2020届高考物理二轮复习 第一部分 专题七 选考部分 第17讲 机械振动和机械波 光与电磁波课件

第17讲机械振动和机械波光与电磁波构建网络·重温真题1．(2019·北京高考)利用图1所示的装置(示意图)，观察光的干涉、衍射现象，在光屏上得到如图2中甲和乙两种图样。下列关于P处放置的光学元件说法正确的是()A．甲对应单缝，乙对应双缝B．甲对应双缝，乙对应单缝C．都是单缝，甲对应的缝宽较大D．都是双缝，甲对应的双缝间距较大答案A解析单缝衍射图样的中央条纹亮且宽，相邻条纹间距不等；双缝干涉图样中相邻条纹间距相等。根据题目中给出的甲、乙两种图样可知，甲是单缝衍射的图样，乙是双缝干涉的图样，A正确。2．(2019·全国卷Ⅱ)(1)如图，长为l的细绳下方悬挂一小球a，绳的另一端固定在天花板上O点处，在O点正下方34l的O′处有一固定细铁钉。将小球向右拉开，使细绳与竖直方向成一小角度(约为2°)后由静止释放，并从释放时开始计时。当小球a摆至最低位置时，细绳会受到铁钉的阻挡。设小球相对于其平衡位置的水平位移为x，向右为正。下列图象中，能描述小球在开始一个周期内的x­t关系的是________。(2)某同学利用图示装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光；调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹。回答下列问题：(ⅰ)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可________。A．将单缝向双缝靠近B．将屏向靠近双缝的方向移动C．将屏向远离双缝的方向移动D．使用间距更小的双缝(ⅱ)若双缝的间距为d，屏与双缝间的距离为l，测得第1条暗条纹到第n条暗条纹之间的距离为Δx，则单色光的波长λ＝________。(ⅲ)某次测量时，选用的双缝的间距为0.300mm，测得屏与双缝间的距离为1.20m，第1条暗条纹到第4条暗条纹之间的距离为7.56mm。则所测单色光的波长为________nm(结果保留三位有效数字)。答案(1)A(2)(ⅰ)B(ⅱ)Δxdn－1l(ⅲ)630解析(1)摆长为l时单摆的周期T1＝2πlg，振幅A1＝lα(α为摆角)，摆长为14l时单摆的周期T2＝2π14lg＝πlg＝T12，振幅A2＝14lβ(β为摆角)。根据机械能守恒定律得mgl(1－cosα)＝mgl4(1－cosβ)，利用cosα＝1－2sin2α2，cosβ＝1－2sin2β2，以及sinα2≈tanα2≈α2，sinβ2≈tanβ2≈β2(α2、β2)很小，解得β＝2α，故A2＝12A1，故A正确。(2)(ⅰ)相邻明(暗)干涉条纹的间距Δx＝ldλ，要增加观察到的条纹个数，即减小Δx，需增大d或减小l，因此应将屏向靠近双缝的方向移动，或使用间距更大的双缝，B正确，A、C、D错误。(ⅱ)第1条暗条纹到第n条暗条纹间的距离为Δx，则相邻暗条纹间的距离Δx′＝Δxn－1，又Δx′＝ldλ，解得λ＝Δxdn－1l。(ⅲ)由λ＝Δxdn－1l，代入数据解得λ＝630nm。3．(2019·全国卷Ⅰ)(1)一简谐横波沿x轴正方向传播，在t＝T2时刻，该波的波形图如图a所示，P、Q是介质中的两个质点。图b表示介质中某质点的振动图象。下列说法正确的是________。(填正确答案标号)A．质点Q的振动图象与图b相同B．在t＝0时刻，质点P的速率比质点Q的大C．在t＝0时刻，质点P的加速度的大小比质点Q的大D．平衡位置在坐标原点的质点的振动图象如图b所示E．在t＝0时刻，质点P与其平衡位置的距离比质点Q的大(2)如图，一艘帆船静止在湖面上，帆船的竖直桅杆顶端高出水面3m。距水面4m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin53°＝0.8)。已知水的折射率为43。(ⅰ)求桅杆到P点的水平距离；(ⅱ)船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45°时，从水面射出后仍照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。答案(1)CDE(2)(ⅰ)7m(ⅱ)5.5m解析(1)t＝T2时刻，质点Q在平衡位置，向上振动，对应的振动图象与图b不符，A错误；t＝0时刻的波形图如图所示(图a的波形图左移半个波长即可得到)，质点P在最低点，质点Q在平衡位置，质点Q的速率比质点P的大，质点P的加速度大小比质点Q的大，质点P此时所在位置与其平衡位置的距离为振幅，质点Q在平衡位置，与其平衡位置的距离为0，故B错误，C、E正确；t＝T2时刻，平衡位置在坐标原点的质点经过平衡位置向下振动，对应的振动图象与图b吻合，D正确。(2)(ⅰ)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到P点的水平距离为x2；桅杆高度为h1，P点处水深为h2；激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有x1h1＝tan53°①x2h2＝tanθ②由折射定律有sin53°＝nsinθ③设桅杆到P点的水平距离为x，则x＝x1＋x2④联立①②③④式并代入题给数据得x＝7m⑤(ⅱ)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时，从水面出射的方向与竖直方向夹角为i′，由折射定律有sini′＝nsin45°⑥设船向左行驶的距离为x′，此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1′，到P点的水平距离为x2′，则x1′＋x2′＝x′＋x⑦x1′h1＝tani′⑧x2′h2＝tan45°⑨联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得x′＝(62－3)m≈5.5m。4．(2019·全国卷Ⅲ)(1)水槽中，与水面接触的两根相同细杆固定在同一个振动片上。振动片做简谐振动时，两根细杆周期性触动水面形成两个波源。两波源发出的波在水面上相遇，在重叠区域发生干涉并形成了干涉图样。关于两列波重叠区域内水面上振动的质点，下列说法正确的是________。(填正确答案标号)A．不同质点的振幅都相同B．不同质点振动的频率都相同C．不同质点振动的相位都相同D．不同质点振动的周期都与振动片的周期相同E．同一质点处，两列波的相位差不随时间变化(2)如图，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。(ⅰ)求棱镜的折射率；(ⅱ)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。答案(1)BDE(2)(ⅰ)3(ⅱ)3－22解析(1)两列波相遇叠加产生干涉，一些质点的振动加强，一些质点的振动减弱，即振幅不同，A错误；各质点的振动频率、周期都与振动片相同，B、D正确；不同质点振动的相位不同(不是同时到达正的最大位移处)，C错误；两列波频率相同，在同一质点处的相位差恒定，E正确。(2)(ⅰ)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sinisinα＝n①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n＝3④(ⅱ)设改变后的入射角为i′，折射角为α′，由折射定律得sini′sinα′＝n⑤依题意，光束在BC边上的入射角为全反射的临界角θc，且sinθc＝1n⑥由几何关系得θc＝α′＋30°⑦由④⑤⑥⑦式得此时AB边上入射角的正弦为sini′＝3－22。5．(2018·全国卷Ⅲ)(1)一列简谐横波沿x轴正方向传播，在t＝0和t＝0.20s时的波形分别如图中实线和虚线所示。已知该波的周期T0.20s。下列说法正确的是________。(填正确答案标号)A．波速为0.40m/sB．波长为0.08mC．x＝0.08m的质点在t＝0.70s时位于波谷D．x＝0.08m的质点在t＝0.12s时位于波谷E．若此波传入另一介质中其波速变为0.80m/s，则它在该介质中的波长为0.32m(2)如图，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“·”(图中O点)，然后用横截面为等边三角形ABC的三棱镜压在这个标记上，小标记位于AC边上。D位于AB边上，过D点作AC边的垂线交AC于F。该同学在D点正上方向下顺着直线DF的方向观察，恰好可以看到小标记的像；过O点作AB边的垂线交直线DF于E；DE＝2cm，EF＝1cm。求三棱镜的折射率。(不考虑光线在三棱镜中的反射)答案(1)ACE(2)3解析(1)根据波形图可知，波长λ＝16cm＝0.16m，B错误；根据t＝0时刻和t＝0.20s时刻的波形图可知12＋nT＝0.2s，T＝0.42n＋1s，n＝0,1,2,3，…，而已知该波的周期T0.20s，故该波的周期T＝0.40s，波速v＝λT＝0.40m/s，A正确；简谐波沿x轴正方向传播，x＝0.08m的质点在t＝0时刻沿y轴正方向运动，在t＝0.70s＝134T时位于波谷，在t＝0.12s＝310T时位于y0的某位置(不是位于波谷)，C正确，D错误；若此波传入另一介质中，周期T不变，其波速变为v＝0.80m/s，由λ＝vT可得它在该介质中的波长为λ＝0.80×0.4m＝0.32m，E正确。(2)过D点作AB边的垂线NN′，连接OD，则∠ODN＝α为来自O点的光线在D点的入射角；设该光线在D点的折射角为β，如图所示。根据折射定律有nsinα＝sinβ①式中n为三棱镜的折射率由几何关系可知β＝60°②∠EOF＝30°③在△OEF中有EF＝OEsin∠EOF④由③④式和题给条件得OE＝2cm⑤根据题给条件可知，△OED为等腰三角形，有α＝30°⑥由①②⑥式得n＝3。6．(2017·全国卷Ⅱ)(1)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉图样。若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是________。(填正确答案标号)A．改用红色激光B．改用蓝色激光C．减小双缝间距D．将屏幕向远离双缝的位置移动E．将光源向远离双缝的位置移动(2)一直桶状容器的高为2l，底面是边长为l的正方形；容器内装满某种透明液体，过容器中心轴DD′、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示。容器右侧内壁涂有反光材料，其他内壁涂有吸光材料。在剖面的左下角处有一点光源，已知由液体上表面的D点射出的两束光线相互垂直，求该液体的折射率。答案(1)ACD(2)1.55解析(1)在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx＝ldλ，因此要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距可减小双缝间的距离，增大屏幕与双缝的距离，换用波长更长或频率更小的光做光源。故选A、C、D。(2)设从光源发出直接射到D点的光线的入射角为i1，折射角为r1。在剖面内作光源相对于反光壁的镜像对称点C，连接C、D，交反光壁于E点，由光源射向E点的光线，反射后沿ED射向D点。光线在D点的入射角为i2，折射角为r2，如图所示。设液体的折射率为n，由折射定律有nsini1＝sinr1①nsini2＝sinr2②由题意知r1＋r2＝90°③联立①②③式得n2＝1sin2i1＋sin2i2④由几何关系可知sini1＝l24l2＋l24＝117⑤sini2＝32l4l2＋9l24＝35⑥联立④⑤⑥式得n≈1.55。命题特点：1.以选择题、填空题形式的命题涉及面比较广，常考查机械振动、机械波的综合问题，光的折射、全反射现象，近年对光的干涉考查的热度有所增加，也常对其他概念、现象进行拼盘式的命题考查。2．以计算题形式的命题以考查波的传播、光的折射和全反射现象为主。思想方法：图象法、微平移法、特殊点法、作图法。高考考向1高考考向1机械振动与机械波例1(2018·全国卷Ⅰ)一列简谐横波在t＝13s时的波形图如图a所示，P、Q是介质中的两个质点。图b是质点Q的振动图象。求：(1)波速及波的传播方向；(2)质点Q的平衡位置的x坐标。破题关键点(1)t＝13s时Q点的振动方向是什么？波的传播方向是什么？如何判断？(2)t＝0时Q点在什么位置？t＝13s时此振动状态传播到什么位置？提示：向上。由“上下坡”法可知波沿x轴负方向传播。提示：平衡位置。P点所在的位置。[解析](1)由图a可以看出，该波的波长为λ＝36cm①由图b可以看出，周期为T＝2s②波速为v＝λT＝18cm/s③由图b知，当t＝13s时，Q点向上运动，结合图a可得，波沿x轴负方向传播。(2)设质点P、Q平衡位置的x坐标