题型专练一 新情境专练

一、刷素养

1.【模型构建】[江苏连云港2026高二上期中]如图所示,1、2、3、4、…是一个水平放置松弛状态下的弹簧(可认为是均匀弹性介质)上一系列等间距的质点.某时刻,质点1在外力作用下从平衡位置开始沿左右方向做简谐运动,带动2、3、4、…各个质点离开平衡位置依次左右振动,形成一列简谐纵波.已知质点1开始振动的方向向左,经过二分之一周期,质点9开始运动,则针对此时刻,下列说法正确的是(      )

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A.质点3向左运动

B.质点5所受回复力为零

C.质点6的加速度向右

D.质点9的振幅为零

答案:C
解析:

经过 $ \dfrac{T}{2} $ ,质点1从平衡位置再次运动到平衡位置,质点3振动了 $ \dfrac{3T}{8} $ ,则 $ \dfrac{T}{2} $ 时刻质点3处于从左侧最大位移处向平衡位置运动的过程中,即向右运动,故 $ \mathrm{A} $ 错误;经过 $ \dfrac{T}{2} $ ,质点5恰好到达左侧最大位移处,所受回复力最大,故 $ \mathrm{B} $ 错误;经过 $ \dfrac{T}{2} $ ,质点6振动了 $ \dfrac{3T}{16} $ , $ \dfrac{T}{2} $ 时刻正在向左侧最大位移处运动,加速度方向向右,故 $ \mathrm{C} $ 正确;在波传播过程中,后一个质点重复前一个质点的振动,所以每一个质点的起振方向都和波源的起振方向相同,可知质点9的振幅不为零,故 $ \mathrm{D} $ 错误.


2.【模型构建,科学推理】[山东泰安2025高二上月考]一根细线一端固定,另一端系一密度为 $ \rho =0.8×{10}^{3}\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{m}}^{3} $ 的小球,组成一个单摆,其在空气中做简谐运动的周期 $ T=8\mathrm{s} $ .现将此单摆倒置于水中,将其拉开一个小角度后做简谐运动,如图所示.已知水的密度为 $ 1.0×{10}^{3}\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{m}}^{3} $ ,水和空气对小球的阻力可忽略,则小球在水中做简谐运动的周期为(取重力加速度 $ g=10\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2} $ )(      )

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A. $ 4\mathrm{s} $

B. $ 8\mathrm{s} $

C. $ 12\mathrm{s} $

D. $ 16\mathrm{s} $

答案:D
解析:

单摆在空气中做简谐运动的周期 $ T=2\mathrm{\pi }\sqrt{\dfrac{L}{g}}=8\mathrm{s} $ ,在水中做简谐运动的周期 $ T^\prime =2\mathrm{\pi }\sqrt{\dfrac{L}{g^\prime }} $ ,其中 $ g^\prime $ 为小球摆动过程中的等效重力加速度,小球受到的等效重力为 $ G^\prime =mg\prime =\rho Vg\prime $ ,又因为 $ G^\prime =({\rho }_{水}-\rho )Vg $ ,联立解得 $ g^\prime =\dfrac{1}{4}g $ ,则 $ T^\prime =2\mathrm{\pi }\sqrt{\dfrac{L}{\dfrac{1}{4}g}}=16\mathrm{s} $ .故选 $ \mathrm{D} $ .


3.【科学推理】[湖南长沙雅礼中学2026高二上月考](多选)如图,光滑水平地面上依次放置了 $ n $ 个相同滑块 $ {A}_{1} $ 、 $ {A}_{2} $ 、 $ {A}_{3} $ 、 $ {A}_{4} $ 、…、 $ {A}_{n} $ ,质量均为 $ 3m $ .水平传送带与地面平滑连接,在电动机的作用下保持以 $ {v}_{0} $ 的速率逆时针转动.将一个质量为 $ m $ 的滑块 $ {A}_{0} $ 轻放在传送带右端,滑块在传送带的作用下向左运动,到达传送带左端时速度大小为 $ {v}_{0} $ ,已知所有的碰撞都是一维弹性碰撞.下列说法正确的是 $ ( $ 提示: $ a+{a}^{2}+{a}^{3}+\cdots +{a}^{n}=\dfrac{a(1-{a}^{n})}{1-a} $ ,其中 $ a\ne 1) $ (      )

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A.滑块 $ {A}_{0} $ 发生第一次碰撞后瞬间的速度大小为 $ \dfrac{1}{2}{v}_{0} $

B.滑块 $ {A}_{n-k} $ 最终速度大小为 $ \dfrac{1}{{2}^{k}}{v}_{0} $

C.滑块 $ {A}_{0} $ 最后一次离开传送带时的速度大小为 $ \dfrac{1}{{2}^{n}}{v}_{0} $

D.整个过程中电动机因滑块在传送带上滑动而额外做的功为 $ (3-\dfrac{1}{{2}^{n}})m{v}_{0}^{2} $

答案:AC
解析:

$ {A}_{0} $ 与 $ {A}_{1} $ 发生弹性碰撞,以水平向左为正方向, $ {A}_{0} $ 与 $ {A}_{1} $ 第一次碰撞过程,根据动量守恒定律有 $ m{v}_{0}=m{v}_{1}+3m{v}_{2} $ ,根据机械能守恒定律有 $ \dfrac{1}{2}m{v}_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}m{v}_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}×3m{v}_{2}^{2} $ ,解得 $ {v}_{1}=-\dfrac{1}{2}{v}_{0} $ , $ {v}_{2}=\dfrac{1}{2}{v}_{0} $ , $ \mathrm{A} $ 正确; $ {A}_{1} $ 与 $ {A}_{2} $ 碰撞后交换速度, $ {A}_{2} $ 与 $ {A}_{3} $ 碰撞后交换速度, $ \cdots $ ,最终 $ {A}_{n} $ 以 $ {v}_{n}=\dfrac{1}{2}{v}_{0} $ 的速度向左运动, $ {A}_{0} $ 在传送带摩擦力的作用下以 $ \dfrac{1}{2}{v}_{0} $ 的速度与 $ {A}_{1} $ 发生第二次碰撞,分析可知每次碰后两滑块的速度大小都等于 $ {A}_{0} $ 碰前速度大小的 $ \dfrac{1}{2} $ ,滑块 $ {A}_{n-k} $ 最终速度大小为 $ \dfrac{1}{{2}^{k+1}}{v}_{0} $ , $ \mathrm{B} $ 错误; $ {A}_{0} $ 与 $ {A}_{1} $ 发生第 $ n $ 次碰撞后, $ {A}_{0} $ 最后一次离开传送带时的速度大小为 $ v{\prime }_{n}=\dfrac{1}{{2}^{n}}{v}_{0} $ , $ \mathrm{C} $ 正确;电动机因滑块在传送带上滑动而额外做的功为 $ {W}_{额}=\mu mg{v}_{0}({t}_{0}+2{t}_{1}+2{t}_{2}+\cdots +2{t}_{n})=\mu mg{v}_{0}\cdot (\dfrac{{v}_{0}}{\mu g}+\dfrac{2×\dfrac{{v}_{0}}{2}}{\mu g}+\dfrac{2×\dfrac{{v}_{0}}{4}}{\mu g}+\cdots +\dfrac{2×\dfrac{{v}_{0}}{{2}^{n}}}{\mu g}) $ ,解得 $ {W}_{额}=(3-\dfrac{1}{{2}^{n-1}})m{v}_{0}^{2} $ , $ \mathrm{D} $ 错误.


4.【模型构建,科学推理】[陕西西安2025高二下月考]随着全球汽车产业变革路径向电动化、智能化方向推进,中国车企更为擅长的“三电”技术(电池、电机、电控)、智能化技术逐渐成为核心竞争力,并绕过传统燃油车的技术壁垒,走出了一条“弯道超车”的道路.图甲是某国产新能源汽车前挡风玻璃的智能雨刮器原理示意图,不下雨时,激光光源 $ P $ 发出的红外线在玻璃内斜射到 $ N $ 点时刚好发生全反射,然后被接收器 $ Q $ (其位置可移动)接收;下雨时, $ N $ 点的外侧有水滴,接收器 $ Q $ 接收到的光照强度发生变化,从而启动雨刮器.已知光在真空中的传播速度为 $ c $ ,前挡风玻璃的厚度为 $ d $ ,该玻璃的折射率为 $ \dfrac{\sqrt{6}}{2}.( $ 可能用到的三角函数 $ \sin {15}^{\circ }=\dfrac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4} $ , $ \cos {15}^{\circ }=\dfrac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}) $

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(1) 当 $ N $ 点的外侧有水滴时,接收器 $ Q $ 接收到的光照强度变大还是变小?

(2) 求图甲中光由 $ P $ 点传播到接收器 $ Q $ 的时间;

(3) 如图乙所示,若前挡风玻璃内有一半径为 $ R(R\ll d) $ 的球形空气泡,与玻璃内侧界面相切于点 $ A $ , $ PA $ 的距离为 $ 2R $ ,光从 $ P $ 点射向空气泡上与球心等高处的 $ B $ 点,穿出空气泡后在外侧界面的 $ M $ 点处反射并直接被接收器 $ Q $ 接收,请在图乙中画出光由 $ P $ 到 $ M $ 再到 $ Q $ 的光路图(标出光入射到 $ B $ 点和 $ M $ 点的入射角大小),并求此时接收器 $ Q $ 到 $ M $ 点的距离 $ x $ (不考虑多次反射).

答案:

(1) 变小

(2) $ \dfrac{3\sqrt{2}d}{c} $

(3) $ (\sqrt{6}-\sqrt{2})d $ 光路图见解析

解析:

(1) 当 $ N $ 点的外侧有水滴时,外侧介质折射率变大,则光线射到 $ N $ 点时不能再发生全反射而有部分从玻璃中折射出去,则接收器 $ Q $ 接收到的光照强度变小.

(2) 由 $ \sin C=\dfrac{1}{n}=\dfrac{2}{\sqrt{6}}=\dfrac{\sqrt{6}}{3} $ ,光线在玻璃中的传播速度 $ v=\dfrac{c}{n} $ ,则光由 $ P $ 点传播到接收器 $ Q $ 的时间 $ t=\dfrac{2d}{v \cos C} $ ,联立解得 $ t=\dfrac{3\sqrt{2}d}{c} $ .

(3) 光路图如图所示,由几何关系知光线在 $ B $ 点的入射角为 $ i={45}^{\circ } $ ,

根据光的折射定律 $ n=\dfrac{ \sin r}{ \sin i} $ ,解得折射角为 $ r={60}^{\circ } $ ,

则射到 $ C $ 点的光线的入射角为 $ {60}^{\circ } $ ,折射角为 $ {45}^{\circ } $ ,由几何关系可知射到 $ M $ 点的光线的入射角为 $ {15}^{\circ } $ ,则接收器 $ Q $ 到 $ M $ 的距离 $ x=\dfrac{d}{ \cos {15}^{\circ }}=\dfrac{4d}{\sqrt{6}+\sqrt{2}}=(\sqrt{6}-\sqrt{2})d $ .

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5.【科学推理】[湖北荆州2026高二上月考]如图所示,在绝缘的光滑水平面(足够长)上 $ M $ 点左侧的区域有水平向右的匀强电场.小滑块 $ A $ 、 $ B $ 的质量均为 $ m $ ,其中 $ B $ 不带电, $ A $ 的带电荷量为 $ +q $ , $ O $ 点到 $ M $ 点的距离为 $ L $ , $ N $ 点到 $ O $ 点的距离为 $ kL(k > 0) $ .现将小滑块 $ A $ 从 $ N $ 点由静止释放,其向右运动至 $ O $ 点与静止的小滑块 $ B $ 发生弹性碰撞,设 $ A $ 、 $ B $ 均可视为质点,整个过程中, $ A $ 的电荷量始终不变, $ B $ 始终不带电,已知电场强度 $ E=\dfrac{mg}{q} $ ,重力加速度大小为 $ g $ .

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(1) 求 $ A $ 与 $ B $ 发生第一次碰撞前瞬间, $ A $ 的速度大小;

(2) 求 $ A $ 、 $ B $ 第一次碰后各自的速度大小,若 $ A $ 、 $ B $ 发生第二次碰撞,求 $ k $ 的取值需要满足的条件;

(3) $ k $ 的取值满足(2)问的条件下,求 $ A $ 和 $ B $ 两次碰撞间隔的时间.

答案:

(1) $ \sqrt{2gkL} $

(2) 0; $ \sqrt{2gkL} $ ; $ k < 1 $

(3) 见解析

解析:

(1) 设 $ A $ 与 $ B $ 碰撞前的速度为 $ {v}_{1} $ ,对 $ A $ 由动能定理得 $ EqkL=\dfrac{1}{2}m{v}_{1}^{2} $ ,又 $ E=\dfrac{mg}{q} $ ,联立解得 $ {v}_{1}=\sqrt{2gkL} $ .

(2) 由题意知, $ A $ 与 $ B $ 发生弹性碰撞,规定 $ {v}_{1} $ 方向为正方向,由动量守恒定律得 $ m{v}_{1}=mv{\prime }_{1}+mv{\prime }_{2} $ ,

由机械能守恒定律得 $ \dfrac{1}{2}m{v}_{1}^{2}=\dfrac{1}{2}mv{\prime }_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}mv{\prime }_{2}^{2} $ ,

联立解得 $ v{\prime }_{1}=0 $ , $ v{\prime }_{2}=\sqrt{2gkL} $ ,

碰撞后, $ B $ 以 $ v{\prime }_{2} $ 的速度做匀速直线运动, $ A $ 在电场力作用下做初速度为零的匀加速直线运动,为使 $ A $ 与 $ B $ 能发生第二次碰撞,则 $ A $ 经电场再次加速后的最大速度 $ v{″}_{1} $ 应满足的条件为 $ v{″}_{1} > v{\prime }_{2} $ ;

$ A $ 、 $ B $ 第一次碰撞后,对 $ A $ 由动能定理得 $ EqL=\dfrac{1}{2}mv{″}_{1}^{2} $ ,联立解得 $ k < 1 $ .

(3) 不考虑 $ A $ 、 $ B $ 发生第二次碰撞, $ A $ 、 $ B $ 碰后 $ B $ 运动到 $ M $ 点所用时间为 $ {t}_{B}=\dfrac{L}{v{\prime }_{2}}=\sqrt{\dfrac{L}{2gk}} $ ,

$ A $ 的加速度 $ {a}_{1}=\dfrac{Eq}{m}=g $ ,

设 $ A $ 运动到 $ M $ 点所用时间为 $ {t}_{A} $ ,则 $ L=\dfrac{1}{2}g{t}_{A}^{2} $ ,

若 $ A $ 、 $ B $ 恰好在 $ M $ 点发生第二次碰撞,则 $ {t}_{A}={t}_{B} $ ,联立解得 $ k=\dfrac{1}{4} $ ,

设 $ A $ 、 $ B $ 第一次碰撞与第二次碰撞之间的时间为 $ t $ ,当 $ k⩽ \dfrac{1}{4} $ 时, $ A $ 与 $ B $ 在离开电场前发生第二次碰撞,有 $ \dfrac{1}{2}g{t}^{2}=\sqrt{2gkL}t $ ,解得 $ t=2\sqrt{\dfrac{2kL}{g}} $ ;

当 $ \dfrac{1}{4} < k < 1 $ 时, $ A $ 与 $ B $ 离开电场后发生第二次碰撞,有 $ \sqrt{2gkL}t=L+v{″}_{1}(t-{t}_{A}) $ ,联立解得 $ t=\dfrac{1+\sqrt{k}}{1-k}\sqrt{\dfrac{L}{2g}} $ .


6.【科学推理】[湖南长沙南雅中学2026高二上月考]打水漂是小龙老师童年最喜欢的游戏之一,将打水漂进行如下简化处理.用一质量为 $ m $ 且均匀分布的圆形小瓦片来打水漂.水平抛出时离水面的高度为 $ h $ ,初速度为 $ {v}_{0} $ ,瓦片底面每一次与水面均平行接触,且接触时间很短.在垂直水面的方向可视为碰撞,每次碰撞后与碰撞前垂直水面方向的速度大小之比为 $ e(e < 1) $ ,水平方向受阻力作用,阻力与水面所给的弹力满足 $ f=\mu N.m $ 、 $ h $ 、 $ {v}_{0} $ 、 $ \mu $ 、 $ e $ 均为已知量,重力加速度为 $ g $ .不考虑旋转的影响.求: $ ( $ 可能要用到的数学知识:等比数列的通项公式 $ {a}_{n}={a}_{1}\cdot {q}^{n-1} $ ,前 $ n $ 项和公式 $ {S}_{n}=\dfrac{{a}_{1}(1-{q}^{n})}{1-q} $ ,其中 $ q\ne 1) $

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(1) 瓦片第 $ n $ 次弹起后上升的最大高度及在空中的运动时间;

(2) 瓦片第一次弹起时,水面对瓦片的冲量大小;

(3) 瓦片第 $ n $ 次弹起后在水平方向的位移大小.

答案:

(1) $ h{e}^{2n} $ ; $ 2{e}^{n}\sqrt{\dfrac{2h}{g}} $

(2) $ \sqrt{1+{\mu }^{2}}m(1+e)\sqrt{2gh} $

(3) $ 2{e}^{n}\sqrt{\dfrac{2h}{g}}({v}_{0}-\mu \sqrt{2gh}\cdot \dfrac{1+e-{e}^{n}-{e}^{n+1}}{1-e}) $

解析:

(1) 瓦片第一次与水面接触之前 $ {v}_{0y}=\sqrt{2gh} $ ,

瓦片第一次弹起 $ {v}_{1y}=e{v}_{0y} $ ,

瓦片第二次弹起 $ {v}_{2y}=e{v}_{1y}={e}^{2}{v}_{0y} $ ,

依次类推,

瓦片第 $ n $ 次弹起 $ {v}_{ny}={e}^{n}{v}_{0y} $ ,

瓦片第 $ n $ 次弹起上升最大高度 $ {h}_{ny}=\dfrac{{v}_{ny}^{2}}{2g}=\dfrac{{\left({e}^{n}{v}_{0y}\right) ^ {2}}}{2g}=h{e}^{2n} $ ,

瓦片第 $ n $ 次弹起后在空中的运动时间 $ {t}_{n}=2×\dfrac{{v}_{ny}}{g}=\dfrac{2{e}^{n}\sqrt{2gh}}{g}=2{e}^{n}\sqrt{\dfrac{2h}{g}} $ .

(2) 设水面第一次对瓦片竖直方向冲量大小为 $ {I}_{1y} $ ,以竖直向上为正方向,瓦片第一次弹起过程,竖直方向由动量定理得 $ {I}_{1y}=m{v}_{1y}-(-m{v}_{0y})=m(1+e)\sqrt{2gh} $ ,设水面第一次对瓦片水平方向冲量大小为 $ {I}_{1x} $ ,瓦片所受阻力与弹力满足 $ f=\mu N $ ,所以 $ \dfrac{{I}_{1x}}{{I}_{1y}}=\dfrac{f\mathrm{\Delta }{t}_{1}}{N\mathrm{\Delta }{t}_{1}}=\mu $ ,

水面第一次对瓦片冲量大小为 $ {I}_{1}=\sqrt{{I}_{1x}^{2}+{I}_{1y}^{2}}=\sqrt{1+{\mu }^{2}}m(1+e)\sqrt{2gh} $ .

(3) 水面第一次对瓦片竖直方向冲量大小 $ {I}_{1y}=m{v}_{1y}-(-m{v}_{0y})=m\sqrt{2gh}(1+e) $ ,

水面第二次对瓦片竖直方向冲量大小 $ {I}_{2y}=m{v}_{2y}-(-m{v}_{1y})=m\sqrt{2gh}({e}^{2}+e)=m\sqrt{2gh}(1+e)e $ ,

依次类推,

水面第 $ n $ 次对瓦片竖直方向冲量大小 $ {I}_{ny}=m{v}_{ny}-[-m{v}_{(n-1)y}]=m\sqrt{2gh}(1+e){e}^{n-1} $ ,

水面 $ n $ 次对瓦片竖直方向总冲量大小 $ {I}_{y}={I}_{1y}+{I}_{2y}+\cdots +{I}_{ny} $ ,

代入数据得 $ {I}_{y}=m\sqrt{2gh}(1+e)+(1+e+\cdots +{e}^{n-1}) $ ,

整理得水面 $ n $ 次对瓦片竖直方向总冲量大小 $ {I}_{y}=m\sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e} $ ,

根据 $ f=\mu N $ ,有 $ \dfrac{{I}_{nx}}{{I}_{ny}}=\dfrac{{F}_{nx}\mathrm{\Delta }{t}_{n}}{{F}_{ny}\mathrm{\Delta }{t}_{n}}=\dfrac{{F}_{nx}}{{F}_{ny}}=\mu $ ,

故 $ {I}_{1x}=\mu {I}_{1y} $ , $ {I}_{2x}=\mu {I}_{2y} $ , $ \cdots $ , $ {I}_{nx}=\mu {I}_{ny} $ ,

又知水面 $ n $ 次对瓦片水平方向总冲量大小 $ {I}_{x}={I}_{1x}+{I}_{2x}+\cdots +{I}_{nx} $ ,

所以水面 $ n $ 次对瓦片水平方向总冲量大小 $ {I}_{x}=\mu {I}_{y}=\mu m\sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e} $ ,

瓦片第一次弹起过程水平方向由动量定理有 $ {I}_{1x}=m{v}_{0}-m{v}_{1x} $ ,

瓦片第二次弹起过程水平方向由动量定理有 $ {I}_{2x}=m{v}_{1x}-m{v}_{2x} $ ,

依次类推,

瓦片第 $ n $ 次弹起过程水平方向由动量定理有 $ {I}_{nx}=m{v}_{(n-1)x}-m{v}_{nx} $ ,

以上方程相加可得 $ {I}_{x}=m{v}_{0}-m{v}_{nx} $ ,

所以 $ \mu m\sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e}=m{v}_{0}-m{v}_{nx} $ ,

瓦片第 $ n $ 次弹起后水平速度大小 $ {v}_{nx}={v}_{0}-\mu \sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e} $ ,

瓦片第 $ n $ 次弹起后水平位移大小 $ {x}_{nx}={v}_{nx}{t}_{n}=[{v}_{0}-\mu \sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e}]\cdot {t}_{n}=[{v}_{0}-\mu \sqrt{2gh}(1+e)\cdot \dfrac{1-{e}^{n}}{1-e}]×2{e}^{n}\sqrt{\dfrac{2h}{g}} $ ,

整理得 $ {x}_{nx}=2{e}^{n}\sqrt{\dfrac{2h}{g}}({v}_{0}-\mu \sqrt{2gh}\cdot \dfrac{1+e-{e}^{n}-{e}^{n+1}}{1-e}) $ .