专题21.1简谐振动与机械波（讲）-2021年高考物理一轮讲练测（解析版）.docx

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1、专题21、1简谐振动与机械波【讲】考点风向标第一部分：考点梳理考点一、简谐运动的特征考点二、简谐运动的公式和图象考点三、单摆及单摆周期公式的应用考点四、实验：探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度考点五、波的传播与图象考点六、振动图象与波动图象的综合应用考点七、波的多解问题考点八、波的衍射、干涉和多普勒效应考点一、简谐运动的特征1动力学特征：Fkx，“”表示回复力的方向与位移方向相反，k是比例系数，不一定是弹簧的劲度系数。2运动学特征：当物体靠近平衡位置时，x、a都减小，v增大；当物体远离平衡位置时，x、a都增大，v减小。3能量特征：对单摆和弹簧振子来说，振幅越大，能量越大。在运动过程中，动能和

2、势能相互转化，机械能守恒。4周期性特征：物体做简谐运动时，其位移、回复力、加速度、速度等矢量都随时间做周期性变化，它们的变化周期就是简谐运动的周期(T)；物体的动能和势能也随时间做周期性变化，其变化周期为。5对称性特征(1)如图所示，振子经过关于平衡位置O对称的两点P、P时(OPOP)，速度的大小、动能、势能相等，相对于平衡位置的位移大小相等。(2)振子由P到O所用时间等于由O到P所用时间，即tPOtOP。(3)振子往复过程中通过同一段路程(如OP段)所用时间相等，即tOPtPO。（典例应用1）(多选)弹簧振子在光滑的水平面上做简谐运动，在弹簧振子向着平衡位置运动的过程中_。A弹簧振子所受的回

3、复力逐渐减小B弹簧振子相对平衡位置的位移逐渐减小C弹簧振子的速度逐渐增大D弹簧振子的速度逐渐减小E弹簧振子的加速度逐渐增大【解析】：弹簧振子向着平衡位置运动的过程中，运动位移逐渐减小，则回复力逐渐减小，选项A、B正确；回复力与位移成正比，回复力逐渐减小，加速度也逐渐减小，但向着平衡位置运动的过程中一直加速，所以速度不断增加，选项C正确，而选项D、E错误。【答案】：ABC（典例应用2）(多选)一弹簧振子沿x轴做简谐运动，平衡位置在坐标原点，t0时刻振子的位移x m；t s时刻振子刚好第2次经过x m的位置且速度为零。下列有关该振子的运动问题的说法正确的是_。A振幅为 mB周期为 sC s内的路程

4、是 mDt s时刻的位移为 mEt0到t s时间内的位移是 m【解析】：t s时刻振子处在正向最大位移处，得t0时刻在负向最大位移处，则振幅为 m，选项A、E均正确；由于是第二次到正向最大位移处，所以 s，T s，选项B错误；一个周期经过的路程是4个振幅，选项C正确；t s时刻振子位于平衡位置，选项D错误。 【答案】：ACE考点二、简谐运动的公式和图象图象信息(1)由图象可以得出质点做简谐运动的振幅、周期。(2)可以确定某时刻质点离开平衡位置的位移。(3)可以根据图象确定某时刻质点回复力、加速度和速度的方向。回复力和加速度的方向：因回复力总是指向平衡位置，故回复力和加速度在图象上总是指向t轴。

5、速度的方向：速度的方向可以通过下一时刻位移的变化来判断，下一时刻位移如增加，振动质点的速度方向就是远离t轴，下一时刻位移如减小，振动质点的速度方向就是指向t轴。（典例应用3）(多选)简谐运动的振动图线可用下述方法画出：如图甲所示，在弹簧振子的小球上安装一支绘图笔P，让一条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运动，笔P在纸带上画出的就是小球的振动图象。取振子水平向右的方向为振子离开平衡位置的位移正方向，纸带运动的距离代表时间，得到的振动图线如图乙所示。则下列说法正确的是_。A弹簧振子的周期为4 sB弹簧振子的振幅为10 cmCt17 s时振子相对平衡位置的位移是10 cmD若纸带运动的速度为2

6、cm/s，振动图线上1、3两点间的距离是4 cmE s时振子正在向x轴正方向运动【解析】：由题图知，弹簧振子的周期为T4 s，振幅为10 cm，选项A、B正确；由周期性知，t17 s时振子相对平衡位置的位移与t1 s时振子相对平衡位置的位移相同，均为0，选项C错误；若纸带运动的速度为2 cm/s，振动图线上1、3两点间的距离svt2 cm/s2 s4 cm，选项D正确；x t图象的斜率表示速度，斜率的正负表示速度的方向，则 s时振子的速度为负，正在向x轴负方向运动，选项E错误。 【答案】：ABD（典例应用4）一个质点经过平衡位置O，在A、B间做简谐运动，如图甲所示，它的振动图象如图乙所示，设向

7、右为正方向，则()(1)OB_cm。(2)第 s末质点的速度方向是_，加速度的大小为_。(3)第 s末质点的加速度方向是_。(4)第 s时，质点位置在_点与_点之间。(5)质点振动的周期T_s。(6)在4 s内完成_次全振动。【解析】：(1)从图象上可以看出振幅是5 cm。所以OB5 cm。(2)根据正方向的规定及振动图象可知，质点从位置B开始计时，第 s末，质点回到平衡位置O，向负方向运动，所以此时速度方向从O指向A，位移为零，由Fkx可知回复力为F0，所以加速度a0。(3)第 s末质点到达A点，位移为负，回复力F应为正，此时加速度方向由A指向O。(4)第 s时，质点从平衡位置向B位置运动，

8、则质点在O点和B点之间。(5)根据图象可知，振动周期为T s。(6)在4 s内完成全振动的次数为n 5次。 【答案】：(1)5(2)由OA0(3)AO(4)OB(5)(6)5考点三、单摆及单摆周期公式的应用1单摆模型指符合单摆规律的模型，满足条件(1)圆弧运动。(2)小角度(小于5)摆动。(3)回复力满足Fkx。2对单摆周期公式T2 的理解(1)公式成立的条件是单摆的摆角必须小于5。(2)单摆的振动周期在振幅较小的条件下，与单摆的振幅无关，与摆球的质量也无关。(3)周期公式中摆长为l：摆长l是指摆动圆弧的圆心到摆球重心的距离，而不一定为摆线的长。（典例应用5）(多选)如图是均匀小球做单摆运动，

9、平衡位置为O点，A、B为最大位移处，M、N点关于O点对称。下列说法正确的是_。A小球受重力、绳子拉力和回复力B小球所受合外力就是单摆的回复力C小球在O点时合外力不为0，回复力为0D小球经过M点的位移与小球在N的位移大小相等、方向相反E小球在A、B两点仍受绳子拉力【解析】：物体只受两个力：重力、绳子拉力，A错；回复力的大小为振动方向上的合外力，对于单摆，它是重力沿运动方向的分力，因为小球做的是圆周运动，所以法向合外力等于向心力，B错；平衡位置是指回复力为0的位置，但合外力不一定是0，比如在单摆O点，回复力为0，但由于在做圆周运动，法向合外力是指向圆心的，C正确；位移既有大小，也有方向，根据运动的

10、对称性可知，选项D正确；在最大位移处，小球不做圆周运动，法向合外力为0，所以绳子拉力等于重力在法向的分力，所以E正确。选C、D、E。【答案】：CDE（典例应用6）(多选)某实验小组在研究单摆时改进了实验方案，将一力传感器连接到计算机上。图甲中O点为单摆的固定悬点，现将小摆球(可视为质点)拉至A点，此时细线处于张紧状态，释放摆球，则摆球将在竖直平面内的A、B、C之间来回摆动，其中B点为运动中的最低位置，AOBCOB，小于10且是未知量。同时由计算机得到了摆线对摆球的拉力大小F随时间t变化的曲线图乙(Fmax、Fmin、t1、t2均为已知量)，且图中t0时刻为摆球从A点开始运动的时刻(重力加速度为

11、g)。根据题中(包括图中)所给的信息，下列说法正确的是_。A该单摆的周期为t2B根据题中(包括图中)所给的信息可求出摆球的质量C根据题中(包括图中)所给的信息不能求出摆球在最低点B时的速度D若实验时，摆球做了圆锥摆，则测得的周期变长E若增加摆球的质量，摆球的周期不变【解析】：由乙图可知单摆的周期Tt2，故选项A正确；在B点拉力有最大值，根据牛顿第二定律Fmaxmgm；在A、C两点有拉力最小值，Fminmgcos 。由A到B机械能守恒，即mgl(1cos )mv2，由此可求得摆球的质量m，故选项B正确，选项C错误；若实验时，摆球做了圆锥摆，则周期的表达式为T2 ，显然周期变小，故选项D错误，根据

12、单摆周期公式T2 可知，单摆周期与摆球质量无关，故选项E正确。【答案】：ABE考点四、实验：探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度1 实验原理与操作2数据处理与分析(1)数据处理公式法：g，算出重力加速度g的值，再算出g的平均值。图象法：作出l T2图象求g值。(2)误差分析产生原因减小方法偶然误差测量时间(单摆周期)及摆长时产生误差多次测量再求平均值计时从单摆经过平衡位置时开始系统误差主要来源于单摆模型本身摆球要选体积小，密度大的最大摆角要小于10（典例应用7）根据单摆周期公式T2 ，可以通过实验测量当地的重力加速度。如图甲所示，将细线的上端固定在铁架台上，下端系一小钢球，就做成了单摆。（1）

13、用游标卡尺测量小钢球直径，示数如图乙所示，读数为_mm。(2)(多选)以下是实验过程中的一些做法，其中正确的有_。A摆线要选择细些的、伸缩性小些的，并且尽可能长一些B摆球尽量选择质量大些、体积小些的C为了使摆的周期大一些，以方便测量，开始时拉开摆球，使摆线相距平衡位置有较大的角度D拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5，在释放摆球的同时开始计时，当摆球回到开始位置时停止计时，此时间间隔t即为单摆周期TE拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5，释放摆球，当摆球振动稳定后，从平衡位置开始计时，记下摆球做50次全振动所用的时间t，则单摆周期T【解析】：(1)先从主尺读出整数部分刻度为18 mm，然后从游

14、标尺读出小数部分刻度为 mm，所以小钢球直径为 mm。(2)在该实验中，摆球的摆角不要太大，偏离平衡位置不大于5，C错误，为了尽量减少实验误差，摆球应该选择质量大、体积小的小球；摆线要选择质量小、不易伸长、长度大一些的细绳；摆球摆动稳定后，从平衡位置开始计时，摆球两次经过平衡位置为一次全振动，A、B、E三项正确，D项错误。【答案】：(1)(2)ABE考点五、波的传播与图象波动图象的信息(如图所示)(1)直接读取振幅A和波长，以及该时刻各质点的位移。(2)确定某时刻各质点加速度的方向，并能比较其大小。(3)结合波的传播方向可确定各质点的振动方向或由各质点的振动方向确定波的传播方向。2波速与波长、

15、周期、频率的关系vf。（典例应用8）(多选)一列自右向左传播的简谐横波，在t0时刻的波形图如图所示，此时坐标为(1,0)的质点刚好开始运动，在t s时刻，质点P在t0时刻后首次到达波峰位置，质点Q的坐标是(一3,0)，则下列说法正确的是_。A液体的饱和汽压只与液体的性质和温度有关，而与体积无关A在t0时刻，质点P的速度方向沿y轴负方向B这列波的传播速度为 m/sC在0 s时间内，质点A运动的路程为 mD在t s时刻，质点Q首次到达波峰位置E这列波的波源起振方向沿y轴正方向【解析】：根据t0时刻的波形图，可知波长4 cm，在t0时刻质点P沿y轴负方向运动，质点P的速度方向沿y轴负方向，选项A正确

16、；在t s时，质点P在t0时刻后首次到达波峰位置，说明波动周期T s，这列波的传播速度为v10 cm/s m/s，选项B错误；在0 s时间，即 T时间内，质点A运动的路程为3个振幅，即38 cm24 cm m，选项C错误；在t s时，波沿x轴负方向传播了5 cm，质点Q首次到达波峰位置，选项D正确；根据波形图和传播方向可知，这列波的波源起振方向沿y轴正方向，选项E正确。【答案】：ADE（典例应用9）两列简谐横波的振幅都是20 cm，传播速度大小相同。实线波的频率为2 Hz，沿x轴正方向传播，虚线波沿x轴负方向传播。某时刻两列波在如图所示区域相遇，则_。A在相遇区域会发生干涉现象B实线波和虚线波

17、的频率之比为32C平衡位置为x6 m处的质点此刻速度为零D平衡位置为x m处的质点此刻位移y20 cmE从图示时刻起再经过 s，平衡位置为x5 m处的质点的位移y20 cm，D项正确。v实v虚实f实8 m/s，经 s波传播的距离s8 m2 m，再结合题图分析可知，E项正确。【答案】：BDE方法总结波的传播方向与质点的振动方向的判断方法内容图象上下坡法沿波的传播方向，上坡时质点向下振动，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微平移法将波形图沿传播方向进行微小平移，再由x轴上某一位置的两波形曲线上的点来判定考点六、振动图象与波动图象的综合应用求解波动图象与振动图

18、象综合类问题可采用“一分、一看、二找”的方法（典例应用10）(多选)一列沿着x轴正方向传播的横波，在t0时刻的波形如图甲所示，图甲中某质点的振动图象如图乙所示。下列说法正确的是_。A图乙表示质点L的振动图象B该波的波速为 m/sCt8 s时质点M的位移为零D在4 s内质点K所经过的路程为 mE质点L经过1 s沿x轴正方向移动 m【解析】：由题图甲及波沿x轴正方向传播可知，t0时刻质点L经过平衡位置向上振动，故A正确；由题图甲读出波长2 m，由题图乙读出周期T4 s，则该波的波速v m/s m/s，故B正确；t8 s2T，所以t8 s时质点M的位移与开始时的位移相同，为负的最大值，故C错误；由于

19、T4 s，所以在4 s内K质点所经过的路程为4倍的振幅，为 m，故D正确；横波中，各质点振动的方向与波的传播方向垂直，所以不可能沿x轴方向运动，故E错误。【答案】：ABD（典例应用11）图甲为一列简谐横波在某一时刻的波形，图乙为介质中x2 m处的质点P以此时刻为计时起点的振动图象。下列说法正确的是_。A这列波的传播方向是沿x轴正方向B这列波的传播速度是20 m/sC经过 s，质点P沿x轴的正方向传播了3 mD经过 s，质点Q的运动方向沿y轴正方向E经过 s，质点Q距平衡位置的距离小于质点P距平衡位置的距离【解析】：由题中甲、乙两图可知，该波向x轴正方向传播，A正确；由题图甲知波长4 m，由题图

20、乙知周期T s，则波速v m/s20 m/s，B正确；质点不随波迁移，只在其平衡位置附近振动，C错误； sT，经过质点Q的运动方向沿y轴负方向，D错误； s1T，质点P到达波峰，而质点Q在波谷与平衡位置之间，故E正确。【答案】：ABE（典例应用12）如图甲所示为一列简谐横波在t s时的波形图，图乙为质点A的振动图象，则下列判断正确的是_。A该简谐波沿x轴负方向传播B这列波的传播速度为 m/sC从t s开始，质点P比质点Q先回到平衡位置D从t s开始，再经过t s后质点A传播到了坐标原点处E从t s开始，紧接着的t s的时间内质点A通过的路程为10 cm【解析】：由题图乙知t s时，质点A的振动

21、方向是向下的，由“上下坡法”可知此波是沿x轴负方向传播的，A对；由题图甲知波长8 m，由题图乙知该波的周期T s，所以该波的波速为v m/s，B对；由波上各质点的振动情况可知在此时质点P向上振动，质点Q向下振动，但P离波峰距离大，应后回到平衡位置，C错；因波传播的是能量和波形，质点本身并不随波传播，D错； s是半个周期，所以质点A通过的路程s2A10 cm，E对。【答案】：ABE考点七、波的多解问题造成波的问题多解的主要因素有(1)周期性时间周期性：时间间隔t与周期T的关系不明确。空间周期性：波传播距离x与波长的关系不明确。(2)双向性传播方向双向性：波的传播方向不确定。振动方向双向性：质点振

22、动方向不确定。(3)波形的隐含性形成多解在波动问题中，往往只给出完整波形的一部分，或给出几个特殊点，而其余信息均处于隐念状态。这样，波形就有多种情况，形成波动问题的多解性。（典例应用13）(多选)如图所示为一列向左传播的横波的图象，图中实线表示t时刻的波形，虚线表示又经t s时刻的波形，已知波长为2 m，下列说法正确的是_。A波的周期的最大值为2 sB波的周期的最大值为 sC波的速度的最小值为9 m/sD这列波不能发生偏振现象E这列波遇到直径r1 m的障碍物会发生明显的衍射现象【解析】： m ，因波向左传播，则由图象可知波向左传播的距离为(n0、1、2)，所以 sT(n0、1、2)，n0时，周

23、期最大，为Tm s，波速最小，为vmin9 m/s，所以A错误，B、C正确。横波可以发生偏振现象，D错误。因为障碍物的直径r1 m2 m，则这列波遇到此障碍物可以发生明显的衍射现象，E正确。【答案】：BCE（典例应用14）(多选)一列简谐横波沿x轴传播。在x12 m处的质点a的振动图线如图甲所示，在x18 m处的质点b的振动图线如图乙所示。下列判断正确的是_。(填正确答案标号)A质点a在波谷时，质点b一定在平衡位置向y轴正方向振动B若波沿x方向传播，这列波的最大传播速度为3 m/sC若波沿x方向传播，这列波的最大波长为24 mD若波的传播速度为 m/s，则这列波沿x方向传播E若波的传播速度为1

24、 m/s，则这列波沿x方向传播【解析】：由图可知，波的周期为T8 s，A对；若波向x传播，波向右平移，得ab6 m，v右，B错，D对；若波向x传播，波向左平移，得ab6 m，v左，C对E错。【答案】：ACD（典例应用15）(多选)如图，一列简谐横波沿x轴正方向传播，实线为t0时的波形图，虚线为t s时的波形图。已知该简谐波的周期大于 s。关于该简谐波，下列说法正确的是_。A波长为2 mB波速为6 m/sC频率为 HzDt1 s时，x1 m处的质点处于波峰Et2 s时，x2 m处的质点经过平衡位置【解析】：A错：由简谐波的波动图象可知，波长为4 m。B对：t s时波向x轴正方向传播的距离为x(n

25、)(n0,1,2,3)，即t(n)T s(n0,1,2,3)，又T s，解之得T，当n0时，Ts，符合题意；当n1时，Ts s，不符合题意，则波速v6 m/s。C对：频率f Hz。D错：t0时x1 m处的质点处于波峰，因t1 s时n，则此时x1 m处的质点处于波谷。E对：t0时x2 m处的质点经过平衡位置向上振动，因t2 s时n3，则此时x2 m处的质点经过平衡位置向上振动。【答案】：BCE方法总结波的多解问题的一般思路(1)根据初、末两时刻的波形确定传播距离与波长的关系通式。(2)根据题设条件判断是唯一解还是多解。(3)根据波速公式v或vf求波速。(4)一般采用从特殊到一般的思维方法，即找出

26、一个周期内满足条件的关系t或x，若此关系为时间tnTt(n0,1,2,3，)或此关系为距离xnx(n0,1,2,3，)，可找到周期或波长的表达式。考点八、波的衍射、干涉和多普勒效应1波的干涉中振动加强点和减弱点的判断某质点的振动是加强还是减弱，取决于该点到两相干波源的距离之差r。(1)当两波源振动步调一致时：若rn(n0、1、2)，则振动加强；若r(2n1) (n0、1、2)，则振动减弱；(2)当两波源振动步调相反时：若r(2n1) (n0、1、2)，则振动加强；若rn(n0、1、2)，则振动减弱。2多普勒效应的成因分析(1)接收频率：观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个

27、数。(2)当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率变大，当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的频率变小。 （典例应用16）(多选)关于波的干涉、衍射等现象，下列说法正确的是_。A有的波只能发生干涉现象，有的波只能发生衍射现象B产生干涉现象的条件之一，就是两列波的频率相等C薄膜干涉条纹的产生是由于光在膜的前后两表面反射，形成的两列光波叠加的结果D屋外的人虽然看不到屋里的人，却能听到屋里人的声音，这属于波的衍射现象E泊松亮斑是光的干涉现象【解析】：干涉、衍射是波特有的现象，波可以发生干涉，也可以发生衍射，A错误；当两列波发生干涉时，两列波的频率相等，B正确；由于重力的影响，肥皂膜形成了上薄下

28、厚的薄膜，薄膜干涉条纹的产生是光在膜的前后两表面反射，形成的两列光波叠加的结果，C正确；屋外的人虽然看不到屋里的人，却能听到屋里人的声音，这属于声波的衍射现象，D正确；光通过小圆盘，在屏中央出现亮斑，说明光偏离原来直线方向传播，是光的衍射现象，E错误。【答案】：BCD（典例应用17）(多选)频率为600 Hz的声源以20 rad/s的角速度沿一半径为 m的圆周(圆心为O点)做匀速圆周运动，一观察者站在离圆心很远的P点且相对于圆心静止，如图所示，则观察者接收到_。A声源在A点时发出声音的频率大于600 HzB声源在B点时发出声音的频率等于600 HzC声源在C点时发出声音的频率等于600 HzD

29、声源在C点时发出声音的频率小于600 HzE声源在D点时发出声音的频率小于600 Hz【解析】：根据多普勒效应，当声源和观察者相向运动时，观察者接收到的频率大于声源的频率，当声源和观察者反向运动时，观察者接收到的频率小于声源的频率，将声源运动至A、B、C、D四个点时相对于观察者的速度方向标出来，A点有接近观察者的趋势，C点有远离观察者的趋势，声源在B、D两点的速度方向垂直O点与观察者的连线，故A、B、D正确、C、E错误。【答案】：ABD（典例应用18）(多选)如图(a)，在xy平面内有两个沿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 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_(填“加强”或“减弱”)，点C(0,处质点的振动相互_(填“加强”或“减弱”)。【解析】：波长vT2 m，两列波的波长相等。两波源到A点的路程差xm8m2m。两波源到B点的路程差xmm0，初相相差，B点为振动减弱点。两波源到C点的路程差x1m，初相相差，C点为振动加强点。【答案】：2减弱加强