【物理】2018届二轮复习“振动和波动光学”学案（全国通用）

【物理】2018届二轮复习“振动和波动光学”学案（全国通用）

‎“振动和波动 光学”学前诊断 一、选择题 ‎1．(2016·全国卷Ⅰ)某同学漂浮在海面上，虽然水面波正平稳地以‎1.8 m/s的速率向着海滩传播，但他并不向海滩靠近。该同学发现从第1个波峰到第10个波峰通过身下的时间间隔为15 s。下列说法正确的是(　　)‎ A．水面波是一种机械波 B．该水面波的频率为6 Hz C．该水面波的波长为‎3 m D．水面波没有将该同学推向岸边，是因为波传播时能量不会传递出去 E．水面波没有将该同学推向岸边，是因为波传播时振动的质点并不随波迁移 解析：选ACE　水面波是一种机械波，说法A正确。根据题意得周期T＝ s＝ s，频率f＝＝0.6 Hz，说法B错误。波长λ＝＝ m＝‎3 m，说法C正确。波传播过程中，传播的是振动形式，能量可以传递出去，但质点并不随波迁移，说法D错误，说法E正确。‎ ‎2．(2017·全国卷Ⅱ)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(　　)‎ 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 解析：选ACD　由Δx＝λ可知，改用波长更长的激光照射在双缝上，相邻亮条纹的间距Δx增大，A项正确，B项错误；减小双缝间距d，相邻亮条纹的间距Δx增大，C项正确；将屏幕向远离双缝的位置移动，增大了屏幕与双缝的距离l，相邻亮条纹的间距Δx增大，D项正确；相邻亮条纹的间距与光源到双缝的距离无关，E项错误。‎ ‎3．(2017·全国卷Ⅲ)如图，一列简谐横波沿x轴正方向传播，实线为t＝0时的波形图，虚线为t＝0.5 s时的波形图。已知该简谐波的周期大于0.5 s。关于该简谐波，下列说法正确的是(　　)‎ A．波长为‎2 m B．波速为‎6 m/s C．频率为1.5 Hz D．t＝1 s时，x＝‎1 m处的质点处于波峰 E．t＝2 s时，x＝‎2 m处的质点经过平衡位置 解析：选BCE　由图像可知简谐横波的波长为λ＝‎4 m，A项错误；波沿x轴正向传播，t＝0.5 s＝T，可得周期T＝ s、频率f＝＝1.5 Hz，波速v＝＝‎6 m/s，B、C项正确；t＝0时刻，x＝‎1 m处的质点在波峰，经过1 s＝T，一定在波谷，D项错误；t＝0时刻，x＝‎2 m处的质点在平衡位置，经过2 s＝3T，质点一定经过平衡位置，E项正确。‎ ‎4．(2016·全国卷Ⅲ)由波源S形成的简谐横波在均匀介质中向左、右传播。波源振动的频率为20 Hz，波速为‎16 m/s。已知介质中P、Q两质点位于波源S的两侧，且P、Q和S的平衡位置在一条直线上，P、Q的平衡位置到S的平衡位置之间的距离分别为‎15.8 m、‎14.6 m。P、Q开始振动后，下列判断正确的是(　　)‎ A．P、Q两质点运动的方向始终相同 B．P、Q两质点运动的方向始终相反 C．当S恰好通过平衡位置时，P、Q两点也正好通过平衡位置 D．当S恰好通过平衡位置向上运动时，P在波峰 E．当S恰好通过平衡位置向下运动时，Q在波峰 解析：选BDE　简谐横波的波长λ＝＝ m＝‎0.8 m。P、Q两质点距离波源S的距离PS＝‎15.8 m＝19λ＋λ，SQ＝‎14.6 m＝18λ＋λ。因此P、Q两质点运动的方向始终相反，A错误，B正确。当S恰好通过平衡位置向上运动时，P在波峰的位置，Q在波谷的位置。当S恰好通过平衡位置向下运动时，P在波谷的位置，Q在波峰的位置。C错误，D、E正确。‎ ‎5．(2015·全国卷Ⅱ)如图，一束光沿半径方向射向一块半圆柱形玻璃砖，在玻璃砖底面上的入射角为θ，经折射后射出a、b两束光线。则(　　)‎ A．在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度 B．在真空中，a光的波长小于b光的波长 C．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D．若改变光束的入射方向使θ角逐渐变大，则折射光线a首先消失 E．分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 解析：选ABD　通过光路图可看出，折射后a光的偏折程度大于b光的偏折程度，玻璃砖对a光的折射率大于b光的折射率，选项C错误。a光的频率大于b 光的频率，波长小于b光的波长，选项B正确。由n＝知，在玻璃中，a光的传播速度小于b光的传播速度，选项A正确。入射角增大时，折射率大的光线首先发生全反射，a光首先消失，选项D正确。做双缝干涉实验时，根据Δx＝λ得a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距，选项E错误。‎ ‎6．(2016·全国卷Ⅱ)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)‎ A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失 解析：选ABC　电磁波在真空中的传播速度等于光速，与电磁波的频率无关，选项A正确； 周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，选项B正确；电磁波传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直，选项C正确；电磁波可以通过光缆传输，选项D错误；电磁波波源的电磁振荡停止，波源不再产生新的电磁波，但空间中已产生的电磁波仍可继续传播，选项E错误。‎ 二、计算题 ‎7．(2015·全国卷Ⅱ)平衡位置位于原点O的波源发出的简谐横波在均匀介质中沿水平x轴传播，P、Q为x轴上的两个点(均位于x轴正向)，P与O的距离为‎35 cm，此距离介于一倍波长与二倍波长之间。已知波源自t＝0时由平衡位置开始向上振动，周期T＝1 s，振幅A＝‎5 cm。当波传到P点时，波源恰好处于波峰位置；此后再经过5 s，平衡位置在Q处的质点第一次处于波峰位置。求：‎ ‎(1)P、Q间的距离；‎ ‎(2)从t＝0开始到平衡位置在Q处的质点第一次处于波峰位置时，波源在振动过程中通过的路程。‎ 解析：(1)由题意，O、P两点间的距离与波长λ之间满足 OP＝λ ①‎ 波速v与波长的关系为v＝ ②‎ 在t＝5 s的时间间隔内，波传播的路程为vt。由题意有 vt＝PQ＋ ③‎ 式中，PQ为P、Q间的距离。由①②③式和题给数据，得 PQ＝‎133 cm。 ④‎ ‎(2)Q处的质点第一次处于波峰位置时，波源运动的时间为t1＝t＋T ⑤‎ 波源从平衡位置开始运动，每经过，波源运动的路程为A。由题给条件得t1＝25×⑥‎ 故t1时间内，波源运动的路程为 s＝‎25A＝‎125 cm。 ⑦‎ 答案：(1)‎133 cm　(2)‎‎125 cm ‎8．(2016·全国卷Ⅱ)一列简谐横波在介质中沿x轴正向传播，波长不小于‎10 cm。O和A是介质中平衡位置分别位于x＝0和x＝‎5 cm 处的两个质点。t＝0时开始观测，此时质点O的位移为y＝‎4 cm，质点A处于波峰位置；t＝ s时，质点O第一次回到平衡位置，t＝1 s时，质点A第一次回到平衡位置。求 ‎(1)简谐波的周期、波速和波长；‎ ‎(2)质点O的位移随时间变化的关系式。‎ 解析：(1)设振动周期为T。由于质点A在0到1 s内由最大位移处第一次回到平衡位置，经历的是个周期，由此可知T＝4 s ①‎ 由于质点O与A的距离‎5 cm小于半个波长，且波沿x轴正向传播，O在t＝ s时回到平衡位置，而A在t＝1 s时回到平衡位置，时间相差 s。两质点平衡位置的距离除以传播时间，可得波的速度 ‎ v＝‎7.5 cm/s ②‎ 利用波长、波速和周期的关系得，简谐波的波长 λ＝‎30 cm。 ③‎ ‎(2)设质点O的位移随时间变化的关系为 y＝Acos ④‎ 将①式及题给条件代入上式得 ⑤‎ 解得φ0＝，A＝‎8 cm ⑥‎ 质点O的位移随时间变化的关系式为 y＝0.08cos(国际单位制)‎ 或y＝0.08sin(国际单位制)。‎ 答案：(1)4 s　‎7.5 cm/s　‎‎30 cm ‎(2)y＝0.08cos(国际单位制)‎ 或y＝0.08sin(国际单位制)‎ ‎9．(2017·全国卷Ⅱ)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。‎ 解析：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 nsin i1＝sin r1 ①‎ nsin i2＝sin r2 ②‎ 由题意知 r1＋r2＝90° ③‎ 联立①②③式得 n2＝ ④‎ 由几何关系可知 sin i1＝＝ ⑤‎ sin i2＝＝ ⑥‎ 联立④⑤⑥式得 n＝1.55。‎ 答案：1.55‎ ‎10．(2016·全国卷Ⅰ)如图，在注满水的游泳池的池底有一点光源A，它到池边的水平距离为‎3.0 m。从点光源A射向池边的光线 AB与竖直方向的夹角恰好等于全反射的临界角，水的折射率为。‎ ‎(1)求池内的水深；‎ ‎(2)一救生员坐在离池边不远处的高凳上，他的眼睛到池面的高度为‎2.0 m。当他看到正前下方的点光源A时，他的眼睛所接受的光线与竖直方向的夹角恰好为45°。求救生员的眼睛到池边的水平距离(结果保留1位有效数字)。‎ 解析：(1)如图，设到达池边的光线的入射角为i，依题意，水的折射率n＝，光线的折射角θ＝90°。由折射定律有 nsin i＝sin θ ①‎ 由几何关系有 sin i＝ ②‎ 式中，l＝‎3.0 m，h是池内水的深度。联立①②式并代入题给数据得h＝ m≈‎2.6 m。‎ ‎ ③‎ ‎(2)设此时救生员的眼睛到池边的距离为x。依题意，救生员的视线与竖直方向的夹角为θ′＝45°。由折射定律有nsin i′＝sin θ′ ④‎ 式中，i′是光线在水面的入射角。设池底点光源A到水面入射点的水平距离为a。由几何关系有 sin i′＝ ⑤‎ x＋l＝a＋h′ ⑥‎ 式中h′＝‎2 m。联立③④⑤⑥式得 x＝m≈‎0.7 m。 ⑦‎ 答案：(1)‎2.6 m　(2)‎‎0.7 m ‎11．(2017·全国卷Ⅲ)如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)。已知玻璃的折射率为1.5。现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)。求 ‎(1)从球面射出的光线对应的入射光线与光轴距离的最大值；‎ ‎(2)距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离。‎ 解析：(1)如图，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l。‎ i＝ic ①‎ 设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin ic＝1 ②‎ 由几何关系有 sin i＝ ③‎ 联立①②③式并利用题给条件，得 l＝R。 ④‎ ‎(2)设与光轴相距的光线在球面B点发生折射时的入 射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有 nsin i1＝sin r1 ⑤‎ 设折射光线与光轴的交点为C，在△OBC中，由正弦定理有 ＝ ⑥‎ 由几何关系有 ‎∠C＝r1－i1 ⑦‎ sin i1＝ ⑧‎ 联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得 OC＝R≈2.74R。 ⑨‎ 答案：(1)R　(2)2.74R