高中物理新教材人教版选择性必修第一册学案 第3章 1 波的形成 Word版含解析

1．波的形成

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)质点的振动位置不断转换即形成波． (×)
(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．
(×)
(3)如果波源停止振动，介质中的波也会立即停止． (×)
(4)横波在固体、液体、气体中都能传播，纵波只能在气体中传播． (×)
2.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点开始的振动方向是________．
[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质点刚开始的振动方向向上．
[答案]　向上
3．(多选)关于横波和纵波，下列说法正确的是(　　)
A．质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫作横波
B．质点的振动方向跟波的传播方向在同一直线上的波叫作纵波
C．横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部
D．声波是横波
ABC　[本题考查纵波和横波的概念．由定义知，A、B、C正确；声波是纵波，故D不正确．]
波的形成
教材第58页“演示”答案提示：
红色标记在其位置上下振动，并不随波向绳的另一端移动．
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，如图所示．
情景设问：(1)形成“人浪”要具备哪些条件？
(2)同学为什么要手肩互搭？
(3)后一同学与前一同学相比，他们的运动有何异同？
(4)“人浪”沿水平方向传播，人随“人浪”迁移了吗？
提示：(1)要有一个人先振动起来．
(2)有前一同学带动后一同学的作用．
(3)都同样振动，但节奏稍迟．
(4)没有，人只是上下振动．
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振动，并不随波迁移，且起振方向与振源的起振方向相同．
(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．
【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直线方向做简谐运动，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．
甲
乙
(1)由甲图可知，t＝时，质点8未到达波峰，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
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，如波源1和质点5、9、13这些点的位置确定后，其他点可顺势找出．
训练角度1　波的形成
1．沿绳传播的一列横波，当波源突然停止振动时(设绳无限长，且波传播过程无能量损失)(　　)
A．绳上各质点同时停止振动，波同时消失
B．离波源较近的质点先停止振动，直到所有质点全部停止振动
C．离波源较远的质点先停止振动，直到所有质点全部停止振动
D．前一质点的振动带动相邻后一质点振动，这种振动将由近及远向前传播，不会停止
D　[当波源振动时，通过介质将波源的振动形式传递出去的同时，将能量也传递出去了．当波源停止振动后，传出去的能量不会消失，当没有其他阻力时，这种波的形式和能量继续存在并将继续传递下去，所以A、B、C都错误．故答案为D.]
训练角度2　波的传播
2．如图所示为一简谐横波在某一时刻的波形图，此时质点A正向上运动，如图中箭头所示．由此可断定此横波(　　)
A．向右传播，且此时质点B正向上运动
B．向右传播，且此时质点C正向下运动
C．向左传播，且此时质点D正向上运动
D．向左传播，且此时质点E正向下运动
C　[根据质点A正向上运动，可判定此列波向左传播(后一质点的振动总是落后于前一质点的振动)，根据同一原则可断定质点D和质点E都正向上运动．故选项C正确．]
横波与纵波
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1所示．手握轻弹簧一端左右有规律的振动，弹簧便形成疏密相间的形状，如图2所示．
情景设问：(1)图1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2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．
1．横波和纵波的比较
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
名师点睛：在现实生活中，绳上波为横波，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．振动与波动的联系和区别
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，并由近及远传播开去，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)牢记波动的周期等于质点振动的周期
【例2】　(多选)一列横波沿绳子向右传播，传播过程无能量损失，某时刻绳子形成如图所示的凹凸形状．对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点，下列说法正确的是(　　)
A．它们的振幅相同
B．质点D和F的速度方向相同
C．从此时算起，质点B比C先回到平衡位置
D．从此时算起，质点E比F先到达波峰
思路点拨：分析质点振动方向的方法可用“带动看齐”的思路分析：在波的传播中，靠近波源的质点带动后面的质点运动，离波源远的质点追随离波源近的质点．
ACD　[波源振动时，绳上各质点通过相互间的弹力作用跟着做受迫振动，不考虑传播中的能量损耗时，各质点的振幅均相同，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，并跟随着离波源近的质点振动．由题图可知，波源在左端，因此，质点D跟随离波源近的质点C正向上运动，质点F跟随离波源近的质点E正向下运动，两者速度方向相反，选项B错误；由于此时B、C两质点都向上运动，B比C先到最大位移处，故B比C先回到平衡位置，选项C正确，同理知选项D正确．]
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．
训练角度1　横波和纵波的比较
3．(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
ABD　[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平行的波是纵波；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正确；无论横波还是纵波，质点都不随波迁移，C错误；横波不能在空气中传播，空气只能传播纵波，D正确．]
训练角度2　振动方向的判断
4．(多选)如图所示为一列机械波在某一时刻的形状，此时刻质点F的振动方向如图所示．则(　　)
A．该波向左传播
B．质点C比质点B先回到平衡位置
C．质点E此时刻向下振动
D．质点C此时刻的加速度为零
ABC　[由波形图和质点F的振动方向，根据带动法可知波源在右侧，故该波向左传播，选项A正确；由于该波向左传播，根据带动法可知质点E此时刻向下振动，选项C正确；此时质点B向上振动，质点C在最大位移处将向下振动，故质点C比质点B先回到平衡位置，选项B正确；因质点C在最大位移处，其加速度最大，选项D错误．]
1．物理观念：机械波、横波、纵波、波峰、波谷、密部、疏部等．
2．科学思维：比较法理解振动和波动的区别．
3．科学探究：探究绳波和声波的传播特征．
1．(多选)关于机械波的形成，下列说法正确的是(　　)
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，只是时间上落后一步
C．参与振动的质点的振动频率都相同
D．机械波可以传递能量和信息
BCD　[若只有物体振动，而周围没有传播这种振动的介质，振动不可能由近及远传播出去形成机械波，A错；机械波中各振动质点都在重复波源的振动，振动频率都等于波源的频率，只是离波源越远，振动步调越落后，B、C正确；机械波中介质各质点只在自己平衡位置附近振动，不随波迁移，离波源较远的质点振动的能量是通过离波源近的各质点的传递从波源获得的，D对．]
2．(多选)一列简谐横波沿x轴传播，某时刻的波形如图所示，已知此时质点F的运动方向向y轴负方向，则(　　)
A．此波向x轴负方向传播
B．质点C此时向y轴负方向运动
C．质点C将比质点B先回到平衡位置
D．各质点的振幅相同
ACD　[因为机械波在传播过程中，靠近波源的质点的振动带动相邻的后边质点的振动，而后面质点要“模仿”前面质点的振动，所以本题中，已知质点F的运动方向向y轴负方向，即F质点正在“模仿”右边质点的振动，这说明波源在右边，波从右向左传播，即此波向x轴负方向传播，选项A正确；质点C此时刚到达最大位移处，速度为0，此后才向y轴负方向运动，选项B错误；质点B要先向y轴正方向运动到达波峰位置再回到平衡位置，而质点C直接从波峰位置回到平衡位置，所以选项C正确；振幅指的是质点离开平衡位置的最大距离，各质点的振幅相同，选项D正确．]
3．(多选)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纵波
C．横波和纵波传播的都只是振动这种运动形式
D．沿横向传播的波叫横波，沿纵向传播的波叫纵波
ABC　[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；横波具有波峰和波谷，两种波传播的都是运动形式，A、B、C正确．]
4．(多选)一根张紧的水平弹性绳，绳上的S点在外界驱动力的作用下沿竖直方向做简谐运动，在绳上形成稳定的横波，在S点的左、右两侧分别有A、B、C、D四点，如图所示，已知AB、BS和SC的距离相等，CD的距离为SC的2倍，下面的说法中正确的是(　　)
A．若B点的位移与S点的位移始终相同，则A点的位移一定与S的位移始终相同
B．若B点的位移与S点的位移始终相反，则A点的位移一定与S点的位移始终相反
C．若C点的位移与S点的位移始终相同，则D点的位移一定与C点的位移始终相同
D．若C点的位移与S点的位移始终相反，则D点的位移一定与C点的位移始终相同
ACD　[选项A中，由于B点和S点位移始终相同，又因为A＝B，故A点与S点位移也相同．选项B中，B点和S点位移始终相反，那么再隔同样距离时，A点和S点的位移就应始终相同了．位移始终相同的点和始终相反的点是相互隔开的．]
5．[思维拓展]
某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为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，求：
问题：(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)由于纵波传播的快，故地震发生时纵波先到达观察中心，即先觉察到的是上下振动．
(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]　见解析