2022届二轮复习 专题八第2课时　机械振动和机械波　光的干涉、衍射和偏振 学案

这是一份2022届二轮复习 专题八第2课时　机械振动和机械波　光的干涉、衍射和偏振 学案，共13页。学案主要包含了拓展训练1，拓展训练2，拓展训练3，拓展训练4，拓展训练5等内容，欢迎下载使用。
第2课时　机械振动和机械波　光的干涉、衍射和偏振专题复习定位解决问题本专题主要复习机械振动的特点和规律、机械波的传播和特点、光的波粒二象性等知识。高考重点机械波传播过程中波动和振动的关系：波动图像和振动图像的理解与应用；光的波粒二象性的理解等。题型难度新高考中以选择题为主，有可能以填空题形式考查，难度较易或中等。高考题型1　机械振动和机械波【例1】(2021·广东省普通高中学业水平选择性考试)如图1所示，一个轻质弹簧下端挂一小球，小球静止。现将小球向下拉动距离A后由静止释放，并开始计时，小球在竖直方向做简谐运动，周期为T。经时间，小球从最低点向上运动的距离________(填“大于”“小于”或“等于”)；在时刻，小球的动能________(填“最大”或“最小”)。图1答案　小于　最大解析　由于从最低点开始计时，则经时间，小球从最低点向平衡位置运动，则小球的速度逐渐增大，故0～时间内小球的平均速度小于～时间内的平均速度，因此经时间，小球从最低点向上运动的距离小于，在时刻，小球位于平衡位置，动能最大。【拓展训练1】(2021·湖北省选择性考试模拟演练)一列简谐横波沿x轴正方向传播，其波速为10 m/s，t＝0时刻的波形如图2所示。下列说法正确的是(　　)图2A．0～0.6 s时间内，质点P运动的路程为18 cmB．t＝0.6 s时刻，质点P相对平衡位置的位移是6 cmC．t＝1.2 s时刻，质点Q加速度最大D．t＝1.4 s时刻，质点M沿y轴负方向运动答案　A解析　由图可知机械波的波长λ＝8 m，故机械波的周期为T＝＝0.8 s，0～0.6 s时间内，质点P运动的路程为3A＝18 cm，选项A正确；t＝0.6 s时刻，质点P到达平衡位置，则此时相对平衡位置的位移是0，选项B错误；因为t＝1.2 s＝1T时刻，质点Q在平衡位置，则此时加速度为零，选项C错误；经过1.4 s波向前传播x＝vt＝14 m＝1λ，则此时刻，质点M在平衡位置以下沿y轴正方向运动，选项D错误。【例2】[2021·1月重庆市学业水平选择性考试适应性测试，16(1)]如图3所示，a、b、c、d是一简谐横波上的质点，某时刻a、d位于平衡位置且相距为9 m，c在波谷，该波的波速为2 m/s。若此时a经平衡位置向上振动，则(　　)图3A．此波向右传播B．b点振动周期为3 sC．c点运动速度大小为2 m/sD．此波在a、d两点之间传播需3 s答案　B解析　此时a经平衡位置向上振动，根据“上下坡法”可知，波是向左传播的，故A错误；由图可知，这列波的波长为λ＝xad＝6 m，波的周期为T＝＝3 s，故B正确；c点在波谷，所以此时c点运动速度大小为0，故C错误；此波在a、d两点之间传播所需时间t＝＝4.5 s，故D错误。【拓展训练2】(2021·山东泰安模拟)有两列简谐横波的振幅都是10 cm，传播速度大小相同。O点是实线波的波源，实线波沿x轴正方向传播，波的频率为5 Hz；虚线波沿x轴负方向传播。某时刻实线波刚好传到x＝12 m处质点，虚线波刚好传到x＝0处质点，如图4所示，则下列说法正确的是(　　)图4A．实线波和虚线波的周期之比为3∶2B．平衡位置为x＝6 m处的质点此刻振动速度为0C．平衡位置为x＝6 m处的质点始终处于振动加强区，振幅为20 cmD．从图示时刻起再经过0.5 s，x＝5 m处的质点的位移y<0答案　D解析　由图知波长λ实＝4 m，λ虚＝6 m，由v＝得T＝，波速v相同，则有T实∶T虚＝λ实∶λ虚＝2∶3，故A错误；对于实线波，由图知此时x＝6 m处的质点位于平衡位置，向上振动且振动速度最大，对于虚线波，由图知此时x＝6 m处的质点位于平衡位置，向上振动且振动速度最大，根据叠加原理可得此时x＝6 m处的质点此刻振动速度最大，故B错误；两列波频率不同，不能形成稳定的干涉现象，不存在质点始终处于振动加强区，故C错误；根据f＝可得，T实＝ s＝0.2 s，则0.5 s相当于个周期，对于实数波，t＝0时，x＝5 m处质点位于波峰，则从图示时刻起再经过个周期时质点位于波谷，则有y实＝－10 cm，由于T实∶T虚＝2∶3，则有T虚＝0.3 s，0.5 s相当于个周期，对于虚线波，t＝0时x＝5 m处的质点位移为负且向上运动，则从图示时刻起再经过个周期时位移y虚<10 cm，故最终y＝y实＋y虚<0，故D正确。高考题型2　振动图像和波动图像的应用【例3】(多选)(2021·山东省普通高中学业水平选择性考试，10)一列简谐横波沿x轴传播，如图5所示，实线为t1＝2 s时的波形图，虚线为t2＝5 s时的波形图。以下关于平衡位置在O处质点的振动图像，可能正确的是(　　)图5答案　AC解析　若机械波沿x轴正方向传播，在t1＝2 s时O点沿y轴正方向振动，则传播时间Δt＝t2－t1＝3 s满足Δt＝T＋nT(n＝0，1，2，3…)，解得T＝ s(n＝0，1，2，3…)，当n＝0时，解得周期T＝4 s，A正确，B错误；若机械波沿x轴负方向传播，在t2＝5 s时O点处于波谷，则Δt＝T＋nT(n＝0，1，2，3…)，解得T＝ s(n＝0，1，2，3…)，当n＝0时，解得周期T＝12 s，C正确，D错误。【拓展训练3】(2021·辽宁葫芦岛市高考一模)一列横波在t＝0时刻的波形如图6甲所示，M、N是介质中的两个质点，图乙是质点N的振动图像，则(　　)图6A．该波沿x轴负方向传播B．该波的波速为2 m/sC．质点M与N的速率总相同D．质点M与N同时到达波峰答案　C解析　由N点的振动图像可知，t＝0时刻N点向y轴正向运动，则该波沿x轴正方向传播，A错误；该波的波速为v＝＝ m/s＝0.02 m/s，B错误；质点M与N之间相差半个波长，振动情况总相反，则振动的速率总相同，但是不可能同时到达波峰，C正确，D错误。【拓展训练4】(2021·山东济南模拟)如图7所示，图甲是t＝5 s时刻一简谐横波沿x轴正方向传播的波形图，图乙为这列波上某质点的振动图像，则(　　)图7A．该列波的波速为4 m/sB．图乙可能是质点b的振动图像C．质点c的振动方程为y＝6sin cmD．t＝10 s时，a点的振动方向向上答案　C解析　由图甲可得λ＝8 m，由图乙可得T＝4 s，所以该简谐横波的传播速度为v＝＝ m/s＝2 m/s，故A错误；由图甲可知，t＝5 s时质点b位于平衡位置且向上振动，由图乙可知，t＝5 s时质点处于波峰位置，故B错误；由图甲可知，质点c的振动方程为y＝6sin cm，故C正确；t＝5 s时质点a处于波峰，经过5 s，即为周期，质点a运动到平衡位置且向下振动，故D错误。高考题型3　光的干涉　衍射　偏振【例4】如图8所示，在杨氏双缝干涉实验中，选用激光的频率为6.0×1014 Hz，测得屏上P点距双缝S1和S2的路程差为1.25×10－6 m，则在P点出现的应是________ (选填“明条纹”或“暗条纹”)。现改用频率为8.0×1014 Hz的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则屏上的条纹间距将________(选填“变宽”“变窄”或“不变”)。已知光速c＝3×108 m/s。图8答案　暗条纹　变窄解析　频率为6.0×1014 Hz的激光，其波长为λ＝＝ m＝5×10－7 m，屏上P点距双缝S1和S2的路程差Δx＝1.25×10－6 m，则＝＝5，即路程差为半波长的奇数倍，故在P点出现暗条纹。现改用频率为8.0×1014 Hz的激光进行上述实验，激光的频率变大，波长变短，保持其他条件不变，根据Δx＝λ可知，屏上的条纹间距将变窄。【拓展训练5】将两支铅笔并排放在一起，中间留一条狭缝，通过这条狭缝去看与其平行的日光灯，能观察到彩色条纹，这是由于光的________(选填“折射”“干涉”或“衍射”)。当缝的宽度________(选填“远大于”或“接近”)光波的波长时，这种现象十分明显。答案　衍射　接近解析　通过两支并排放在一起的铅笔观察与其平行的日光灯，看到的彩色条纹是单缝衍射条纹；产生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长相差不多或比波长小。专题限时训练(限时：40分钟)1．(2021·北京市西城区统一测试)用小球和轻弹簧组成弹簧振子，使其沿水平方向振动，振动图像如图1所示，下列描述正确的是(　　)图1A．1～2 s内，小球的速度逐渐减小，加速度逐渐增大B．2～3 s内，弹簧的势能逐渐减小，弹簧弹力逐渐增大C．t＝4 s时，小球的动能达到最大值，弹簧的势能达到最小值D．t＝5 s时，弹簧弹力为正的最大值，小球的加速度为负的最大值答案　C解析　由图可知，1～2 s内小球的位移减小，说明弹性势能转化为动能即速度增大，由a＝－可知，加速度减小，故A错误；由图可知，2～3 s内小球的位移增大，说明动能转化为弹性势能即弹性势能增大，弹簧弹力逐渐增大，故B错误；由图可知，t＝4 s时，小球位于平衡位置，此时动能最大，由能量守恒可知，弹簧的势能达到最小值，故C正确；t＝5 s时，小球的位移正向最大，则弹簧弹力为负的最大值，小球的加速度为负的最大值，故D错误。2．(2021·广东惠州市第三次调研)介质中有一列简谐机械波传播，对于其中某个振动质点(　　)A．它的振动速度等于波的传播速度B．它的振动方向一定垂直于波的传播方向C．它在一个周期内走过的路程等于一个波长D．它的振动频率等于波源振动频率答案　D解析　在同种均匀介质中波的传播过程中传播速度为定值，而质点在平衡位置两侧做简谐运动，其速度大小是变化的，和波速无关，故A错误；在纵波中质点的振动方向和波的传播方向相同或相反，并不垂直，故B错误；质点在一个周期内走过的路程等于4个振幅的长度，并非一个波长，故C错误；每个质点都在重复波源的振动，因此质点的振动频率和波源的振动频率是相同的，故D正确。3．如图2所示，甲、乙两幅图分别是a、b两束单色光，经过单缝的衍射图样。下列说法正确的是(　　)图2A．在真空中，a光的波长比b光的小B．a光的频率比b光的大C．在同一介质中传播，a光的传播速度比b光小D．两束单色光分别入射到同一双缝干涉装置时，在光屏上b光亮纹的条数更多答案　D解析　由衍射图样可知，甲的中央亮纹较宽，故在真空中，a光的波长比b光大，A错误；在真空中，a光的波长较大，由λ＝可知，a光的频率较小，则同一介质对a光的折射率较小，根据n＝可知，在同一介质中传播时，a光的传播速度比b光大，故B、C错误；两束单色光分别通过同一双缝干涉装置时，根据Δx＝λ，可知b光相邻的亮纹间距较小，在光屏上的亮纹条数更多，故D正确。4．小华通过偏振太阳镜观察平静水面上反射的阳光，转动镜片时发现光有强弱变化，下列说法能够解释这一现象的是(　　)A．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起起偏器的作用B．阳光在水面反射时发生了偏振，镜片起检偏器的作用C．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起起偏器的作用D．阳光在水面反射时没有发生偏振，镜片起检偏器的作用答案　B解析　发现光有强弱变化，说明水面上反射的阳光是偏振光，而阳光本身是自然光，在反射时发生了偏振，当偏振片的方向与光的偏振方向平行时，通过的光最强，而当偏振片的方向与光的偏振方向垂直时，通过的光最弱，因此镜片起到检偏器的作用，故选项B正确。5．(2021·天津市等级性考试模拟四)夏天的河上，有几名熟悉水性的青年将绳子挂在桥下荡秋千，绳子来回荡几次后跳入河中，现把秋千看成单摆模型，图3为小明在荡秋千时的振动图像，已知小王的体重比小明的大，则下列说法正确的是(　　)图3A．小王荡秋千时，其周期大于6.28 sB．图中a点对应荡秋千时的最高点，此时回复力为零C．小明荡到图中对应的b点时，动能最小D．该秋千的绳子长度约为10 m答案　D解析　小王荡秋千时，根据T＝2π，可知做单摆运动的物体的周期与质量无关，其周期等于6.28 s，故A错误；图中a点对应荡秋千时的最高点，此时回复力最大，故B错误；小明荡到图中对应的b点时，b点为平衡位置，速度最大，动能最大，故C错误；根据T＝2π，计算得l＝10 m，故D正确。6．(多选) (2021·辽宁丹东市一模)如图4为一简谐横波在t＝0.2 s时刻的波形图，P是平衡位置为x＝7 m处的质点，此刻P点振动方向沿y轴负方向，并经过0.4 s完成了一次全振动，Q是平衡位置为x＝4 m处的质点，下列判断正确的是(　　)图4A．该波沿x轴正方向传播，波速为20 m/sB．t＝0.1 s时，Q加速度为0，速度为正向最大C．从t＝0.1 s到t＝0.25 s，Q点沿x轴移动的距离是3 mD．从t＝0.2 s到t＝0.5 s，质点Q通过的路程为18 cm答案　AD解析　根据“上下坡”法则，由于P点振动方向沿y轴负方向，则该波沿x轴正方向传播，由波形图可知波长λ＝8 m，因为0.4 s完成了一次全振动，则其周期T＝0.4 s，根据波速公式可得v＝＝ m/s＝20 m/s，所以A正确；因为波动周期T＝0.4 s，所以t＝0.1 s时，Q点处于波谷位置，加速度最大，速度为0，所以B错误；由于波的传播特点，各质点只能在各自的平衡位置振动，不会随波移动，所以C错误；从t＝0.2 s到t＝0.5 s，质点Q振动了T，所以质点Q通过的路程为s＝3A＝3×6 cm＝18 cm，所以D正确。7．(多选)(2021·海南省第一次模拟)波源质点在坐标原点O沿y方向上下振动，已知t＝0时刻波恰好传到x＝20 cm的质点处，波形如图5，波沿x轴正向传播，波速为2 m/s，P点的坐标为60 cm，下列说法正确的是(　　)图5A．波源质点的振动周期一定为0.2 sB．介质中各质点的振幅一定为4 cmC．波源质点的起振方向一定沿y轴负方向D．当波源质点沿着x轴正向运动时，站在x轴正向P点相对于地面静止的观察者对接收到的波的频率先变小后变大答案　BC解析　由波形图得到波的波长为0.2 m，而波速为2 m/s，故周期T＝＝0.1 s，由波形图得到波振幅为4 cm，故介质中各质点的振幅一定为4 cm，故B正确；波源质点的起振方向与波前的振动方向一致，是沿着y轴负方向，故C正确；当波源质点沿着x轴正向运动时，发生多普勒效应，站在x轴正向相对于地面静止的观察者接收到的波的频率在变大，故D错误。8. (2021·广东肇庆市第二次统一测试)甲、乙两单摆振动图像如图6所示，从t＝0时刻开始计时，甲单摆第一次到达负的最大位移时，乙单摆的位移为________m；甲、乙两单摆的摆长之比是________。图6答案　或0.707　1∶4解析　甲单摆第一次到达负的最大位移时的时刻为t＝3 s，此时乙单摆的位移为x＝1×sin m＝ m＝0.707 m，甲、乙两单摆的周期之比为T甲∶T乙＝1∶2，根据T＝2π，可得摆长之比是L甲∶L乙＝1∶4。9．“嫦娥四号”在探月任务中，“玉兔二号”月球车朝正下方发射一束频率为f的电磁波，该电磁波分别在月壤层的上、下表面被反射回来，反射波回到“玉兔二号”的时间差为Δt。已知电磁波在月壤层中传播的波长为λ，该月壤层的厚度d＝________。答案　解析　电磁波在月壤层中的传播速度v＝fλ根据题意得2d＝vΔt解得d＝。10．(2021·福建泉州市4月质量监测)一列简谐横波在t＝3 s时的波形图如图7(a)所示，P是介质中的质点，图(b)是质点P的振动图像。求：图7(1)波速及波的传播方向；(2)从t＝0时刻起，质点P第一次和第二次的y坐标为的时刻。答案　(1)4 cm/s　沿x轴正方向　(2) s　s解析　(1)由题图(a)可以看出，该波的波长为λ＝24 cm由题图(b)可以看出，周期为T＝6 s波速为v＝解得v＝4 cm/s由题图(b)知，当t＝3 s时，质点P向下运动，结合题图(a)可得波沿x轴正方向传播。(2)由图(b)可得质点P的振动方程为yP＝Asinωt其中ω＝从t＝0开始，质点P在yP＝处时，有＝Asinωt解得第一次在yP＝处时t1＝ s第二次在yP＝处时t2＝ s。11．1801年，托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质。1834年，洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验)。图8(1)洛埃镜实验的基本装置如图8所示，S为单色光源，M为一平面镜。试用平面镜成像作图法画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域；(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为λ，在光屏上形成干涉条纹。写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式。答案　(1)图见解析　(2)Δx＝λ解析　(1)根据对称性作出光源S在平面镜中所成的像S′。连接平面镜的最左端和光源，即为最左端的入射光线，连接平面镜的最左端和像点S′，并延长交光屏于一点，该点即为反射光线到达光屏的最上端；同理连接平面镜的最右端和像点S′，即可找到反射光线所能到达平面镜的最下端，即S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域如图所示。(2)从光源直接发出的光和被平面镜反射的光是同一列光，该干涉现象可以看作双缝干涉，设SS′间距为d，则d＝2a，光源S到光屏的距离为L，由Δx＝λ，所以相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx＝λ。