(共41张PPT)
1 波的形成
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道直线上波的形成过程,形成正确的物理观念,培养科学思维能力。
2.知道什么是横波、波峰和波谷,形成正确的物理观念。
3.知道什么是纵波、密部和疏部。
4.理解什么是机械波,确认波是传播振动形式和传递能量的一种方式。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、波的形成
1.波:振动的传播称为波动,简称波。
2.波的形成:以绳波为例(如图所示)。
(1)可以将绳分成一个个小段,这些小段可以看作一个个相连的质点,这些质点之间存在着弹性力的作用。
(2)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。
(3)这样依次带动下去,绳端这种上下振动的状态就沿绳子传出去,整体上形成了凹凸相间的波形。
微判断1.在绳波的形成和传播中,所有质点同时运动,同时停止运动。( )
2.在绳波的形成和传播中,所有质点的运动是近似的匀速直线运动。( )
×
×
二、横波和纵波
1.横波与纵波的比较。
2.声波。
发声体振动时在空气中产生的声波是纵波,声波不仅能在空气中传播,也能在固体、液体中传播。
微思考当地震发生时,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。
三、机械波
1.介质。
波借以传播的物质,叫作介质。
2.机械波的定义。
机械振动在介质中传播,形成机械波。
3.机械波的实质。
(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)波在传播“振动”这种运动形式的同时,也将波源的能量传递出去。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。
微训练(多选)下列关于机械波的说法正确的是( )
A.物体做机械振动,一定产生机械波
B.后振动的质点总是跟着先振动的质点重复振动,只是时间落后一步
C.机械波传播过程中,某一质点振动的频率不变
D.机械波是质点随波迁移,也是振动能量的传递
答案:BC
解析:产生机械波必须具备振源和介质,只有物体做机械振动,而其周围没有传播这种振动的介质,远处的质点不可能振动起来形成机械波,故选项A错误;任何一个振动的质点都是一个波源,带动它周围的质点振动,将振动传播开来,所以后一质点总是落后前一质点,但振动频率相同,且振动过程中,质点的频率不变,故选项B、C正确;形成机械波的各振动质点只在平衡位置附近往复运动,并没有随波迁移,离振源远的质点振动的能量,是通过各质点的传递从振源获得的,故选项D错误。
课堂·重难突破
一 机械波的形成及特点
重难归纳
1.机械波的形成。
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做往复振动,并不随波迁移。
(4)实质: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。
3.振动和波动的区别与联系。
项目 振动 波动
区别 研究对象 单个质点在平衡位置附近的往复运动,研究的是单个质点的“个体行为” 振动在介质中的传播,研究的是大量质点将波源振动传播的“群体行为”
力的来源 可以由作用在物体上的各种性质力提供 联系介质中各质点的弹力
运动性质 质点做变加速运动 在均匀介质中是匀速直线运动
联系 (1)振动是波动的原因,波动是振动的结果;有波动必然有振动,但有振动不一定有波动
(2)波动的性质、频率和振幅都与振源相同
艺术体操也叫韵律体操,是一种艺术性很强的女子竞赛体操项目。19世纪末20世纪初起源于欧洲。艺术体操表演项目有很多,丝带舞表演就是其中之一,下图是一幅丝带舞的表演图。
(1)丝带上的各点有没有随波迁移
(2)运动员的手停止抖动后,丝带上的波会立即停止吗
提示:(1)没有 (2)不会
典例剖析
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,
时,1到达最上方,5开始向上运动。
答案:见解析
解析:各质点在各时刻的情况如图所示。
规律总结
机械波的形成和传播特点
1.机械波的形成过程及特点可以概括为“带动、重复、落后”,即前一质点“带动”后一质点振动,后一质点“重复”前一质点的振动形式,并且后一质点的振动“落后”于前一质点。 2.就整个物体来说,呈现的现象是波动,而就构成物体的单个质点来说,所呈现的现象是振动。 3.要画另一时刻的波的形状,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。
学以致用
(多选)某同学漂浮在海面上,虽然水面波正平稳地以1.8 m/s的速率向着海滩传播,但他并不向海滩靠近。该同学发现从第1个波峰到第6个波峰通过身下的时间间隔为15 s。下列说法正确的是( )
A.该水面波的频率为3 Hz
B.水面波是横波,传播时需要介质
C.水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时能量不会传递出去
D.水面波没有将该同学推向岸边,是因为波传播时振动的质点并不随波迁移
答案:BD
二 横波和纵波的对比
重难归纳
项目 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 只能在固体介质中传播 在固体、液体和气体介质中均能传播
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
手握轻弹簧的一端,另一端固定,上下抖动弹簧,弹簧形成凹凸相间的形状,如图甲所示。手握轻弹簧一端左右有规律地振动,弹簧便形成疏密相间的形状,如图乙所示。
甲
乙
(1)图甲弹簧振动方向与其形成的波传播方向有什么关系 该种波叫什么波
(2)图乙弹簧振动方向与其形成的波传播方向有什么关系 该种波叫什么波
提示:(1)垂直 横波 (2)在同一直线上 纵波
典例剖析
下列关于横波的说法正确的是( )
A.横波中,质点的振动方向一定与波的传播方向垂直
B.横波中,质点的振动方向也可能与波的传播方向在同一直线上
C.横波中,波水平向右传播,各个质点一定上下振动
D.能形成波峰、波谷的波是横波
答案:A
解析:横波的传播方向与质点的振动方向垂直,选项A正确,B、C错误;水波有波峰和波谷,但不是横波,选项D错误。
特别提醒
1.绳波和声波分别是典型的横波和纵波,水波是比较复杂的机械波,不是横波。 2.在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上,而不是方向相同。 3.纵波可以在固体、液体和气体中传播,而横波不能在气体中传播,严格地说横波只能在固体中传播,水波只是近似为横波。
学以致用
下列关于纵波的说法正确的是( )
A.在纵波中,波的传播方向就是波中质点的移动方向
B.纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向在一条直线上
C.纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向垂直
D.纵波也有波峰和波谷
答案:B
解析:纵波中质点的振动方向与波的传播方向虽然在一条直线上,但质点的振动方向与波的传播方向可能相同,也可能相反,选项B正确,A、C错误;在波动中,横波有波峰和波谷,纵波有密部和疏部,选项D错误。
随 堂 训 练
1.在平静的湖面上漂着一块小木条,现向湖中央扔一石子,圆形波纹一圈圈地向外传播,当波传播到小木条处时,小木条将
( )
A.随波纹漂向湖岸
B.在原来位置不动
C.向波源处漂动
D.在原来位置上下振动
答案:D
解析:介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播,介质质点只在自己的平衡位置附近振动,向外传播的只是振动形式和能量。生活中,水面上的一些漂浮物会沿波向外移动,是因为外界另外一些因素的干扰,如风的吹动等,故选项D正确。
2.(多选)关于振动和波的关系,下列说法正确的是( )
A.振动是波的成因,波是振动的传播
B.振动是单个质点呈现的运动现象,波是许多质点联合起来呈现的运动现象
C.波的传播速度就是质点振动的速度
D.波源停止振动时,波立即停止传播
答案:AB
解析:机械波的产生条件是有波源和介质。由于介质中的质点之间相互作用,一个质点的振动带动相邻质点的振动由近及远传播而形成波,所以选项A、B正确;波的传播速度是波形由波源向外伸展的速度,在均匀介质中其速度大小不变,而质点振动的速度和方向都随时间周期性地发生变化,选项C错误;波源一旦将振动传给了介质,振动就会在介质中向远处传播,当波源停止振动时,介质仍然继续传播波源振动的运动形式,不会随波源停止振动而停止传播,即波不会立即停止传播,选项D错误。
3.有关纵波与横波,下列说法正确的是( )
A.波源上下振动形成的波是横波
B.波源水平振动形成的波是纵波
C.波沿水平方向传播,质点上下振动,这类波是横波
D.质点沿水平方向振动,波沿水平方向传播,这类波是纵波
答案:C
解析:不论波源沿水平方向振动,还是沿竖直方向振动,只要振动方向与波传播方向垂直,则为横波;若振动方向与波传播方向在一条直线上,则为纵波。故选项C正确,A、B、D错误。
4.(多选)下列有关机械振动和机械波的说法正确的是( )
A.某物体做机械振动,它周围的介质中就一定产生机械波
B.波源停止振动后,已形成的机械波仍能在介质中继续传播
C.机械波传播的只是机械振动的形式和能量,参与波动的质点并不随波迁移
D.振动是变速的,波动是匀速的
答案:ABC
解析:机械振动在介质中的传播形成机械波,选项A正确;由于机械波已在介质中形成,当波源停止振动,已振动的质点又形成新的波源,使机械波仍在介质中传播,选项B正确;由机械波的传播特点可知,选项C正确;波只有在同种均匀介质中才会匀速传播,选项D错误。(共66张PPT)
2 波的描述
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素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道什么是波的图像,能在简谐波的图像中获取相关信息来解答问题。
2.知道什么是波的波长,以及波传播的周期和频率,形成正确的物理观念。
3.理解波在传播过程中的特点,会用公式v=λf解答实际的波动问题,培养科学思维能力。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、波的图像
1.波的图像的建立。
(1)建立坐标系:用横坐标x表示在波的传播方向上各质点的平衡位置,纵坐标y表示某一时刻各质点偏离平衡位置的位移。
(2)选取正方向:规定位移向上时y取正值,向下时y取负值。
(3)描点:把该时刻各质点的位置画在Oxy坐标平面内,得到一系列点。
(4)连线:用平滑曲线将各点连接起来就得到了这一时刻波的图像。波的图像有时也称波形图。
2.图像的物理意义。
波的图像描述的是某一时刻,沿波的传播方向的各个质点离开平衡位置的位移。
3.简谐波。
如果波的图像是正弦曲线,这样的波叫作正弦波,也叫简谐波。介质中有正弦波传播时,介质质点在做简谐运动。
微判断1.波的图像描述了某一时刻各质点离开平衡位置的位移情况。( )
2.只有横波才能画出波的图像。( )
3.简谐波中各质点做的是简谐运动。( )
√
×
√
微训练(多选)关于振动图像和波的图像,以下说法正确的是
( )
A.波的图像反映出很多质点在同一时刻的位移
B.通过波的图像可以找出任一质点在任一时刻的位移
C.从振动图像可以找出很多质点在任一时刻的位移
D.两种图像的纵坐标轴都表示质点离开平衡位置的位移
答案:AD
解析:波的图像表示的是连续介质中的各个质点在某一时刻的位移,振动图像表示的是某一质点在各个时刻的位移。
二、波长、频率和波速
1.波长。
(1)定义:在波的传播方向上,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离,通常用λ表示。
(2)特征:在横波中,两个相邻波峰或两个相邻波谷之间的距离等于波长。在纵波中,两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离等于波长。
2.周期、频率。
(1)规律:在波动中,各个质点的振动周期或频率是相同的,它们都等于波源的振动周期或频率。这个周期或频率也叫作波的周期或频率。
(2)决定因素:波的周期或频率由波源的周期或频率决定。
(3)时空的对应性:经过一个周期,振动在介质中传播的距离等于一个波长。
(4)周期与频率的关系:周期T与频率f互为倒数,即
3.波速。
(1)定义:机械波在介质中传播的速度。
(2)定义式:v= = fλ 。
(3)决定因素:机械波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定,在不同的介质中,波速一般不同。
微思考简谐波介质中的一个质点在一个周期内走过的路程等于一个波长吗
提示:不等于。简谐波介质中的质点在一个周期内走过的路程等于四个振幅,与波长的大小无关。
课堂·重难突破
一 波的图像的理解和应用
重难归纳
1.对波的图像的理解。
(1)波的图像是某一时刻介质中各个质点运动情况的“定格”。可以将波的图像比喻为某一时刻对所有质点拍摄下的“集体照”。
(2)简谐波的图像是正弦曲线,是最简单的一种波,各个质点振动的最大位移都相等,介质中有正弦波传播时,介质中的质点做简谐运动。
(3)横波的图像形状与波在传播过程中介质中各质点某时刻的分布相似,波形中的波峰即为图像中的位移正向的最大值,波谷即为图像中的位移负向的最大值,波形中通过平衡位置的质点在图像中也恰处于平衡位置。
2.由波的图像获得的三点信息。
(1)可以直接看出在该时刻沿传播方向上各个质点的位移。
(2)可以直接看出在波的传播过程中各质点的振幅A。
(3)若已知该波的传播方向,可以确定各质点的振动方向;或已知某质点的振动方向,可以确定该波的传播方向。
3.波的图像的周期性。
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,则不同时刻波的图像不同。质点的振动位移做周期性变化,则波的图像也做周期性变化。经过一个周期,波的图像复原一次。
4.波的传播方向的双向性。
如果只知道波沿x轴传播,则有可能沿x轴正向传播,也可能沿x轴负向传播,具有双向性。
波中各质点做简谐运动,是一种变加速运动,是否说明波的传播也是变加速运动
提示:不能。虽然质点做变加速运动,但是在均匀介质中波是匀速传播的。
典例剖析
(多选)简谐横波某时刻的波形如图所示,P为介质中的一个质点,下列说法正确的是( )
A.若该波沿x轴正方向传播,则质点P
此时刻的加速度方向沿y轴正方向
B.若该波沿x轴正方向传播,则质点P此时刻的速度方向沿y轴正方向
C.从该时刻开始再经过四分之一周期,质点P运动的距离为a
D.从该时刻开始再经过半个周期时,质点P的位移为负值
答案:BD
解析:无论波沿x轴哪个方向传播,此时P点的加速度方向一定沿y轴负方向,选项A错误;若该波沿x轴正方向传播,据“下坡上”的方法可以确定此时P点正沿y轴正方向运动,选项B正确;由于无法确定此时P点向哪个方向运动,故从此时起经四分之一周期,质点P运动的距离可能比a大,也可能比a小,选项C错误;再经过半个周期时,P所在的位置与它现在的位置关于x轴对称,故那时P点的位移一定为负值,选项D正确。
规律总结
质点振动方向和波的传播方向的关系
已知质点的振动方向来判断波的传播方向或已知波的传播方向来判断质点的振动方向时,依据的基本规律是横波的形成与传播的特点,常用方法如下。
1.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”。如图所示。
2.微平移法。 原理:波向前传播,波形也向前平移。 方法: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,此刻质点振动方向也就知道了。如图所示。
3.同侧法。 在波的图像上的某一点,沿竖直方向画出一个箭头表示质点运动方向,并在同一点沿水平方向画一个箭头表示波的传播方向,那么这两个箭头总是在曲线的同侧,如图所示。若波向右传播,则P向下运动。
4.带动法。 原理:先振动的质点带动邻近的质点后振动。 方法:在质点P与波源之间的图像上靠近P点另找一点P',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。
学以致用
下图为某一时刻一简谐波的图像,波的传播方向沿x轴的正方向,下列说法正确的是( )
A.质点a、b的振幅不相等
B.该时刻质点b、e的速度相同
C.该时刻质点d正在向下运动
D.该时刻质点c、f的加速度为零
答案:C
解析:简谐波传播过程中,介质中各点都做同频率的简谐运动, a、b两点的振幅相同,故选项A错误;该时刻质点b向上振动,而e向下振动,速度方向不同,速度一定不相同,故选项B错误;波的传播方向沿x轴正方向,由微平移法得知,该时刻质点d的速度方向为y轴负方向,即d正在向下运动,故选项C正确;c点在波谷处,加速度最大,f点在波峰处,加速度最大,故选项D错误。
二 对波长和波速的理解
重难归纳
1.对波长的理解。
(1)关于波长的定义:“相邻”和“振动相位总是相同”是波长定义的关键,两者缺一不可。
(2)相距一个(或整数个)波长的两个质点的振动位移在任何时刻都相同,而且振动速度的大小和方向也相同,即相距一个(或整数个)波长的两个质点的振动状态相同。
(3)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
个周期。并可依此类推。
2.对波速的理解。
(1)波速的实质:波的传播速度即波形的平移速度。
(2)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。
(3)波速、波长和频率的决定因素及关系。
物理量 决定因素 关系
周期和频率 取决于波源,而与v、λ无直接关系 v=λf
或
波长 波长λ则只取决于v和T,只要v、T其中一个发生变化,λ值必然发生变化
波速 取决于介质的物理性质。它与T、λ无直接关系
有人认为:“由公式v=λf知,波的频率越高,波速越大。”这种说法正确吗
提示:不正确。机械波的传播速度只与介质本身的性质和温度有关,与波的频率无关。
典例剖析
【例2】 (多选)下图是一列简谐波在某一时刻的波形。下列说法正确的是( )
A.质点A、C、E、G、I在振动过程中位移总是相同
B.质点B、F在振动过程中位移总是相同
C.质点D、H的平衡位置间的距离是一个波长
D.质点A、I在振动过程中位移总是相同,它们的平衡位置间的距离是一个波长
答案:BC
解析:质点B、F的平衡位置间距为一个波长,在振动过程中位移总是相同的,选项B正确;质点D、H为两个相邻波谷,其平衡位置间距为一个波长,选项C正确;A、I的平衡位置间距为两个波长,选项D错误;A与C点平衡位置间距为半个波长,在振动过程中位移方向相反,选项A错误。
波长的三种确定方法
1.根据定义确定。
在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间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,振动位移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,运动状态(速度)总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长。
(3)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λ=vT来确定。
学以致用
2.一列简谐横波沿x轴正向传播,传到M点时波形如图所示,再经0.6 s,N点开始振动,则该波的振幅A和频率f为( )
A.A=1 m,f=5 Hz
B.A=0.5 m,f=5 Hz
C.A=1 m,f=2.5 Hz
D.A=0.5 m,f=2.5 Hz
答案:D
三 波动问题的多解性
重难归纳
1.波的周期性造成多解。
(1)时间周期性:时间间隔Δt与周期T的关系不明确。
(2)空间周期性:波传播距离Δx与波长λ的关系不明确。
2.传播方向的双向性造成多解。
(1)传播方向双向性:波的传播方向不确定。
(2)振动方向双向性:质点振动方向不确定。
3.解决波动问题应注意的问题。
由于波动问题的多解性,在解题时一定要考虑其所有的可能性。
(1)质点达到最大位移处,则有正向和负向最大位移两种可能。
(2)质点由平衡位置开始振动,则有起振方向向上、向下(或向左、向右)的两种可能。
(3)只告诉波速不指明波的传播方向,应考虑沿两个方向传播的可能。
(4)只给出两时刻的波形,则有多次重复出现的可能。
解决此类问题时,往往采用从特殊到一般的思维方法,即找到一个周期内满足条件的特例,在此基础上,如知时间关系,则加nT;如知空间关系,则加nλ。
一列机械波某时刻的波形如图所示。
(1)a质点需多长时间第一次运动到波峰
(2)与a质点运动速度始终相等的质点有几个
典例剖析
(多选)一列简谐横波在某时刻的图线如图实线所示,经0.2 s后波形如图中虚线所示,则( )
A.该波的最小波速为15 m/s
B.该波的周期可能为0.32 s
C.该波的周期不可能小于0.2 s
D.若波速为25 m/s,波一定向x轴负方向传播
答案:AB
规律总结
解决波的多解问题的一般思路
1.首先考虑双向性,若题目未告知波的传播方向或没有其他条件暗示,应首先按波传播的可能性进行讨论。 2.对设定的传播方向,确定Δt和T的关系,一般先确定最简单的情况,即一个周期内的情况,然后在此基础上加nT。 3.应注意题目是否有限制条件,如有的题目限制波的传播方向,或限制时间Δt大于或小于一个周期等,所以解题时应综合考虑,加强多解意识,认真分析题意。
4.空间的周期性与时间的周期性是一致的,实质上是波形平移规律的应用,所以应用时我们可以针对不同题目选择其中一种方法求解。
学以致用
(多选)一列横波在x轴上传播,当位于x1=2 cm处的质点A在x轴上方最大位移处时,位于x2=5 cm处的质点B恰好处于平衡位置且振动方向竖直向下。以此刻为计时起点,得到质点A的振动图像如图所示。这列波的波速可能是( )
A.0.1 m/s B.0.2 m/s
C.0.3 m/s D.0.4 m/s
答案:AC
模型方法 素养提升
振动图像与波的图像的关系——模型构建
方法归纳
振动图像与波的图像的比较。
项目 振动图像 波的图像
不同点 物理意义 表示一质点在各个时刻的位移 表示某时刻各个质点的位移
图像
图像变化 随时间延伸 随时间推移
比喻 单人舞的录像 抓拍的集体舞照片
项目 振动图像 波的图像
相同点及联系 图像形状 正弦曲线
可获得的信息 质点振动的振幅,位移、加速度的方向
联系 质点的振动是组成波动的基本要素
振动图像和波的图像有哪些不同点
提示:振动图像的横坐标轴是时间,波的图像的横坐标轴是传播距离;振动图像表示一个质点在各个不同时刻的位移变化情况,波的图像表示某一时刻各个质点的位移。
典例剖析
甲图为某简谐机械横波在t=0时刻波的图像,乙图为波的传播方向上某质点的振动图像,下列说法正确的是( )
A.该波的波速是25 m/s
B.该波一定沿x轴负方向传播
C.若乙图是质点P的振动图像,则t=0.35 s时,质点Q的坐标为(3 m,-5 cm)
D.若乙图是质点Q的振动图像,则t=0.35 s时,质点P的坐标为(8 m,0 cm)
答案:C
规律总结
求解两种图像结合问题的技巧
1.波的图像与振动图像外形上很相似,辨别它们时要看图像的横坐标是时间t还是位移x。 2.简谐波中的所有质点都做简谐运动,它们的振幅、周期均相同。 3.找准波的图像对应的时刻,找准振动图像对应的质点。从一种图像中找到某一质点的振动信息,再根据该质点的振动信息、题设条件和相应的物理规律推知另一种图像及相关情况。
学以致用
图甲是一列简谐横波在t=1.25 s时的波形,已知c位置的质点比a位置的质点晚0.5 s起振。则图乙所示振动图像对应的质点可能位于( )
A.a、b之间 B.b、c之间
C.c、d之间 D.d、e之间
答案:D
解析:因为c位置的质点比a位置的质点晚0.5 s起振,所以波向右传播,周期是1 s,在t=1.25 s时的波形也就是在 时的波形,因此在t=0时的波形就是题图甲中的波形左移四分之一波长,如图所示。与题图乙对照,t=0时刻,质点位于平衡位置上方且向上振动,可知对应的质点可能位于O、a之间或d、e之间,故选项D正确。
随 堂 训 练
1.(多选)右图是一列向右传播的简谐横波某一时刻的波形。波上有A、B、C、D、E、F、G、H、I九个质点,下列说法正确的是( )
A.A、C、E、F、H具有相同的位移
B.A、C位移相同,H、F位移方向相反
C.B、I振幅相同
D.A、B振幅相同
答案:BCD
解析:在波形中纵坐标y表示各质点偏离平衡位置的位移,故选项A错误,B正确;在简谐波中各点都做简谐运动,振幅都等于波源的振幅,故选项C、D正确。
2.一列沿x轴正方向传播的简谐横波在t=0时的波形如图所示,已知图中质点P振动的周期为2 s,下列说法正确的是( )
A.这列波的波速为6 m/s
B.t=0时,质点P的速度沿x轴正方向
C.0~1 s时间内,质点P经过的路程为10 cm
D.t=1 s时,质点P的加速度沿y轴负方向
答案:C
3.一列简谐横波在某均匀介质中沿x轴传播,从x=3 m处的质点a开始振动时计时,图甲为t0时刻的波形图且质点a正沿y轴正方向运动,图乙为质点a的振动图像,则下列说法正确的是
( )
A.该波的频率为2.5 Hz
B.该波的传播速度为200 m/s
C.该波是沿x轴负方向传播的
D.从t0时刻起,a、b、c三质点中c最先回到平衡位置
答案:B
解析:由题图可知该波的周期为0.04 s,频率f=25 Hz,故选项A错误;该波的传播速度 ,故选项B正确; a点在t0时刻速度方向沿y轴正方向,由同侧法可知波向x轴正方向传播,故选项C错误;从t0时刻起,质点a沿y轴正方向运动,质点b沿y轴正方向运动,质点c沿y轴负方向运动,故质点b最先回到平衡位置,故选项D错误。
4.如图所示,手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动,带动绳上的其他质点振动形成简谐波沿绳水平传播。绳上有另一质点P,且O、P的平衡位置间距为l。t=0时,O位于最高点,P的位移恰好为零,速度方向竖直向下。下列说法正确的是( )
A.该简谐波是纵波
B.该简谐波的最大波长为4l
答案:D(共34张PPT)
3 波的反射、折射和衍射
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道波的反射和波的反射规律,知道波的折射和波的折射规律,形成正确的物理观念。
2.知道什么是衍射现象,掌握发生明显衍射现象的条件,培养科学思维能力。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、波的反射和折射
1.波的反射。
(1)当水波遇到挡板时会发生反射。
(2)反射线、法线与入射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。
2.波的折射。
(1)波在传播过程中,从一种介质进入另一种介质时,波传播的方向发生偏折的现象叫作波的折射。
(2)一切波都会发生折射现象。
二、波的衍射
1.定义:波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射。
2.发生明显衍射现象的条件:只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多,或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象。
3.一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。
微思考日常生活中“闻其声而不见其人”的物理现象的原因是什么
提示:声波的波长比较长,容易发生衍射,能绕过一般的障碍物,而可见光波长很短,不容易发生衍射现象,故生活中常有听到人的声音而看不到人。
课堂·重难突破
一 对波的反射和折射的理解
重难归纳
1.回声测距。
当声源不动时,声波遇到静止障碍物会返回来继续传播,由于反射波与入射波在同一介质中传播速度相同,因此,入射波和反射波在传播距离一样的情况下,用的时间相等,设经过时间t听到回声,则声源距障碍物的距离为
2.超声波定位。
蝙蝠、海豚能发出超声波,超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向。
3.波的反射、折射现象中各量的变化。
(1)频率(f)由波源决定:故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等,即波源的振动频率相同。
(2)波速(v)由介质决定:故反射波与入射波在同一介质中传播,波速不变,折射波与入射波在不同介质中传播,波速变化。
(3)据v=λf知,波长λ与波速和频率有关。反射波与入射波,频率相同、波速相同,故波长相同,折射波与入射波在不同介质中传播,频率相同,波速不同,故波长不同。具体如下表所示。
波现象 波的反射 波的折射
传播方向 改变,θ反=θ入 改变,θ折≠θ入
频率f 不变 不变
波速v 不变 改变
波长λ 不变 改变
一列声波从空气中传入水中,已知水中声速较大,则声波从空气中传入水中后,声波的频率和波长将如何变化
提示:由于波的频率由波源决定,因此波无论在空气中传播还是在水中传播频率都不变。又因波在水中速度较大,由公式v=λf可得,波在水中的波长变大。
典例剖析
在渔船上利用超声波可以探测鱼群的位置,当它向选定的方向发射出频率为5.8×104 Hz的超声波后,经过0.64 s收到从鱼群反射回来的反射波,已知5.8×104 Hz的超声波在水中的波长为2.5 cm,则这群鱼到渔船的距离为 m。
答案:464
解析:超声波在水中的传播速度
v=λf=2.5×10-2×5.8×104 m/s=1.45×103 m/s。
所以鱼群到船的距离
规律总结 回声测距的方法技巧 利用回声测距是波的反射的一个重要应用,它的特点是声源正对障碍物,声源发出的声波与回声在同一条直线上传播。 1.若是一般情况下的反射,反射波和入射波是遵从反射规律的,可用反射规律作图后再求解。 2.利用回声测距时,要特别注意声源是否运动,若声源运动,声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时间相同。 3.解决波的反射问题,关键是根据物理情境规范作出几何图形,然后利用几何知识结合物理规律进行解题。
学以致用
某物体发出的声音在空气中的波长为1 m,波速为340 m/s,在海水中的波长为4.5 m。
(1)该波的频率为 Hz,在海水中的波速为 m/s。
(2)若物体在海面上发出的声音经0.5 s听到回声,则海水深为多少
答案:(1)340 1 530 (2)382.5 m
因波的频率不变,
则在海水中的波速为v海=λ海f=4.5×340 m/s=1 530 m/s。
(2)入射声波和反射声波用时相同,则海水深为
二 波的衍射现象
重难归纳
1.关于衍射的条件。
应该说衍射是没有条件的,衍射是波特有的现象,一切波都可以发生衍射。衍射只有“明显”与“不明显”之分,障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多,或比波长小是产生明显衍射的条件。
2.波的衍射实质分析。
波传到小孔(障碍物)时,小孔(障碍物)仿佛是一个新波源,由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播,就偏离了直线方向。波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况。
3.衍射现象与观察的矛盾。
当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射现象不容易观察到。
既然一切波都能够发生衍射,那为什么生活中见不到光的衍射现象
提示:可见光的波长通常在0.4~0.7 μm的范围内,跟一般障碍物的尺寸相比非常小,所以通常的情况下看不到光的衍射,看到的是光的直线传播。
典例剖析
(多选)右图为演示波的衍射的装置,S为水平面上振动的波源,M、N是水面上的两块挡板,其中N板可以移动,两板间形成一狭缝,此时测得图中A处没有振动,下列说法正确的是
( )
A.使波源的振动频率增大,可以使A处的水振动起来
B.使波源的振动频率减小,可以使A处的水振动起来
C.移动N板使狭缝间距增大,可以使A处的水振动起来
D.当A点振动后,挡板两边的波纹间距相等
答案:BD
解析:A处没有振动说明不能发生明显的衍射现象,要发生明显的衍射现象,必须减小狭缝的宽度或增大波长,所以选项C错误。要想增大波长,由 知,当f减小时,λ增大,所以选项B正确,A错误。发生衍射前后,波的频率、波速和波长都是不变的,挡板两边的波纹间距相等,选项D正确。
学以致用
(多选)在做水波通过小孔衍射的演示实验中,激发水波的振动发生器振动频率为5 Hz,水波在水槽中传播速度为5 cm/s,小孔直径d选用下列哪些尺寸可使实验效果比较明显( )
A.1 m B.0.8 m C.0.8 cm D.1.2 cm
答案:CD
解析:在水槽中,振子振动所激发的水波波长为 cm =1 cm,小孔尺寸与波长相差不大时,易发生明显衍射现象。所以选项C、D正确。
随 堂 训 练
1.(多选)以下关于波的认识,正确的是( )
A.潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况,用的是波的反射原理
B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊吸波材料,是为了减少波的反射,从而达到隐形的目的
C.雷达的工作原理是利用波的直线传播
D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象
答案:ABD
解析:声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位的,选项A正确,C错误。D选项中水波的传播方向发生改变属于波的折射现象,选项D正确。隐形飞机通过减少波的反射达到隐形的目的,选项B正确。
2.有一障碍物的尺寸为10 m,下列哪列波在遇到它时衍射现象最明显( )
A.波长为4 m的机械波
B.波长为10 m的机械波
C.频率为100 Hz的声波
D.频率为5 000 MHz的电磁波(波速为3×108 m/s)
答案:B
解析:空气中声波波速大约为340 m/s,由 可算出频率为100 Hz的声波的波长为3.4 m;同理可算出频率为5 000 MHz的电磁波的波长为0.06 m。选项B中波长与障碍物尺寸相同,衍射现象最明显。选项B正确。
3.下列各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(①②图)或障碍物(③④图),每两条相邻曲线(图中曲线)之间距离表示一个波长,其中能发生明显衍射现象的有( )
A.③④ B.②④ C.①③ D.①②
答案:B
解析:一列水波在传播过程中遇到了小孔(①②图),相比而言②图的孔洞的尺寸比①图小,且②的波长与小孔的尺寸差不多,所以②图能比①图发生更明显的衍射现象;一列水波在传播过程中遇到了障碍物(③④图),相比而言④图的障碍物的尺寸比③图小,且④图的波长大于障碍物的尺寸,所以④图能发生明显的衍射现象。故选项B正确。
4.天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度,在水平地面与观测者的距离为d=3.0 km处进行一次爆炸,观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt=6.0 s,试估算云层下表面距水平地面的高度。(已知空气中的声速 )
答案:2.0 km
解析:由题意画出声波传播平面图如图所示。(共44张PPT)
4 波的干涉
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随 堂 训 练
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道波的叠加和波的干涉现象,形成正确的物理观念。
2.理解形成稳定干涉图样的条件,知道波的干涉图样的特点,培养科学思维能力,培养分析解答实际问题的能力。
3.知道干涉是波特有的现象,了解波的干涉在生活中的应用,感受物理与生活的密切联系。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、波的叠加
1.波的独立传播:几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播。即各自的波长、频率等保持不变。
2.波的叠加:在几列波重叠的区域里,介质的质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。
微训练1 下列关于两列波相遇时叠加的说法不正确的是
( )
A.相遇之后,振幅小的一列波将减弱,振幅大的一列波将加强
B.相遇之后,两列波的振动情况与相遇前完全相同
C.在相遇区域,任一点的总位移等于两列波分别引起的位移的矢量和
D.几个人在同一房间说话,相互间听得清楚,这说明声波在相遇时互不干扰
答案:A
解析:两列波相遇时,每一列波引起的振动情况都保持不变,而质点的振动则是两列波共同作用的结果,故选项A错误,B、C正确;几个人在同一房间说话,发出的声波在空间中相互叠加后,并不改变每列波的振幅、频率,所以声波传到人的耳朵后,仍能分辨出不同的人所说的话,故选项D正确。
二、波的干涉
1.干涉现象。
频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时,某些区域的振动总是加强,某些区域的振动总是减弱,这种现象叫作波的干涉,形成的这种稳定图样叫作干涉图样。
2.两列波产生稳定干涉的条件。
(1)两列波的频率必须相同。
(2)两个波源的相位差必须保持不变。
(3)两列波在相遇区域各质点引起的振动方向总是相同。
3.波的干涉和衍射都是波所特有的现象。
一切波只要满足上述条件都能发生干涉。跟衍射一样,干涉也是波特有的现象。
微判断1.任意两列波都能产生稳定干涉现象。( )
2.发生稳定干涉现象的两列波,它们的频率一定相同。( )
3.在振动减弱的区域,各质点都处于波谷。( )
4.在振动加强的区域,有时质点的位移等于零。( )
5.两列波叠加时产生干涉现象,其振动加强的位置和减弱的位置是不变的。( )
×
√
×
√
√
微训练2
1.(多选)当两列同频率的水波发生干涉现象时,若两列波的波峰在P点相遇,则( )
A.质点P的振动始终加强
B.质点P的频率最大
C.质点P的位移始终最大
D.质点P的位移有时可能为零
答案:AD
解析:由于两列波的波峰在P点相遇,P点是振动加强点,且振动始终加强,选项A正确;两列波发生干涉,它们的周期和频率不会发生改变,各个点的频率仍是相同的,选项B错误;振动加强并不意味着其位移始终最大,振动加强点的振幅最大,但位移总在变化,有时可能为零,选项C错误,D正确。
2.(多选)图中S1、S2是两个相干波源,由它们发出的波相互叠加,实线表示波峰,虚线表示波谷。则对a、b、c三点振动情况的判断正确的是( )
A.b处的振动永远互相减弱
B.a处永远是波峰与波峰相遇
C.b处在该时刻是波谷与波谷相遇
D.c处的振动永远互相减弱
答案:CD
解析:b处此刻是波谷和波谷相遇,位移为负的最大值,振动是加强的,选项A错误,C正确;a处此刻是波峰与波峰相遇,过半个周期后变成波谷与波谷相遇,始终是振动加强的点,并非永远是波峰与波峰相遇的点,选项B错误;c处此刻是波峰、波谷相遇,过半个周期后仍是波峰、波谷相遇,它的振动永远互相减弱,选项D正确。
课堂·重难突破
一 波的叠加
重难归纳
1.波的独立传播。
几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播。相遇后各列波的状态保持原状,不受彼此的影响。
2.波的叠加。
波的叠加原理是波具有独立传播性的必然结果,由于总位移是两个位移的矢量和,所以叠加区域的质点的位移可能增大,也可能减小。
两列同相波的叠加,振动加强,振幅增大(如图甲所示)。
两列反相波的叠加,振动减弱,振幅减小(如图乙所示)。
甲
乙
当教室内乐队合奏时,我们听到的某种乐器的声音与这种乐器独奏时发出的声音是否相同 这种声音是否受到了其他乐器的影响
提示:相同,没有受到其他乐器的影响。
典例剖析
(多选)如图所示,两列简谐横波分别沿x轴正方向和负方向传播,两波源分别位于x=-2 cm和x=12 cm处,两列波的波速均为v=4 cm/s,两波源的振幅均为A=2 cm。下图为t=0时刻两列波的图像,此刻平衡位置处于x=2 cm和8 cm的P、Q两质点刚开始振动。质点M的平衡位置处于x=5 cm处,关于各质点运动情况的判断正确的是( )
A.质点P、Q都首先沿y轴负向运动
B.t=0.75 s时刻,质点P、Q都运动到M点
C.t=1 s时刻,质点M的位移为+4 cm
D.t=1 s时刻,质点M的位移为-4 cm
答案:AD
解析:根据“上下坡法”可以判断,质点P、Q都首先沿y轴负向运动,选项A正确;两列波波速相等,经过t=0.75 s,两波传播的路程都为3 cm,但P、Q两质点并不沿x轴运动,选项B错误;t=1 s时刻,左边波传到x=6 cm处,右边波传到x=4 cm处,两波的波谷相遇在M点,叠加后质点M的位移为-4 cm,选项C错误,D正确。
学以致用
波源甲、乙分别在一根水平放置的绳的左右两端,两波源发出的波振幅和波长均相等,在绳中的传播速度均是1 m/s,在t=0时刻绳上的波形如图中(a)所示,则根据波的叠加原理,以下叙述中正确的是( )
A.当t=2 s时,波形如图①所示,当t=4 s时,波形如图②所示
B.当t=2 s时,波形如图①所示,当t=4 s时,波形如图③所示
C.当t=2 s时,波形如图②所示,当t=4 s时,波形如图①所示
D.当t=2 s时,波形如图②所示,当t=4 s时,波形如图③所示
答案:D
解析:根据波的叠加原理,由于波速v=1 m/s,因此在t=2 s时,两列波都传到2、3之间,叠加后各质点位移为0,如题图中②所示;两列波传播时互不干扰,因此t=4 s时,都传到了对方一侧,如题图中③所示,因此选项D正确。
二 波的干涉
重难归纳
1.波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。
2.稳定干涉图样的产生是有条件的,必须是两列波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同。
3.干涉图样及其特点。
(1)干涉图样如图所示。
(2)特点。
①加强区和减弱区的位置固定不变。
②加强区始终加强,减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化)。
③加强区与减弱区互相间隔。
4.振动加强点和减弱点。
(1)加强点:振动的振幅等于两列波振幅之和,A=A1+A2。
(2)减弱点:振动的振幅等于两列波振幅之差,A=|A1-A2|。
(3)加强点和减弱点的判断。
①条件判断法:振动频率相同、振动情况完全相同的两波叠加时,设点到两波源的路程差为Δx,当Δx=|x2-x1|=kλ时为振动加强点;当Δx=|x2-x1|=(2k+1) 时为振动减弱点(k=0,1,2,…)。若两波源振动步调相反,则上述结论相反。
②现象判断法:若某点总是波峰与波峰或波谷与波谷相遇,则该点为加强点;若总是波峰与波谷相遇,则为减弱点。
名师点睛
明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的,明显的干涉图样除了满足相干条件外,还必须满足两列波振幅差别不大。振幅越是接近,干涉图样越明显。
有人说在波的干涉图样中,加强点就是位移始终最大的点,减弱点就是位移始终为零的点,这种说法对吗
提示:这种说法不正确。在干涉图样中的加强点是以两列波的振幅之和为振幅振动的点,某一瞬时振动位移可能是零。同理,减弱点是以两列波的振幅之差为振幅振动的点,它的位移不一定始终为零。
典例剖析
(多选)下图为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示波谷,下列说法正确的是( )
A.a、c两点的振动加强,b、d两点的振动减弱
B.e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间
C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换
D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰
答案:AD
解析:a点是波谷和波谷相遇的点,c点是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;而b、d两点是波峰和波谷相遇的点,都是振动减弱的点,选项A正确。e点位于S1S2连线的中垂线上,为加强点,选项B错误。相干波源叠加产生的干涉是稳定的,不会随时间变化,选项C错误。因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动,经半个周期步调相反,选项D正确。
规律总结
振动加强点与振动减弱点的判断方法
学以致用
如图所示,MN是水池的边缘,S1和S2是水池中水面上两个振动情况完全相同的相干波源,它们激起的水波波长为2 m。S1和S2连线垂直于MN,且它们与MN的距离分别是8 m和3 m。设MN足够长,则在水池边界MN上共有几处水面是平静的
( )
A.1处 B.3处
C.5处 D.无数处
答案:C
解析:在MN上任取一点P,连接PS1、PS2,由几何知识可知PS1-PS2≤S1S2=5 m,所以(PS1-PS2)可以取1 m、3 m、5 m。取5 m时即对应图中的P0点,取1 m、3 m时,P0点左右可分别取点,所以共计有5处水面是平静的。
随 堂 训 练
1.关于波的叠加和干涉,下列说法正确的是( )
A.两列频率不相同的波相遇时,因为没有稳定的干涉图样,所以波没有叠加
B.两列频率相同的波相遇时,振动加强的点只是波峰与波峰相遇的点
C.两列频率相同的波相遇时,介质中振动加强的质点在某时刻的位移可能是零
D.两列频率相同的波相遇时,振动加强的质点的位移总是比振动减弱的质点的位移大
答案:C
解析:两列波相遇时一定叠加,没有条件,选项A错误;振动加强点是振幅等于两列波的振幅之和,而不只是波峰与波峰相遇,选项B错误;加强点的振幅增大,质点仍然在自己的平衡位置两侧振动,故某时刻的位移可以是振幅范围内的任何值,选项C正确,D错误。
2.如图所示,水面上有A、B两个振动情况完全相同的波源,在AB连线的垂直平分线上有a、b、c三个质点,已知某时刻,a点是两列波的波峰相遇点,c点是与a点相邻的两列波的波谷相遇点,b为a、c的中点,则以下说法正确的是( )
A.a点是振动加强点,c点是振动减弱点
B.a点与c点都是振动加强点,b点是振动减弱点
C.a点与c点此时刻是振动加强点,经过一段时间后变成振动减弱点,而b点可能变成振动加强点
D.a、b、c都是振动加强点
答案:D
解析:在A、B的垂直平分线上的所有点到A、B的路程差都等于0,因此都是振动加强点,故选项D正确。
3.图甲中有振动方向相同的两横波,横波1沿BP方向传播,B点的振动图像如图乙所示;横波2沿CP方向传播,C点的振动图像如图丙所示,P与B相距40 cm,P与C相距50 cm,波速都为20 cm/s。两横波在P处相遇,P点振幅为( )
A.70 cm B.50 cm C.10 cm D.35 cm
答案:A
甲
乙
丙
解析:周期T=1 s,波速为v=0.2 m/s,故波长λ=vT=0.2 m,lPC-lPB= 50 cm-40 cm=10 cm=0.1 m=0.5λ,而t=0时刻两波的振动方向相反,则P是振动加强的点,振幅等于两波振幅之和,即为70 cm,故选项A正确。
4.(多选)两波源A、B分别位于x=0和x=7 m的位置持续振动,产生甲、乙两列沿x轴相向传播的简谐横波,t=0时刻的波形如图所示,已知两列波的传播速度均为v=1 m/s。下列说法正确的是( )
A.t=0时刻,x=1 m处的质点与x=5 m处
的质点均沿y轴负方向运动
B.t=1.5 s时两列波相遇
C.x=3 m处的质点是振动加强点
D.在t=2 s时,位于x=3.5 m处的质点位移为-2 cm
答案:BCD(共34张PPT)
5 多普勒效应
课前·基础认知
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素养·目标定位
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素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道什么是多普勒效应,知道它是在波源与观察者之间有相对运动时产生的现象,形成正确的物理观念。
2.知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别,培养科学思维能力。
3.了解多普勒效应的一些应用,培养学生观察生活,掌握知识,运用知识的能力。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、多普勒效应
1.定义:波源与观察者相互靠近或者相互远离时,接收到的波的频率都会发生变化。这种现象叫作多普勒效应。
2.多普勒效应产生的原因。
(1)当波源与观察者相互接近时,单位时间内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加,观测到的频率大于波源的频率,即观察到的频率增加。
(2)当波源与观察者相互远离时,观察到的频率变小。
微思考火车进站和出站时,坐在火车上的乘客能感受到汽笛的音调发生变化吗,为什么 路旁的人呢
提示:坐在火车上的乘客不能感受到汽笛音调的变化,因为声源相对听者是静止的,路旁的人能感受到汽笛音调发生变化,是因为声源相对听者是运动的。
二、多普勒效应的应用
1.测量汽车速度:交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波,同时测量反射波的频率,根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。
2.测血液流速:医生向人体内发射频率已知的超声波,超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收,测出反射波的频率变化,就能知道血流的速度。
3.测星球速度:测量星球上某些元素发出的光波的频率,然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照,就可以算出星球靠近或远离我们的速度。
微训练(多选)下面哪些应用利用了多普勒效应( )
A.利用地球上接收到遥远星体发出的光波的频率来判断遥远星体相对于地球的运动速度
B.交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的超声波,超声波被运动的汽车反射回来,根据接收到的超声波的频率发生的变化,就知道汽车的速度,以便于进行交通管理
C.铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运动情况
D.有经验的战士从炮弹飞行的声音判断飞行炮弹是接近还是远去
答案:ABD
解析:利用光波的多普勒效应便可以测定遥远星体相对于地球运动的速度,故选项A正确;被反射的超声波,相当于一个运动的物体发出的超声波,其频率发生变化,由多普勒效应的计算公式可以求出运动物体的速度,故选项B正确;铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运行情况,是利用声音在固体中传播得快的特点,与多普勒效应无关,故选项C错误;炮弹飞行,与空气摩擦产生声波,人耳接收到的频率与炮弹的相对运动方向有关,故选项D正确。
课堂·重难突破
一 多普勒效应的理解
重难归纳
1.波源频率。
波源完成一次全振动,向外发出一个波长的波,称为一个完全波。频率表示完成的全振动的次数与所用时间的比值。因此波源的频率又等于波源发出的完全波的个数与所用时间的比值。
2.接收频率。
(1)波源和观察者相对静止。观察者接收到的频率等于波源的频率。
(2)波源和观察者有相对运动。观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化,即感觉到波的频率发生变化。
波源与观察者如果相互靠近,观察者接收到的频率增大;二者如果相互远离,观察者接收到的频率减小。
3.音调。
音调由频率决定,频率高则音调高,频率低则音调低。观察者听到的声音的音调,是由观察者接收到的频率,即单位时间内接收到的完全波的个数决定的。
4.成因。
发生多普勒效应时,一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动。
5.相对位置变化与频率的关系(规律)。
多普勒效应的发生,是因为波源在运动时产生波的频率发生变化了吗
提示:发生多普勒效应时,波源产生波的频率并没有变化,只是观察者接收到的波的频率发生了变化。
典例剖析
(多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300 Hz,在汽车向你驶来又擦身而过的过程中,下列说法正确的是
( )
A.当汽车向你驶来时,听到喇叭声音的频率大于300 Hz
B.当汽车向你驶来时,听到喇叭声音的频率小于300 Hz
C.当汽车和你擦身而过后,听到喇叭声音的频率大于300 Hz
D.当汽车和你擦身而过后,听到喇叭声音的频率小于300 Hz
答案:AD
解析:当汽车向你驶来时,两者距离减小,你单位时间内接收的完全波个数增多,频率升高,将大于300 Hz,故选项A正确;当汽车和你擦身而过后,两者距离变大,你单位时间内接收的完全波个数减少,频率降低,将小于300 Hz,故选项D正确。
规律总结
对波源频率和接收频率的理解
学以致用
(多选)关于多普勒效应,下列说法正确的是( )
A.当波源与观察者间距离发生变化时,才会发生多普勒效应
B.当波源与观察者运动的速度相同时,不会发生多普勒效应
C.只有机械波才能发生多普勒效应
D.只要波源运动,就一定会发生多普勒效应
答案:AB
解析:当波源与观察者间距离发生变化时,其距离增大或减小,则观察者接收到的频率减小或增大,可知必发生多普勒效应,即选项A正确;而当波源与观察者运动的速度完全相同时,无相对运动,相当于两者都静止,不会发生多普勒效应,故选项B正确,D错误;多普勒效应是波动过程共有的特征,这里的波动包括一切波的传播过程,故选项C错误。
二 多普勒效应的应用
重难归纳
多普勒效应的判断方法。
(1)确定研究对象(波源与观察者)。
(2)确定波源与观察者是否有相对运动。若有相对运动,能发生多普勒效应,否则不发生。
(3)判断:当两者远离时,观察者接收到的波的频率变小;靠近时,观察者接收到的波的频率变大,但波源的频率不变。
警车鸣笛从你身边飞速驶过,对于警车向你靠近和警车远离的过程,你会听到警笛的声音在变化。
(1)你听到警笛的音调有何不同
(2)实际上警笛的音调会变化吗
(3)听到音调发生变化的原因是什么
提示:(1)警车驶来时,音调变高;警车远离时音调变低。(2)实际上警笛的音调不会变化。(3)警车与观察者如果相互靠近,观察者接收到的频率增大;两者如果相互远离,观察者接收到的频率减小,因此会感觉警笛音调变化。
典例剖析
公路巡警开车在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查,在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的超声波,结果该超声波被那辆轿车反射回来时,巡警车接收到的超声波频率比发出的低。
(1)巡警车接收到的超声波频率比发出的低属于( )
A.波的衍射 B.波的干涉
C.多普勒效应 D.波的反射
(2)若该路段限速为100 km/h,则该轿车是否超速
答案:(1)C (2)超速
解析:(1)巡警车接收到的超声波频率比发出的低,此现象为多普勒效应,选项C正确。
(2)因巡警车接收到的频率低,由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离,而巡警车车速恒定且在轿车后面,所以轿车车速比巡警车车速大,故该轿车超速。
学以致用
自动驾驶汽车配置了超声波、激光、无线电波雷达和光学相机组成的传感探测系统,当汽车与前方车辆距离减小到安全距离时,系统会执行减速指令。若汽车静止时发出的超声波频率为4.0×104 Hz,空气中声速为340 m/s,则该超声波的波长为 m。汽车以大于前方汽车速度的速度行驶时接收到被前方汽车反射的超声波频率 (选填“大于”“等于”或“小于”)汽车发出的频率。
答案:8.5×10-3 大于
解析:该超声波的波长为λ= =8.5×10-3 m。汽车行驶时,两辆汽车之间的距离减小,根据多普勒效应可知,接收到被前方汽车反射的超声波频率大于汽车发出的频率。
随 堂 训 练
1.(多选)下列哪些现象是多普勒效应( )
A.远去的汽车声音越来越小
B.飞机迎面飞来,声音刺耳
C.火车向你驶来时,音调变高;驶离你而去时,音调变低
D.大风中,远处人的说话声时强时弱
答案:BC
解析:A项和D项中所说的现象是能量传播的问题,不是多普勒效应,B、C两项所发生的现象是多普勒效应。
2.(多选)右图是一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生球面波的情况,则( )
A.该波源正在移向a点
B.该波源正在移向b点
C.在a处观察,波的频率较小
D.在b处观察,波的频率较小
答案:AD
解析:波源在某一位置产生一列波面后,该波面以该位置为球心,以波速作为传播速度向外传播,反之,由波面可确定出该波面的产生位置,即波源。波面半径大,表示产生时间早,传播时间长。对照图示,可确定出波源由右向左运动,故选项A正确,B错误。由于观察者不动,故波面经过观察者的速度等于波速,而在a处观察时,相邻波面间距比波源不动时的间距小,因而经过观察者的时间间隔短,频率大;同理,在b处的时间间隔长,频率小,故选项C错误,D正确。
3.(多选)关于多普勒效应,以下说法正确的是( )
A.只有机械波才能产生多普勒效应
B.机械波、电磁波、光波等均能产生多普勒效应
C.产生多普勒效应的原因是波源的频率发生了变化
D.产生多普勒效应的原因是观察者接收到的频率发生了变化
答案:BD
解析:多普勒效应是波动过程共有的特征,无论是机械波、电磁波还是光波都会发生多普勒效应,产生多普勒效应的原因是观察者接收到的频率发生了变化,而波源的频率不变,故选项B、D正确,A、C错误。
4.下图分别反映了飞机以三种速度在空中(不考虑空气的流动)水平飞行时,产生声波的情况。图中一系列圆表示声波的传播情况,A表示飞机的位置。请你利用给出的图,确定飞机飞行速度最大的是 (选填“甲”“乙”或“丙”)。
答案:丙
解析:飞行速度最大的是丙图中飞机,对于丙图,飞机飞行速度大于声波的速度。(共2张PPT)
章末知识体系构建
波源和介质
振动形式
垂直
在同一条直线上
距离
λf
平衡位置
波长
障碍物
叠加
频率
条件：同时存在①
机械波的形成
原因：介质中各质点之间存在相互作用力
实质：传播②
能量、信息
横波：振动方向跟传播方向③
像绳波等
波的分类
纵波：振动方向跟传播方向④
像声波和弹簧波等
波长：一个周期波传播的⑤
体现了空间周期性，由波源与介质决定
周期T:波源的振动周期，时间的周期性
物理量
频率f:波源的振动频率或波形每秒钟重复出现的次数，由波源决定
机
波速⑦：由介质决定
波动规律
各物理量间的关系：=⑥
或λ=⑦
意义：反映某时刻参与波动的所有质点离开⑧
的情况
波形图
坐标：横轴表示平衡位置，纵轴表示位移
物理信息：⑨、
振幅等
反射：波从两种介质的界面上返回原介质
折射：波从一种介质进入另一种介质传播方向发生改变
波的现象
衍射：绕过⑩
或孔继续传播
干涉：两列相干波在空间的①
多普勒效应：观察者与波源相互靠近或相互远离时，观察到的②
发生变化
