高中物理鲁科版（2019）选择性必修一 课件 3.1 波的形成和描述(共61张PPT)

(共61张PPT)
3.1　波的形成和描述
1.知道什么是机械波以及机械波的形成条件和过程.
2.能区分横波和纵波.
3.知道什么是波的图像，能在简谐波的图像中读出质点振动的振幅、波长、周期等物理量.
4.知道波动图像判断质点的振动情况；知道质点的振动图像判断波动情况.
学习目标
一、认识机械波
1.机械波的定义：机械振动在媒介中的传播.
2.形成机械波的两个条件：机械振动的波源和传播振动的介质.
(1)波源：振动源.
(2)介质：用来传播机械振动的媒介.
思考：有振动是否一定有机械波
提示：有振动不一定有机械波，有机械波一定有振动.
知识梳理
二、机械波的传播
1.机械波的形成：波源带动相邻质点做受迫振动，该质点振动后会同样带动其相邻质点做受迫振动，即绳子上每个振动的质点又如新的波源带动下一个质点的运动，直至机械波传播到能传播的地方.
2.机械波的特点：机械波既传播振动的运动形式，同时也将波源的能量传播出去.波是传递能量的一种方式.
思考：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.
三、横波与纵波
1.横波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的机械波.
2.纵波：波的传播方向和质点的振动方向在同一直线上的机械波.
四、机械波的图像
1.建立坐标系：用横坐标表示介质中各个质点的平衡位置，用纵坐标表示这一时刻各个质点偏离平衡位置的位移.
2.连线：连接各位移矢量的末端，就得出一条光滑曲线，这条曲线就是简谐波在这一时刻的图像.
3.波峰和波谷：从横波的图像中可以看到，在波的传播方向上达到正向最大位移的质点和达到反向最大位移的质点交替出现.前者所在处叫作波峰，后者所在处叫作波谷.
思考：为什么不同时刻波的图像的形状不同
提示：在波的传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，不同时刻质点的位移不同，故不同时刻波的图像不同.
五、描述机械波的物理量
1.波长：
(1)在波动中，对平衡位置的位移总是相同的两个相邻质点之间的距离，叫作波长，通常用λ 表示.
(2)横波的相邻波峰或者波谷的距离等于横波波长；纵波的两个相邻最密部或者相邻最疏部的距离等于纵波波长.
2.波的周期：机械波传播一个波长的时间正好等于波源的振动周期，这个周期就是波的周期T.波的周期T与波的频率f的关系是T=.
3.波速：振动状态在介质中的传播速度叫作波速，用v表示.与波长和周期的关系是v=.
4.决定因素：波从一种介质进入另一种介质中传播时，频率(或周期)不变；机械波在介质中的传播速度由介质的性质决定，在不同介质中，波的传播速度也不同.
思考：某时刻，两个相邻的、位移相等的质点间的距离一定等于波长吗
提示：不一定.某时刻两质点位移相等，间距却不一定等于波长.
基础演练
1.正误判断.
(1)机械波传播的是介质中的质点.(　　)
(2)在绳波的形成和传播中，所有质点同时开始运动.(　　)
(3)横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直.(　　)
(4)同一波形上各质点的振幅相等.(　　)
(5)波的图像表示各个时刻各个质点的位移.(　　)
(6)质点做简谐运动时，在介质中形成的波形为正弦曲线.(　　)
(7)波在同一种均匀介质中匀速传播，波由一种介质进入另一种介
质，频率、波速和波长都要改变.(　　)
×
×
√
√
×
√
×
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，质点的运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
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在一条直线上的波是纵波；纵波质点的运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.
答案：ABD
3.如图所示是一列沿着绳向右传播的绳波波形，此时波刚传到B点，由图可判断波源A开始的振动方向是　　　　.
解析：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刚开始的振动方向向上.
答案：向上
4.(多选)如图所示为一列向右传播的简谐横波在某个时刻的波形，由图像可知(　　)
A.质点b此时位移为零
B.质点b此时向-y方向运动
C.质点d的振幅是2 cm
D.质点a再经过通过的路程是4 cm
解析：由波形知，质点b在平衡位置，所以其位移此时为零，故A正确；波向右传播，波源在左侧，在质点b的左侧选一参考点b'，b'在b上方，质点b此时向+y方向运动，故B错误；简谐波在传播过程中，介质中各质点的振幅相同，所以质点d的振幅是2 cm，故C正确；再过的时间，质点a将运动到负向最大位移处，路程是4 cm，故D正确.
答案：ACD
5.(多选)关于波的周期下列说法中正确的是(　 　)
A.质点的振动周期就是波的周期
B.波的周期是由波源驱动力的周期决定的
C.波的周期与形成波的介质的密度有关
D.波的周期与形成波的介质的密度无关
解析：波的周期是由质点振动的周期决定的，与介质无关，故A、B、D选项正确，C选项错误.
答案：ABD
思考：一组学生手挽手排成一行，从左边第一位同学开始，周期性地下蹲、起立，依次带动旁边的同学重复他的动作，只是后边的一位总比前边的一位稍迟一点点.这样就会看到凹凸相间的波沿着队伍传播开来，而每个学生的位置并没有移动.运动会上的团体操表演常常用这种办法来表现波浪，如图.
一、机械波的形成及特点
(1)同学为什么要手肩互搭
(2)后一同学与前一同学相比，他们的运动有何异同
(3)“人浪”沿水平方向传播，人随“人浪”迁移了吗
提示：(1)手肩互搭有前一同学带动后一同学的作用.
(2)都同样振动，但节奏稍迟.
(3)没有，人只是上下运动.
1.机械波的形成
2.波的特点
(1)振幅：像绳波这种一维机械波，若不计能量损失，各质点的振幅相同.
(2)周期：各质点振动的周期均与波源的振动周期相同.
(3)步调：离波源越远，质点振动越滞后.
(4)位置：各质点只在各自的平衡位置振动，并不随波迁移，且起振方向与波源的起振方向相同.
注意：机械波向前传播的是振动这种运动形式，同时也传递能量和信息.
例1.如图所示是某绳波形成过程的示意图，质点1在外力作用下沿垂直绳所在直线的方向做简谐运动，带动其余质点依次上下振动，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：
(1)t=时，质点8、12、16的运动状态(是否运动、运动方向)如何
(2)t=时，质点8、12、16
的运动状态如何
解析：各质点在各时刻的情况，如图所示.
(1)由甲图，t=时，质点8未到达波峰，正在向上运动，质点12、16未振动.
(2)由乙图，t=时，质点8正在向下运动，质点12向上运动，质点16未运动.
答案：见解析
技能点拨：要画某一时刻的波形图，应先确定特殊点的位置，即此时刻在平衡位置或最大位移处的点，如质点1和质点5、9、13这些点的位置确定后，其他点可顺势找出.
思考：当地震发生时，地震波在地球内部和地表传播，有时使人感到左右摇晃，有时使人感到上下颠簸，由此可见地震波是什么波
提示：震源往往在地下某个深度的地方，地震发生时，人感到上下颠簸是因为有纵波，感到左右摇晃是因为有横波.所以，地震波既含有纵波成分又含有横波成分.
二、横波与纵波
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
介质 介质中的前一质点需要能带动后一质点 在固体、液体和气体介质中均能传播
注意：在现实生活中，绳波为横波，声波为纵波，有些机械波既有
横波，也有纵波.例如地震波既有横波成分，又有纵波成分.
2.振动与波动的区别和联系
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，并由近及远传播开来，且各部分都受到指向原位置的力的作用
联系 (1)振动是波的起因，波是振动的传播 (2)有波动一定有振动，有振动不一定有波动 (3)波动的周期等于质点振动的周期
例2.观察图像，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
解析：(1)图甲是绳波，根据横波的特点可知，其中质点的振动方向与波的传播方向相互垂直；
(2)图乙是声波，声波是纵波，根据纵波的特点可知，其中质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上.
答案：(1)相互垂直　(2)在同一条直线上
技能点拨：解答波动问题的两个关键
(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确定质点的位置和速度方向.
思考：机械波是机械振动在介质里的传播过程，从波源开始，随着波的传播，介质中的大量质点先后开始振动起来.虽然这些质点都在平衡位置附近重复波源的振动，但由于它们振动步调不一致，所以在某一时刻介质中各质点对平衡位置的位移各不相同.
三、波的传播方向和质点振动方向的判断
(1)在平面直角坐标系中，要画出波的图像，横、纵坐标应分别表示什么物理量
(2)波的图像表示了怎样的物理意义
提示：(1)横坐标表示在波的传播方向上各质点的平衡位置，纵坐标表示某一时刻各质点偏离平衡位置的位移.
(2)波的图像表示介质中各质点在某一时刻偏离平衡位置的位移的空间分布情况.
质点振动方向跟波的传播方向存在着必然的联系，若知道波的传播方向，便知道波源的方位，任给一质点，我们便可判定它跟随哪些质点振动，便知道它的振动方向，反之亦然.常见方法如下：
方法 原理 示例图
上下 坡法 沿波的传播方向看，“上坡”的点向下运动，“下坡”的点向上运动，简称“上坡下，下坡上”
方法 原理 示例图
带动法 先振动的质点带动邻近的后振动的质点；在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P'，看P'在P的上方还是下方
方法 原理 示例图
微平 移法 波向前传播，波形也向前平移；作出经微小时间Δt后的波形，就知道了各质点经过Δt时间到达的位置，运动方向也就知道了
同侧法 质点的振动方向与波的传播方向在波的图像的同一侧
例3(多选)如图所示为一列简谐横波在某一时刻的波形图，已知质点A在此时刻的振动方向如图中箭头所示，则以下说法正确的是(　　)
A.波向左传播
B.波向右传播
C.质点B向上振动
D.质点C向下振动
解析：解决该题有许多方法，
现用“上下坡”法判断，若波向右传播，则A质点处于下坡，应向上振动，由此可知波向左传播.同理可判断B向上振动，C向上振动.
答案：AC
技能点拨：判断振动与波动关系的两点注意
(1)在利用带动法由波传播方向确定质点振动方向时，参考点与被判点一定要在同一坡上.
(2)在利用微平移法的时候，重在“微”字，Δt一定要短，Δx一定要小.
思考：机械波传播过程中，波速就是质点的振动速度吗
提示：不是.波速与振动速度是两个不同的概念.
四、波长、频率和波速的关系
1.关于波长的定义：偏离平衡位置的位移总是相同和相邻两质点是波长定义的两个必要条件，缺一不可；在波的图像中，无论从什么位置开始，一个完整的正(余)弦曲线对应的水平距离为一个波长.
2.关于波长与周期：质点完成一次全振动，波向前传播一个波长，即波在一个周期内向前传播一个波长.可推知，质点振动周期，波向前传播波长；反之，相隔波长的两质点的振动的时间间隔是周期.并可依此类推.
3.波的空间周期性
(1)相隔距离为一个波长的整数倍的两质点，振动情况完全相同，且离开平衡位置的位移“总是”相等，振动速度大小和方向也“总是”相同，因而波长显示了波的空间周期性.
(2)相隔距离为半波长的奇数倍的两质点的振动情况完全相反，即在任何时刻它们的位移大小相等、方向相反，速度也是大小相等、方向相反，特殊点为一个在波峰、一个在波谷或同时从相反方向经过平衡位置.
4.波速的实质：波的传播速度即波形的平移速度.
5.波速与振动速度的区别：波速与质点的振动速度不同，波速是振动形式匀速向外传播的速度，始终沿传播方向；振动速度是指质点在平衡位置附近振动的速度，大小和方向都随时间做周期性变化.
6.决定因素：波从一种介质进入另外一种介质，波源没变，波的频率不会发生变化；介质的变化导致了波速和波长的改变.
例4.如图所示，左边为竖直弹簧振动系统，振子连接一根水平的很长的软绳，沿绳方向取x轴.振子以10 Hz的频率从平衡位置向上开始运动，从该时刻计时，经t=1 s后，x=5 cm处的绳开始振动，则下列说法正确的是(　　)
A.绳上产生的波的波长为5 cm
B.绳上各质点都沿x轴方向运动，因此绳波为横波
C.弹簧振子振动的快慢决定了绳上产生的波的传播快慢
D.t=1 s时，x=5 cm处的绳从平衡位置开始向上振动
解析：由题意可知，绳波的波速为v= m/s=0.05 m/s，由v=λf得λ= m=0.005 m=0.5 cm，故A错误；绳上各质点只会在各自平衡位置附近振动，并不会沿绳运动，故B错误；波在介质中的传播速度取决于介质，与波源频率无关，故C错误；介质中质点的起振方向与振源的起振方向相同，由于振子起振方向向上，故t=1 s时，x=5 cm处的绳从平衡位置开始向上振动，故D正确.
答案：D
技能点拨：波长的确定方法
(1)根据定义确定：
①在波动中，振动位移总是相同的两个相邻质点间的距离等于一个波长.
②波在一个周期内传播的距离等于一个波长.
(2)根据波的图像确定：
①在波的图像上，运动状态总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长.
②在波的图像上，两个相邻波峰(或波谷)间的距离为一个波长.
(3)根据公式确定：①λ=vT. ②λ=.
1.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迁移过程
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
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解析：机械波凭借介质传播，振源停止振动，已经振动的质点，还要继续振动一会儿，所以形成的波不会立即停止，故A错误；机械波是机械振动在介质中传播的过程，有机械振动不一定有机械波，还必须有传播振动的介质，故B错误；波在介质中传播，不是介质质点由近及远的传播过程，而是质点的振动形式及能量由近及远的传播过程，故C错误，D正确.
答案：D
2.某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别为4 km/s和9 km/s.一种简易地震仪由竖直弹簧振子P和水平弹簧振子H组成(如图所示).在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5 s开始振动，问：
(1)观测中心首先观察到的是上下振动还是左右振动
(2)震源到该地震观测中心的距离为多少
解析：(1)由于纵波传播得快，故地震发生时纵波先到达观察中心，即先观察到的是上下振动.
(2)设震源到观测中心的距离为x，则有=5 s
所以x=36 km.
答案： (1)上下振动 (2) 36 km
3. 如图所示为一列简谐波在某一时刻的波形.
(1)求该波的振幅；
(2)已知该波向右传播，求A、B、C、D各质点的振动方向.
解析：(1)波的图像上纵坐标的最大值就是波的振幅，所以该波的振幅是5 cm.
(2)该波向右传播，在A、B、C、D各质点左侧选邻近的参考点A'、B'、C'、D'，利用带动法可以判断出B的振动方向向上，A、C、D的振动方向向下.
答案：(1)5 cm　(2)见解析
4.一列简谐横波在某时刻的波形图如图所示.已知图中的质点b比质点a晚0.5 s起振，质点b和质点c的平衡位置之间的距离为5 m，则该波的波速为(　　)
A.2 m/s　　　　　　B.3 m/s
C.4 m/s D.5 m/s
解析：由题，b和c的平衡位置之间的距离是5 m，则波长为λ=5 m，b、a两点振动相差半个周期，质点b比质点a延迟了0.5 s起振，则周期为T=2×0.5 s=1 s，则波速为v= m/s=5 m/s，故选D.
答案：D
5.区分横波和纵波的依据是(　　)
A.是否沿水平方向传播
B.质点振动的方向和波传播的远近
C.质点振动的方向和波传播的方向是相互垂直还是在同一直线上
D.质点振动的快慢
解析：区分横波和纵波的依据是质点振动的方向和波传播的方向是相互垂直还是在同一直线上；若质点振动的方向和波传播的方向相互垂直，则为横波；若质点振动的方向和波传播的方向在同一直线上，则为纵波.故选C.
答案：C
6.(多选)把一根长而软的螺旋弹簧竖直提起来，手有规律地上下轻微振动，则(　　)
A.在弹簧上形成机械波
B.在弹簧上形成波峰和波谷
C.弹簧上的质点左右振动
D.弹簧上的机械波自上而下传播
解析：手有规律地上下轻微振动时弹簧上形成纵波，分为疏部和密部，向下传播，质点上下振动，所以A、D正确，B、C错误.
答案： AD
7.(多选)如图所示，一列绳波沿着绳由左向右传播，A是波源，t时刻，波刚传到B点.下列说法正确的是( 　　)
A.质点C在t时刻的振动方向向下
B.质点D的起振方向与A的起振方向相同
C.质点B在t时刻的振动方向向上
D.波源A开始振动时振动方向向上
解析：波沿着绳由左向右传播，可知C质点的振动方向向上，故A错误；波刚传到B点，即B点刚好起振，可知B点起振方向向上，而所有质点起振方向均相同，即A、C、D、B的起振方向均向上，故B、C、D正确.
答案：BCD