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- 2021-05-14 发布
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专题18(选考3-4)
考题一 机械振动和机械波
1.判断波的传播方向和质点振动方向的方法
(1)特殊点法;(2)微平移法(波形移动法).
2.周期、波长、波速的计算
(1)周期:可根据质点的振动情况计算,若t时间内,质点完成了n次(n可能不是整数)全振动,则T=;还可根据公式T=计算.
(2)波长:可根据波形图确定,若l的距离上有n个(n可能不是整数)波长,则λ=
;也可根据公式λ=vT计算.
(3)波速:可根据波形传播的时间、距离计算v=;也可根据公式v=计算.
3.利用波传播的周期性、双向性解题
(1)波的图象的周期性:相隔时间为周期整数倍的两个时刻的波形相同,从而使题目的解答出现多解的可能.
(2)波传播方向的双向性:在题目未给出波的传播方向时,要考虑到波可沿正向或负向传播的两种可能性.
例1 如图1所示,实线是某时刻的波形图象,虚线是0.2 s后的波形图象,质点P位于实线波的波峰处.
图1
(1)若波向右以最小速度传播,求经过t=4 s质点P所通过的路程;
(2)若波速为35 m/s,求波的传播方向.
解析 (1)若波向右传播:
nT+T=0.2 s(n=0,1,2,3,…)
由v=可知周期最大时波速最小,当n=0时T最大值为 s
经过时间t=4 s,即经过15个整周期,故质点P通过的路程为s=15×4A=1.2 m
(2)若波向右传播:nT+T=0.2 s(n=0,1,2,3, …)
v=
当n=1时,波速为35 m/s,所以波可以向右传播
若波向左传播:nT+T=0.2 s
当n取0或其他任何正整数时,波速都不为35 m/s,所以波不会向左传播.
答案 (1)1.2 m (2)向右传播
变式训练
1.如图2甲为一列简谐横波在某一时刻的波形图,图乙为介质中x=2 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( )
图2
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/s
C.经过0.15 s,质点P沿x轴的正方向传播了3 m
D.经过0.1 s时,质点Q的运动方向沿y轴正方向
E.经过0.35 s时,质点Q距平衡位置的距离小于质点P距平衡位置的距离
答案 ABE
解析 由乙图读出,t=0时刻质点P的速度向下,由波形的平移法可知,波沿x轴正方向传播,故A正确;由图知:λ=4 m,T=0.2 s,则波速v== m/s=20 m/s,故B正确;简谐横波中质点在平衡位置附近振动,并不随着波迁移,故C错误;图示时刻Q点沿y轴正方向运动,t=0.1 s=T,质点Q的运动方向沿y轴负方向,故D错误;t=0.35 s=1.75T,经过0.35 s时,质点P到达波峰,而质点Q位于平衡位置与波谷之间,故质点Q距平衡位置的距离小于质点P距平衡位置的距离,故E正确.故选A、B、E.
2.如图3,a、b、c、d是均匀媒质中x轴上的四个质点,相邻两点的间距依次为2 m、4 m和6 m,一列简谐横波以2 m/s的波速沿x轴正向传播,在t=0时刻到达质点a处,质点a由平衡位置开始竖直向下运动,t=3
s时a第一次到达最高点.下列说法正确的是( )
图3
A.在t=6 s时刻波恰好传到质点d处
B.在t=5 s时刻质点c恰好到达最高点
C.质点b开始振动后,其振动周期为4 s
D.在4 s<t<6 s的时间间隔内质点c向上运动
E.当质点d向下运动时,质点b一定向上运动
答案 ACD
解析 ad距离为x=12 m,则波从a传到d的时间为t==6 s,即在t=6 s波恰好传到质点d处,故A正确;由题知T=3 s,得T=4 s,波从a传到c的时间为t== s=3 s,则在t=5 s质点c已振动了2 s,而c起振方向向下,故在t=5 s质点c恰好经过平衡位置向上运动,故B错误;质点b的振动周期等于质点a的振动周期,即为4 s,故C正确;在4 s<t<6 s的时间间隔内,质点c已振动了1 s,质点c正从波谷向波峰运动,即向上运动,故D正确;波长为λ=vT=8 m,bd间距离为10 m=1λ,结合波形得知,当质点d向下运动时,质点b不一定向上运动,故E错误.
3.一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t=0时刻的波形如图4所示,质点P的x坐标为3 m.己知任意振动质点连续2次经过平衡位置的时间间隔为0.4 s.下列说法正确的是( )
图4
A.波速为1 m/s
B.波的频率为1.25 Hz
C.x坐标为15 m的质点在t=0.2 s时恰好位于波峰
D.x坐标为22 m的质点在t=0.2 s时恰好位于波峰
E.当质点P位于波峰时,x坐标为17 m的质点恰好位于波谷
答案 BDE
解析 由题知,波的周期为T=2×0.4 s=0.8 s,由图得波长是 λ=4 m,则波速v==5 m/s,故A错误;f== Hz=1.25 Hz,故B正确;x=15 m处的质点与P点的振动情况始终相同,P质点经过t=0.2 s=T时间恰好经过平衡位置,则x坐标为15 m的质点在t=0.2 s时恰好位于平衡位置,故C错误;x坐标为22 m的质点到x=2 m质点的距离为:Δx2=22 m-2 m=20 m=5λ,t=0时刻x=2 m的质点向上振动,经过t=0.2 s=T时间恰好到达波峰,则x坐标为22 m的质点在t=0.2 s时恰好位于波峰位置,故D正确;x坐标为17 m的质点到P点的距离为:Δx1=17 m-3 m=14 m=3λ,则x坐标为17 m的质点与P点的振动情况始终相反,当质点P位于波峰时,x坐标为17 m的质点恰好位于波谷,故E正确.故选B、D、E.
考题二 光的折射和全反射
1.在解决光的折射问题时,应先根据题意分析光路,即画出光路图 ,找出入射角和折射角,然后应用公式来求解,找出临界光线往往是解题的关键.
2.分析全反射问题时,先确定光是否由光密介质进入光疏介质、入射角是否大于临界角,若不符合全反射的条件,则再由折射定律和反射定律确定光的传播情况.
3.在处理光的折射和全反射类型的题目时,根据折射定律及全反射的条件准确作出几何光路图是基础,利用几何关系、折射定律是关键.
4.明确两介质折射率的大小关系.
(1)若光疏→光密:定有反射、折射光线.
(2)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.
例2 如图5所示,玻璃棱镜ABC可以看成是由ABE、AEC两个直角三棱镜组成的,有关角度如图.一束频率为5.3×1014 Hz的单色细光束从AB面入射,在棱镜中的折射光线如图中ab所示,ab与AB面的夹角α=60°.已知光在真空中的速度c=3×108 m/s,玻璃的折射率n =1.5.
图5
(1)求光在棱镜中的波长;
(2)该束光线能否从AC面射出,请通过计算说明.
解析 (1)由n=,得
v== m/s=2×108 m/s
由v=λf,得λ== m≈3.77×10-7 m
(2)光路如图所示,ab光线在AC面的入射角为45°
设玻璃的临界角为C,则sin C==≈0.67
因sin 45°>0.67,故光线ab在AC面会发生全反射,不能从AC面射出.
答案 (1)3.77×10-7 m (2)见解析
变式训练
4.一半圆柱形透明物体横截面如图6所示,底面AOB镀银(图中粗线),O表示半圆截面的圆心.一束光线在横截面内从M点的入射角为30°,∠MOA=60°,∠NOB=30°.(已知sin 15°=)求:
图6
(1)光线在M点的折射角;
(2)透明物体的折射率.
答案 (1)15° (2)
解析 (1)如图,透明物体内部的光路为折线MPN,Q、M点相对于底面EF对称,Q、P和N三点共线.设在M点处,光的入射角为i,折射角为r,∠OMQ=α,∠PNF=β.根据题意有 α=30°
由几何关系得,∠PNO=∠PQO=r,则有:β+r=60°
且α+r=β
联立式得: r=15°
(2)根据折射率公式有 sin i=nsin r
得n=.
5.如图7所示,AOB是截面为圆形、半径为R的玻璃砖,现让一束单色光在横截面内从O
A靠近O点处平行OB射入玻璃砖,光线可从OB面射出;保持光束平行OB不变,逐渐增大入射点与O的距离,当入射点到达OA的中点E时,一部分光线经AB面反射后恰好未从OB面射出.不考虑多次反射,求玻璃的折射率n及OB上有光射出的范围.
图7
答案 2 R
解析 设光线经E点射到AB面时入射角为α,因E点为OA的中点
由几何知识可知入射角:α=30°
设临界角为C,则有C=30°
因恰好发生全反射,则:sin C=
解得:n=2
由题意可知,光从OE间入射时,可从OB上射出,则从E点入射时出射点距O最远,设为F,则:
OF=
得OF=R.
6.如图8所示为一顶角θ=90°的三棱镜截面,一束单色光从三棱镜AB边上的D点入射,若入射角由0逐渐增大,发现光线均能射到AC边,但当入射角大于45°时,在AC边左侧无光线射出(不考虑光线在BC、AC边的反射).求三棱镜的折射率.
图8
答案
解析 如图,入射光线经AB边D点折射进入三棱镜,折射角为γ,当入射角α=45°时,折射光线射到AC边恰好发生全反射,在AC边左侧无光线射出,
则由折射定律可得:n=
由临界角定义可得:sin C=
由几何关系得C+γ=θ
联立解得:n=.
考题三 光的几种特性
1.光的干涉现象和衍射现象证明了光的波动性,光的偏振现象说明光波为横波.相邻两亮条纹(或暗条纹)间的距离与波长成正比,即Δx=λ,利用双缝干涉实验可测量光的波长.
2.干涉和衍射的产生条件
(1)双缝干涉产生亮、暗条纹的条件:屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍时,该点干涉加强,出现亮条纹;当光程差等于半波长的奇数倍时,该点干涉减弱,出现暗条纹.
(2)发生明显衍射的条件:障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多或比光的波长小.
例3 2020年,科学家利用激光干涉方法探测到由于引力波引起的干涉条纹的变化,这是引力波存在的直接证据.关于激光,下列说法中正确的是( )
A.激光是自然界中某种物质直接发光产生的,不是偏振光
B.激光相干性好,任何两束激光都能发生干涉
C.用激光照射不透明挡板上小圆孔时,光屏上能观测到等间距的光环
D.激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图象的信息
答案 D
解析 激光是人造光,也是偏振光,故A错误;激光相干性好,只有频率相同的两束激光才会发生干涉,故B错误;用激光照射不透明挡板上小圆孔时,光屏上能观测到衍射条纹,间距不等,故C错误;激光全息照片是利用光的干涉记录下物体三维图象的信息,故D正确.故选D.
变式训练
7.如图9所示,光源S从水面下向真空斜射一束由红光和蓝光组成的复色光,在A点分成a、b两束,则下列说法正确的是( )
图9
A.a光是蓝光
B.射出水面前a光的传播速度大,射出水面后二者传播速度一样大
C.逐渐增大入射角,a光最先发生全反射
D.b光比a光更容易发生衍射现象
答案 B
解析 由图知,两光束的入射角i相同,折射角的关系为 ra<rb,根据折射定律n=得:折射率关系为 na<nb,由于蓝光的折射率比红光的大.则知a光是红光,b光是蓝光,故A错误;射出水面前a光的传播速度大,射出水面后,所有色光在真空传播速度都相同,都为c=3×108 m/s,故B正确;a光的折射率小,根据临界角公式sin C=
,可知,b光的临界角较小,则逐渐增大入射角时,b光的入射光先达到其临界角,最先发生全反射,故C错误;b光的折射率比a光的大,则b光的频率比a光的大,波长比a光的小,则a光比b光更容易发生衍射现象,故D错误.故选B.
8.如图10所示,实线表示两个相干波源S1、S2发出的波的波峰位置,设波的周期为T,波长为λ,波的传播速度为v,下列说法正确的是( )
图10
A.图中的a点为振动减弱点的位置
B.图中的b点为振动加强点的位置
C.v=λT
D.波源S1的波经过干涉之后波的性质完全改变
E.从图中时刻开始,波源S1的波峰传播到a、b位置的最短时间均为
答案 ABE
解析 由图知,a点到波源S1、S2的距离为2.5λ和4λ,路程差为Δs=1.5λ,则a点为振动减弱的位置,故A正确;b点到波源S1、S2的距离都是3.5λ,路程差为Δs=0,则b点为振动加强的位置,故B正确;v=,故C错误;频率相同时,才能发生干涉,而干涉为波的叠加,不会改变波的性质,故D错误;由T=,对波源S1,a、b两点均处于波谷位置,故波源S1的波峰传播到a、b位置的最短时间均为T,故E正确.故选A、B、E.
9.如图11所示,实线为空气和水的分界面,一束绿光从水中的A点沿AO1方向(O1点在分界面上,图中O1点和入射光线都未画出)射向空气,折射后通过空气中的B点,图中O点为A、B连线与分界面的交点.下列说法正确的是( )
图11
A.O1点在O点的右侧
B.绿光从水中射入空气中时,速度变大
C.若增大入射角,可能在空气中的任何位置都看不到此绿光
D.若沿AO1方向射向空气的是一束蓝光,则折射光线有可能通过B点正上方的C点
E.若沿AO1方向射向空气的是一束红光,则折射光线有可能通过B点正上方的C点
答案 BCE
解析 光由水射入空气中折射时折射角大于入射角,画出绿光的光路图如图所示,可见O1点在O点的左侧,故A错误;光在真空中速度最大,当绿光从水中射入空气中时,速度变大,故B正确;光由水中射入空气时,入射角增大到一定的值会发生全反射,则可能在空气中的任何位置都看不到绿光,故C正确;若沿AO1方向射向空气中的是一束蓝光,水对蓝光的折射率大于绿光的折射率,根据折射定律可知,蓝光的偏折程度大于绿光的偏折程度,所以折射光线不可能通过B点正上方的C点,故D错误;若沿AO1方向射向空气中的是一束红光,水对红光的折射率小于绿光的折射率,根据折射定律可知,红光的偏折程度小于绿光的偏折程度,所以折射光线有可能通过B点正上方的C点,故E正确.故选B、C、E.
专题规范练
1.(1)沿x轴正方向传播的一列简谐横波在t=0时刻的波形如图1所示,M为介质中的一个质点,该波的传播速度为40 m/s,则下列说法正确的是( )
图1
A.t=0.05 s时质点M相对平衡位置的位移一定为负值
B.t=0.05 s时质点M的速度方向与相对平衡位置的位移方向相反
C.t=0.025 s时质点M的加速度方向与速度方向一定相同
D.t=0.025 s时质点M的加速度方向与相对平衡位置的位移方向相同
E.质点M在0.05 s内通过的路程一定等于4 cm
(2)半径为R的固定半圆形玻璃砖的横截面如图2所示,O点为圆心,OO′为直径MN的垂线.足够大的光屏PQ紧靠在玻璃砖的右侧且与MN垂直.一束复色光沿半径方向与OO′成θ=30°角射向O点,已知复色光包含有折射率从n1=到n2=的光束,因而光屏上出现了彩色光带.
图2
①求彩色光带的宽度;
②当复色光入射角逐渐增大时,光屏上的彩色光带将变成一个光点,求此时θ的大小.
答案 (1)ACE (2)①(1-)R ②45°
解析 (1)从波的图象可以看出波长为λ=4 m,则周期为T== s=0.1 s;因为波沿x轴正方向传播,故质点M向上振动,经过0.05 s即半个周期,对平衡位置的位移为负,
故A正确;经过半个周期,速度方向也为负,与位移方向相同,故B错误;经过0.025 s,质点M沿y轴负方向振动,但还没有到达平衡位置,故加速度方向也为负,故C正确;加速度方向与位移方向总是反向,故D错误;半个周期内质点通过的路程总是振幅的2倍,故E正确.故选A、C、E.
(2)①由折射定律有n1=
n2=
代入数据解得:β1=45° β2=60°
故彩色光带的宽度为:Rtan 45°-Rtan 30°=(1-)R
②此时折射率为n1的单色光恰好发生全反射,故sin C==
即入射角θ=C=45°
2.(1)两列简谐横波Ⅰ和Ⅱ分别沿x轴正方向和负方向传播,两列波的波速大小相等,振幅均为5 cm.t=0时刻两列波的图象如图3所示,x=-1 cm和x=1 cm的质点刚开始振动.以下判断正确的是( )
图3
A.Ⅰ、Ⅱ两列波的频率之比为2∶1
B. t=0时刻,P、Q两质点振动的方向相同
C.两列波将同时传到坐标原点O
D.两列波的波源开始振动的起振方向相同
E.坐标原点始终是振动加强点,振幅为10 cm
(2)如图4所示,将半径为R的透明半球体放在水平桌面上方,O为球心,直径恰好水平,轴线OO′垂直于水平桌面.位于O点正上方某一高度处的点光源S发出一束与OO′的夹角θ=60°的单色光射向半球体上的A点,光线通过半球体后刚好垂直射到桌面上的B点,已知O′B=R,光在真空中传播速度为c,不考虑半球体内光的反射,求:
图4
①透明半球体对该单色光的折射率n;
②该光在半球体内传播的时间t.
答案 (1)ACD (2)① ②
解析 (1)由图知Ⅰ、Ⅱ两列波的波长之比为1∶2,波速相等,由v=λf可知,Ⅰ、Ⅱ两列波的频率之比为2∶1,故A正确;由“上、下坡法”知,t=0时Q向上振动,P向下振动,故B错误;两列波到O点的距离相同,波速相同,故同时传到O点,故C正确;由图可知,两列波的起振方向都向上,故D正确;由图可知,坐标原点并非始终是振动加强点,故E错误.故选A、C、D.
(2)①光从光源S射出经半球体到达水平桌面的光路如图所示:
光由空气射向半球体,由折射定律,有:n=
在△OCD中,sin ∠COD=得:γ=∠COD=60°
光由半球体射向空气,由折射定律,有:n=
则α=β,由几何知识α+β=60°
得:α=β=30°
则n==
②光在半球体中传播的速度为:v==c
由几何知识得 2ACcos 30°=R,得:AC=R
光在半球体中传播的时间为:t==.
3.(1)图5(a)为一列简谐横波在t=2 s时刻的波形图,图(b)为介质中平衡位置在x=1.5 m处的振动图象,P是平衡位置为x=2 m处的质点,下列说法正确的是( )
图5
A.波的传播方向向右
B.波速为0.5 m/s
C.0~2 s时间内,P运动的路程为8 cm
D.0~2 s时间内,P向y轴正方向运动
E.当t=7 s时,P点恰好回到平衡位置
(2)单色细光束射到折射率n=的透明球面,光束在过球心的平面内,入射角i=45°,研究经折射进入球内后,又经内表面反射一次,再经球面折射后射出的光线,如图6所示(图上已画出入射光和出射光).
图6
①在图上大致画出光线在球内的路径和方向;
②求入射光与出射光之间的夹角α.
答案 (1)BCE (2)①见解析图 ②30°
解析 (1)由图(b)知,x=1.5 m处的质点在t=2 s时振动方向向下,则该波向左传播,故A错误;由图(a)可知波长为2 m,由图(b)知周期为4 s,则波速为v==0.5 m/s,故B正确;在t=2 s时,质点P在波谷,且2 s=0.5T,则质点P运动的路程为2A=8 cm,故C正确;因波向左传播,由图(a)知在t=2 s时,质点P已经在波谷,则0~2 s时间内,P向y轴负方向运动,故D错误;当t=7 s时,Δt=5 s=1T,P恰好回平衡位置,故E正确.故选B、C、E.
(2)①光线从入射到出射的光路如图所示
②由折射定律n=得sin r===
所以r=30°
由几何关系及对称性得:=r-(i-r)=2r-i
所以α=4r-2i,把r=30°,i=45°代入得:α=30°
4.(1)如图7所示,横截面为半圆形玻璃砖,O点为圆心,OO′为直径PQ的垂线.已知玻璃砖的折射率n=,光在真空中的速度为c.则光线在该玻璃砖中的传播速度为________;一条与OO′连线成60°角的光线从玻璃砖的圆心射入玻璃砖,则光线从玻璃砖出射方向与最初入射方向的夹角为________.
图7
(2)如图8所示为一列简谐横波沿-x方向传播在t=0时刻的波形图,M、N两点的坐标分别为(-2,0)和(-7,0),已知t=0.5 s时,M点第二次出现波峰.
图8
①这列波的传播速度多大?
②从t=0时刻起,经过多长时间N点第一次出现波峰?
③当N点第一次出现波峰时,M点通过的路程为多少?
答案 (1)c 30° (2)①20 m/s ②0.55 s ③0.4 m
解析 (1)光线在玻璃砖中传播的速度为:v==c.根据折射定律得:n=得:r=30°,光线沿半径方向射向界面,则沿半径方向射出,可知光线从玻璃砖出射方向与最初入射方向的夹角为30°.
(2)①由图象知,波长 λ=4 m,M点与最近波峰的水平距离为6 m,距离下一个波峰的水平距离为s0=10 m,则波速为:v==20 m/s
②N点与最近波峰的水平距离为s=11 m,当最近的波峰传到N点时N点第一次形成波峰,历时为:t1== s=0.55 s
③该波中各质点振动的周期为:T==0.2 s,N点第一出现波峰时质点M振动了 t2=
s=0.4 s
则 t2=2T,质点M每振动经过的路程为5 cm,则当N点第一次出现波峰时,M点通过的路程为:s′=8×5 cm=40 cm=0.4 m.
5.(1)下列说法正确的是( )
A.光导纤维传输信号是利用光的干涉现象
B.全息照相利用了激光相干性好的特性
C.光的偏振现象说明光是横波
D.X射线比无线电波更容易发生干涉和衍射现象
E.刮胡须的刀片的影子边缘模糊不清是光的衍射现象
(2)如图9a所示,用一根不可伸长的轻质细线将小球悬挂于天花板上的O点,现将小球拉离平衡位置,使细线与竖直方向成一夹角(小于5°)后由静止释放.小球的大小和受到的空气阻力均忽略不计.
图9
①证明小球的运动是简谐运动;
②由传感器测得小球偏离平衡位置的位移随时间变化的规律如图b所示,求小球运动过程中的最大速度值.
答案 (1)BCE (2)①见解析 ②0.08π m/s
解析 (1)光导纤维传输信号是利用光的全反射现象,故A错误;全息照相利用了激光相干性好的特性,故B正确;光的偏振现象说明光是横波,故C正确;X射线比无线电波的波长短,则衍射现象不明显,故D错误;刮胡须的刀片的影子边缘模糊不清是光的衍射现象,故E正确.故选B、C、E.
(2)①证明:设摆长为l,小球离开平衡位置的位移为x时,细线和竖直方向夹角为θ ,小球重力的分力F1提供回复力,其大小
F1=mgsin θ
在偏角很小时sin θ≈
单摆的回复力与位移的关系
F回=-x
所以小球的运动是简谐运动
②根据图b可得小球偏离平衡位置的位移随时间变化的关系式x=0.08sin πt (m)
所以小球的速度随时间变化的规律为
v=0.08πcos πt (m/s)
则小球的最大速度 vm=0.08π m/s.