3.2 机械波的描述 课件（共20张PPT）2024-2025学年高二物理粤教版（2019）选择性必修第一册

(共20张PPT)
第三章 机械波
第2节 机械波的描述
在第二章，我们学习了简谐运动，用x-t图像描述一个质点（弹簧振子或单摆）在任意时刻的位移。
而波却是很多质点的运动，在同一时刻各个质点的位移都不尽相同，不方便用x-t图像来描述。我们应该用什么图像来描述？
1.能通过建立直角坐标系建模的方法画出波的图像来描述横波；
2.通过观察、分析波的图像，理解波峰、波谷的等概念；
3.理解波速、波长和频率的关系，能用波长、波速和频率等概念解释波的传播问题；
一、机械波的图像
1.简谐波：波源做简谐运动时，介质的各个质点随之做简谐运动，所形成的波就是简谐波。
情境：持续上下抖动软绳。
【思考问题】
（1）绳波图有什么特点？与前面学习的哪个图像相似？
（2）请用大致画出绳子抖动过程的图像？
建立直角坐标系：横坐标表示介质中各个质点的平衡位置；纵坐标表示这一时刻各个质点偏离平衡位置的位移，连接各位移矢量的末端，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。
【思考问题】
波动图像中，如何表示各个质点的位移？
波形图中的位移：质点偏离平衡位置的位移
波峰
正向最大位移
波谷
反向最大位移
2.波的图像
机械波波动图像与振动图像有什么异同？
振动 波动
图像
相同 不同
图像都是正（余）弦曲线
纵坐标都是质点离开平衡位置的位移
某质点不同时刻位移
横轴表示时间
某个质点在各个时刻的位移
大量质点同一时刻位移
横轴表示质点平衡位置
某一时刻各个质点的位移
判断质点振动方向或波传播方向的方法
方法1：带动法：先振动的质点带动邻近的后振动质点，在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P′，若P′在P点上方，则P向上振动，若P′在下方，则P向下振动．
方法2：上下坡法：沿波的传播方向看去，“上坡”处的质点向下振动；“下坡”处的质点向上振动，简称“上坡下、下坡上”。如图
方法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振动方向，并设想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。如图丙
方法4：微平移法:如图丁所示,实线为t 时刻的波形,作出微小时间Δt 后的波形如虚线所示。由图可见t 时刻的质点由P1(或P2)位置经Δt 后运动到P1′ (或P2’)处,这样就可以判断质点的振动方向了。
二、描述机械波的物理量
探究：
在一不可伸长的细绳上等距离地固定几个质量很小的小球,某时刻小球及绳位置如图所示,然后加入一直角坐标系。
(1)1、5小球的距离和2、6小球的距离有何关系
1与5小球振动情况相同、2与6小球振动情况相同。
(2)1与5小球振动情况、2与6小球振动情况有何关系
相等
1、波长：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。
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为纵波的波长。
注意：同一波源产生的机械波，随着传播介质的不同，波长会发生改变。
横波的波长
纵波的波长
2.波速：
（1）定义：振动状态（以波峰或者波谷作为标记）在介质中的传播速度。
（2）波速的理解:
波速由介质决定，波在同一均匀介质中匀速传播，波速不变；
区分质点的振动速度和波的传播速度
（3）表达式:
3.周期：
在波动中，各个质点都是在波源的带动下做受迫振动，振动周期或频率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。质点的振动周期由波源决定。
4.波速和波长、频率的决定因素及关系
物理量 决定因素 关系
周期和频率
波速 波长 取决于波源,而与v、λ无直接关系
取决于介质的物理性质。它与T、λ无直接关系
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
三、机械波的多解问题
【问题探究】
图中实线为t＝0时刻的波形图，虚线为t＝0.1 s时刻的波形图。据此能否判定波的传播方向？
1.波的传播方向的双向性
(1)波的传播方向不确定。
(2)质点振动方向不确定。
2.由于波的周期性造成多解
(1)时间的周期性:时间间隔Δt与周期T的关系不明确。
(2)空间的周期性:波的传播距离Δx与波长λ的关系不明确
波的多解性
(1)解决周期性多解问题时，一般采用从特殊到一般的思维方法，即找出一个周期内满足条件的关系Δ t或Δ x
若此关系为时间，则 t ＝ nT＋ Δ t (n ＝ 0，1，2，…)；
若此关系为距离，则 x ＝ n λ＋Δ x (n ＝ 0，1，2，…)。
解决波的多解问题的方法
(2)解决双向性多解问题时,养成全面思考的习惯，熟知波有向正、负(或左、右)两方向传播的可能，质点有向上、下(或左、右)两方向振动的可能。
1.下列关于机械波的说法中，正确的是（ ）
A.在简谐波中，各质点的振动步调完全相同
B.简谐波向右传播时，介质中的各个质点也向右移动
C.一列简谐横波在介质中传播，各质点的振动频率各不相同
D.简谐横波向左传播时，介质中左边质点的振动总比相邻的右边质点的振动滞后一些
D
2.一列简谐横波在t=0时刻的波形如图中的实线所示，t=0.02s时刻的波形如图中虚线所示。若该波的周期大于0.02s，则该波传播速度可能是（　　）
A. 2m/s B. 3m/s C. 4m/s D. 5m/s
B
3. 如图 所示，一列简谐横波向右传播，P、Q两质点平衡位置相距0.15 m。当P运动到上方最大位移处时，Q刚好运动到下方最大位移处，则这列波的波长可能是（　　）
A.0.60 m
B.0.30 m
C.0.20 m
D.0.15 m
B
1、 波形图像与振动图像的区别：波形图像表示介质中的“各个质点”在“某一时刻”的位移，振动图像则表示介质中“某一质点”在“各个时刻”的位移。
2、波的传播方向与质点振动方向的关系：带动法、上下坡发、同侧法、微平移法。
3、波长、频率、周期、波速之间的关系：