第十二章 第1节 波的形成和传播 学案 Word版含答案

第1节_波的形成和传播
波的形成和传播
[探新知·基础练]
1．形成原因：以绳波为例(如图所示)
(1)可以将绳分成许多小部分，将每一部分看做质点。
(2)在无外来扰动之前，各个质点排列在同一直线上，各个质点所在的位置称为各自的平衡位置。
(3)由于外来的扰动，会引起绳中的某一质点振动，首先振动的这个质点称为波源。
(4)由于绳中各质点之间存在着相互作用力，作为波源的质点就带动周围质点振动，并依次带动邻近质点振动，于是振动就在绳中由近及远地传播。
2．介质
(1)定义：波借以传播的物质。
(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。
[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．机械波在传播过程中，各质点振动的周期、起振方向都相同。(√)
2．在机械波的传播过程中，各质点随波的传播而迁移。(×)
3．机械波在传播过程中，各个质点振动的振幅都相同。(√)
[释疑难·对点练]
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)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)立场：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。
(5)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。
[试身手]
1．机械波在均匀介质中传播时，下列说法中不正确的是(　　)
A．各质点都在各自的平衡位置附近振动
B．相邻质点间必有相互作用力
C．前一质点的振动带动相邻的后一质点的振动，后一质点的振动必定落后于前一质点
D．各质点依次带动形成波动，所以波的传播不一定是匀速的，视带动情况而定
解析：选D　机械波的形成实质上是振源的振动形式和能量在介质中的传播。在均匀介质中机械波的传播是匀速的。D不正确。
横波和纵波
[探新知·基础练]
定义
标识性物理量
横波
质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波
(1)波峰：横波中凸起的最高处
(2)波谷：横波中凹下的最低处
纵波
质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波
(1)密部：纵波中质点分布最密的位置
(2)疏部：纵波中质点分布最疏的位置
[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．在水平方向传播的波为横波。(×)
2．在机械波中各质点不随波的传播而迁移。(√)
3．横波又叫凹凸波，纵波又叫疏密波。(√)
[释疑难·对点练]
横波和纵波的区别
横波
纵波
特点
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
[试身手]
2．区分横波和纵波的依据是(　　)
A．质点沿水平方向还是沿竖直方向振动
B．波沿水平方向还是沿竖直方向传播
C．质点的振动方向和波的传播方向是相互垂直还是在一条直线上
D．波传播距离的远近
解析：选C　横波与纵波区分的标准是看质点振动方向和波传播方向的关系，若互相垂直，为横波；若在一条直线上，为纵波。故正确答案为C。
机械波的形成
[探新知·基础练]
1．机械波定义
机械振动在介质中传播，形成机械波。
2．产生条件
(1)要有机械振动。
(2)要有传播振动的介质。
3．机械波的实质
(1)传播振动这种运动形式。
(2)传递能量的一种方式。依靠介质中各个质点间的相互作用力而使各相邻质点依次做机械振动来传递波源的能量。
[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．有机械波一定有机械振动。(√)
2．有机械振动一定可以形成机械波。(×)
3．机械波可以在真空中传播。(×)
[释疑难·对点练]
振动和波动的比较
振动
波动
运动现象
振动是单个质点所表现出的周而复始的运动现象
波动是大量质点受到扰动时，从扰动中心传播开来的周而复始的运动现象
运动成因
质点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
运动性质
变加速运动
在均匀介质中匀速向前传播
能量变化
动能与势能相互转化，如果是简谐运动，机械能保持不变
波的传播过程是一个能量传播过程，当波源停止振动不再向外传递能量时，各个质点的振动也会相继停下来
[试身手]
3．(多选)关于机械波的以下说法中，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
解析：选AC　波源(即振源)振动时，依靠介质中的相互作用力带动周围各部分质点振动起来，形成机械波。作为介质的各质点只在平衡位置附近做振动，并不随波向外迁移，仅把振源的振动和能量传播开来。波源和介质质点之间的相互作用力带动相邻的质点振动，是受迫振动。故介质质点不是自由振动。综上所述，A、C正确。
机械波的形成与传播
[典例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。求：
(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。
[思路点拨]　先根据波的形成特点，画出该时刻的波形，再确定各质点的运动状态。
[解析]　各质点在各时刻的情况。如图所示。
(1)由甲图可知，t＝时，质点8未达到波峰，正在向上振动，质点12、16未振动。
(2)由乙图可知，t＝时，质点8正在向下振动，质点12向上振动，质点16未振动。
[答案]　见解析
(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。
振动和波动的关系
[典例2]　(多选)关于振动和波的关系，下列说法中正确的是(　　)
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
[思路点拨]　解答有关振动与波的问题时应注意以下三个方面：
(1)从波源开始，离波源由近及远的各质点的振动依次滞后。
(2)相邻质点间存在相互作用力，前一个质点带动后一个质点。
(3)明确波的传播速度和质点振动速度的区别。
[解析]选AB　机械波的产生条件是有波源和介质。由于介质中的质点依次带动，由近及远传播而形成波，所以选项A和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。
(1)有机械波，必有机械振动，有机械振动，不一定形成机械波。
(2)质点的振动速度是随时间改变的，而波在同种均匀介质中的传播速度是不变的。
由传播方向确定质点振动方向的方法
带动法
原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点。
方法：在质点P靠近波源一方附近的图象上另找一点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。
[典例3]　(多选)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．它们的振幅相同
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
[解析]选AD　波源振动时，绳上各质点通过相互间的作用力跟着做受迫振动，不考虑能量损耗，各质点振幅相同，所以选项A正确；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，并跟随离波源近的质点振动。由题图可知，波源在左端，因此，质点D跟随质点C向上运动，质点F跟随质点E向下运动，同理，A向下运动，质点C向上运动，由此可知选项B和C错误；由于此时质点B和质点C两点都向上运动，质点B比质点C先到最大位移处，且比质点C先回到平衡位置，所以，选项D正确。
[课堂对点巩固]
1．(多选)关于机械振动和机械波，下列说法中正确的是(　　)
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．参与振动的质点都有相同的频率
D．机械波是质点随波迁移，也是振动能量的传递
解析：选BC　机械波的形成必须具备的两个条件：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A错误。任何一个振动的质点都是一个波源，从而带动它周围的质点振动，将振动传播开来，所以后一质点的振动总是落后一步，故B、C正确。形成机械波的各个质点，只是在平衡位置附近往复运动，并没有随波迁移，离振源远处的质点振动的能量，是通过各质点的传递从振源获得的，故D错误。
2．(多选)机械波传播的是(　　)
A．介质中的质点 B．质点的运动形式
C．能量 D．信息
解析：选BCD　机械波是振动在介质中向外传播，质点不随波的传播而迁移，只是向外传播信息和能量，故选项B、C、D正确。
3．(多选)如图所示为沿水平方向分布的介质中的部分质点，每相邻两质点间的距离相等，其中O为波源。设波源的振动周期为T，自波源通过平衡位置竖直向下振动时开始计时，经过质点1开始起振。则下列关于各质点的振动和介质中的波的说法中正确的是(　　)
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的时间总是比质点7通过相同位置时落后
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，即如果质点1发生的是第100次振动，则质点9发生的也是第100次振动
解析：选AC　根据机械波形成过程可知，波传播过程中各质点的振动是由相邻质点带动起来的，它们总是重复波源的振动，题中质点的起振方向都是竖直向下，但从时间上来说，起振的时间依次落后，故A、C对，B错。由题意可知，质点9比质点1起振时间落后两个周期，当所有质点都已振动后，质点9和质点1振动步调完全一致，当质点1发生第100次振动时，质点9发生的是第98次振动，故D错。
4.AB为一弹性绳。设法在绳上传播一个脉冲的波，如图所示，当波从A向B传播时，绳上质点开始起振的速度方向是________，若波从B向A传播，绳上质点开始起振时，质点振动的速度方向是________。
解析：根据波的形成过程，前质点依次带动后质点并依次落后，且都重复振源的振动，当波从A向B传播时，B刚开始振动时，B左侧的相邻质点比B先振动；并且位置在B的下方，所以B应该向下振，同理可得，当波从B向A传播时，质点刚开始振动时，速度方向向上。
答案：向下　向上
[课堂小结]
[课时跟踪检测六]
一、单项选择题
1．一列机械波由波源向周围传播出去，下列有关说法错误的是(　　)
A．介质中各质点由近及远地传播出去
B．波源的振动形式由近及远地传播出去
C．介质中各质点只是振动而没有迁移
D．介质中各质点振动的能量由近及远地传播出去
解析：选A　机械波向外传播，传播出去的是振动的形式、携带出去的是能量和信息，质点不随波的传播而迁移，故选项B、C、D正确，A错误。
2．在平静的湖面上漂着一块小木条，现向湖中央扔一石子，圆形波纹一圈圈的向外传播，当波传播到小木条处时，小木条将(　　)
A．随波纹漂向湖岸
B．不动
C．向波源处漂动
D．在原来位置上下振动
解析：选D　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，生活中的水面上的一些漂浮物会随波向外移动，是因为外界另外一些因素的干扰，如风的吹动等，故D正确。
3．下列关于横波、纵波的说法正确的是(　　)
A．凸凹相间的波叫横波，凸起的最高处叫波峰，凹下的最低处叫波谷
B．质点振动方向和波的传播方向在同一直线上的波叫横波
C．沿横向传播的波叫横波，沿纵向传播的波叫纵波
D．沿横向传播的波叫纵波，沿纵向传播的波叫横波
解析：选A　质点的振动方向与波的传播方向垂直的波为横波，质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波为纵波，与波沿横向传播还是纵向传播无关，选项B、C、D错误；横波具有波峰和波谷，选项A正确。
4．下列关于机械波的说法正确的是(　　)
A．自然界所刮的风就是一种机械波
B．波不仅能传递能量，而且参与振动的质点也在随波迁移
C．波将波源的运动形式传播出去的同时，也可以传递信息
D．能传播机械波的介质一定是可以自由流动的
解析：选C　自然界所刮的风实质上是由于压强差等因素引起的空气流动，不是机械波，A错；波是运动形式的传播，是能量传递的一种方式，但各质点均在各自平衡位置附近振动，并不随波迁移，B错；波不仅能传播运动形式，它也是信息传递的载体，C对；不能自由流动的固体也能传播机械波，D错。
5．如图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点开始的振动方向是(　　)
A．向左 B．向右
C．向下 D．向上
解析：选D　由于波刚传到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知，B质点此时正向上振动，所以波源A质点开始的振动方向向上，选项D正确。
6．一列横波正沿水平方向由西向东传播，则下列说法中正确的是(　　)
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
解析：选D　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。
二、多项选择题
7．一列简谐波在某时刻的波形如图所示，a、b、c、d为介质中的四个质点，a在波峰，d在波谷，c在平衡位置，b的位移大小等于振幅的一半。四个质点的加速度大小分别为aa、ab、ac、ad，它们的速度大小分别为va、vb、vc、vd，则(　　)
A．acB．ac>ab>aa＝ad＝0
C．va＝vd>vb>vc
D．va＝vd解析：选AD　由简谐运动规律可知，质点受到的回复力的大小与位移的大小成正比，因而加速度的大小与位移的大小成正比，所以这四个质点的加速度大小关系为aa＝ad>ab>ac，选项A正确；而质点越靠近平衡位置速度越大，位移越小，则加速度越小，四点的速度大小关系为va＝vd8．一振动周期为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
解析：选AB　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。
三、非选择题
9．如图所示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。
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。
答案：如图所示
10．如图甲所示为波源1的振动图象，图乙为均匀介质中一些均匀分布等间距的质点在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。
解析：根据波传播的规律可知，t＝5 s时，振源出现在波峰，质点16起振。如答案图所示。
答案：如图所示

11．日本福岛曾发生过里氏9.0级大地震，已知地震中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？
解析：(1)根据纵、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，所以是上下振动。
答案：(1)33.67 km　(2)先传到的是纵波，所以是上下振动