2021高考物理二轮复习第17讲机械振动与机械波光学课件

这是一份2021高考物理二轮复习第17讲机械振动与机械波光学课件，共42页。PPT课件主要包含了-2-，-3-，-5-，知识脉络梳理，规律方法导引，-6-，-7-，-8-，命题热点一，命题热点二等内容，欢迎下载使用。

第17讲　机械振动与机械波　光学
1.知识规律(1)振动和波。①振动的周期性、对称性:x=Asin(ωt+φ)。②波的产生和传播:
(2)光的折射和全反射。
(3)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:d≤λ。②明条纹(振动加强区):
2.思想方法(1)物理思想:理想模型思想、类比思想。(2)物理方法:图像法、作图法、临界与极值法。
振动与波动的综合应用常以选择题的形式考查波的图像、波速、波长、频率的关系。例1(多选)一列简谐横波,某时刻的图像如图甲所示,其中P、Q、A是波上的三个质点,从该时刻开始计时,波上质点A的振动图像如图乙所示,则下列说法正确的是(　　)
A.t=0到t=0.2 s,该波向x轴负方向传播了5 mB.质点P比质点Q先回到平衡位置C.经过Δt=0.4 s,质点A通过的路程是4 mD.t=0到t=0.2 s,这段时间P的速度逐渐减小E.质点A简谐运动的表达式为y=2sin 2.5πt(m)思维导引
答案:ACE　解析:由题图乙读出t=0时刻质点A的速度方向为沿y轴正方向,由题图甲判断出波的传播方向为沿x轴负方向,该波的波长为λ=20 m,由题图乙知波的周期为T=0.8 s,则波速为v= =25 m/s,所以x=vt=25×0.2 m=5 m,故选项A正确;图示时刻质点P沿y轴负方向运动,因为质点Q直接向平衡位置运动,所以质点P将比质点Q后回到平衡位置,故选项B错误;Δt=0.4 s=0.5T,在一个周期内质点A通过的路程是4倍振幅,则经过Δt=0.4 s,质点A通过的路程是 s=2A=4 m,故选项C正确;t=0到t=0.2 s,为四分之一周期,这段时间P的速度先减小
谐运动的表达式为y=2sin 2.5πt(m),故选项E正确。
规律方法1.判断波的传播方向和质点振动方向的方法(1)上下坡法(图甲)。(2)同侧法(图乙)。(3)微平移法(图丙)。
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
(2)波长:可根据波形确定,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。
拓展训练1(多选)(2019·广东深圳模拟)一列简谐横波沿x轴正方向传播,甲图中A、B两质点平衡位置间的距离为2 m,且小于一个波长,乙图为A、B两质点的振动图像。由此可知(　　)
甲 乙A.B质点在一个周期内通过的路程为8 cmB.该机械波的周期为4 sC.该机械波的波速为4 m/sD.t=1.5 s时A、B两质点的位移相同E.t=1.5 s时A、B两质点的振动速度相同
解析:由题图乙可得振幅A=2 cm,周期T=4 s,故波中任意质点在一个周期内通过的路程为4A=8 cm,选项A、B正确;波由A向B传播,则A处振动比B处振动超前1 s,该机械波的波速为v= m/s=2 m/s,选项C错误;由振动图像可知,t=1.5 s时A、B两质点的位移大小相同,方向相反,质点的振动速度大小方向都相同,选项D错误,E正确。
光的折射和全反射常以计算题的形式考查光的折射和全反射。例2一个半圆柱形玻璃砖,其横截面是半径为R的半圆,AB为半圆的直径,O为圆心,如图所示,玻璃的折射率为n= 。(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面,若光线到达上表面后,都要从该表面射出,则入射光束在AB上的最大宽度为多少?(2)一细束光线在O点左侧与O相距 R处垂直于AB从下方入射,求此光线从玻璃砖射出点的位置。
解析:(1)在O点左侧,设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ,则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出,如图所示。
由几何关系有lOE=Rsin θ② 由对称性可知,若光线都能从上表面射出,光束的宽度最大为l=2lOE③
在上表面的入射角为α,由几何关系及①式和已知条件得α=60°>θ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射,最后由G点射出,如图所示。由反射定律和几何关系得
射到G点的光有一部分被反射,沿原路返回到达C点射出。
规律方法光的折射和全反射题型的分析思路(1)确定要研究的光线。有时会分析、寻找临界光线、边界光线作为研究对象。(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。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。(4)根据反射定律、折射定律列出关系式,结合几何关系等,具体求解。
拓展训练2(2020·全国卷Ⅱ)直角棱镜的折射率n=1.5,其横截面如图所示,图中∠C=90°,∠A=30°。截面内一细束与BC边平行的光线,从棱镜AB边上的D点射入,经折射后射到BC边上。(1)光线在BC边上是否会发生全反射?说明理由。(2)不考虑多次反射,求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。
答案:(1)会发生,理由见解析
(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜,光线的入射角为i',折射角为r',由几何关系、反射定律及折射定律,有i=30°③i'=90°-θ④sin i=nsin r⑤nsin i'=sin r'⑥联立①③④⑤⑥式并代入题给数据,得
由几何关系,r'即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。
光的波动性以选择题的形式考查折射率与光的传播速度、频率的关系,干涉、衍射图样与频率的关系。例3(多选)半圆形玻璃砖横截面如图所示,AB为直径,O点为圆心。在该截面内有a、b两束单色可见光从空气中垂直于AB射入玻璃砖,两入射点到O点的距离相等。两束光在半圆边界上反射和折射的情况如图所示,则a、b两束光(　　)A.在同种均匀介质中传播,a光的传播速度较大B.以相同的入射角从空气斜射入水中,b光的折射角大C.a光的波长比b光的波长小D.分别通过同一双缝干涉装置,a光的相邻亮条纹间距大
解析:由题图可知,b光发生了全反射,a光没有发生全反射,即a光发生全反射的临界角Ca大于b光发生全反射的临界角Cb,根据
规律方法(1)双缝干涉和单缝衍射都是叠加的结果,只是干涉条纹是有限的几束光的叠加,而衍射条纹是极多且复杂的相干光的叠加。(2)单缝衍射时,照射光的波长越长,单缝越窄,中央亮纹越宽,所以衍射和干涉都能使白光发生色散现象,且中央白光的边缘均呈红色。(3)干涉和衍射的图样有相似之处,都是明暗相间的条纹,只是干涉条纹中条纹宽度和亮纹亮度基本相同,衍射条纹中条纹宽度和亮纹亮度均不等,中央亮纹最宽最亮。
拓展训练3(多选)下列说法正确的是(　　)A.对于同一障碍物,波长越长的光波越容易绕过去B.白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的干涉现象C.红光由空气进入水中,波长变长、颜色不变D.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度利用了光的干涉现象
解析:对于同一障碍物,波长越长的光波越容易发生衍射现象,从而绕过障碍物,A正确;白光通过三棱镜在屏上出现彩色条纹是光的色散现象,B错误;红光由空气进入水中,频率不变,颜色不变,波速减小,则波长变短,C错误;用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度利用了光的干涉现象,D正确。
1.关于机械波,下列说法正确的是(　　)A.机械波的传播过程也是传递能量的过程B.机械波的频率与波源振动的频率无关C.机械波不能产生干涉、衍射现象D.机械波能在真空中传播
2.(多选)关于下列光学现象,说法正确的是(　　)A.水中蓝光的传播速度比红光大B.光从空气射入玻璃时可能发生全反射C.在岸边观察前方水中的一条鱼,鱼的实际深度比看到的要深D.分别用蓝光和红光在同一装置上做双缝干涉实验,用红光时得到的条纹间距更宽
3.(2020·全国卷Ⅰ)(1)在下列现象中,可以用多普勒效应解释的有　　　　。(填正确答案标号) A.雷雨天看到闪电后,稍过一会儿才能听到雷声B.超声波被血管中的血流反射后,探测器接收到的超声波频率发生变化C.观察者听到远去的列车发出的汽笛声,音调会变低D.同一声源发出的声波,在空气和水中传播的速度不同E.天文学上观察到双星(相距较近、均绕它们连线上某点做圆周运动的两颗恒星)光谱随时间的周期性变化
解析:(1)雷雨天看到闪电后过一会儿才能听到雷声,是因为在空气中光的传播速度比声音大,选项A不符合题意。机械波的传播速度是由介质决定的,同一声波在空气和水中传播的速度不同与多普勒效应无关,选项D不符合题意。选项B、C、E符合题意。
(2)一振动片以频率f做简谐运动时,固定在振动片上的两根细杆同步周期性地触动水面上a、b两点,两波源发出的波在水面上形成稳定的干涉图样,c是水面上的一点,a、b、c间的距离均为l,如图所示。已知除c点外,在ac连线上还有其他振幅极大的点,其中距c最近的点到c的距离为 l。求:①波的波长;②波的传播速度。
(2)根据几何关系找出距离差,振幅极大点是振动加强点,利用振动加强点的条件分析。①如图所示,设距c点最近的振幅极大的点为d点,a与d的距离为r1,b与d的距离为r2,d与c的距离为s,波长为λ。则r2-r1=λ①由几何关系有r1=l-s②
②波的频率为f,设波的传播速度为v,有v=fλ⑤联立④⑤式得
4.(2019·全国卷Ⅲ)如图所示,直角三角形ABC为一棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=30°。一束光线平行于底边BC射到AB边上并进入棱镜,然后垂直于AC边射出。(1)求棱镜的折射率。(2)保持AB边上的入射点不变,逐渐减小入射角,直到BC边上恰好有光线射出。求此时AB边上入射角的正弦。
解析:(1)光路图及相关量如图所示。光束在AB边上折射,由折射定律得
式中n是棱镜的折射率。由几何关系可知α+β=60°②由几何关系和反射定律得β=β'=∠B③联立①②③式,并代入i=60°得
(2)设改变后的入射角为i' ,折射角为α' ,由折射定律得
由几何关系得θc=α'+30°⑦由④⑤⑥⑦式得入射角的正弦为
玻璃三棱镜中的折射和全反射问题【典例示范】 如图所示,直角玻璃三棱镜置于空气中,已知∠A=60°,∠C=90°,一束极细的光于AC的中点D垂直AC面入射,AD=a,棱镜的折射率为n= ,求:(1)此玻璃的临界角;(2)光从棱镜第一次射入空气时的折射角;(3)光从进入棱镜到它第一次射入空气所经历的时间(设光在真空中的传播速度为c)。
2.画出光路可知,光从CB边第一次射入空气。
以题说法光在玻璃三棱镜中的折射和全反射问题,作好规范的光路图是解决问题的关键,特别应注意法线作为辅助线的作用,通过作图构建几何三角形,然后利用三棱镜的角度关系和几何知识求解。
针对训练 (2019·江西重点中学联盟)如图所示,屏幕MN下方足够大的空间内是玻璃介质,其折射率为n= 。玻璃中有一正三角形空气泡,其边长l=40 cm,顶点与屏幕接触于C点,底边AB与屏幕平行。激光a垂直于AB边射向AC边的中点O,结果在屏幕MN上出现两个光斑。(1)画出光路图;(2)已知光在真空中的传播速度为c,求在屏幕上出现两个光斑的时间差(用l和c表示)。
解析:(1)激光a垂直于AB边射向AC边的中点O时,由于光的反射和折射,在屏幕MN上出现两个光斑,由反射定律和折射定律作出光路图。