付 巖

(吉林省長春市九臺(tái)區(qū)實(shí)驗(yàn)高中)

機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波是在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出的周期性運(yùn)動(dòng),學(xué)生要想很好地掌握本部分知識(shí)內(nèi)容,必須具備一定的空間想象能力和抽象思維能力.縱觀高考試題,考查形式有填空、選擇、計(jì)算,內(nèi)容主要包括對(duì)機(jī)械振動(dòng)基本概念和規(guī)律的理解、波的多解處理方法、從振動(dòng)圖像和波的圖像中獲取信息的能力、通過振動(dòng)和波的函數(shù)式考查運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問題的能力等,體現(xiàn)了高考評(píng)價(jià)體系中對(duì)物理學(xué)科提出的五種關(guān)鍵能力的考查.

本文結(jié)合實(shí)際教學(xué),針對(duì)波動(dòng)圖像與振動(dòng)圖像,結(jié)合試題中出現(xiàn)的一類問題情境,進(jìn)行歸類探討,助力相關(guān)學(xué)習(xí)與研究.

1 相關(guān)情境

質(zhì)點(diǎn)的位移為零(平衡位置)或者最大值(波峰、波谷)時(shí),習(xí)慣稱該位置為“特殊位置”,學(xué)生對(duì)處于這些位置質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況的分析較為容易,但某些試題的考查情境是質(zhì)點(diǎn)在“非特殊位置”,如位移大小為這些位置也是有跡可循的,筆者在教學(xué)實(shí)踐中常用“一般位置中的特殊點(diǎn)”這一說法,來特指處于上述位置的質(zhì)點(diǎn).

2 知識(shí)歸類

2.1 波的圖像中,一般位置中“特殊點(diǎn)”的橫坐標(biāo)特征

圖1

圖2

綜上可得出:點(diǎn)O1和O3將四分之一波長的OB三等分,四分之一波長的BC也同樣被點(diǎn)O4和O2三等分,O3和O4將半波長三等分,如圖3所示.

圖3

通過以上類似分析,如圖4 所示,位移為y＝的質(zhì)點(diǎn)的平衡位置坐標(biāo)將四分之一波長平分,與點(diǎn)C一同將半波四等分,即

圖4

2.2 振動(dòng)圖像中,一般位置中“特殊時(shí)刻”的時(shí)間特征

設(shè)某質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像為標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線(從t＝0時(shí)刻開始振動(dòng)),如圖5 所示,振動(dòng)方程為y＝Asin(ωt).通過分析得到如表1所示的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的時(shí)間特征:質(zhì)點(diǎn)由平衡位置向上振動(dòng)到位移為A2的時(shí)間與由A2振動(dòng)到最大位移A4所用時(shí)間相等,為從平衡位置向上振動(dòng)至位移為A1處的時(shí)間、由A1振動(dòng)到A3的時(shí)間、由A3振動(dòng)至最大位移A4時(shí)間相等,即

圖5

表1 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的時(shí)間特征

2.3 常用規(guī)律

1)與質(zhì)點(diǎn)位置無關(guān):相隔半波長奇數(shù)倍的兩質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)始終相反;相隔波長整數(shù)倍的兩質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)始終相同.

2)與振動(dòng)起點(diǎn)無關(guān):經(jīng)過半個(gè)周期,質(zhì)點(diǎn)一定運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱點(diǎn),且振動(dòng)步調(diào)完全相反,路程為兩倍振幅;經(jīng)過n個(gè)周期,路程為4n倍振幅.

3 方法應(yīng)用

3.1 巧解波長

例1(2022 年全國甲卷)一平面簡諧橫波以速度v＝2m·s－1沿x軸正方向傳播,t＝0 時(shí)刻的波形圖如圖6所示.介質(zhì)中平衡位置在坐標(biāo)原點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)A在t＝0 時(shí)刻的位移y＝cm.該波的波長為_________m,頻率為_________Hz.t＝2s時(shí)刻,質(zhì)點(diǎn)A_________(填“向上運(yùn)動(dòng)”“速度為零”或“向下運(yùn)動(dòng)”).

圖6

解析

頻率求解及振動(dòng)方向的判斷過程不贅述,主要分析對(duì)比求波長的方法.

方法1解析式法

方法2“特殊點(diǎn)”法

圖7

3.2 判斷周期

例2(2021 年湖北卷)一列簡諧橫波沿x軸傳播,在t＝0 時(shí)刻和t＝1s時(shí)刻的波形分別如圖8中實(shí)線和虛線所示.已知x＝0處的質(zhì)點(diǎn)在0～1s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的路程為4.5cm.下列說法正確的是( ).

圖8

A.波沿x軸正方向傳播

B.波源振動(dòng)周期為1.1s

C.波的傳播速度大小為13m·s－1

D.t＝1s時(shí),x＝6 m 處的質(zhì)點(diǎn)沿y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)

解析

由圖像可得振幅A＝1cm,在Δt＝1s時(shí)間內(nèi)x＝0 處的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的路程為4.5cm＝由此判斷出x＝0處的質(zhì)點(diǎn)在t＝0時(shí)刻向下振動(dòng),波向正方向傳播,故選項(xiàng)A 正確;t＝1s時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)仍然向下振動(dòng),且位移恰好為－0.5cm,其大小是振幅的二分之一,根據(jù)前文圖5及表1中的結(jié)論,直接得到Δt＝關(guān)系,解得T＝.選項(xiàng)C、D 不贅述.

4 總評(píng)

振動(dòng)與波的圖像問題中,對(duì)于位于“特殊位置”的質(zhì)點(diǎn),很容易套用結(jié)論解決問題,而處理一般位置時(shí),多數(shù)教師選擇的方法是根據(jù)題意,寫出波(或質(zhì)點(diǎn)振動(dòng))的函數(shù)式,將已知點(diǎn)坐標(biāo)代入其中進(jìn)而求出解析式,再處理相關(guān)問題.本文對(duì)一般位置中的“特殊點(diǎn)”提出的處理方法,其本質(zhì)也是基于數(shù)學(xué)正弦函數(shù)的基本特征,進(jìn)行歸類總結(jié),學(xué)生通過訓(xùn)練,能夠很好地理解與運(yùn)用,并在解決選擇題、填空題以及驗(yàn)證計(jì)算時(shí)節(jié)省時(shí)間,達(dá)到事半功倍的效果.

(完)