高中物理人教版选修3-4 学案 第十二章 第1节 波的形成和传播 Word版含解析

第1节　波的形成和传播
1．知道机械波的产生条件，理解机械波的形成过程。
2．知道横波和纵波的概念，了解横波的波峰与波谷、纵波的密部与疏部。
3．知道机械波传播的特点。
一、波的形成和传播
1．介质特点(以绳为例，如图所示)
一条绳子可以分成一个个小段，一个个小段可以看做一个个相连的质点，这些质点之间存在着相互作用。
2．波的形成
当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻质点，使它也上下振动，这个质点又带动更远一些的质点……绳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．波的传播
绳端这种上下振动的状态就沿绳子传出去了。振动的传播称为波动，简称波。因此说波传播的是振动这种运动形式。
二、横波和纵波
1．机械波可分为横波和纵波两类
2．声波是纵波，它不仅能在空气中传播，也能在固体、液体中传播。
三、机械波
1．介质：波借以传播的物质。
2．机械波：机械振动在介质中传播，形成了机械波。
3．机械波的产生条件
(1)要有波源。
(2)要有传播振动的介质。
4．机械波的特点
(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。
(3)波还可以传递信息。
判一判
(1)在绳波的形成和传播中，所有质点同时运动，同时停止。(　　)
(2)质点振动的方向与传播的方向在同一直线上的波是纵波。(　　)
(3)在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向相同。(　　)
(4)横波一定有波峰和波谷，而且波峰和波谷是相互间隔的。(　　)
(5)横波在固体、液体、气体中都能传播，纵波只能在气体中传播。(　　)
(6)横波向右传播时，处于波峰的质点也向右迁移。(　　)
(7)机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动。(　　)
(8)机械波的传播过程也就是能量的传递过程。(　　)
提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√
想一想
(1)波传播过程中，振动质点也随着波一起传播出去了吗？
提示：没有。波在传播过程中质点在其平衡位置附近振动，并没有“随波逐流”。
(2)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，有时感到上下颠簸，由此可见地震波是什么波？
提示：地震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。
(3)登上月球的宇航员可以通过声音直接交流吗？
提示：不可以。因为月球上是真空的，没有传声介质，所以不能通过声音直接交流。
课堂任务　波的形成和传播　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．机械波的形成与传播

2．机械波的特点
(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(频率)：各质点都在做受迫振动，所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期(频率)相同。
(3)步调：同一介质中，离波源越远，质点振动越滞后。
(4)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。各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。
(5)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。
3．振动和波的区别与联系
例1　(多选)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O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
(1)各质点起振时，振动情况和波源相同吗？为什么？
提示：相同。波传播的是振动形式，故各质点起振时振动情况均相同，且均与波源相同。
(2)质点5与质点1振动步调一致吗？与质点9呢？
提示：质点1、5、9振动步调一致。
[规范解答]　介质中所有质点的起振方向均与波源相同，都是竖直向下的，从题图可知，质点9是图中距波源最远的点，尽管与波源起振方向相同，但起振时刻最晚，故A正确，B错误；质点7与质点8比较，质点7在质点8的前面，两质点的振动步调相差，故C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，且质点9的振动次数比质点1少两次，故D正确。
[完美答案]　ACD
波动过程中各质点的运动特点
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；各个质点起振的方向总是与波源的起振方向相同。概括起来就是“带动、重复、落后”。
　如图所示为波沿着一条一端固定的绳子传播到B点时的波形图，由图可判断出A点开始振动的方向是(　　)
A．向左 B．向右
C．向上 D．向下
答案　C
解析　由图可知，沿波传播方向，B点的前边质点在其上方，B点要重复前边质点的振动，故B向上运动，故振源的起振方向也是向上的，C正确。
　图甲中有一条均匀的绳，0、1、2、3、4…是绳上一系列等间距的点。现有一列简谐横波沿此绳传播。某时刻，绳上9、10、11、12四点的位置和运动方向如图乙所示(其他点的运动情况未画出)，其中点12的位移为零，向上运动，点9的位移达到最大值。试在图丙中画出再经过周期时的波形图。
答案　见解析
解析　从题中图乙可以看出，在图乙所示的时刻，该均匀绳上点9达到最大位移时，点12正通过平衡位置向上运动，因而由图乙中点9、10、11、12所在位置点连成的那段曲线代表在该均匀绳上传播的简谐横波在图乙所示时刻的四分之一波形图。由这段波形可以画出在该均匀绳上传播的简谐横波在图乙所示时刻的从点0到点12的波形图。由图乙中表示的波形图和点9、10、11、12四个点的运动方向，可以判断出在均匀绳上传播的简谐横波是向右传播的。由于介质中质点都在各自的平衡位置附近往复运动，所以再经过周期时，点9在平衡位置，而点12到达负的最大位移处。由此可得出点9到点12间的波形。由这段波形也就知道了这一时刻整条绳上的波形。如图丙所示。
课堂任务　横波和纵波
1．对横波和纵波的理解
横波
纵波
概念
质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。如图甲所示。
质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波。如图乙所示。
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．常见的波
(1)绳波是横波。
(2)声波是纵波。
(3)水波是比较复杂的机械波，不能简单地认为是横波，但有时将水波理想化为横波。
(4)地震波中既有横波，又有纵波。
　 　　　　　　　　　　　　　
例2　(多选)横波和纵波的区别是(　　)
A．横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直，纵波中质点的振动方向与波传播方向相同或相反
B．纵波不能在空气中传播
C．横波形成波峰和波谷，纵波形成疏部和密部
D．横波中质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上，纵波中质点的振动方向与波的传播方向垂直
(1)横波和纵波的本质区别是什么？
提示：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同一直线上的波是纵波。
(2)对于机械波来说，横波和纵波哪个能在空气中传播？
提示：空气中的振动挤压周围空气，形成疏密相间的纵波，而空气中的振动不会给周围空气施加类似绳波中的拉力，所以只有纵波能在空气中传播。
[规范解答]　物理学中把质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波，把质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波称为纵波，对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向可能相同，也可能相反，A正确，D错误；声波是纵波，能在空气中传播，B错误；横波形成波峰和波谷，纵波形成疏部和密部，C正确。
[完美答案]　AC
?1?横波中，质点的振动方向在与波的传播方向垂直的平面内。
?2?纵波中，质点的振动方向与波的传播方向“在同一直线上”，有时同向有时反向。
?3?机械波中的横波只能在固体介质中传播，机械波中的纵波在固体、液体、气体介质中均能传播。
　下列说法中不正确的有(　　)
A．声波在空气中传播时是纵波，在水中传播时是横波
B．波不但能传递能量，还能传递信息
C．发生地震时，由震源传出的波中既有横波又有纵波
D．一切机械波的传播都需要介质
答案　A
解析　声波无论在什么介质中传播都是纵波，故A错误；波不仅能传递能量，还能传递信息，地震波既有横波又有纵波，一切机械波的传播都需要介质，故B、C、D正确。