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专题十四 振动和波动 光及光的波动性
江苏卷考情导向
考点 考题 考情
振动与
波动的
综合应
用
2017 年 T12(B)(2)考查波的传播特性
2015 年 T12(B)(1)(2)考查多普勒效应、波长、
波速及频率的关系
2014 年 T12(B)(2)考查探究单摆的周期与摆长
的关系
2013 年 T12(B)(1)考查产生共振的条件及其应
用
光的折
射、全
反射、
光的波
动性和
相对论
2017 年 T12(B)(1)(3)考查爱因斯坦狭义相对论、
光的折射定律和数学知识的综合应用
2016 年 T12(B)考查爱因斯坦狭义相对论、双
缝干涉的条纹间距与波长的关系
2015 年 T12(B)(3)考查光的折射定律
2014 年 T12(B)(1)(3)考查双缝干涉的条纹间距
与波长的关系、光的折射定律
2013 年 T12(B)(2)(3)考查爱因斯坦狭义相对论、
光的折射定律
高考热点:(1)考查简谐
运动的特点和波传播的
空间关系,题型为选择题
或计算题;(2)以常规模型
或实际生活材料为背景,
考查折射率、全反射等基
本规律的应用,题型为选
择题或计算题.
备考时:(1)深刻理解基本
概念和基本规律;(2)强化
应用类题目的训练;(3)加
强对光的干涉、衍射、多
普勒效应及相对论知识
的理解和训练.
考点 1| 振动与波动的综合应用 难度:中档题 题型:选择题、填空题和计
算题 五年 4 考
(对应学生用书第 79 页)
1.(2015·江苏高考 T 12(B)(1)(2))(1)(多选)一渔船向鱼群发出超声波,若鱼群正向渔
船靠近,则被鱼群反射回来的超声波与发出的超声波相比( )
【导学号:17214203】
A.波速变大 B.波速不变
C.频率变高 D.频率不变
(2)用 2×106 Hz 的超声波检查胆结石,该超声波在结石和胆汁中的波速分别
为 2 250 m/s 和 1 500 m/s,则该超声波在结石中的波长是胆汁中的________
倍.用超声波检查胆结石是因为超声波的波长较短,遇到结石时________(选
填“容易”或“不容易”)发生衍射.
【解析】 (1)渔船与鱼群发生相对运动,被鱼群反射回来的超声波的速度大
小不变;由多普勒效应知,反射回来的超声波的频率变高,故选项 B、C 正
确.
(2)由 v=λf 知,超声波在结石中的波长 λ1=v1
f
,在胆汁中的波长 λ2=v2
f
,则波
长之比:λ1
λ2
=v1
v2
=1.5.
超声波遇到结石时,其波长远小于结石的线度,则超声波遇到结石时不容易
发生衍射现象.
【答案】 (1)BC (2)1.5 不容易
2.(2017·江苏高考 T12(B)(2))野生大象群也有自己的“语言”.研究人员录下象群“语
言”交流时发出的声音,发现以 2 倍速度快速播放录音时,能听到比正常播
放时更多的声音.播放速度变为原来的 2 倍时,播出声波的______(选填“周
期”或“频率”)也变为原来的 2 倍,声波传播速度________(选填“变大”“变
小”或“不变”).
【解析】 播放速度加倍,其频率加倍,但声波传播速度由介质决定,与频
率无关.
【答案】 频率 不变
3.(2014·江苏高考 T12(B)(2))在“探究单摆的周期与摆长的关系”实验中,某同学
准备好相关实验器材后,把单摆从平衡位置拉开一个很小的角度后释放,同时
按下秒表开始计时,当单摆再次回到释放位置时停止计时,将记录的这段时间
作为单摆的周期.以上操作中有不妥之处,请对其中两处加以改正.
【解析】 ①应在摆球通过平衡位置时开始计时;②应测量单摆多次全振动
的时间,再计算出周期的测量值.(或在单摆振动稳定后开始计时)
【答案】 见解析
4.(2013·江苏高考 T 12(B)(1))如图 141 所示的装置,弹簧振子的固有频率是 4
Hz.现匀速转动把手,给弹簧振子以周期性的驱动力,测得弹簧振子振动达到
稳定时的频率为 1 Hz,则把手转动的频率为( )
图 141
A.1 Hz B.3 Hz
C.4 Hz D.5 Hz
A [根据受迫振动的频率等于驱动力的频率,选项 A 正确.]
“1 分,1 看”巧解两种图象问题
1 分:分清振动图象与波动图象,此问题最简单,只要看清横坐标即可,横
坐标为 x 则为波动图象,横坐标为 t 则为振动图象.
1 看:看清横、纵坐标的单位,尤其要注意单位前的数量级.
●考向 1 机械振动
1.(2017·盐城期中)一个在水平面内做简谐运动的弹簧振子,从第一次以不等于
零的速度经过非平衡位置的某点 a 时开始计时,下列说法中正确的是( )
A.到它第二次经过 a 点时,所需时间为半个周期
B.到它第二次经过 a 点时,所需时间为一个周期
C.到它第三次经过 a 点时,所需时间为一个周期
D.到它第三次经过 a 点时,所需时间为二个周期
C [振子从第一次以不等于零的速度经过非平衡位置的某点 a 时开始计时,
当振子再次经过 a 时,速度的方向一定与开始时的方向相反,所以经过的时
间可能大于半周期,也可能小于半个周期,但一定不等于半个周期或一个周
期,故 A 错误,B 错误.振子从第一次以不等于零的速度经过非平衡位置的
某点 a 时开始计时,当振子第三次经过 a 时,速度的方向一定与开始时的方
向相同,所以经过的时间一定是一个周期,故 C 正确,D 错误.]
2.(2017·苏州一模)如图 142 所示,在一条张紧的绳子上挂几个摆,其中 A、B
的摆长相等.当 A 摆振动的时候,通过张紧的绳子给 B、C、D 摆施加驱动力,
使其余各摆做受迫振动.观察 B、C、D 摆的振动发现( )
图 142
A.C 摆的频率最小
B.D 摆的周期最大
C.B 摆的摆角最大
D.B、C、D 的摆角相同
C [由 A 摆摆动从而带动其它 3 个单摆做受迫振动,受迫振动的频率等于驱
动力的频率,故其它各摆振动周期跟 A 摆相同,频率也相等,故 A、B 错误;
受迫振动中,当固有频率等于驱动力频率时,出现共振现象,振幅最大,由
于 B 摆的固有频率与 A 摆的相同,故 B 摆发生共振,振幅最大,故 C 正确,
D 错误.]
●考向 2 机械波
3.(2017·北京高考)某弹簧振子沿 x 轴的简谐运动图象如图 143 所示,下列描述
正确的是( )
图 143
A.t=1 s 时,振子的速度为零,加速度为负的最大值
B.t=2 s 时,振子的速度为负,加速度为正的最大值
C.t=3 s 时,振子的速度为负的最大值,加速度为零
D.t=4 s 时,振子的速度为正,加速度为负的最大值
A [A 对:t=1 s 时,振子处于正的最大位移处,振子的速度为零,加速度为
负的最大值.
B 错:t=2 s 时,振子在平衡位置且向 x 轴负方向运动,则振子的速度为负,
加速度为零.
C 错:t=3 s 时,振子处于负的最大位移处,振子的速度为零,加速度为正的
最大值.
D 错:t=4 s 时,振子在平衡位置且向 x 轴正方向运动,则振子的速度为正,
加速度为零.]
4.(2017·天津高考)手持较长软绳端点 O 以周期 T 在竖直方向上做简谐运动,带
动绳上的其他质点振动形成简谐波沿绳水平传播,示意如图 144.绳上有另一
质点 P,且 O、P 的平衡位置间距为 L.t=0 时,O 位于最高点,P 的位移恰好
为零,速度方向竖直向上,下列判断正确的是( )
图 144
A.该简谐波是纵波
B.该简谐波的最大波长为 2L
C.t=T
8
,P 在平衡位置上方
D.t=3T
8
时,P 的速度方向竖直向上
C [A 错:由于 O 点的振动方向与传播方向垂直,故该简谐波为
横波.
B 错:由于 P 在平衡位置且向上振动,故 OP 间的基本波形如图
所示.
因此λ
4
+nλ=L,即 λ= 4L
4n+1
,最大波长为 4L.
C 对:0~T
4
,质点 P 从平衡位置向正的最大位移运动,所以 t=T
8
时,P 在平
衡位置上方.
D 错:T
4
~3T
4
,质点 P 从正的最大位移运动到负的最大位移,即 P 的速度方
向竖直向下,即 t=3T
8
时,P 的速度方向竖直向下.]
●考向 3 波的干涉和衍射
5.(2017·上饶期末)如图 145 所示,S1、S2 是两个相干波源,它们振动同步且振
幅相同.实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波谷.关于
图中所标的 a、b、c、d 四点,下列说法中正确的有( )
图 145
A.a 质点振动始终最弱,b、c 质点振动始终最强,d 质点振动既不是最强也
不是最弱
B.a 质点振动始终最弱,b、c、d 质点振动始终最强
C.a、d 质点的振动始终是最弱的,b、c 质点的振动始终是最强的
D.再过T
4
的时刻,b、c、d 三个质点都将处于各自的平衡位置
B [a 质点处是两列波波峰与波谷叠加的地方,振动始终是最弱的,而 b、c
质点处是两列波波峰与波峰或波谷与波谷叠加的地方,振动始终是最强的,
对于 d 处于振动加强区域.故 A、C 错误,B 正确;图示时刻 d 在平衡位置,
b 在波峰,c 在波谷,再过T
4
后的时刻 b、c 两个质点都将处于各自的平衡位置,
但 d 点处于波峰位置,故 D 错误.]
6.(2017·湖州期中)关于下列 4 幅图片,说法正确的是( )
甲 乙 丙 丁
图 146
A.甲、乙属衍射现象,甲的水波波长比乙更接近缝的宽度
B.丙图水面的衍射现象比甲、乙更明显
C.丁图蜂鸣器在旋转时,周围的同学听到声音有变化,其原理与丙相同
D.测量宇宙中星球靠近或远离地球的速度应用的原理与丁图原理相同
D [甲、乙都属于衍射现象,乙的衍射现象比甲明显,所以乙的水波波长比
甲更接近缝的宽度,故 A 错误;甲、乙、丙三图中,乙图的衍射现象更明显,
故 B 错误;丁图蜂鸣器在旋转时,周围的同学听到声音有变化,其原理是多
普勒效应,丙属于衍射,原理不同,故 C 错误;测量宇宙中星球靠近或远离
地球的速度应用的原理与丁图原理相同,都属于多普勒效应,故 D 正确.]
考点 2| 光的折射、全反射、光的波动性和相对论
难度:中高档题 题型:选择题、填空题和计算题 五年 5 考
(对应学生用书第 81 页)
5.(2015·江苏高考 T12(B)(3))人造树脂是常用的眼镜镜片材料.如图 147 所示,光
线射在一人造树脂立方体上,经折射后,射在桌面上的 P 点.已知光线的入射
角为 30°,OA=5 cm,AB=20 cm,BP=12 cm,求该人造树脂材料的折射率
n.
图 147
【解题关键】 利用几何知识求出折射角的正弦值,再利用折射定律 n=sin i
sin r
,
可求折射率.
【解析】 设折射角为 γ,由折射定律知:sin 30°
sin γ
=n
由几何关系知:sin γ=BP-OA
OP
且 OP= (BP-OA)2+AB2
代入数据得 n= 449
14
≈1.5.
【答案】 1.5
6.(2013·江苏高考 T12(B)(2)(3))(1)如图 148 所示,两艘飞船 A、B 沿同一直线同向
飞行,相对地面的速度均为 v(v 接近光速 c).地面上测得它们相距为 L,则 A
测得两飞船间的距离________(选填“大于”“等于”或“小于”)L.当 B 向 A
发出一光信号,A 测得该信号的速度为________.
图 148
(2)图 149 为单反照相机取景器的示意图,ABCDE 为五棱镜的一个截面,
AB⊥BC.光线垂直 AB 射入,分别在 CD 和 EA 上发生反射,且两次反射的
入射角相等,最后光线垂直 BC 射出.若两次反射都为全反射,则该五棱镜
折射率的最小值是多少?(计算结果可用三角函数表示)
图 149
【解析】 (1)根据长度的相对性得 L=L0 1-(v
c
)2
所以 A 测得两飞船间的距离 L0= L
1-(v
c
)2
>L.
根据狭义相对论的基本假设,光信号的速度为光速 c.
(2)光线在棱镜中的光路图如图所示,根据反射定律和题设条件,得 4α=90°
所以入射角 α=22.5°
根据全反射规律,sin A=1
n
故 sin 22.5°≥1
n
所以 n≥ 1
sin 22.5°
,即折射率的最小值为 1
sin 22.5°
.
【答案】 (1)大于 c(或光速) (2) 1
sin 22.5°
7.(2016·江苏高考 T12(B))(1)一艘太空飞船静止时的长度为 30 m,它以 0.6c(c 为
光速)的速度沿长度方向飞行越过地球,下列说法正确的是________.
A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于 30 m
B.地球上的观测者测得该飞船的长度小于 30 m
C.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于 c
D.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于 c
(2)杨氏干涉实验证明光的确是一种波.一束单色光投射在两条相距很近的狭
缝上,两狭缝就成了两个光源,它们发出的光波满足干涉的必要条件,即两
列光的________相同.如图 1410 所示,在这两列光波相遇的区域中,实线
表示波峰,虚线表示波谷,如果放置光屏,在________(选填“A”“B”或
“C”)点会出现暗条纹.
图 1410
(3)在上述杨氏干涉实验中,若单色光的波长 λ=5.89×10-7m,双缝间的距
离 d=1 mm,双缝到屏的距离 l=2 m.求第 1 个亮条纹到第 11 个亮条纹的中
心间距.
【解析】 (1)飞船上的观测者相对飞船静止,测得飞船的长度为飞船静止时
的长度 l0=30 m,选项 A 错误;地球上的观测者与飞船有相对运动,测得飞
船的长度 l=l0 1-(0.6c
c )2<l0,故应小于 30 m,选项 B 正确;狭义相对论
的一个基本假设是光速不变原理,即飞船上和地球上的观测者测得的光信号
速度都等于 c,选项 C、D 错误.
(2)当一束光投射到两条相距很近的狭缝上,狭缝成了两个光源,两列光的频
率、相位、振动方向相同.A、B 两点是振动加强点,出现亮条纹,C 点是波
峰与波谷的叠加,为振动减弱点,出现暗条纹.
(3)相邻亮条纹的中心间距 Δx=l
dλ
由题意知,亮条纹的数目 n=10
解得 L=nlλ
d
,代入数据得 L=1.178×10-2 m.
【答案】 (1)B (2)频率 C (3)1.178×10-2m
8.(2017·江苏高考 T 12(B)(1)(3))(1)(多选)接近光速飞行的飞船和地球上各有一只相
同的铯原子钟,飞船和地球上的人观测这两只钟的快慢,下列说法正确的有
( )
A.飞船上的人观测到飞船上的钟较快
B.飞船上的人观测到飞船上的钟较慢
C.地球上的人观测到地球上的钟较快
D.地球上的人观测到地球上的钟较慢
(3)人的眼球可简化为如图 1411 所示的模型.折射率相同、半径不同的两个
球体共轴.平行光束宽度为 D,对称地沿轴线方向射入半径为 R 的小球,会
聚在轴线上的 P 点.取球体的折射率为 2,且 D= 2R.求光线的会聚角
α.(示意图未按比例画出)
图 1411
【解析】 (1)飞船上的人观察钟表时,是以飞船为参考系,看到地球上的钟
表在高速运动,观察到地球上的钟慢,飞船上的钟快,选项 A 正确、B 错误;
同理地球上的人是以地球为参考系,观察结果是地球上的钟快,飞船上的钟
慢,选项 C 正确、D 错误.
(3)由几何关系 sin i= D
2R
,解得 i=45°
则由折射定律sin i
sin γ
=n,解得 γ=30°
且 i=γ+α
2
,解得 α=30°.
【答案】 (1)AC (3)30°
9.(2014·江苏高考 T12(B)(1)(3))(1)某同学用单色光进行双缝干涉实验,在屏上观察
到如图 1412 甲所示的条纹,仅改变一个实验条件后,观察到的条纹如图乙所
示.他改变的实验条件可能是( )
图 1412
A.减小光源到单缝的距离
B.减小双缝之间的距离
C.减小双缝到光屏之间的距离
D.换用频率更高的单色光源
(2)Morpho 蝴蝶的翅膀在阳光的照射下呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒,这是因为
光照射到翅膀的鳞片上发生了干涉.电子显微镜下鳞片结构的示意图见
1413.一束光以入射角 i 从 a 点入射,经过折射和反射后从 b 点出射.设鳞
片的折射率为 n,厚度为 d,两片之间空气层厚度为 h.取光在空气中的速度
为 c,求光从 a 到 b 所需的时间 t.
图 1413
【解析】 根据光的干涉规律、单摆的摆动、光的折射定律和光的传播规律
解题.
(1)在双缝干涉中,相邻明条纹间的距离 Δx=l
dλ,由题图知干涉条纹间距变宽,
故可增大 l、λ 或减小 d.根据 c=λν 知要增大 λ,应减小 ν.选项 B 正确,选
项 A、C、D 错误.
(2)设光在鳞片中的折射角为 γ,折射定律 sin i=nsin γ 在鳞片中传播的路程 l1
= 2d
cos γ
,传播速度 v=c
n
,传播时间 t1=l1
v
解得 t1= 2n2d
c n2-sin2 i
同理,在空气中的传播时间 t2= 2h
c cos i
则 t=t1+t2= 2n2d
c n2-sin2 i
+ 2h
c cos i
.
【答案】 (1)B (2) 2n2d
c n2-sin2 i
+ 2h
c cos i
●考向 1 光的折射率的计算
7.(2017·徐州模拟)如图 1414 所示,半径为 R 的半球形玻璃砖的下表面涂有反
射膜,玻璃砖的折射率 n= 2.一束单色光以 45°入射角从距离球心左侧 3
3 R
处射入玻璃砖(入射面即纸面),真空中光速为 c.求:
图 1414
(1)单色光射入玻璃砖时的折射角;
(2)单色光在玻璃砖中的传播时间.
【导学号:17214204】
【解析】 (1)设折射角为 r,根据折射定律得,sin i
sin r
=n
则 sin r=sin i
n
=sin 45°
2
=1
2
,解得 r=30°.
(2)由 n=c
v
得,v=c
n
,根据几何关系得,单色光在玻璃砖中的路程 s=
3R
3
sin 30°
×2
=4 3
3 R,由 4 3
3 R=vt 得 t=4 6R
3c
.
【答案】 (1)30° (2)4 6R
3c
8.(2017·江苏四模)某同学用下述方法测玻璃的折射率:先将平行玻璃砖固定在
水平桌面的白纸上,画出两界面 MN、PQ,在玻璃砖的一侧用激光照射,在光
源同侧且与 MN 平行的光屏上得到两光点 A、B,两光线的位置如图 1415 所
示.测得入射光线与界面的夹角 α=30°,光屏上两光点之间的距离 L=3.0
cm,玻璃砖的厚度 h=2.0 cm,求玻璃的折射率.
图 1415
【解析】 画出光路图如图所示.可知 OO′=AB,由几何原理得:sin β=
L
2
h2+(L
2 )2
= L
4h2+L2
= 3
4 × 22+32
=3
5
则玻璃的折射率 n=sin (90°-α)
sin β
=sin(90°-30°)
3
5
=1.44.
【答案】 1.44
●考向 2 光的折射、全反射综合应用
9.(2017·徐州二模)如图 1416 所示,玻璃砖 ABCD 的折射率 n=1.732,左右
两个侧面 AD、BC 垂直于上表面 AB,∠ADC=120°,一束光从图示方向射到 AB
面上,试通过计算作出光经过玻璃砖的光路图.
【导学号:17214205】
图 1416
【解析】 在 AB 面光线发生折射的入射角 θ1=90°-30°=60°
由折射定律有sin θ1
sin θ2
=n
解得 θ2=30°
由几何关系可得光线在 CD 面上的入射角 θ3=60°
设全反射临界角为 C,则 sin C=1
n
= 1
1.732
≈ 3
3 < 3
2
所以 C<60°,故光线在 CD 面上发生了全反射,垂直射向 BC 面,光经过玻
璃砖的光路图如答图所示.
【答案】 光经过玻璃砖的光路图如图所示.
10.(2017·南京二模)如图 1417 所示,一束光线从玻璃球的 A 点入射,入射角
60°,折射入球后,经过一次反射再折射到球外的光线恰好平行于入射光线.
图 1417
(1)求玻璃球的折射率;
(2)B 点是否有光线折射出玻璃球,请写出证明过程.
【解析】 (1)光路图如图.由几何关系可得:i=2r
则得 r=30°
玻璃球的折射率为:n=sin i
sin r
=sin 60°
sin 30°
= 3.
(2)设全反射临界角为 C.
则有:sin C=1
n
= 3
3
光线射到 B 点时入射角为:i″=r=30°
因为 sin i ″=1
2
<sin C= 3
3
,即 i ″<C
所以光线在 B 点不能发生全反射,能折射出玻璃球.
【答案】 (1) 3 (2)B 点有光线折射出玻璃球
●考向 3 光的波动性和相对论
11.(多选)(2017·徐州二模)利用光的干涉,两台相距很远(几千公里)联合动作的
射电望远镜观察固体的射电恒星,可以精确测定大陆板块漂移速度,模型可简
化为如图 1418 所示的双缝干涉,射电恒星看成点光源 S,分别在地球上不同
大陆的两个望远镜相当于两个狭缝 S1、S2,它们收到的光满足相干条件,汇集
两望远镜信号的接收器相当于光屏上的 P 点,设某时刻光屏上 P 点到 S1、S2 的
距离相等,S 到 S1、S2 的距离也相等,当 S2 向上远离 S1 时,下列说法中正确的
有 ( )
【导学号:17214206】
图 1418
A.P 点接收到的干涉信号先变强
B.P 点接收到的干涉信号先变弱
C.干涉条纹间距发生改变
D.干涉条纹间距不变
BC [在双缝干涉实验中,若当 S2 向上远离 S1 时,则经过 S1、S2 到 P 的路程
差不等于 0,导致 P 点接收到的干涉信号先变弱,当移动到经过 S1、S2 到 P
的路程差等于半个波长偶数倍时,才能出现干涉加强现象,故 A 错误,B 正
确;根据公式 Δx=L
dλ,当 S2 向上远离 S1 时,即 d 增大,那么条纹间距变小,
故 C 正确,D 错误.]
12.(2017·扬州模拟)如图 1419 所示,两束单色光 a、b 同时从空气中斜射入平
行玻璃砖的上表面,进入玻璃砖后形成复合光束 c,则穿过玻璃砖的过程中
________光所用时间较长;在相同的条件下,________光更容易发生衍射.
图 1419
【解析】 由图看出,a 光的入射角小于 b 光的入射角,而折射角相同,根
据折射定律 n=sin i
sin r
得知玻璃对 a 光的折射率小于 b 光的折射率,由 v=c
n
分
析知 b 光在玻璃中速度较小,穿过玻璃砖的过程所用时间较长.a 光的折射
率较小,则 a 光的波长较长,波动性较强,在相同的条件下更容易发生衍
射.
【答案】 b a