振動(dòng)和波備考高考應(yīng)提升的幾種能力

機(jī)械振動(dòng)和波與有關(guān)運(yùn)動(dòng)的物理量關(guān)系密切，但規(guī)律較為復(fù)雜，學(xué)生用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行表達(dá)比較困難。因此近年來的高考中，本節(jié)知識(shí)的考查一般多以選擇題、填空題、作圖題的形式出現(xiàn)，內(nèi)容較為單一，一道題中涉及多個(gè)知識(shí)單元的機(jī)率較少，但更突出了對各種能力的考查。2008年的備考，機(jī)械振動(dòng)和波應(yīng)注重以下幾種能力的提升。

1 構(gòu)建物理模型，解決STS問題的能力

高考物理命題非常重視理論聯(lián)系實(shí)際的試題，這類試題要求考生認(rèn)真閱讀試題，從題中的情境、獲取有用的信息，構(gòu)建物理模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移，從而解決實(shí)際問題。

例1 (2006.北京)某同學(xué)看到一只鳥落在樹枝上的P處，樹枝在10s內(nèi)上下振動(dòng)了6次，他把50g的砝碼掛在P處，發(fā)現(xiàn)樹技在10s內(nèi)上下振動(dòng)了12次。將50g的砝碼換成500g砝碼后，他發(fā)現(xiàn)樹技在15s內(nèi)上下振動(dòng)了6次。你估計(jì)鳥的質(zhì)量最接近( )

A.50g

B.200g

C.500g

D.550g

分析 這是一道新穎、生活的氣息濃，很有創(chuàng)意的題。要求學(xué)生能從題中的情境分析、應(yīng)用物理模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移解決問題。我們知道，在振動(dòng)中，有兩種典型模型：單擺和彈簧振子，而振動(dòng)周期與質(zhì)量有關(guān)的是彈簧振子，將此過程與彈簧振子類比，由T=2πmk不難發(fā)現(xiàn)，小鳥的質(zhì)量應(yīng)大于50g而小于500g，故只有答案B正確。

2 從圖象獲取信息的能力

圖象是研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的一種重要方法，具有直觀、簡明、形象的特點(diǎn)，如何從圖象獲取信息，尋找解決問題的突破口，是高考的一大亮點(diǎn)和難點(diǎn)。在歷年來的高考中，對機(jī)械振動(dòng)和波的知識(shí)考查中，這種能力顯得尤為突出。

例2 (2006.黃岡模擬)一列簡諧橫波沿ｘ軸正方向傳播，頻率為5Hz，某時(shí)刻的波形圖如圖2所示，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)A在距離原點(diǎn)O為8cm處，質(zhì)點(diǎn)B在距離原點(diǎn)16cm處，從圖象的對應(yīng)時(shí)間算起，質(zhì)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與圖示時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同所需要的最短時(shí)間為( )

A.0.08s

B.0.12s

C.0.14s

D.0.16s

分析 要解決這道題，我們要善于從圖象中獲取信息點(diǎn)：從圖中可知波長λ=20cm，從而求出波速v=λf=1m/s。其次波的傳播是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方式的傳播，質(zhì)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)是重復(fù)質(zhì)點(diǎn)A曾經(jīng)經(jīng)歷過的狀態(tài)，不妨把波向左延伸，如圖2中虛線所示，找到距離原點(diǎn)O4cm與質(zhì)點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同且相距一個(gè)波長的質(zhì)點(diǎn) B′，A與B的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，等效為質(zhì)點(diǎn)B′的振動(dòng)方式傳播到質(zhì)點(diǎn)A，所以ｔ=(8+4)/100=0.12s，故正確答案為B。

3 聯(lián)想與知識(shí)遷移的能力

如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)揮聯(lián)想效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移是解決物理問題的一種能力體現(xiàn)，是高考能力考查的重點(diǎn)和焦點(diǎn)。這是一種較高要求的考查。為此，平時(shí)在教學(xué)和訓(xùn)練中，要加強(qiáng)這方面能力的提高。

例3 (2007.廣西模擬)如圖3所示，AC為一段很短的光滑圓弧軌道，D為AC上的一點(diǎn)，現(xiàn)將同一小球先后從C、D兩點(diǎn)由靜止釋放，到達(dá)A點(diǎn)的速度分別為v1，v2，所用的時(shí)間為t1，t2，則 ( )

A.v1＞v2 ，t1＜t2

B.v1=v2 ，t1=t2

C.v1＞v2 ，t1=t2

D.v1＜v2，t1＜t2

分析 由機(jī)械能守恒，不難得出v1＞v2。

但對于時(shí)間的分析，很多同學(xué)就無從下手，原因是小球從C、D由靜止釋放時(shí)，作變加速曲線運(yùn)動(dòng)，找不出時(shí)間的定量關(guān)系。若我們采用填補(bǔ)法，在右側(cè)補(bǔ)上一個(gè)對稱的圓弧軌道，如圖4，問題就變得簡單明了，很自然地聯(lián)想到單擺的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移，問題迎刃而解。小球從C、D由靜止釋放時(shí)類似單擺的運(yùn)動(dòng)，且都是擺長為圓弧軌道半徑R的周期的四分之一，由單擺的周期公式得t1=t2 。故正確答案為C。

4 運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力

在新課改《考試大綱》中就如何運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題提出了更高的要求，這就要求學(xué)生在解決某些物理問題時(shí)，必須有扎實(shí)深厚的數(shù)學(xué)功底。

例4 (2006.黃岡模擬)如圖5所示，在雙曲線ｘ2/16-ｙ2/9=1的兩個(gè)焦點(diǎn)F1、F2上放置兩個(gè)頻率相同的波源，它們激起的波長為4cm，就圖中A、B、C、D四個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，下列說法正確的是( )

A.若A、B振動(dòng)減弱，則C、D一定振動(dòng)減弱

B.若A、B振動(dòng)加強(qiáng)，則C、D一定振動(dòng)加強(qiáng)

C.A、B、C、D一定振動(dòng)加強(qiáng)

D.A、B、C、D一定振動(dòng)減弱

分析 這是一道用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的習(xí)題，要求學(xué)生必須有深厚的數(shù)學(xué)功底。由雙曲線的有關(guān)知識(shí)可知，焦點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為5cm，而雙曲線是到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之差為一定值的點(diǎn)的軌跡，由數(shù)學(xué)知識(shí)知道這個(gè)距離之差為8cm，恰好是波長的2倍，ｙ軸上的點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離差為0，所以雙曲線上各點(diǎn)和ｙ軸上的各點(diǎn)應(yīng)同為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)或同為振動(dòng)減弱點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)波源為同相波源時(shí)，為振動(dòng)加強(qiáng)。反之為反相波源時(shí)，為振動(dòng)減弱點(diǎn)。故正確答案為A、B。

5 作圖能力及不定思維能力

機(jī)械振動(dòng)和波高考考查的一種重要能力就是作圖及多重思維能力，幾乎每年必考。為此，我們在復(fù)習(xí)中，應(yīng)作為復(fù)習(xí)的重中之重，對這方面的訓(xùn)練要加強(qiáng)。波的作圖包括嚴(yán)格作圖和一般作圖，嚴(yán)格作圖有兩種方法，即特殊點(diǎn)法和平移法，而一般作圖，只要求畫出大致的波。再次就是不定思維的考查，由于波的傳播的雙向性及振動(dòng)的周期性造成的。這兩種能力通常綜合考查。

例5 (2007.廣西南寧模擬)如圖6所示，一簡諧橫波在ｘ軸上傳播，軸上a、b兩點(diǎn)相距12m。t=0時(shí)，a點(diǎn)為波峰，b點(diǎn)為波谷。t=0.5s時(shí)，a點(diǎn)為波谷，b點(diǎn)為波峰。則下列說法正確的是( )

A.波一定沿ｘ軸正方向傳播

B.波長可能是8m

C.周期可能是0.5s

D.波速一定是24m/s

分析 由已知條件，畫出最簡的大致波形圖，如圖6所示。由于波的傳播的雙向性，故答案A錯(cuò)誤。再由于波的多解性，Sab=nλ+1/2λ(ｎ=0、1、…)，t=NT+1/2T(N=0、1、2、…)，得出正確的答案為B。

6 應(yīng)用波的特殊知識(shí)分析問題的能力

波的干涉和衍射、多普勒效應(yīng)是機(jī)械波特有的現(xiàn)象，尤其是多普勒效應(yīng)，在近年來的高考中頻頻出現(xiàn)，這就要求學(xué)生有應(yīng)用波的特殊性分析問題的能力。

例6 (2007.全國聯(lián)考)如圖7所示，兩列相同的波相向傳播，當(dāng)它們相遇時(shí)，圖8中可能的波形是( )

A.圖a和圖b

B.圖b和圖c

C.圖c和圖d

D.圖a和圖d

分析 本題考查了波的特有現(xiàn)象：波的疊加，當(dāng)兩列波完全重合時(shí)，圖c正確。當(dāng)兩列波有一半重合時(shí)得到圖b所示的波形。故正確答案為B。

例7 (2006.南京)關(guān)于多普勒效應(yīng)的敘述，下列說法正確的是 ( )

A.產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是波源頻率發(fā)生了變化

B.產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是觀察者和波源之間發(fā)生了相對運(yùn)動(dòng)

C.甲乙兩列車相向運(yùn)動(dòng)，兩車均鳴笛，且所發(fā)出的笛聲頻率相同，乙車中的某旅客聽到的甲車笛聲頻率低于他所聽到的乙車笛聲的頻率

D.哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)所接收到的來自于遙遠(yuǎn)星系上的某種原子光譜，與地球上同種原子的光譜相比較，光譜中各條譜線的波長均變長(稱哈勃譜紅移)，這說明該星系正在遠(yuǎn)離我們而去。

分析 如果波源與觀察者相互接近，觀察者接收到的頻率增大，反之，觀察者接收到的頻率減小。故正確的答案為B、D。

7 綜合應(yīng)用知識(shí)處理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的能力

高考實(shí)驗(yàn)考查源于課本，但不拘于課本，要求考生有較高的綜合素質(zhì)和利用基本原理和方法進(jìn)行創(chuàng)新、靈活應(yīng)用知識(shí)的能力。

例8 (2007.學(xué)海聯(lián)考)某同學(xué)利用焊有細(xì)鋼針的音叉(固有頻率f0)、熏有煤油燈煙灰的均勻金屬片和刻度尺來測定重力加速度，他的實(shí)驗(yàn)步驟有：

A.將熏有煙灰的金屬片靜止懸掛，調(diào)整音叉的位置，使音叉不振動(dòng)時(shí)，針尖剛好能水平接觸金屬片，如圖9所示。

B.輕敲音叉，使它振動(dòng)，同時(shí)燒斷懸線，使金屬片自由下落。

C.從金屬片上選取針尖劃痕清淅的一段，從某時(shí)刻起針尖經(jīng)過平衡位置的點(diǎn)依次為B、C、D、E、F、G、H，測出它們相鄰之間的距離為b1、b2、b3…b6，如圖10所示。

(1)推導(dǎo)出計(jì)算重力加速度的表達(dá)式。

(2)金屬片自由下落后(不計(jì)針尖與金屬片間的摩擦)圖11中，你認(rèn)為針尖在金屬片上的劃痕正確的是(鋼針在開始計(jì)時(shí)，向左運(yùn)動(dòng)，設(shè)向左為正向)( )

分析 這是一道有創(chuàng)新意義的實(shí)驗(yàn)題，所牽涉的知識(shí)面比較多。鋼針作簡諧振動(dòng)，故在圖11中相鄰兩質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間間隔為T/2，t=12f0，金屬片在豎直方向上作自由落體運(yùn)動(dòng)，同樣由圖10，有

(2)由于金屬片在豎直方向上作自由落體運(yùn)動(dòng)，相鄰平衡位置的間隔越來越大，故波形圖正確的為D。

總之，對于機(jī)械振動(dòng)和波的復(fù)習(xí)，要瞄準(zhǔn)高考，在突出基礎(chǔ)的前提下，注重以上幾種能力的提升，靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題。

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