不變,故選項b正確;根據(jù)單擺周期公式t=2可以知道,單擺的周期與質(zhì)量無關(guān),故選項c錯誤;當(dāng)系統(tǒng)做穩(wěn)定的受迫振動時,系統(tǒng)振動的頻率等于周期性驅(qū)動力的頻率,故選項d正確.3.(多選)有一個在y方向上做簡諧運(yùn)動的物體,其振動圖象如圖所示.下列關(guān)于圖(甲)、(乙)、(丙)、(丁)的判斷正

10、確的是(選項中v,f,a分別表示物體的速度、受到的回復(fù)力和加速度)(bc)a.(甲)可作為該物體的vt圖象b.(乙)可作為該物體的vt圖象c.(丙)可作為該物體的at圖象d.(丁)可作為該物體的at圖象解析:因為f=-kx,a=-,故圖(丙)可作為at圖象;而v隨x增大而減小,故vt圖象應(yīng)為圖(乙).選項b,c正確,a,d錯誤.4.某振動系統(tǒng)的固有頻率為f0,在周期性驅(qū)動力的作用下做受迫振動,驅(qū)動力的頻率為f.若驅(qū)動力的振幅保持不變,則下列說法正確的是(d)a.當(dāng)ff0時,該振動系統(tǒng)的振幅隨f減小而減小c.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f0d.該振動系統(tǒng)的振動穩(wěn)定后,振動的頻率等于f解

11、析:受迫振動的振幅a隨驅(qū)動力的頻率變化的規(guī)律如圖所示,當(dāng)ff0且f減小時,受迫振動的振幅增大,選項a,b錯誤;穩(wěn)定時系統(tǒng)的頻率等于驅(qū)動力的頻率,即選項c錯誤,d正確.考點一簡諧運(yùn)動的規(guī)律簡諧運(yùn)動的規(guī)律五個特征(1)動力學(xué)特征:f=-kx,“-”表示回復(fù)力的方向與位移方向相反,k是比例系數(shù),不一定是彈簧的勁度系數(shù).(2)運(yùn)動學(xué)特征:簡諧運(yùn)動的加速度與物體偏離平衡位置的位移大小成正比,而方向總是指向平衡位置,為變加速運(yùn)動,遠(yuǎn)離平衡位置時,x,f,a,ep均增大,v,ek均減小,靠近平衡位置時則相反.(3)運(yùn)動的周期性特征:相隔t或nt的兩個時刻物體處于同一位置且振動狀態(tài)相同.(4)對稱性特征相隔或

12、(n為正整數(shù))的兩個時刻,物體位置關(guān)于平衡位置對稱,位移、速度、加速度大小相等,方向相反.如圖所示,物體經(jīng)過關(guān)于平衡位置o對稱的兩點p,p(op=op)時,速度的大小、動能、勢能相等,相對于平衡位置的位移大小相等.物體由p到o所用時間等于由o到p所用時間,即tpo=top.物體往復(fù)過程中通過同一段路程(如op段)所用時間相等,即top=tpo.(5)能量特征:振動的能量包括動能ek和勢能ep,簡諧運(yùn)動過程中,系統(tǒng)動能與勢能相互轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒.例1 (2018福建廈門檢測)在下圖中,能正確表示質(zhì)點做簡諧運(yùn)動時所受回復(fù)力跟位移關(guān)系的是(b)解析:做簡諧運(yùn)動的物體的受力特征為f=-kx,故b

13、正確.針對訓(xùn)練(2019遼寧鞍山模擬)(多選)彈簧振子做簡諧運(yùn)動,o為平衡位置,當(dāng)它經(jīng)過點o時開始計時,經(jīng)過0.3 s,第一次到達(dá)點m,再經(jīng)過0.2 s第二次到達(dá)點m,則彈簧振子的周期不可能為(bd)a.0.53 sb.1.4 s c.1.6 sd.2 s解析:如圖(甲)所示,設(shè)o為平衡位置,ob(oc)代表振幅,振子從oc所需時間為.因為簡諧運(yùn)動具有對稱性,所以振子從mc所用時間和從cm所用時間相等,故=0.3 s+ s=0.4 s,解得t=1.6 s;如圖(乙)所示,若振子一開始從平衡位置向點b運(yùn)動,設(shè)點m與點m關(guān)于點o對稱,則振子從點m經(jīng)過點b到點m所用的時間與振子從點m經(jīng)過點c到點m所

14、需時間相等,即0.2 s.振子從點o到點m、從點m到點o及從點o到點m所需時間相等,為= s,故周期為t=0.5 s+ s0.53 s,所以周期不可能為選項b,d.考點二簡諧運(yùn)動的公式與圖象1.振動圖象的物理意義圖象描述的是振子相對平衡位置的位移隨時間變化的情況,不是物體的運(yùn)動軌跡.2.簡諧運(yùn)動的數(shù)學(xué)表達(dá)式x=asin(t+0)3.根據(jù)簡諧運(yùn)動圖象可獲取的信息(1)確定振動物體的振幅a和周期t.(如圖所示)(2)可以確定振動物體在任一時刻的位移.(3)確定各時刻質(zhì)點的振動方向.判斷方法:振動方向可以根據(jù)下一時刻位移的變化來判定.下一時刻位移若增加,質(zhì)點的振動方向是遠(yuǎn)離平衡位置;下一時刻位移若減

15、小,質(zhì)點的振動方向指向平衡位置.(4)比較各時刻質(zhì)點的加速度(回復(fù)力)的大小和方向.從圖象讀取x大小及方向f的大小及方向a的大小及方向(5)比較不同時刻質(zhì)點的勢能和動能的大小.質(zhì)點的位移越大,它所具有的勢能越大,動能則越小.例2 (2019廣東深圳模擬)一個質(zhì)點經(jīng)過平衡位置o,在a,b間做簡諧運(yùn)動,如圖(甲)所示,它的振動圖象如圖(乙)所示,設(shè)向右為正方向,下列說法正確的是(c)a.ob=10 cmb.第0.2 s末質(zhì)點的速度是aoc.第0.4 s末質(zhì)點的加速度方向是aod.第0.7 s末時質(zhì)點位置在o點與a點之間解析:由圖(乙)可知振幅為5 cm,則ob=oa=5 cm,a項錯誤;在00.2

16、 s內(nèi)質(zhì)點位移由正向最大逐漸減小,可知質(zhì)點從b向o運(yùn)動,第0.2 s末質(zhì)點的速度方向是oa,b項錯誤;經(jīng)過0.4 s質(zhì)點運(yùn)動到a點處,則此時質(zhì)點的加速度方向是ao,c項正確;經(jīng)過0.7 s時質(zhì)點位置在o與b之間,d項錯誤.簡諧運(yùn)動圖象能全面而詳細(xì)地反映做簡諧運(yùn)動物體的運(yùn)動情況,根據(jù)該圖象不僅可直接讀出運(yùn)動的周期、振幅和各個時刻的位移,還能由此推斷物體的速度、加速度、回復(fù)力的大小和方向以及動能、勢能的變化情況等等.其中,抓住質(zhì)點的位移及其變化情況,是分析其他各量變化情況的關(guān)鍵.1.(多選)用彈簧將一物塊懸掛于天花板上,使物塊在豎直方向做簡諧振動,以豎直向上為正方向,其振動圖象如圖所示,則(ad)

17、a.該簡諧振動的周期為2.0 sb.t=1.0 s和t=2.0 s兩個時刻物塊速度相同c.t=0.5 s和t=1.5 s兩個時刻彈簧的彈性勢能相等d.t=0.5 s和t=1.5 s兩個時刻物塊的加速度均為最大值解析:由圖知簡諧振動的周期為t=2.0 s,故a正確;由圖可知t=1.0 s和t=2.0 s兩個時刻物塊都在平衡位置,則兩個時刻的速度大小相等、方向相反,故b錯誤;在t=0.5 s質(zhì)點位于正的最大位移處,t=1.5 s時質(zhì)點位于負(fù)的最大位移處,由于物塊在平衡位置時,彈簧處于拉長狀態(tài),則兩個時刻彈簧的彈性勢能不相等,且負(fù)位移處彈性熱能大于正位移處彈性勢能,故c錯誤;t=0.5 s質(zhì)點位于正

18、的最大位移處,t=1.5 s時質(zhì)點位于負(fù)的最大位移處,兩時刻質(zhì)點的位移大小相等、方向相反,所以兩個時刻物塊的加速度大小相等,但方向相反,故d正確.2.一位游客在千島湖邊欲乘坐游船,當(dāng)日風(fēng)浪較大,游船上下浮動.可把游船浮動簡化成豎直方向的簡諧運(yùn)動,振幅為20 cm,周期為3.0 s.當(dāng)船上升到最高點時,甲板剛好與碼頭地面平齊.地面與甲板的高度差不超過10 cm時,游客能舒服地登船.在一個周期內(nèi),游客能舒服登船的時間是(c)a.0.5 s b.0.75 sc.1.0 s d.1.5 s解析:設(shè)振動圖象的表達(dá)式為y=20sin t,由題意可知,在一個周期內(nèi),當(dāng)y=10 cm時,有t1=或t2=,其中

19、= rad/s,解得t1=0.25 s或t2=1.25 s,則游客舒服登船時間t=t2-t1=1.0 s.考點三單擺及其周期公式1.對單擺的理解(1)回復(fù)力:擺球重力沿切線方向的分力,f回=-mgsin =-x=-kx,負(fù)號表示回復(fù)力f回與位移x的方向相反.(2)向心力:細(xì)線的拉力和重力沿細(xì)線方向的分力的合力充當(dāng)向心力,f向=ft-mgcos max.說明:當(dāng)擺球在最高點時,f向=0,ft=mgcos max.當(dāng)擺球在最低點時,f向=,f向最大,ft=mg+m.2.周期公式t=2的兩點說明(1)l為等效擺長,表示從懸點到擺球重心的距離.(2)g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?例3 (2019全國卷,34)如

20、圖,長為l的細(xì)繩下方懸掛一小球a.繩的另一端固定在天花板上o點處,在o點正下方l的o處有一固定細(xì)鐵釘.將小球向右拉開,使細(xì)繩與豎直方向成一小角度(約為2)后由靜止釋放,并從釋放時開始計時.當(dāng)小球a擺至最低位置時,細(xì)繩會受到鐵釘?shù)淖钃?設(shè)小球相對于其平衡位置的水平位移為x,向右為正.下列圖象中,能描述小球在開始一個周期內(nèi)的xt關(guān)系的是(a)解析:由t=2得擺長為l的單擺周期為t1=2,擺長為l的單擺周期為t2=2=t1,故b,d錯誤;擺長為l時,擺球離開平衡位置的最大位移為a1=2lsin ,擺長為l時,擺球離開平衡位置的最大位移為a2=2lsin =2sin =sin ,小球先后擺起的最大高度

21、相同,有a1sin =a2sin ,解得sin =2sin ,=2,故a正確,c錯誤.針對訓(xùn)練(多選)如圖所示,用絕緣細(xì)線懸掛的單擺,擺球帶正電,懸掛于o點,擺長為l,當(dāng)它擺過豎直線oc時便進(jìn)入或離開勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于單擺擺動的平面向里,a,b點分別是最大位移處.下列說法中正確的是(bc)a.a點高于b點b.擺球在a點和b點處線上的拉力大小相等c.單擺的振動周期仍為t=2d.單擺向右或向左擺過d點時,線上的拉力大小相等解析:擺球運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒,所以a,b在同一高度,選項a錯誤;擺球在b點不受洛倫茲力,與擺球在a點時受拉力大小相等,選項b正確;擺球在磁場中運(yùn)動時雖然受洛倫茲力,但洛倫

22、茲力總與速度方向垂直,不能提供回復(fù)力,所以不改變振動的周期,選項c正確;單擺向右或向左擺過d點時,速度大小相等,但洛倫茲力的方向相反,所以線上的拉力不相等,選項d錯誤.考點四受迫振動和共振1.自由振動、受迫振動和共振的關(guān)系比較自由振動受迫振動共振受力情況僅受回復(fù)力受驅(qū)動力作用受驅(qū)動力作用振動周期或頻率由系統(tǒng)本身性質(zhì)決定,即固有周期t固或固有頻率f固由驅(qū)動力的周期或頻率決定,即t=t驅(qū)或f=f驅(qū)t驅(qū)=t固或f驅(qū)=f固振動能量振動物體的機(jī)械能不變由產(chǎn)生驅(qū)動力的物體提供振動物體獲得的能量最大常見例子彈簧振子或單擺(5)機(jī)械工作時底座發(fā)生的振動共振篩、聲音的共鳴等2.對共振的理解(1)共振曲線如圖所示

23、,橫坐標(biāo)為驅(qū)動力的頻率f,縱坐標(biāo)為振幅a.它直觀地反映了驅(qū)動力的頻率對某固有頻率為f固的振動系統(tǒng)做受迫振動時振幅的影響,由圖可知,f與f固越接近,振幅a越大;當(dāng)f=f固時,振幅a最大.(2)受迫振動中系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化做受迫振動的系統(tǒng)機(jī)械能不守恒,系統(tǒng)與外界時刻進(jìn)行能量交換.例4 一個單擺在地面上做受迫振動,其共振曲線(振幅a與驅(qū)動力頻率f的關(guān)系)如圖所示,則下列說法正確的是(b)a.此單擺的固有周期約為0.5 sb.此單擺的擺長約為1 mc.若擺長增大,單擺的固有頻率增大d.若擺長增大,共振曲線的峰將向右移動解析:由共振曲線知此單擺的固有頻率為0.5 hz,則固有周期為2 s;由t=2,得擺長約

24、為1 m;若擺長增大,單擺的固有周期增大,固有頻率減小,則共振曲線的峰將向左移動,故b正確,a,c,d錯誤.針對訓(xùn)練在實驗室可以做“聲波碎杯”的實驗,用手指輕彈一個酒杯,可以聽到清脆的聲音,測得這個聲音的頻率為500 hz.將這個酒杯放在兩個大功率的聲波發(fā)生器之間,操作人員通過調(diào)整其發(fā)出的聲波,就能使酒杯碎掉,下列說法中正確的是(d)a.操作人員一定是把聲波發(fā)生器的功率調(diào)到很大b.操作人員可能是使聲波發(fā)生器發(fā)出了頻率很高的超聲波c.操作人員一定是同時增大了聲波發(fā)生器發(fā)出聲波的頻率和功率d.操作人員一定是將聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波頻率調(diào)到了500 hz解析:用聲波將酒杯擊碎,利用的是共振現(xiàn)象,而物體發(fā)生共振現(xiàn)象的條件為驅(qū)動力頻率與物體固有頻率相同.之前人用手指輕彈酒杯測得聲音頻率為500 hz,此頻率就是酒杯的固有頻率,所以操作人員應(yīng)該將聲波發(fā)生器的頻率調(diào)到500 hz,才能擊