广西专用高考物理二轮复习 专题九 第1课时 机械振动和机械波　热学

【步步高】(广西专用）年高考物理二轮复习专题九第1课时机械振动和机械波热学专题定位本专题主要解决机械振动和机械波、热学、光学和原子物理的基本概念和基本规律．高考对本专题内容的考查是以选择题的形式呈现的，考查特点是选项考查点多，题目难度不大，四个选择题考查四部分内容．高考考查的主要知识点有：①机械振动的规律和特点；②波动图象和波速公式的应用；③分子动理论；④分子力和分子势能的理解；⑤热力学第一定律及理想气体状态方程；⑥光的折射和全反射；⑦光的本性的理解；⑧玻尔理论和能级跃迁；⑨核反应和核反应方程式的书写．应考策略复习本部分内容要注意抓住主干知识，后期复习没必要面面俱到．对热点知识要梳理整合，通过必要的选择题训练即可．第1课时机械振动和机械波热学1．简谐运动的对称性：振动质点在关于平衡位置对称的两点，x、F、a、v、Ek、Ep的大小均相等，其中回复力F、加速度a与位移x的方向相反，而v与x的方向可能相同，也可能相反．振动质点来回通过相同的两点间的时间相等，即tBC＝tCB.振动质点通过关于平衡位置对称的等长的两线段的时间相等，即tBC＝tB′C′.如图1所示．图12．简谐运动的周期性：做简谐运动的物体，其位移、回复力、加速度、速度都随时间按“正弦”或“余弦”规律变化，它们的周期均相同．其位移随时间变化的表达式为：x＝Asin_(ωt＋φ)或x＝Acos_(ωt＋φ)．3．机械波(1)机械波的产生条件：①波源；②介质．(2)机械波的特点①机械波传播的是振动的形式和能量，质点在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移．②介质中各质点的振动周期和波的传播周期都与波源的振动周期相同．③机械波的传播速度只由介质决定．(3)波速、波长、周期、频率的关系：v＝eq\f(λ,T)＝λf.4．振动图象和波动图象的物理意义不同：振动图象反映的是一个质点在各个时刻的位移，而波动图象反映的是某时刻各质点的位移．振动图象随时间推移图象延续，但是已有的形状不变，而波动图象随时间推移图象沿传播方向平移．5．波的现象(1)波的叠加、干涉、衍射、多普勒效应．(2)波的干涉①必要条件：频率相同．②设两列波到某一点的波程差为Δr.若两波源振动情况完全相同，则eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Δr＝nλn＝0，1，2，…，振动加强,Δr＝nλ＋\f(λ,2)n＝0，1，2，…，振动减弱))③加强区始终加强，减弱区始终减弱．加强区的振幅A＝A1＋A2，减弱区的振幅A＝|A1－A2|.④若两波源的振动情况相反，则加强区、减弱区的条件与上述相反．6．分子动理论(1)分子大小①阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1.②分子体积：V0＝eq\f(Vmol,NA)(占有空间的体积)．③分子质量：m0＝eq\f(Mmol,NA).④油膜法估测分子的直径：d＝eq\f(V,S).(2)分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动．①扩散现象特点：温度越高，扩散越快．②布朗运动特点：液体内固体小颗粒永不停息、无规则的运动，颗粒越小、温度越高，运动越剧烈．(3)分子间的相互作用力和分子势能①分子力：分子间引力与斥力的合力．分子间距离增大，引力和斥力均减小；分子间距离减小，引力和斥力均增大，但斥力总比引力变化得快．②分子势能：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大；当分子间距为r0时，分子势能最小．7．气体实验定律(1)等温变化：pV＝C或p1V1＝p2V2；(2)等容变化：eq\f(p,T)＝C或eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)；(3)等压变化：eq\f(V,T)＝C或eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)；(4)理想气体状态方程：eq\f(pV,T)＝C或eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2).8．热力学定律(1)物体内能变化的判定：温度变化引起分子平均动能的变化；体积变化，分子间的分子力做功，引起分子势能的变化．(2)热力学第一定律①公式：ΔU＝W＋Q；②符号规定：外界对系统做功，W>0，系统对外界做功，W<0；系统从外界吸收热量，Q>0，系统向外界放出热量，Q<0.系统内能增加，ΔU>0，系统内能减少，ΔU<0.(3)热力学第二定律热力学第二定律的表述：①不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化(按热传导的方向性表述)．②不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化(按机械能和内能转化的方向性表述)．③第二类永动机是不可能制成的．1．判断波的传播方向和质点振动方向的方法：(1)特殊点法；(2)微平移法(波形移动法)．2．利用波传播的周期性、双向性解题(1)波的图象的周期性：相隔时间为周期整数倍的两个时刻的波形相同，从而使题目的解答出现多解的可能．(2)波传播方向的双向性：在题目未给出波的传播方向时，要考虑到波可沿x轴正向或负向传播的两种可能性．3．两种微观模型(1)球体模型(适用于固体、液体)：一个分子的体积V分＝eq\f(4,3)π(eq\f(d,2))3＝eq\f(1,6)πd3，d为分子的直径．(2)立方体模型(适用于气体)：一个分子占据的平均空间V分＝d3，d为分子间的距离.题型1振动与波动关系的理解和应用例1如图2所示为一列沿x轴正向传播的简谐横波在t＝0时刻的图象，振源周期为1s．以下说法正确的是 ()图2A．质点b的振幅为0B．经过0.25s，质点b沿x轴正向移动0.5mC．从t＝0时刻起，质点c比质点a先回到平衡位置D．在t＝0时刻，质点a、c所受的回复力大小之比为1∶2解析在t＝0时刻质点b的位移为零，质点b的振幅为4cm.质点b在平衡位置附近振动，不沿x轴移动，选项A、B错误．从t＝0时刻起，质点c经过eq\f(1,4)T周期回到平衡位置，而质点a经过eq\f(T,12)回到平衡位置，所以选项C错误．在t＝0时刻，质点a、c位移大小之比为1∶2，由F＝－kx可知所受的回复力大小之比为1∶2，选项D正确．答案D将一弹性绳沿x轴放置，左端位于坐标原点，用手握住绳的左端，当t＝0时，使其开始沿y轴做简谐振动，在t＝0.75s时形成如图3所示的波形，M点是位于x＝10cm处的质点，N点是位于x＝50cm处的质点，则可知 ()图3A．绳波的传播速度为20m/sB．N点开始振动的方向沿y轴正方向C．t＝3s时N点第一次沿y轴正方向经过平衡位置D．当N点第一次到达波峰时，M点经过的路程为104cm答案C解析由题意可知T＝1s，由题图可知λ＝20cm，所以波速v＝λ/T＝20cm/s，选项A错．由题图可知t＝0.75s时，x＝15cm的质点，刚开始振动，并且振动方向为y轴负方向，所以N点开始振动方向也应该为y轴负方向，选项B错．t＝0.75s时，x＝5cm的质点第一次沿y轴正方向经过平衡位置，这个振动形式传到N点还要t1＝eq\f(x,v)＝eq\f(50－5cm,20cm/s)＝2.25s，所以当t2＝t＋t1＝3s时N点第一次沿y轴正方向经过平衡位置，选项C正确．t＝0.75s时，M点已经经过的路程为8cm，当N点第一次到达波峰，还要经历t3＝eq\f(x′,v)＝eq\f(50cm,20cm/s)＝2.5s即2.5T，M点还要经过路程2.5×4×8cm＝80cm，所以M点经过的总路程为88cm，选项D错．题型2波动图象和振动图象的理解例2(·四川·5)图4甲是一列简谐横波在t＝1.25s时的波形图，已知c位置的质点比a位置的晚0.5s起振，则图乙所示振动图像对应的质点可能位于 ()图4A．a＜x＜b B．b＜x＜cC．c＜x＜d D．d＜x＜e解析c位置的质点比a位置的晚0.5s起振，与波形图相结合分析可知：周期T＝2×0.5s＝1s，波沿x轴正向传播．由振动图像可知，在t＝1.25s时，此质点的振动方向沿y轴的负向且靠近平衡位置，结合波图并由“上、下坡法”可知，振动图像对应的质点可能在0＜x＜a和d＜x＜e两区域内，选项D正确．答案D以题说法振动、波动图象要先读取信息再找关联规律1．振动图象：能读出质点各时刻的位移、某段时间内质点运动的位移、振幅A、周期T，间接判定各时刻的回复力、加速度、速度等．2．波动图象：能读出波长λ、质点振动的振幅A、该时刻各质点的位移等，再结合其他题给条件，运用v＝eq\f(λ,T)等公式和规律进一步计算出波速、周期．某横波在介质中沿x轴传播，图5甲为t＝0.75s时的波形图，图乙为P点(x＝1.5m处的质点)的振动图象，那么下列说法正确的是 ()图5A．该波向右传播，波速为2m/sB．质点L与质点N的运动方向总相反C．t＝1s时，质点P处于平衡位置，并正在往正方向运动D．在0.5s时间内，质点P向右运动了1m答案B解析根据题给的波形图和P点的振动图象知，该波向左传播，波速为v＝λ/T＝2m/s，选项A错误．质点L与质点N相距半个波长，二者的运动方向总相反，选项B正确．t＝1s时，质点P处于平衡位置，并正在往负方向运动，选项C错误．在0.5s时间内，质点P在平衡位置附近振动了四分之一周期，不向右运动，选项D错误．题型3对分子动理论的理解例3(·北京·13)下列说法正确的是 ()A．液体中悬浮微粒的无规则运动称为布朗运动B．液体分子的无规则运动称为布朗运动C．物体从外界吸收热量，其内能一定增加D．物体对外界做功，其内能一定减少解析由布朗运动的定义可知，选项A正确；布朗运动不是分子的运动，但是它间接地反映了液体分子运动的无规则性，所以选项B错误；改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，物体从外界吸收热量，同时它可能对外做功，其内能不一定增加，C选项错误；物体对外界做功，同时它可能从外界吸收热量，其内能不一定减小，D选项错误，综上所述正确的答案为A.答案A以题说法解答分子动理论相关问题时应注意：(1)熟练掌握阿伏加德罗常数的有关计算；(2)了解扩散现象及布朗运动的实质；(3)掌握分子力特点及分子力做功与分子势能变化的关系；(4)知道物体内能变化的微观因素和宏观因素．下列说法正确的是 ()A．已知某物质的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，则该物质的分子体积为V0＝eq\f(M,ρNA)B．布朗运动是在显微镜下看到的液体分子的无规则运动C．分子质量不同的两种气体温度相同，它们分子的平均动能一定相同D．两个分子间距增大的过程中，分子间的作用力一定增大答案C解析若此物质为固体或液体，则摩尔体积为eq\f(M,ρ)，分子体积为eq\f(M,ρNA)，但若是气体，分子间距较大，不能再用此方式来求分子体积，A错误；布朗运动是悬浮于液体中的固体小颗粒的无规则运动，它是液体分子无规则运动的反映，B错误；温度是气体分子平均动能的标志，温度相同，分子质量不同的两种气体分子平均动能一定相同，C正确；分子间距从r0逐渐增大的过程中，分子力先增大后减小，D错误．题型4对热力学第一定律和气体性质的理解例4(·江苏·12(1))如图6所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)，这就是著名的“卡诺循环”．该循环过程中，下列说法正确的是________．图6A．A→B过程中，外界对气体做功B．B→C过程中，气体分子的平均动能增大C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多D．D→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化解析由理想气体状态方程和热力学第一定律分析，A→B为等温过程，内能不变，气体的体积增大，气体对外做功，A错；B→C过程为绝热过程，体积增大对外做功，因此内能减小，气体分子的平均动能减小，B错；C→D为等温过程，体积减小，分子数密度减小，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，C正确；D→A为绝热过程，体积减小，外界对气体做功，内能增大，温度升高，因此气体分子的速率分布曲线变化，D错．答案C以题说法热力学第一定律经常与气体性质结合进行考查．解答热力学第一定律的问题要抓好以下两点：(1)注意符号正负的规定．若研究对象为气体，对气体做功的正负由气体体积的变化决定．气体体积增大，气体对外界做功，W<0；气体的体积减小，外界对气体做功，W>0.(2)注意改变内能的两种方式：做功和热传递．不能认为物体吸热(或对物体做功)，物体的内能就一定增加．用密封性能良好的活塞把一定质量的理想气体封闭在导热性能良好的气缸中，气缸的内壁光滑．现将气缸缓慢地由水平放置(如图7甲所示)变成竖直放置(如图乙所示)．在此过程中如果环境保持恒温，下列说法正确的是 ()图7A．气体分子的平均动能不变B．气缸内气体的分子数密度变大C．气缸内气体从外界吸热D．气缸内壁单位面积上受到气体分子撞击的平均作用力不变答案AB解析环境保持恒温，气体分子的平均动能不变，选项A正确．将气缸缓慢地由水平放置变成竖直放置，气体体积减小，压强增大，气缸内壁单位面积上受到气体分子撞击的平均作用力增大，气缸内气体的分子数密度变大，选项B正确，D错误．由于此过程气体被压缩，外界对气体做功，气体的内能不变，则气体向外界放热，选项C错误．(限时：45分钟)1．如图1所示，S1、S2是一水平面上的两个波源，它们的振动周期都为T，振幅都为A.某时刻S1发出的波恰好传到C，S2发出的波恰好传到A，图中画出的是该时刻两列波在AC部分的叠加波形，S1A间、S2图1A．两波源的起振方向相同B．A、B、C三点始终都是振动减弱点，振幅为0C．A、B、C三点始终都是振动加强点，振幅为2D．再经过eq\f(T,2)，AC间的波形是一条直线答案B解析S2的起振方向与A点振动方向相同，向上．S1的起振方向与C点振动方向相同，向下，A错误；A、B、C三点和两个波源的距离差值都是半波长的整数倍，又因为两个振源 起振方向相反，则A、B、C三点都是振动减弱点，振幅为0，B正确，C错误；经过eq\f(T,2)， 叠加波形的波谷变成波峰，波峰变为波谷，如图所示，D错误．2．一列简谐横波沿直线由a向b传播，相距10.5m的a、b两处的质点振动图象如图2中a、b所示，则 ()图2A．该波的振幅可能是20cmB．该波的波长可能是8.4mC．该波的波速可能是10.5m/sD．该波由a传播到b可能历时7s答案D解析由振动图象可知，此波的振幅为10cm，周期为4s，A错误；a质点在t＝2s时处于波峰位置，而b质点在t＝2s时处于平衡位置且向下运动，再经3s，b质点才振动到波峰，则a比b超前Δt＝(nT＋3)s＝(4n＋3)s，由v＝eq\f(Δx,Δt)＝eq\f(10.5,4n＋3)m/s知，当n＝0时，v＝3.5m/s，对应波长为14m；当n＝1时，v＝1.5m/s，对应波长为6m，可知B、C错误；当n＝1时，Δt＝7s，D正确．3．(·北京·15)一列沿x轴正方向传播的简谐机械横波，波速为4m/s.某时刻波形如图3所示，下列说法正确的是 ()图3A．这列波的振幅为4cmB．这列波的周期为1sC．此时x＝4m处质点沿y轴负方向运动D．此时x＝4m处质点的加速度为0答案D解析由波形图可知：振幅A＝2cm，λ＝8m，T＝eq\f(λ,v)＝eq\f(8,4)s＝2s，选项A、B均错误；x＝4m处的质点在此时刻正处于平衡位置处，加速度为零，由“上、下坡法”可知，此时质点沿y轴正方向运动，所以选项D正确，C错误．4．已知铜的摩尔质量为M，铜的密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，下列说法正确的是()A．1个铜原子的质量为eq\f(NA,M)B．1个铜原子的质量为eq\f(M,NA)C．1个铜原子所占的体积为eq\f(MNA,ρ)D．1个铜原子所占的体积为eq\f(ρM,NA)答案B5．如图4所示，两端开口的弯折玻璃管竖直放置，左管有一段高为h1的水银柱，中间一段水银柱h2将管内空气分为两段，右管有一段高为H的水银柱，三段水银柱均静止，则右管内水银柱的高度H为 ()图4A．h1＋h2 B．h2－h1C.eq\f(h1＋h2,2) D.eq\f(h2－h1,2)答案B解析设大气压强为p0，则左侧高为h1的水银柱上方的气体压强为p左＝p0－ρ水银gh1，右侧高为H的水银柱下方的气体压强为p右＝p0＋ρ水银gH.根据中间水银柱受力平衡，可得p左＋ρ水银gh2＝p右，联立以上各式得H＝h2－h1，B正确．6．在某一均匀介质中由波源O发出的简谐横波在x轴上传播，某时刻的波形如图5所示，其波速为5m/s，则下列说法正确的是 ()图5A．此时P(－2m,0)、Q(2m,0)两点运动方向相同B．再经过0.5s质点N刚好在(－5m,20cm)位置C．能与该波发生干涉的横波的频率一定为3HzD．波的频率与波源的振动频率无关答案AB7．关于分子动理论和内能，下列说法中正确的是 ()A．温度是分子平均动能的标志，物体温度高，则物体的分子平均动能大B．分子势能与分子间距有关，是物体内能的一部分C．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量D．物体的动能和重力势能也是其内能的一部分答案ABC解析根据平均动能的物理意义可知，选项A正确；根据分子势能的物理意义和决定分子势能的因素可知，选项B正确；外界对物体做功或向它传递热量，可以增加物体的内能，选项C正确；宏观的动能和重力势能与内能无关，选项D错误．8．下列有关热力学第二定律的说法正确的是 ()A．气体自发地扩散运动总是向着更为无序的方向进行，是可逆过程B．第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它是制造不出来的C．空调既能制冷又能制热，说明热传递不具有方向性D．一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，气体对外做功答案B解析与温度有关的一切热现象的宏观过程都是不可逆的，A项错误；热量不能自发地由高温物体传到低温物体，空调机里的压缩机工作，消耗了电能，产生了其他影响，C项错误；一定质量的理想气体向真空自由膨胀时，体积增大，气体没有做功，D项错误．只有B项正确．9．波源O产生的简谐横波沿x轴正方向传播，P是xP＝0.5m处的质点、Q是xQ＝1.1m处的质点，在t＝0时振动传播到P点，形成图6中的实线；在t＝0.3s时刻振动传播到Q点，形成图中的虚线，则 ()图6A．该波的周期等于0.3sB．该波的波速等于2m/sC．在t＝0.7s时刻Q点速度等于零D．点P和Q的振动方向始终相反答案BD解析由波动图象可知，λ＝0.4m，(1＋eq\f(1,2))T＝0.3s，则波的周期为T＝0.2s，波速为v＝eq\f(λ,T)＝2m/s，A错误，B正确；0.7s时刻，质点Q处于平衡位置，速度最大，C错误；点P、Q平衡位置间的距离等于半波长的3倍(奇数倍)，振动方向始终相反，D正确．10．如图7所示是一定质量的理想气体的过程变化图线，下列说法正确的是 ()图7A．由状态A变化到状态B，气体分子的平均动能增大B．由状态A变化到状态C，气体内能不变C．由A经B到C的过程与由A经D到C的过程，气体对外做功相同D．由A经B到C、由A经D到C、由A直接到C的三个过程中，气体均吸热，但是所吸热量值不同答案AD解析由状态A变化到状态B，由于B所在等温线温度高，所以气体分子的平均动能增大，内能增大，A正确；同理，B错误；由A经B到C的过程中气体对外做的功比由A经D到C的过程中气体对外做的功少，所以C错误；由于D选项中三个过程内能增量相同，体积增大，都对外做功，但做功值不同，由热力学第一定律可知吸热量不同，所以D正确．11．如图8所示是压力保温瓶的结构简图，活塞a与液面之间密闭了一定质量的气体．假设封闭气体为理想气体且外界没有热交换，则向下压活塞a的过程中，瓶内气体()图8A．内能增大B．体积增大C．压强不变D．温度不变答案A解析向下压活塞a的过程中，外界对气体做功，气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律得气体内能增大，理想气体分子间距离很大，忽略势能，气体的内能就是所有气体分子的平均动能，因此