机械波的多解成因及解题策略.
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机械波多解问题分类解析及策略研究机械波的多解问题是教学难点,也是高考的热点。
考生往往不能正确判断多解问题的产生原因,从而造成漏解或错解。
本文就2008——2011年高考中出现的机械波多解试题作分类解析,探究机械波多解问题的解题策略。
1、传播方向不确定导致的多解问题波总是由波源出发,并由近及远地向前传播。
波在介质中传播时,介质中的各个质点的振动情况可以根据波的传播方向确定。
反之亦然。
但是,如果题中的已知条件不能确定波的传播方向或者不能确定质点的振动方向,则求解时必须分情况讨论,从而导致了波的多解。
例1、(08年四川卷)19.一列简谐横波沿直线传播,该直线上的a 、b 两点相距4.42 m 。
图中实、虚两条曲线分别表示平衡位置在a 、b 两点处质点的振动曲线。
从图示可知A .此列波的频率一定是10HzB .此列波的波长一定是0.1mC .此列波的传播速度可能是34 m/sD .a 点一定比b 点距波源近答案:AC解析:由振动图象可知,振动周期为0.1s ,故此列波的频率一定是10Hz ,A 正确;a 和b 相距4.42m ,但由于传播方向不确定,所以由图像可知:s ab =4.42=11n 103λλ+或s ab =4.42=22n 107λλ+(n=0,1,2,3……),所以3n 102.441+=λ或7n 102.442+=λ,在第一个等式中若n=1,则4.31=λm ,s T /m 34v 1==λ,故C 正确;由图不能断定波长一定是0.1m ,也无法确定哪一点距波源近一些.2、传播的距离△x 与波长λ的关系不确定导致的多解问题机械波传播的距离△x 等于整数个波长λ时,其原有波动区域内的波动图象则是完全相同的,若传播的距离△x 与波长λ的关系不确定导致波的传播距离和速度等物理量有多个值与之对应,即产生多解。
例2、(2010年四川卷)16.一列间谐横波沿直线由A 向B 传播,A 、B相距0.45m ,右图是A 处质点的振动图像。
机械波多解问题的题型构建与考点解读机械波多解问题题型构建与考点解读机械波多解问题是波动和耦合作为主体设计的一种特殊类型物理问题,其特点是可以在同一条件空间内产生多个相互关联的解决方案。
因此,机械波多解问题的题型构建和考点解读对考生的理解和掌握至关重要。
本文就机械波多解问题的题型构建与考点解读具体进行介绍。
一、机械波多解问题题型构建1.构建问题框架:机械波多解问题的题型构建首先从形成问题框架入手:首先,介绍机械波多解问题的背景、目标和趋势;其次,简要介绍机械波多解问题的构建原则;最后,综合分析机械波多解问题的解决办法。
2.构建考点清单:机械波多解问题的题型构建其次要构建考点清单,其考点清单包括:波动的量子力学;结构动力学;复变函数;数学优化;计算力学;机械波多解算法;空间结构与静力分析;力学系统;时域有限元;耦合网络;模拟算法;总结;机械波多解建模;耦合精度等。
这些考点在机械波多解问题的题型构建中都发挥着至关重要的作用,它们将决定机械波多解问题的题型构建如何选择和如何使用。
二、机械波多解问题考点解读1.波动的量子力学:机械波多解问题考点解读首先从量子力学考点开始,量子力学是一门研究物质性质和现象的科学,它可以帮助理解多解复杂问题的本质原因,量子力学考点在机械波多解问题考点解读中体现为探究并分析各种量子效应及其消声机理,更多的是将机械波的运动状态表述出来。
2.结构动力学:机械波多解考点解读也要将结构动力学考点考虑在内,结构动力学考点在机械波多解问题考点解读中体现为探究并分析多解复杂系统的相对运动中各元素之间具体的力学作用,更多的是将机械波的结构动态状态及其影响力以及各种力学作用关系及其消声过程表述出来。
3.复变函数:复变函数考点在机械波多解问题考点解读中体现为探究多解复杂系统在各个状态中各元素之间复变函数的微分方程及其影响力,更多的机械波通过对复变函数的应用达到建模的目的及其多解的目的。
4.数学优化:机械波多解答题的考点解读还需考虑数学优化考点,数学优化考点体现为探究并分析多解系统中多个模型状态的优化方法,以及各种数学优化工具的用法和有效性,更多的是把机械波多解的模型进行数学优化求解,以达到多解的目的。
专题机械波的多解问题一.造成多解的原因以及处理方法1 原因:波的传播方向不确定。
解决方法:分两种情况分别讨论2.原因:时间与周期的关系不确定造成多解。
解决方法:找出时间与周期的对应关系。
常见题型:波形变化题3.原因:一列波上不同的两个振动质点之间的距离与波长的关系不确定造成多解解决方法:画某一时刻(如t=0时刻)的波形图,找出两质点可能的位置,确定距离与波长的对应关系。
常见题型:题目中会给出两个质点的振动情况二.确定时间与周期或者距离与波长的关系时,有两个思路:其一是根据质点振动确定关系;其二是根据波的平移确定关系。
注意:灵活运用对应关系:振动一个周期的时间,波传播一个波长的距离.振动半个周期的时间,波传播半个波长的距离。
振动1/4个周期的时间,波传播1/4个波长的距离.振动几分之几个周期的时间,波传播几分之几个波长的距离。
三.例题:1.如图所示,一列简谐波在x轴上传播,实线和虚线分别表示前后间隔1s的两个时刻的波形图,则这列简谐波的波速可能是A.0.60m/sB. 0。
75m/sC. 1。
05m/s D。
1.15m/s2.如图所示,实线是一列简谐横波某时刻的波形,虚线是经过0。
5s后的波形.已知波的周期为T,而且0。
25s<T<0.5s,下列说法中正确的是A。
当波向x轴的正方向传播时,该波的波速为7m/sB。
当波向x轴的正方向传播时,在这0.5s内,x=1。
5m处的质点通过的路程为50cmC. 当波向x轴负方向传播时,x=1。
5m的质点M比x=1。
75m的质点N在0.5s内通过的路程少D. 当t=0.1s时.x=1.5m处的质点的位移一定是03.一列沿x轴正方向传播的简谐横波,t=0时刻的波形如图中实线所示,t=0。
2s时刻的波形如图中的虚线所示,则正确的是( )A。
质点P的运动方向沿y轴正方向B。
波的周期可能为0.27sC。
波的频率可能为8.75HzD。
波的传播速度可能为150m/s4.一列简谐横波沿x轴正方向传播,在x=12m处的质点的振动图线如图1所示,在x=18m处的质点的振动图线如图2所示。
形成机械波的多解问题原因与应试对策作者:胡朝平来源:《中学生理科应试》2021年第11期机械波的多解问题是高中物理的一个难点,也是历来高考中的热点.学生在求解机械波问题时,往往由于对波动的实质理解不深刻、对题目中隐含条件挖掘不透彻、对已知条件使用不全面等,常常会出现解答不完整而造成漏解.本文限于横波沿一条直线传播的情形,就常见的机械波多解问题通过剖析其成因进行归类例析,力求帮助大家掌握解决此类问题的方法.一、造成波动问题多解的原因有传播方向、波长大小、波形周期、质点振动方向、传播时间、质点振动图像.1.传播方向导致的多解问题波源起振后产生的波可以在介质中向四周传播.若题中没有特别注明传播方向,则求解时必须讨论其传播方向,从而导致了波的多解问题.例1 一列简谐横波在t=0时刻的波形如图1中的实线所示,t=0.02 s时刻的波形如图1所示中虚线所示.若该波的周期T大于0.02 s,则该波的传播速度可能是().A.1 m/sB.2m/sC.3m/sD.5 m/s图1解析由于该波的周期大于0.02 s,则波沿传播方向传播的距离小于一个波长,即Δx<8 cm.若波向右传播,则Δx=2 cm,v=ΔxΔt=0.020.02 m/s=1 m/s若波向左传播,则Δx=6 cm,v=ΔxΔt=0.060.02 m/s=3 m/s故A、C正确.答案:AC2.波长大小导致的多解问题因题中没有给定波长的确切条件,故引起答案的不确定性导致多解问题.例2 一列简谐横波沿直线传播,某时刻该列波上正好经过平衡位置的两质点相距6 m,且这两质点之间的波峰只有一个,则该简谐波可能的波长为().A.4 m、6 m和8 mB.6 m、8 m和12 mC.4 m、6 m和12 mD.4 m、8 m和12 m解析画出符合条件的所有可能波形,如图2所示.分别有λ2 =6 m,λ=6 m,3λ2=6 m,则λ可能为4 m、6 m和12 m,C正确.图2答案:C3.波形周期导致的多解问题简谐机械波是周期性的,每经过一个周期波形与原波形重复,从而导致了问题的多解性.例3 如图3所示中实线是一列简谐波在某一时刻的波形图线,虚线是0.2s后它的波形图线.这列波可能的传播速度是.图3解析从图上可以看出λ=4m,当波沿x正方向传播时,两次波形之间间隔的时间为:14T,114T,214T,…,4n+14T.而4n+14T=0.2sT=4×0.24n+1s由波速公式v=λT代入数据得:v=4n+30.2 m/s=20n+5 m/s (n=0,1,2,…);当波沿x负方向传播时,两次波形之间间隔的时间为:34T,134T,234T,…,4m+34T4m+34T=0.2,T=4×0.24m+3,由波速公式v=λT代入数据得:v′=4m+30.2 m/s=20m+15 m/s (m=0,1,2,…)此题的答案为:(20n+5) m/s,(n=0,1,2,…)和(20m+15) m/s,(m=0,1,2,…).答案:(20n+5)m/s,(n=0,1,2,…)和(20m+15) m/s,(m=0,1,2,…)4.质点振动方向导致多解问题例4 一根张紧的水平弹性长绳上的a、b两点,相距14.0 m,b点在a点的右方,如图4所示.当一列简谐横波沿此长绳向右传播时,若a点的位移达到正极大时,b点的位移恰为零,且向下运动,经过1.00 s后,a点的位移为零,且向下运动,而b点的位移达到负极大,则这简谐横波的波速可能等于().A.4.67 m/sB.6 m/sC.10 m/sD.14 m/s图4 图5解析由于波向右传播,据“a点位移达正极大时,b点的位移恰为零,且向下运动”,可画出此时a、b间的最简波形,如图5所示.因未明确a、b距离与波长的约束关系,故a、b间的距离存在“周期性”.即n1+34λ=ab=14m (n1=0,1,2,…)因所给定时间与周期的关系未知,故运动时间也存在“周期性”.即(n2+14)T=Δt=1.00 s (n2=0,1,2,…)因此可能的波速为v=λT=14(4n2+1)4n1+3m/s当n2=0,n1=0时,v=4.67 m/s;当n2=0,n1=1時,v=2 m/s;(n2=0,v随n1增大还将减小.)当n2=1,n1=0时,v=23.3 m/s;(n1=0,V随n2的增大而增大.)当n2=1,n1=1时,v=10 m/s;据以上计算数据,不可能出现B和D选项的结果,故选项A、C正确.答案:AC5.传播时间导致的多解问题题目中所给定的时间条件不充分,可能比一个周期长,可能比一个周期短,从而导致了多解问题的出现.例5 某时刻的波形图如图6所示,波沿x轴正方向传播,P点的横坐标x=0.32 m.从此时刻开始计时.图6(1)若P点经0.4 s第一次达到最大正位移,求波速.(2)若P点经0.4 s到达平衡位置,波速又如何?解析(1)依题意,经时间Δt=0.4 s,波向右传播的距离Δx=0.32 m-0.2 m=0.12 m,此时P 点恰好第一次达到最大正位移波速v=ΔxΔt=0.120.4 m/s=0.3 m/s.(2)波向右传播Δx′=0.32 m,P点恰好第一次达到平衡位置,由波的周期性可知,波可能传播的距离Δx′=0.32+λ2n,(n=0、1、2、3…)波速v′=Δx′Δt=0.32+0.82n0.4 m/s=(0.8+n) m/s,(n=0、1、2、3…)答案:(1)0.3 m/s (2)(0.8+n) m/s,(n=0、1、2、3…)6.波动图像上和质点运动导致的多解问题在波动问题中,往往只给出完整波形的一部分,或给出几个特殊点,而其余信息均处于隐含状态.这样波形就有多种情况,形成波动问题的多解性.例6 一列正弦横波在x轴上传播,a、b是x轴上相距sab=6m的两质点,t=0,b点正好振动到最高点而a点恰好经过平衡位置向上运动,已知这列波的频率为25 Hz.(1)设a、b在x轴上的距离小于一个波长,试求出该波的波速.(2)设a、b在x轴上的距离大于一个波长,试求出该波的波速,若波速为40 m/s时,求波的传播方向.图7解析(1)若波向右传播,a和b两质点应于如图7所示的a1和b1的两位置,sab=34λ1=6m,λ1=8m,向右传播的波速v1=λ1f=200 m/s.若波向左传播,a和b两质点应分别位于图7中a2和b1两位置,sab=14λ2=6 m,λ2=24 m,向左传播的波速v2=λ2f=600 m/s.(2)因a,b在x轴上的距离大于一个波长,若波向右传播,a质点若位于图7中a1的位置,则b质点可位于b1,b2,…等位置,此时,sab=34λ右+nλ右=6 m,(n=1,2,3,…),λ右=244n+3 m,向右传播的波速v右=λ右f=6004n+3 m/s,(n=1,2,3,…)若波向左传播,a质点若位于图7中的a2的位置,则b质点可位于b1,b2,…等位置,此时,sab=34λ左+nλ左=6 m,λ左=244n+1 m.向左传播的波速 v左=λ左f=6004n+1 m/s,(n=1,2,3,…)当波速为40 m/s时,该波向左传播,应有:6004n+1 =40,n=144,无整数解,故不可能向左.设波向右传播,有6004n+3=40,n=3,故可以判定当波速为40 m/s时,波传播的方向是由左向右.答案:(1)600 m/s (2)40 m/s例7 一简谐横波沿水平绳沿x轴负方向以v=20 m/s的波速传播.已知t=0时的波形如图8所示,绳上两质点M、N的平衡位置分别是xM=5 m、xN=35 m.从该时刻开始计时,求:(1)质点N第一次回到平衡位置的时间t;(2)平衡位置在x=20m的质点,其振动的位移随时间变化的表达式(用余弦函数表示);(3)经过多长时间,质点M、N振动的速度相同.图8解析(1)机械波在均匀介质中匀速传播,波沿x轴负方向传播,平衡位置的振动状态距N点t=Δxv=50-3520s,解得t=0.75 s;(2)由题知A=2 m,λ=40 m,T=λv=2 s,ω=2πT=π(rad/s)该质点与原点的距离为20 m=12λ,则该质点的初相位为φ0=12×2π=π,故该质点的振动表达式为y=Acosωt+φ0=2cos(πt+π)(m)或y=-2cosπt(m);(3)当某质点位于平衡位置时,其两侧与它平衡位置间距相等的质点速度相同,平衡位置的振動状态传播到MN中点的距离Δx′=λ4+nλ2(n=0,1,2…)经过的时间t′=Δx′v,解得t′=(n+0.5)(s),(n=0,1,2…)答案:(1)0.75s;(2) y=-2cosπt(m);(3)t′=(n+0.5)(s),(n=0,1,2…)二、解决波的多解问题的思路一般采用从特殊到一般的思维方法,即找出一个周期内满足条件的关系Δt或Δx,若此关系为时间,则t=nT+Δt(n=0,1,2,…);若此关系为距离,则x=nλ+Δx(n=0,1,2…).三、波的多解问题的一般解题步骤(1)根据初末两时刻的波形图确定传播距离与波长的关系通式.(2)根据题设条件判断是唯一解还是多解.(3)根据波速公式v=ΔxΔt或v=λT=λf求波速.(收稿日期:2021-09-10)。
机械波的多解成因及解题策略
付 红 周
重庆市丰都中学校(408200)
机械振动在介质中传播形成机械波。
在波源附近,机械波以波源为中心向介质中各个方向传播,介质中各质点在各自的平衡位置附近上下振动;在传播过程中,波形图象每隔一定的时间和空间都会重复出现;在传播方向上,介质中两质点间距离与波长的关系不确定。
由于机械波在时间和空间上的周期性。
传播方向的双向性,质点振动方向的不确定性,以及波长、周期的不确定性,是导致波动习题多解的主要原因。
在解题中,如果不能透彻全面的分析题意,容易出现漏解或者用特解代替通解等现象,下面通过几个例子来说明解横波题中应注意的策略:
1、介质中质点振动方向的不确定性是
造成多解的原因。
介质中质点既可能向纵轴的正方向运
动,也可能向纵轴负方向运动。
所以题中可能出现多解。
例1:一列沿X 轴传播的波,在t 1和t 2
两时刻的波形图中的实线和虚线所示,设波速s m v /2=,则图中质点P 在12t t t -=∆这段时间内通过的路程可能是() A.10cm B.20cm C.30cm D.40cm
解题策略:P 质点12t t t -=∆可能向上振动,也可能向下振动,在这段时间内,P 点可能完成(1/4+n )个全振动,也可能完成(3/4+n )个全振动,所以通过的路程S 1=40(n+1/4)cm ,S 2=40(n+3/4)cm ,(n=0,1,2…),当n=0时,S 1=10cm ,S 2=30cm 。
A 、C 选项正确。
2、传播方向的双向性造成波的多解的又
一原因。
在一维空间传播的机械波,如果没有指明传播方向,则波有向两个方向传播的可能。
例2、一列横波在X 轴上传播,t 1=0和t 2=0.005S 的波形如下图所示的实线和虚线,求(1)设周期大于t 2-t 1,求波速。
(2)设
周期小于t 2-t 1,且s m v /6
000=,求波的传播方向。
解题策略:因△t= t 2-t 1<T ,所以波传播的距离可以直接,由图读出,若波向右传播,则在0.005s 内传播了2米, 则v 右=
s m s m t s /400/005
.02==∆,若波向左传播,则左0.005内传播了6m,则,v
左=
s m s m t s /1200/005
.06/==∆,(2)△t= t 2-t 1>T ,所以波传播的距离大于一个波长,在0.005S 内传播的距离
m
tm v x 30=∆⨯=∆,
4
3
3
=∆λ
x
即
λλ4
3
3+
=∆x ,故波向x 轴负向传播。
3、波动图象的周期性是波多解的重要原因。
波动图象的周期性表现在时间的周期性和空间的周期性上。
机械波在一个周期内不同时刻波形图象是不同的,但相隔时间为周期整数倍的间间的图象的形状是安全相同的。
这种周期性“必然导致波传播距离,时间和速度等有多个值与之对应,即
y/m
x/m
s
n s ∆+=λ,
t nT t ∆+=t
nT s n t s v ∆+∆+==
λ (n=0,1,2…)抓住这几个关系就能正确求解,常表现为以下几个方面。
(1)周期确定,传播距离不确定形成多解;(2)距离确定,周期不确定形成多解;(3)时间、距离都不确定形成多解。
例3、一列横波在某时刻的波形如图中实线1,经2×10-2s 后的波形如图 中虚线2,则波速和频率可能是()
A 、V =5m/s
B 、V =45m/s
C 、f =50HZ
D 、f =37.5HZ
解题策略:由图可知,λ=0.4m ,若波向左传播,传播的最小距离为0.3m ,若波向右传,传播的最小距离为0.1m ,考虑到波传播的时空周期性,则这列波传播的距离可能是S 1=n λ+
43λ=(0.4+0.3)m ,S 2=n λ+41
λ=(0.4+0.1)m ,(n=0,1,3…)周期可能
3441+=
n t T 1
442+=n t
T (n=0,1,2…)
由t s
v =
得s m n t
s v /)1520(11+=∆=, s m n t
s v /)5020(2
2+=∆= T
f 1
=
,Hz f )5.3750(1+= Hz f )5.1250(2+=(n =0,1,2…)
今n 取不同值得出A 、B 、D 三选项都正确。
4、x 轴上两质点间距隐含的波长不确定,两质点的振动方向不确定使波有多解的原因。
许多波动题,只给出x 轴的两个质点的及两质点间的波形的一部分,而其余部分处
于隐含状态这样,两质点间可能有多个图形相对应,形成多解。
例4、一列横波沿x 轴传播,在某一时刻x 轴上相距S 的A 、B 两点均处于平衡位置,且A 、B 间只有一个波峰,经过t 时间,质点B 第一次达到波峰,试求该波的传播速度。
解题策略:虽然A 、B 间只有一个波峰,实际上有四种波形与之相对应,且波的传播方向未定,故每种情况均有两种可能解,画出A 、B 间只有一个波峰的所有波形如下
①a 图中λ=2S ,波向右传传播时4
T t =
t s t s T v 242==
=
λ
,波向左传时T t 43=波
速t
s
t s T v 233/42==
=λ ②b 图中λ=S ,波向右传播时T t 4
3
1=
t s T v 431==λ,波向左传播时42T t =
t s
v 42=;③c 图中λ=S ,波向右传播时
41T t = t s v 21=波向左传播时432T t =,
t
s v 432=
④d 图中λ=3
2s
,波向右传播时
t s v T t 2,4311==波向左传播时42T t =,
t s
v 62=,其中8种可能的波速中有几个相
同,故有
5
种可能的波速为
t
s
t s t s t s t s 6,4,43,23,2。
例5:如图A 、B 是一列简潜波中的两点,某时刻A 点正处在正向最大位移处,另一点B 恰好通过平衡位置向y 方向振动,已知A 、B 的横坐标是0=a x m x b 70=,
m m 8020 λ,求λ。
解题策略:依题意作出A 、B 之间的最 简波形如图,由波形1
m n x x A B 70)4
1
(=+=-λ得
m n 1
4280+=λ (n=0,1,2.……)
将n=0,1,2 ……代λ通式,得λ=280m ,56m ,31
91m ,m 3
1
23,由20m λ80m 知,波长应 为m 3
123和31
9
1
m ,且波沿-x 方向传播; 由波形 2 m n x x A B 70)4
3
(=+=-λ
得m n 3
4280
+=
λ(n=0,1,2……) 将n=0,1,2……代λ通式得波长为m 3
1
93
40m ,m 115
25 由m m 8020 λ,知波长
应为m 11
5
25和40m ,且波向+x 方向传播。
纵观以上例子,可以看出,求解波的多解题,首先判断波的传播方向,看是否以向传播,其次,根据波形及传播方向,列出波沿不同方向传播时可能传播距离和周期的通式,再次,看质点间隐含m 80m 的不同波长的关系,列出波点的通式,再分别将n=0,1,2……代入通式既可求得所有可能的答案,从而真正做到正确求解,防止漏解或用特解代通解。
此文章发表在《数理化学习》高中版2007年5月九期。