新高考2023高考物理小题必练14机械振动机械波20230421185

小题必练14：机械振动机械波(1)简谐运动的公式和图象；(2)单摆、周期公式；(3)受迫振动和共振等；(4)机械波、横波和纵波；(5)波速、波长和频率(周期)的关系；(6)波的干涉和衍射现象、多普勒效应等。例1．(2020∙山东卷∙4)一列简谐横波在均匀介质中沿x轴负方向传播，已知x＝λ处质点的振动方程为y＝Acos(t)，则t＝T时刻的波形图正确的是（　　）【答案】D【解析】根据题意可知，t＝T时，在x＝λ＋λ处的质点处于y＝Acos(∙T)＝0，即此时质点位于平衡位置；下一时刻，该质点向上运动，原理平衡位置，根据题意，横波沿x轴负方向传播，根据同侧法判断可知，ABC错误，D正确。【点睛】本题考查波动图像及振动方程的应用，注意波动图像与振动图像的区别。1．(多选)物体A做简谐运动的振动方程是xA＝3sin100t(m)，物体B做简谐运动的振动方程是xB＝5sin100t(m)。比较A、B的运动，下列说法正确的是(　　)A．振幅是矢量，A的振幅是6m，B的振幅是10mB．周期是标量，A、B周期相等，都为100sC．A振动的频率fA等于B振动的频率fBD．A、B的周期都为6.28×10－2s【答案】CD【解析】振幅是标量，A、B的振幅分别是3m、5m，A项错；A、B的周期均为T＝＝8\ns＝6.28×10－2s，B项错，C、D项对。2．某弹簧振子沿x轴的简谐运动图象如图所示，下列描述正确的是(　　)A．t＝1s时，振子的速度为零，加速度为负的最大值B．t＝2s时，振子的速度为负，加速度为正的最大值C．t＝3s时，振子的速度为负的最大值，加速度为零D．t＝4s时，振子的速度为正，加速度为负的最大值【答案】A【解析】在t＝1s和t＝3s时，振子偏离平衡位置最远，速度为零，回复力最大，加速度最大，方向指向平衡位置，A项正确，C项错误；在t＝2s和t＝4s时，振子位于平衡位置，速度最大，回复力和加速度均为零，B、D项错误。3．(多选)一列沿x轴传播的简谐波，波速为4m/s，某时刻的波形图象如图所示。此时x＝8m处的质点具有正向最大速度，则再过4.5s(　　)A．x＝4m处质点具有正向最大加速度B．x＝2m处质点具有负向最大速度C．x＝0处质点一定有负向最大加速度D．x＝6m处质点通过的路程为20cm【答案】ABC【解析】据题意，图示时刻x＝8m处的质点具有正向最大速度，质点正经过平衡位置向上，则波向x轴负方向传播。则该波的周期T＝＝s＝2s因为n＝＝＝2T，可知：图示时刻x＝4m处质点速度向下，再经过4.5s，处于波谷，位移为负向最大，则具有正向最大加速度，故A项正确；图示时刻x＝2m处质点位于波峰，再经过4.5s，处于平衡位置向下，具有负向最大速度，故B项正确；图示时刻x＝0处质点速度向上，再经过4.5s，处于波峰位置，具有负向最大加速度，故C项正确；再经过4.5s，x＝6m处，质点处于平衡位置，通过的路程为2×4×A＋A＝18cm，故D项错误。8\n4．(多选)如图所示是一列简谐波在t＝0时的波形图象，波速为v＝10m/s，此时波恰好传到I点，下列说法正确的是(　　)A.此列波的周期为T＝0.4sB.质点B、F在振动过程中位移总是相等C.质点I的起振方向沿y轴负方向D.当t＝5.1s时，x＝10m的质点处于平衡位置处【答案】ABC【解析】由波形图可知，波长λ＝4m，则T＝＝s＝0.4s，故A项正确；质点B、F之间的距离正好是一个波长，振动情况完全相同，所以质点B、F在振动过程中位移总是相等，故B项正确；由图可知，I刚开始振动时的方向沿y轴负方向，故C项正确；波传到x＝10m的质点的时间t′＝＝s＝1s，t＝5.1s时，x＝10m的质点已经振动4.1s＝10T，所以此处处于波谷处，故D项错误；故选ABC。5．一个在y方向上做简谐运动的物体，其振动图象如图甲所示。下列关于图乙(1)～(4)的判断正确的是(选项中v、F、a分别表示物体的速度、受到的回复力和加速度)(　　)A．图(1)可作为该物体的v－t图象B．图(2)可作为该物体的F－t图象C．图(3)可作为该物体的F－t图象D．图(4)可作为该物体的a－t图象【答案】C【解析】采用排除法，由y—t图象知t＝0时刻，物体通过平衡位置，速度沿y轴正方向，此时速度达到最大值，加速度为0，故ABD项错，C项对。6．(多选)某弹簧振子在水平方向上做简谐运动，其位移x随时间t变化的关系为x＝Asin8\nωt，振动图象如图所示，下列说法正确的是(　　)A．弹簧在第1s末与第3s末的长度相同B．简谐运动的角速度是rad/sC．第3s末振子的位移大小为AD．从第3s末到第5s末，振子的速度方向发生变化【答案】ABC【解析】由振动图象可知，弹簧在第1s末与第3s末的位移相同，弹簧长度相同，A项正确；由振动图象可知，振动周期为8s，简谐运动的角速度是ω＝＝rad/s，B项正确；第3s末振子的位移大小为x＝Asinωt＝Asin(·3)＝A，C项正确；从第3s末到第5s末，振子的速度方向不发生变化，D项错误。7．(多选)如图所示为半径很大的光滑圆弧轨道上的一小段，小球B静止在圆弧轨道的最低点O处，另有一小球A自圆弧轨道上C处由静止滚下，经时间t与B发生正碰。碰后两球分别在这段圆弧轨道上运动而未离开轨道。当两球第二次相碰时(　　)A．相间隔的时间为4tB．相间隔的时间为2tC．将仍在O处相碰D．可能在O点以外的其他地方相碰【答案】BC【解析】小球在圆弧上滚动过程中，其受力情况与摆长等于圆弧轨道半径(严格地讲，摆长应等于圆弧轨道半径与小球半径之差)的单摆的受力情况相同，因此其运动情况与单摆的运动情况应相同，即以O点为平衡位置做机械振动。又题设条件中圆弧轨道半径“很大”，圆弧长度为“一小段”，这就暗示在小球的整个摆动过程中，最大位移对应的圆心角很小，因此，小球的振动可视为简谐运动。由单摆振动周期公式T＝2π(此处l8\n即为圆弧轨道半径)知，两球周期相同，碰撞后应同时回到平衡位置，即只能在平衡位置处相碰。又由振动的周期性知，两次相碰的间隔时间为2t，综上讨论可知，正确选项为BC项。8．如图所示为在同一绳上相向传播的甲、乙两列简谐横波某时刻的波形图，其中a、b、c是甲波上的三个点。下列说法正确的是(　　)A．这两列波相遇时能发生干涉现象B．甲波的速度v甲比乙波的速度v乙大C．质点a比质点b先回到平衡位置D．若v甲＝20m/s，再经t＝0.3s，质点c运动的路程是0.3m【答案】D【解析】波速是由介质决定的，两列波在同一介质中传播，波速相同，根据f＝可知，波长不同，频率不同，故不会发生稳定干涉，A、B项错误；根据走坡法，a质点向上振动，b质点向下振动，所以b比a先到达平衡位置，C项错误；波速由介质决定，所以v甲＝v乙＝20m/s。0.3s时乙波刚好传到质点c的位置，则在0.3s时间内质点c是由甲波引起的，质点c运动的路程s＝×4A，甲波的周期T＝＝s＝0.4s，解得s＝0.3m，故D项正确。9．(多选)一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t＝0时刻的波形如图所示，质点P的x坐标为3m。已知任意振动质点连续2次经过平衡位置的时间间隔为0.4s。下列说法正确的是(　　)A．波速为4m/sB．波的频率为1.25HzC．x坐标为15m的质点在t＝0.6s时恰好位于波谷D．x坐标为22m的质点在t＝0.2s时恰好位于波峰【答案】BD8\n【解析】任意振动质点连续2次经过平衡位置的时间间隔为0.4s，可知振动周期T＝0.8s，频率f＝＝1.25Hz，B项正确；从题图中可以看出波长λ＝4m，根据v＝λf得v＝5m/s，A项错误；由于波在传播过程中具有空间周期性，x坐标为15m处的质点运动规律与x＝3m处相同，从t＝0时刻经过0.6s，即经历周期，质点应位于平衡位置，C项错误；用同样的方法可判断出D正确。10．如图所示，一单摆悬于O点，摆长为L，若在O点的正下方的O′点钉一个光滑钉子，使OO′＝，将单摆拉至A处释放，小球将在A、B、C间来回振动，若振动中摆线与竖直方向夹角小于5°，则此摆的周期是(　　)A．2πB．2πC．2πD．π【答案】D【解析】根据T＝2π，该单摆有周期摆长为L，周期摆长为L，故T＝π＋π＝π，故D项正确。11．(多选)如图所示为两个弹簧振子的振动图象。下面的说法正确的是(　　)A．甲的振动能量是乙的2倍B．甲的振动频率是乙的2倍C．乙的振动周期是甲的2倍D．甲、乙的位移不可能同时达到正向最大值【答案】BCD8\n【解析】根据振动的能量公式E＝kA2，由于两振子的劲度系数不确定，故不能比较两振子的能量关系，A项错误；由图象可知，乙的周期是甲周期的2倍，则甲的振动频率是乙的2倍，B、C项正确；因乙的周期是甲周期的2倍，则甲、乙的位移不可能同时达到正向最大值，D项正确。12．弹簧振子以O点为平衡位置，在B、C两点间做简谐运动，在t＝0时刻，振子从O、B间的P点以速度v向B点运动；在t＝0.2s时，振子速度第一次变为－v；在t＝0.5s时，振子速度第二次变为－v。(1)求弹簧振子振动周期T。(2)若B、C之间的距离为25cm，求振子在4.0s内通过的路程。(3)若B、C之间的距离为25cm，从平衡位置计时，写出弹簧振子位移表达式，并画出弹簧振子的振动图象。【解析】(1)弹簧振子简谐运动示意图如图所示，由对称性可得T＝×4s＝1.0s。(2)若B、C之间距离为25cm，则振幅A＝×25cm＝12.5cm振子4.0s内通过的路程s＝×4×12.5cm＝200cm。(3)根据x＝Asinωt，A＝12.5cm，ω＝＝2π得x＝12.5sin2πt(cm)。振动图象为13．在某介质中形成一列简谐波，t＝0时刻的波形如图中的实线所示。若波向右传播，零时刻刚好传到A点，且再经过0.6s，P点也开始起振，求：(1)该列波的周期T。(2)从t＝0时起到P点第一次达到波峰时止，O点对平衡位置的位移y0及其所经过的路程8\ns0各为多少？【解析】(1)由图象可知：波长λ＝2m，振幅A＝2cm波速v＝＝m/s＝10m/s由v＝可解得，周期T＝＝0.2s。(2)波向右传播，所有质点的起振方向向下。由t＝0至P点第一次到达波峰止，经历的时间Δt2＝Δt1＋T＝Tt＝0时O点在平衡位置向上振动，故经Δt2时间，O点运动到波谷，即相对于平衡位置的位移y0＝－2cm＝－0.02m质点O每通过的路程为一个振幅，经Δt2时间，质点O通过的路程s0＝15A＝30cm＝0.3m。8