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第六部分 振動和波

第一講 基本知識介紹

《振動和波》的競賽考綱和高考要求有很大的不同，必須做一些相對詳細(xì)的補(bǔ)充。

一、簡諧運(yùn)動

1、簡諧運(yùn)動定義：= －k             ①

凡是所受合力和位移滿足①式的質(zhì)點(diǎn)，均可稱之為諧振子，如彈簧振子、小角度單擺等。

諧振子的加速度：= －

2、簡諧運(yùn)動的方程

回避高等數(shù)學(xué)工具，我們可以將簡諧運(yùn)動看成勻速圓周運(yùn)動在某一條直線上的投影運(yùn)動（以下均看在x方向的投影），圓周運(yùn)動的半徑即為簡諧運(yùn)動的振幅A 。

依據(jù)：_x = －mω²Acosθ= －mω²

對于一個(gè)給定的勻速圓周運(yùn)動，m、ω是恒定不變的，可以令：

mω² = k 

這樣，以上兩式就符合了簡諧運(yùn)動的定義式①。所以，x方向的位移、速度、加速度就是簡諧運(yùn)動的相關(guān)規(guī)律。從圖1不難得出——

位移方程： = Acos(ωt + φ)                                        ②

速度方程： = －ωAsin(ωt +φ)                                     ③

加速度方程：= －ω²A cos(ωt +φ)                                   ④

相關(guān)名詞：(ωt +φ)稱相位，φ稱初相。

運(yùn)動學(xué)參量的相互關(guān)系：= －ω²

A = 

tgφ= －

3、簡諧運(yùn)動的合成

a、同方向、同頻率振動合成。兩個(gè)振動x₁ = A₁cos(ωt +φ₁)和x₂ = A₂cos(ωt +φ₂) 合成，可令合振動x = Acos(ωt +φ) ，由于x = x₁ + x₂ ，解得

A =  ，φ= arctg 

顯然，當(dāng)φ₂－φ₁ = 2kπ時(shí)（k = 0，±1，±2，…），合振幅A最大，當(dāng)φ₂－φ₁ = （2k + 1）π時(shí)（k = 0，±1，±2，…），合振幅最小。

b、方向垂直、同頻率振動合成。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)垂直的振動x = A₁cos(ωt + φ₁)和y = A₂cos(ωt + φ₂)時(shí)，這兩個(gè)振動方程事實(shí)上已經(jīng)構(gòu)成了質(zhì)點(diǎn)在二維空間運(yùn)動的軌跡參數(shù)方程，消去參數(shù)t后，得一般形式的軌跡方程為

+－2cos(φ₂－φ₁) = sin²(φ₂－φ₁)

顯然，當(dāng)φ₂－φ₁ = 2kπ時(shí)（k = 0，±1，±2，…），有y = x ，軌跡為直線，合運(yùn)動仍為簡諧運(yùn)動；

當(dāng)φ₂－φ₁ = （2k + 1）π時(shí)（k = 0，±1，±2，…），有+= 1 ，軌跡為橢圓，合運(yùn)動不再是簡諧運(yùn)動；

當(dāng)φ₂－φ₁取其它值，軌跡將更為復(fù)雜，稱“李薩如圖形”，不是簡諧運(yùn)動。

c、同方向、同振幅、頻率相近的振動合成。令x₁ = Acos(ω₁t + φ)和x₂ = Acos(ω₂t + φ) ，由于合運(yùn)動x = x₁ + x₂ ，得：x =（2Acost）cos（t +φ）。合運(yùn)動是振動，但不是簡諧運(yùn)動，稱為角頻率為的“拍”現(xiàn)象。

4、簡諧運(yùn)動的周期

由②式得：ω=  ，而圓周運(yùn)動的角速度和簡諧運(yùn)動的角頻率是一致的，所以

T = 2π                                                      ⑤

5、簡諧運(yùn)動的能量

一個(gè)做簡諧運(yùn)動的振子的能量由動能和勢能構(gòu)成，即

= mv² + kx² = kA²

注意：振子的勢能是由（回復(fù)力系數(shù)）k和（相對平衡位置位移）x決定的一個(gè)抽象的概念，而不是具體地指重力勢能或彈性勢能。當(dāng)我們計(jì)量了振子的抽象勢能后，其它的具體勢能不能再做重復(fù)計(jì)量。

6、阻尼振動、受迫振動和共振

和高考要求基本相同。

二、機(jī)械波

1、波的產(chǎn)生和傳播

產(chǎn)生的過程和條件；傳播的性質(zhì)，相關(guān)參量（決定參量的物理因素）

2、機(jī)械波的描述

a、波動圖象。和振動圖象的聯(lián)系

b、波動方程

如果一列簡諧波沿x方向傳播，振源的振動方程為y = Acos（ωt + φ），波的傳播速度為v ，那么在離振源x處一個(gè)振動質(zhì)點(diǎn)的振動方程便是

y = Acos〔ωt + φ - ·2π〕= Acos〔ω（t - ）+ φ〕

這個(gè)方程展示的是一個(gè)復(fù)變函數(shù)。對任意一個(gè)時(shí)刻t ，都有一個(gè)y（x）的正弦函數(shù)，在x-y坐標(biāo)下可以描繪出一個(gè)瞬時(shí)波形。所以，稱y = Acos〔ω（t - ）+ φ〕為波動方程。

3、波的干涉

a、波的疊加。幾列波在同一介質(zhì)種傳播時(shí)，能獨(dú)立的維持它們的各自形態(tài)傳播，在相遇的區(qū)域則遵從矢量疊加（包括位移、速度和加速度的疊加）。

b、波的干涉。兩列波頻率相同、相位差恒定時(shí)，在同一介質(zhì)中的疊加將形成一種特殊形態(tài)：振動加強(qiáng)的區(qū)域和振動削弱的區(qū)域穩(wěn)定分布且彼此隔開。

我們可以用波程差的方法來討論干涉的定量規(guī)律。如圖2所示，我們用S₁和S₂表示兩個(gè)波源，P表示空間任意一點(diǎn)。

當(dāng)振源的振動方向相同時(shí)，令振源S₁的振動方程為y₁ = A₁cosωt ，振源S₁的振動方程為y₂ = A₂cosωt ，則在空間P點(diǎn)（距S₁為r₁ ，距S₂為r₂），兩振源引起的分振動分別是

y₁′= A₁cos〔ω（t ? ）〕

y₂′= A₂cos〔ω（t ? ）〕

P點(diǎn)便出現(xiàn)兩個(gè)頻率相同、初相不同的振動疊加問題（φ₁ =  ，φ₂ = ），且初相差Δφ= （r₂ – r₁）。根據(jù)前面已經(jīng)做過的討論，有

r₂ ? r₁ = kλ時(shí)（k = 0，±1，±2，…），P點(diǎn)振動加強(qiáng)，振幅為A₁ + A₂ ；

r₂ ? r₁ =（2k ? 1）時(shí)（k = 0，±1，±2，…），P點(diǎn)振動削弱，振幅為│A₁－A₂│。

4、波的反射、折射和衍射

知識點(diǎn)和高考要求相同。

5、多普勒效應(yīng)

當(dāng)波源或者接受者相對與波的傳播介質(zhì)運(yùn)動時(shí)，接收者會發(fā)現(xiàn)波的頻率發(fā)生變化。多普勒效應(yīng)的定量討論可以分為以下三種情況（在討論中注意：波源的發(fā)波頻率f和波相對介質(zhì)的傳播速度v是恒定不變的）——

a、只有接收者相對介質(zhì)運(yùn)動（如圖3所示）

設(shè)接收者以速度v₁正對靜止的波源運(yùn)動。

如果接收者靜止在A點(diǎn)，他單位時(shí)間接收的波的個(gè)數(shù)為f ，

當(dāng)他迎著波源運(yùn)動時(shí)，設(shè)其在單位時(shí)間到達(dá)B點(diǎn)，則= v₁ ，、

在從A運(yùn)動到B的過程中，接收者事實(shí)上“提前”多接收到了n個(gè)波

n = = = 

顯然，在單位時(shí)間內(nèi)，接收者接收到的總的波的數(shù)目為：f + n = f ，這就是接收者發(fā)現(xiàn)的頻率f₁ 。即

f₁ = f 

顯然，如果v₁背離波源運(yùn)動，只要將上式中的v₁代入負(fù)值即可。如果v₁的方向不是正對S ，只要將v₁出正對的分量即可。

b、只有波源相對介質(zhì)運(yùn)動（如圖4所示）

設(shè)波源以速度v₂正對靜止的接收者運(yùn)動。

如果波源S不動，在單位時(shí)間內(nèi)，接收者在A點(diǎn)應(yīng)接收f個(gè)波，故S到A的距離：= fλ 

在單位時(shí)間內(nèi)，S運(yùn)動至S′，即= v₂ 。由于波源的運(yùn)動，事實(shí)造成了S到A的f個(gè)波被壓縮在了S′到A的空間里，波長將變短，新的波長

λ′= = = = 

而每個(gè)波在介質(zhì)中的傳播速度仍為v ，故“被壓縮”的波（A接收到的波）的頻率變?yōu)?/p>

f₂ = = f 

當(dāng)v₂背離接收者，或有一定夾角的討論，類似a情形。

c、當(dāng)接收者和波源均相對傳播介質(zhì)運(yùn)動

當(dāng)接收者正對波源以速度v₁（相對介質(zhì)速度）運(yùn)動，波源也正對接收者以速度v₂（相對介質(zhì)速度）運(yùn)動，我們的討論可以在b情形的過程上延續(xù)…

f₃ =  f₂ = f 

關(guān)于速度方向改變的問題，討論類似a情形。

6、聲波

a、樂音和噪音

b、聲音的三要素：音調(diào)、響度和音品

c、聲音的共鳴

第二講 重要模型與專題

一、簡諧運(yùn)動的證明與周期計(jì)算

物理情形：如圖5所示，將一粗細(xì)均勻、兩邊開口的U型管固定，其中裝有一定量的水銀，汞柱總長為L 。當(dāng)水銀受到一個(gè)初始的擾動后，開始在管中振動。忽略管壁對汞的阻力，試證明汞柱做簡諧運(yùn)動，并求其周期。

模型分析：對簡諧運(yùn)動的證明，只要以汞柱為對象，看它的回復(fù)力與位移關(guān)系是否滿足定義式①，值得注意的是，回復(fù)力系指振動方向上的合力（而非整體合力）。當(dāng)簡諧運(yùn)動被證明后，回復(fù)力系數(shù)k就有了，求周期就是順理成章的事。

本題中，可設(shè)汞柱兩端偏離平衡位置的瞬時(shí)位移為x 、水銀密度為ρ、U型管橫截面積為S ，則次瞬時(shí)的回復(fù)力

ΣF = ρg2xS = x

由于L、m為固定值，可令： = k ，而且ΣF與x的方向相反，故汞柱做簡諧運(yùn)動。

周期T = 2π= 2π

答：汞柱的周期為2π 。

學(xué)生活動：如圖6所示，兩個(gè)相同的柱形滾輪平行、登高、水平放置，繞各自的軸線等角速、反方向地轉(zhuǎn)動，在滾輪上覆蓋一塊均質(zhì)的木板。已知兩滾輪軸線的距離為L 、滾輪與木板之間的動摩擦因素為μ、木板的質(zhì)量為m ，且木板放置時(shí)，重心不在兩滾輪的正中央。試證明木板做簡諧運(yùn)動，并求木板運(yùn)動的周期。

思路提示：找平衡位置（木板重心在兩滾輪中央處）→ú力矩平衡和Σ?F₆= 0結(jié)合求兩處彈力→ú求摩擦力合力…

答案：木板運(yùn)動周期為2π 。

鞏固應(yīng)用：如圖7所示，三根長度均為L = 2.00m地質(zhì)量均勻直桿，構(gòu)成一正三角形框架ABC，C點(diǎn)懸掛在一光滑水平軸上，整個(gè)框架可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。桿AB是一導(dǎo)軌，一電動松鼠可在導(dǎo)軌上運(yùn)動�，F(xiàn)觀察到松鼠正在導(dǎo)軌上運(yùn)動，而框架卻靜止不動，試討論松鼠的運(yùn)動是一種什么樣的運(yùn)動。

解說：由于框架靜止不動，松鼠在豎直方向必平衡，即：松鼠所受框架支持力等于松鼠重力。設(shè)松鼠的質(zhì)量為m ，即：

N = mg                            ①

再回到框架，其靜止平衡必滿足框架所受合力矩為零。以C點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸，形成力矩的只有松鼠的壓力N、和松鼠可能加速的靜摩擦力f ，它們合力矩為零，即：

M_N = M_f

現(xiàn)考查松鼠在框架上的某個(gè)一般位置（如圖7，設(shè)它在導(dǎo)軌方向上距C點(diǎn)為x），上式即成：

N·x = f·Lsin60°                 ②

解①②兩式可得：f = x ，且f的方向水平向左。

根據(jù)牛頓第三定律，這個(gè)力就是松鼠在導(dǎo)軌方向上的合力。如果我們以C在導(dǎo)軌上的投影點(diǎn)為參考點(diǎn)，x就是松鼠的瞬時(shí)位移。再考慮到合力與位移的方向因素，松鼠的合力與位移滿足關(guān)系——

= －k

其中k =  ，對于這個(gè)系統(tǒng)而言，k是固定不變的。

顯然這就是簡諧運(yùn)動的定義式。

答案：松鼠做簡諧運(yùn)動。

評說：這是第十三屆物理奧賽預(yù)賽試題，問法比較模糊。如果理解為定性求解，以上答案已經(jīng)足夠。但考慮到原題中還是有定量的條件，所以做進(jìn)一步的定量運(yùn)算也是有必要的。譬如，我們可以求出松鼠的運(yùn)動周期為：T = 2π = 2π = 2.64s 。

二、典型的簡諧運(yùn)動

1、彈簧振子

物理情形：如圖8所示，用彈性系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧連著一個(gè)質(zhì)量為m的小球，置于傾角為θ

 （請從A、B和C三小題中選定兩小題作答，并在答題卡相應(yīng)的答題區(qū)域內(nèi)作答，如都作答則按A、B兩小題評分）

A．（選修模塊3-3）（12分）

   （1）下列說法中正確的是   ▲    

A．當(dāng)分子間的距離增大時(shí)，分子間的引力變大而斥力變小

B．布朗運(yùn)動反映了懸浮在液體中固體顆粒分子的無規(guī)則運(yùn)動

C．氣體對器壁的壓強(qiáng)是由大量氣體分子對器壁頻繁碰撞而產(chǎn)生的

D．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達(dá)到絕對零度 

   （3）在一個(gè)大氣壓下，1g水在沸騰時(shí)吸收了2260J的熱量后變成同溫度的水蒸汽，對外做了170J的功，阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6．0×10²³mol^-1，水的摩爾質(zhì)量M=18g/mol。則

①水的分子總勢能變化了     ▲      J；

②1g水所含的分子數(shù)為     ▲     （結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。

B．（選修模塊3-4）（12分）

   （1）關(guān)于聲波和光波，以下敘述正確的是    ▲    

A．聲波和光波均為橫波

B．聲波和光波都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象

C．波速、波長和頻率的關(guān)系式，既適用于聲波也適用于光波

D．同一列聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，光波在不同介質(zhì)中傳播速度相同

  （2）一根長繩左端位于平面直角坐標(biāo)系的O點(diǎn)，

t=0時(shí)某同學(xué)使繩子的左端開始做簡諧運(yùn)

動，t=1s時(shí)形成如圖所示波形。則該波的

周期T= ▲ s，傳播速度v= ▲ m/s。

  （3）如圖所示為直角三棱鏡的截面圖，一

條光線平行于 BC邊入射，經(jīng)棱鏡折射

后從AC邊射出。已知∠A=θ=60°，該棱

鏡材料的折射率為    ▲   ；

光在棱鏡中的傳播速度為   ▲  

（已知光在真空中的傳播速度為c）。

C．（選修模塊3-5）（12分）

  （1）在下列核反應(yīng)方程中，x代表質(zhì)子的方程是     ▲      

      A．+→           B．+→

C．+→              D．→+

（2）當(dāng)具有5．0 eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能是1．5 eV。為了使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光子的最低能量為     ▲    

       A．1．5 eV         B．3．5eV             

C．5．0eV              D．6．5 eV

（3）一臺激光器發(fā)光功率為P₀，發(fā)出的激光在真空中波長為，真空中的光速為，普朗克常量為，則每一個(gè)光子的動量為  ▲  ；該激光器在秒內(nèi)輻射的光子數(shù)為  ▲ 。

 （請從A、B和C三小題中選定兩小題作答，并在答題卡相應(yīng)的答題區(qū)域內(nèi)作答，如都作答則按A、B兩小題評分）

A．（選修模塊3-3）（12分）

    （1）下列說法中正確的是   ▲    

A．當(dāng)分子間的距離增大時(shí)，分子間的引力變大而斥力變小

B．布朗運(yùn)動反映了懸浮在液體中固體顆粒分子的無規(guī)則運(yùn)動

C．氣體對器壁的壓強(qiáng)是由大量氣體分子對器壁頻繁碰撞而產(chǎn)生的

D．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達(dá)到絕對零度 

   （3）在一個(gè)大氣壓下，1g水在沸騰時(shí)吸收了2260J的熱量后變成同溫度的水蒸汽，對外做了170J的功，阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6．0×10²³mol^-1，水的摩爾質(zhì)量M=18g/mol。則

①水的分子總勢能變化了      ▲      J；

②1g水所含的分子數(shù)為      ▲     （結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。

B．（選修模塊3-4）（12分）

    （1）關(guān)于聲波和光波，以下敘述正確的是    ▲    

A．聲波和光波均為橫波

B．聲波和光波都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象

C．波速、波長和頻率的關(guān)系式，既適用于聲波也適用于光波

D．同一列聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，光波在不同介質(zhì)中傳播速度相同

   （2）一根長繩左端位于平面直角坐標(biāo)系的O點(diǎn)，

t=0時(shí)某同學(xué)使繩子的左端開始做簡諧運(yùn)

動，t=1s時(shí)形成如圖所示波形。則該波的

周期T= ▲ s，傳播速度v= ▲ m/s。

   （3）如圖所示為直角三棱鏡的截面圖，一

條光線平行于 BC邊入射，經(jīng)棱鏡折射

后從AC邊射出。已知∠A=θ=60°，該棱

鏡材料的折射率為    ▲   ；

光在棱鏡中的傳播速度為   ▲  

（已知光在真空中的傳播速度為c）。

C．（選修模塊3-5）（12分）

   （1）在下列核反應(yīng)方程中，x代表質(zhì)子的方程是      ▲      

       A．+→            B．+→

C．+→               D．→+

（2）當(dāng)具有5．0 eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能是1．5 eV。為了使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光子的最低能量為     ▲    

        A．1．5 eV         B．3．5 eV             

C．5．0 eV              D．6．5 eV

（3）一臺激光器發(fā)光功率為P₀，發(fā)出的激光在真空中波長為，真空中的光速為，普朗克常量為，則每一個(gè)光子的動量為  ▲  ；該激光器在秒內(nèi)輻射的光子數(shù)為  ▲ 。

【選做題】（請從A、B和C三小題中選定兩小題作答，并在答題卡相應(yīng)的答題區(qū)域內(nèi)作答，如都作答則按A、B兩小題評分）
A．（選修模塊3-3）（12分）
（1）下列說法中正確的是       
A．當(dāng)分子間的距離增大時(shí)，分子間的引力變大而斥力變小
B．布朗運(yùn)動反映了懸浮在液體中固體顆粒分子的無規(guī)則運(yùn)動
C．氣體對器壁的壓強(qiáng)是由大量氣體分子對器壁頻繁碰撞而產(chǎn)生的
D．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達(dá)到絕對零度 
（2）一定質(zhì)量的某種理想氣體分別經(jīng)歷下圖所示的三種變化過程，其中表示等壓變化的是     （選填A(yù)、B或C），該過程中氣體的內(nèi)能     （選填“增加”、“減少”或“不變”）。

（3）在一個(gè)大氣壓下，1g水在沸騰時(shí)吸收了2260J的熱量后變成同溫度的水蒸汽，對外做了170J的功，阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.0×10²³mol^-1，水的摩爾質(zhì)量M=18g/mol。則
①水的分子總勢能變化了           J；
②1g水所含的分子數(shù)為          （結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。
B．（選修模塊3-4）（12分）
（1）關(guān)于聲波和光波，以下敘述正確的是       
A．聲波和光波均為橫波
B．聲波和光波都能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象
C．波速、波長和頻率的關(guān)系式，既適用于聲波也適用于光波
D．同一列聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，光波在不同介質(zhì)中傳播速度相同
（2）一根長繩左端位于平面直角坐標(biāo)系的O點(diǎn)，t=0時(shí)某同學(xué)使繩子的左端開始做簡諧運(yùn)動，t=1s時(shí)形成如圖所示波形。則該波的周期T= s，傳播速度v= m/s。

（3）如圖所示為直角三棱鏡的截面圖，一條光線平行于BC邊入射，經(jīng)棱鏡折射后從AC邊射出。已知∠A=θ=60°，該棱鏡材料的折射率為      ；光在棱鏡中的傳播速度為     （已知光在真空中的傳播速度為c）。

C．（選修模塊3-5）（12分）
（1）在下列核反應(yīng)方程中，x代表質(zhì)子的方程是            
A．+→         B．+→
C．+→            D．→+
（2）當(dāng)具有5.0 eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能是1.5 eV。為了使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光子的最低能量為         
A．1.5 eV         B．3.5 eV           C．5.0 eV           D．6.5 eV
（3）一臺激光器發(fā)光功率為P₀，發(fā)出的激光在真空中波長為，真空中的光速為，普朗克常量為，則每一個(gè)光子的動量為   ；該激光器在秒內(nèi)輻射的光子數(shù)為  。