第三章 机械波
1.波的形成
基础巩固
1.(多选)下列关于机械波的说法正确的是( )
A.波动发生需要两个条件:波源和介质
B.波动过程是介质质点由近及远移动的过程
C.波动过程是能量由近及远传递的过程
D.波源与介质质点的振动都是自由振动
答案:AC
解析:要产生机械波,必须有波源和介质,A正确;波传播的过程就是波的能量和形式由近及远传递的过程,但质点并不随波迁移,C正确,B错误;介质中各质点的振动为受迫振动,D错误。
2.一列横波正沿水平方向由西向东传播,则下列说法正确的是( )
A.波中的各个质点都在由西向东运动
B.波中的各个质点一定沿水平方向振动
C.波中的各个质点一定沿竖直方向振动
D.以上说法都错误
答案:D
解析:机械波传播的是振动的形式和能量,而介质中各个质点仅在平衡位置附近振动,质点不会随波迁移,横波沿水平方向由西向东传播,质点振动方向与其传播方向垂直,不一定沿水平方向,也不一定沿竖直方向。故选项A、B、C错误,D正确。
3.(多选)关于机械波和机械振动,下列说法正确的是( )
A.机械振动就是机械波,机械波就是机械振动
B.有机械波,则一定有机械振动
C.机械波就是质点在介质中的运动路径
D.在波传播方向上各个质点都有相同的振动频率和振幅
答案:BD
解析:机械振动在介质中传播,形成了机械波,A错;波的形成有两个条件,一是要有波源,二是要有介质,所以,有机械波一定有机械振动,B对;在波的形成和传播过程中,各质点不随波迁移,C错;离波源较远的质点依靠前面质点的带动,所以各质点的频率、振幅相同,D对。
4.(多选)一列横波某时刻的波形如图所示,则关于质点A的受力,下列说法正确的是( )
A.如果波向右传播,则质点A受到向上的作用力
B.如果波向右传播,则质点A受到向下的作用力
C.如果波向左传播,则质点A受到向上的作用力
D.如果波向左传播,则质点A受到向下的作用力
答案:BD
解析:无论波向左传播还是向右传播,回复力始终指向平衡位置,且质点A的回复力是由相邻的质点对质点A的作用力来提供的,质点A的受力方向向下,故B、D正确。
5.沿绳传播的一列横波,当波源突然停止振动时(设绳无限长,且波传播过程无能量损失)( )
A.绳上各质点同时停止振动,波同时消失
B.离波源较近的质点先停止振动,直到所有质点全部停止振动
C.离波源较远的质点先停止振动,直到所有质点全部停止振动
D.以上说法都不对
答案:D
解析:波源振动后,通过介质将波源的振动形式传递出去的同时,也将能量传递出去了;波源停止振动后,传出去的能量不会消失;当没有其他阻力时,这种波的形式和能量继续存在并且将继续传递下去。如图所示,波源停止振动后,离波源最近的质点0、1、2、3……依次停止振动,之后质点a、b、c……将依次开始振动起来,所以A、B、C都错误。
6.下图是一列向右传播的横波,请标出这列波中a、b、c、d……h各质点在这一时刻的振动方向。
答案:如图所示
解析:若以此时最大位移处的c点为参照点,由波的形成特点知d点的振动滞后于c,要追随c移动到负的最大位移处,所以振动方向向下,e、f依次跟上,都向下振动;b的振动超前于c,已从负的最大位移处向平衡位置振动,所以向上振动;a超前于b,已回到平衡位置,速度最大且向上振动;同理,以g为参照点,可知h点向上振动。
能力提升
1.科学探测表明,月球表面无大气层,也没有水,更没有任何生命存在的痕迹。在月球上,两宇航员面对面讲话也无法听到,这是因为( )
A.月球太冷,声音传播太慢
B.月球上没有空气,声音无法传播
C.宇航员不适应月球,声音太轻
D.月球上太嘈杂,声音听不清楚
答案:B
解析:两宇航员面对面讲话却无法听到,说明声波有振源却传播不出去,即缺乏声波传播的另一条件——介质,故B选项正确。
2.(多选)一振动周期为T,振幅为A,位于x=0点的波源从平衡位置沿y轴正方向开始做简谐运动。该波源产生的一维简谐横波沿x轴正方向传播,波速为v,传播过程中无能量损失,一段时间后,该振动传播至某质点P,关于质点P振动的说法正确的是( )
A.振幅一定为A
B.周期一定为T
C.速度的最大值一定为v
D.开始振动的方向沿y轴向上或向下取决于它离波源的距离
答案:AB
解析:机械波将波源的振动形式和能量向外传递,对简谐波而言,介质中各振动质点的振幅和周期都与波源的相同,选项A、B正确;质点P的振动速度不是波的传播速度v,选项C错误;质点P开始振动的方向与波源开始振动的方向相同,与它们之间的距离无关,选项D错误。
3.一列波在介质中向某一方向传播,下图为此波在某一时刻的波形,并且此时振动还只发生在M、N之间,已知此波的周期为T,Q质点速度方向在波形中是向下的,下面说法正确的是( )
A.波源是M,由波源起振开始计时,P质点已经振动了T
B.波源是N,由波源起振开始计时,P质点已经振动了
C.波源是N,由波源起振开始计时,P质点已经振动了
D.波源是M,由波源起振开始计时,P质点已经振动了
答案:C
解析:由于此时Q质点向下振动,且Q质点右方邻近质点在Q质点下方,则波向左传播,N是波源。经过一个周期,振动从N点传播到M点,因从波源N起振开始计时,需经T,P质点才开始振动,故P质点已振动了,选项C正确。
4.下图为一列沿x轴负方向传播的机械波在某一时刻的波形,下列说法正确的是( )
A.该时刻a点和d点处的质点位移相同,加速度相反
B.该时刻b点和c点处的质点位移相同,速度方向也相同
C.质点b比质点c先回到平衡位置
D.质点a比质点d先回到平衡位置
答案:D
解析:该时刻a点和d点处的质点位移相同,加速度方向均指向y轴正向,选项A错误;该时刻b点和c点的质点位移相同,b点速度方向向上,c点速度方向向下,故质点c比质点b先回到平衡位置,选项B、C错误;质点a振动方向向上,质点d振动方向向下,故质点a比质点d先回到平衡位置,选项D正确。
5.图甲为波源的振动图像,图乙为均匀介质中同一条直线上等间距的质点在t=1 s时的振动状态,其中质点4刚开始振动。请在图丙中画出t=5 s时质点的振动状态。
甲
乙
丙
答案:见解析图
解析:由题图甲知波源振动周期T=4 s,根据波传播的规律知t=5 s时,波源出现在波峰,质点16起振,如图所示。
6.已知地震波的纵波和横波在地表附近的传播速度分别是9.1 km/s 和3.7 km/s,在某地的观测站中,记录了纵波和横波到达该地的时间差为5.4 s。
(1)求这个观测站距震中的距离。
(2)观测站首先观察到的是上下振动还是左右摇晃
答案:(1)33.67 km (2)首先观察到的是上下振动
解析:(1)根据纵波、横波传到观测站的时间差,
=5.4 s,
解得s=33.67 km。
(2)先传到的是纵波,所以首先观察到的是上下振动。(共37张PPT)
1.波的形成
第三章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.理解机械波的形成过程和产生条件。
2.知道机械波的种类及横波和纵波的概念。
3.了解机械波传播的特点。
4.通过对波的认识和理解,提高空间想象能力。
1.通过体会和理解波的形成和传播及横波、纵波的概念,形成物理观念。
2.通过生活中有关波的素材,建立对波的感性认识,理解其本质,形成对科学和技术应有的正确态度。
自主预习 新知导学
一、波的形成
1.波
振动的传播称为波动,简称波。
2.波的形成
当手握绳端上下振动时,绳端带动相邻的质点,使它也上下振动,这个质点又带动更远一些的质点……绳子上的质点都跟着振动起来,只是后面的质点总比前面的质点迟一些开始振动。绳端这种上下振动的状态就沿绳子传出去了,整体上形成了凹凸相间的波形。
二、横波和纵波
1.横波
质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波,叫作横波。在横波中,凸起的最高处叫作波峰,凹下的最低处叫作波谷。
2.纵波
质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波,叫作纵波。在纵波中,质点分布最密的位置叫作密部,质点分布最疏的位置叫作疏部。
三、机械波
1.介质
(1)定义:波借以传播的物质,叫作介质。
(2)特点:组成介质的质点之间有相互作用,一个质点的振动会引起相邻质点的振动。
2.机械波
机械振动在介质中传播,形成了机械波。
3.机械波的特点
(1)介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播,传播的只是振动这种运动形式。
(2)波是传递能量的一种方式。
(3)波不但传递能量,而且可以传递信息。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)质点的振动位置不断转换即形成波。( )
(2)在绳波的形成和传播中,所有质点同时运动,同时停止运动。( )
(3)物体做机械振动,一定产生机械波。( )
(4)质点的振动方向与波的传播方向垂直的波都是横波。( )
2.振动和波的关系是什么 有振动是否一定有机械波
提示:波源和介质是形成机械波的必要条件,二者缺一不可,有振动不一定有机械波,有机械波一定有振动。
3.机械波形成后,若波源停止振动,机械波会立即消失吗
提示:不会。波源停止振动后,机械波传递的能量并没有立即消失,因此机械波不会立即消失。
×
×
×
√
合作探究 释疑解惑
知识点一
波的形成和传播
【问题引领】
如图所示,手拿绳的一端,上下振动一次,使绳上形成一个凸起状态,随后形成一个凹落状态,可以看到,这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动。如果在绳子上某处做一标记,观察这一标记的运动。
(1)标记有没有随波迁移
(2)当手停止抖动后,绳上的波会立即停止吗
提示:(1)没有。标记只在竖直方向上下振动。
(2)不会。当手停止抖动后,波仍向右传播。
【归纳提升】
1.波的形成与传播
2.波的特点
(1)振幅:像绳波这种一维(只在某个方向上传播)机械波,若不计能量损失,各质点的振幅相同。
(2)步调:离波源越远,质点振动越滞后。
(3)运动:各质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移。各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。
(4)实质:机械波向前传播的是振动这种运动形式,同时也可以传递能量和信息。
【典型例题】
答案:见解析
【例题1】 下图是某绳波形成过程的示意图,质点1在外力作用下沿直线方向做简谐运动,带动2、3、4……各个质点依次上下振动,把振动从绳的左端传到右端。已知t=0时,质点1开始向上运动,t= 时,1到达最上方,5开始向上运动。问:
解析:各质点在各时刻的情况,如图所示。
科学思维 波动过程中介质中各质点的运动特点
波动过程中介质中各质点的振动周期都与波源的振动周期相同,其运动特点可用三句话来描述,即先振动的质点带动后振动的质点,后振动的质点重复前面质点的振动,后面振动质点的振动状态落后于先振动的质点。概括起来就是“带动、重复、落后”。
【变式训练1】 如图所示,沿水平方向的介质中的部分质点,每相邻两质点的距离相等,其中0为波源,设波源的振动周期为T,从波源通过平衡位置竖直向下振动开始计时,经 质点1开始振动,则下列关于质点的振动和介质中的波的说法不正确的是( )
A.介质中所有质点的起振方向都是竖直向下的,但图中质点9起振最晚
B.图中所画出的质点起振时间都是相同的,起振的位置和起振的方向是不同的
C.图中质点8的振动完全重复质点7的振动,只是质点8振动时通过平衡位置或最大位移处的时间总是比质点7通过相同的位置时落后
D.只要图中所有质点都已振动了,质点1与质点9的振动步调就完全一致,如果质点1发生的是第100次振动,则质点9发生的就是第98次振动
答案:B
解析:从题中可知,质点9是图中距波源最远的点,尽管起振方向与振源相同,但起振时刻最晚,A项正确,B项错误;质点7与质点8比较,质点7是质点8的前质点,质点7、8间的振动步调相差 ,C项正确;质点9比质点1晚2T开始起振,一旦质点9起振后,质点1、9的振动步调就完全一致,D项正确。
【问题引领】
知识点二
横波和纵波
看图回答下列问题。
(1)图甲是绳波,其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系
(2)图乙是声波,其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系
提示:(1)相互垂直 (2)在同一条直线上
【归纳提升】
1.横波和纵波的比较
比较项 横波 纵波
概念 在波动中,质点的振动方向和波的传播方向相互垂直 在波动中,质点的振动方向和波的传播方向在一条直线上
特征 在波动中交替、间隔出现波峰和波谷 在波动中交替、间隔出现密部和疏部
2.振动与波动的联系和区别
比较项 振动 波动
运动 现象 振动是单个物体所表现出的周而复始的运动现象 波动是介质中大量的质点受到扰动时,从扰动中心传播开来的周而复始的运动现象
运动的 成因 物体由于某种原因离开平衡位置,同时受到指向平衡位置的力——回复力作用 介质中的质点受到相邻质点的扰动而随着运动,并由近及远传播开去,且各部分都受到指向原位置的力的作用
联系 振动是波的起因,波是振动的传播,有波动一定有振动,有振动不一定有波动。牢记波动的周期等于质点振动的周期
【典型例题】
【例题2】 有关纵波与横波,下列说法正确的是( )
A.对于纵波,质点的振动方向与波的传播方向一定相同
B.对于横波,质点振动方向与波的传播方向垂直
C.纵波的质点可以随波迁移,而横波的质点不能
D.纵波只能在液体、气体中传播
答案:B
解析:纵波质点振动方向与传播方向在一条直线上,方向并不一定相同,A项错误;横波质点振动方向与波的传播方向垂直,B项正确;机械波的质点只是在其平衡位置附近做简谐运动,并不随波迁移,横波和纵波都是这样,C项错误;纵波可在固体、液体和气体中传播,D项错误。
科学思维 1.波在传播过程中,质点只在其平衡位置附近做简谐运动,并不随波迁移。
2.根据质点做简谐运动的特点可确定质点的位置和速度方向。
【变式训练2】 (多选)关于横波和纵波,下列说法正确的是( )
A.对于纵波,质点的振动方向和波的传播方向有时相同,有时相反
B.对于横波,质点的振动方向与波的传播方向一定垂直
C.形成纵波的质点随波一起迁移
D.空气介质只能传播纵波
答案:ABD
解析:质点的振动方向与波的传播方向垂直的波是横波,质点的振动方向与波的传播方向平行的波是纵波;纵波质点的振动方向与波的传播方向有时相同,有时相反,A、B项正确;无论横波还是纵波,质点都不随波迁移,C项错误;横波不能在空气中传播,空气只能传播纵波,D项正确。
【问题引领】
知识点三
由“带动法”确定质点的振动方向
下图是一列沿着绳向右传播的绳波波形,此时波刚传到B点。请根据图像判断,波源A点开始振动的方向如何
提示:由于波刚刚传到B点,所以B点此时的振动方向就是波源的起振方向,由题图,根据波的传播与质点振动的关系可以知道,B质点此时正向上振动,所以波源A质点刚开始的振动方向向上。
【归纳提升】
1.原理:先振动的质点带动邻近的后振动的质点。
2.方法:在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P',P'为先振动的质点,若P'在P上方,则P向上运动;若P'在P下方,则P向下运动,如图所示。
【典型例题】
【例题3】 一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图所示的形状,对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点说法正确的是( )
A.质点B向右运动
B.质点D和质点F的速度方向相同
C.质点A和质点C的速度方向相同
D.从此时算起,质点B比质点C先回到平衡位置
答案:D
解析:波传播时,离波源远的质点的振动落后于离波源近的质点的振动,并跟随着离波源近的质点振动,D跟随C向上运动,F跟随E向下运动,同理,A向下运动,C向上运动,由此可知B、C项错误;由于此时B和C都向上运动,所以B比C先到达最大位移处,并先回到平衡位置,A项错误,D项正确。
模型建构 本题考查了质点振动方向的确定方法,先振动的质点带动邻近的后振动的质点。这是从物理学视角对基于事实构建的振动模型中各质点运动规律及相互关系的分析,体现了“科学思维”的学科素养。
【变式训练3】 振源A带动细绳上各点上下做简谐运动,t=0时刻绳上形成的波形如图所示。规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向,则P点的振动图像是( )
答案:B
解析:由“带动法”可知此时P点从平衡位置开始向下运动,B项正确。
课堂小结
随堂练习
1.(波的形成和传播)一小石子落入平静的湖面中央,圆形波纹一圈圈向外传播,有一片树叶落在水面上,则树叶( )
A.逐渐漂向湖心
B.逐渐漂向湖畔
C.在落下的地方上下振动
D.沿树叶所在的圆圈做圆周运动
答案:C
解析:树叶随它所在处的湖水运动,做的应是上下振动,并不随波迁移,既不会漂向湖畔,也不会漂向湖心,故正确答案为C。
2.(横波和纵波)(多选)关于横波和纵波,下列说法正确的是( )
A.质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫横波
B.质点的振动方向跟波的传播方向在同一直线上的波叫纵波
C.横波有波峰和波谷,纵波有密部和疏部
D.地震波是横波,声波是纵波
答案:ABC
解析:根据横波和纵波的定义知,A、B、C正确;声波是一种纵波,但地震波中既有横波又有纵波,D错误。
3.(振动与波的关系)关于振动和波的关系,下列说法正确的是( )
A.如果波源停止振动,在介质中传播的波也立即停止
B.发声体在振动时,一定会产生声波
C.波动的过程是介质质点由近及远的传播过程
D.波动的过程是质点的振动形式及能量由近及远的传播过程
答案:D
解析:波源停止振动,介质中的质点仍然在振动,所以波仍继续传播,选项A错误;产生波的条件必须有介质,选项B错误;在振动过程中质点不随波的传播而迁移,只是向外传播信息和能量,选项C错误,选项D正确。
4.(由“带动法”确定质点的振动方向)一列简谐横波沿x轴传播,某时刻的波形如图所示,已知此时质点F的运动方向向y轴负方向,则( )
A.此波向x轴正方向传播
B.质点C此时向y轴正方向运动
C.质点C将比质点B先回到平衡位置
D.质点E的振幅为零
答案:C
解析:因为机械波在传播过程中,靠近波源的质点的振动带动相邻的后面质点的振动,而后面质点要“模仿”前面质点的振动,所以本题中,已知质点F的运动方向向y轴负方向,即F质点正在“模仿”右边质点的振动,这说明波源在右边,波从右向左传播,即此波向x轴负方向传播,选项A错误;质点C此时刚到达最大位移处,速度为0,此后向y轴负方向运动,选项B错误;质点B要先向y轴正方向运动到达波峰位置再回到平衡位置,而质点C直接从波峰位置回到平衡位置,选项C正确;振幅指的是质点离开平衡位置的最大距离,虽然此时质点E的位移为零,但其振幅不为零,选项D错误。
本 课 结 束
