2020版高中物理 第二章 机械波 1 机械波的形成和传播学案 教科版选修3-4

2020版高中物理 第二章 机械波 1 机械波的形成和传播学案 教科版选修3-4

‎1　机械波的形成和传播 ‎[学习目标]　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.3.知道机械波传播的特点.4.掌握波的传播方向与质点振动方向的关系.‎ 一、机械波的形成和传播 ‎1.机械波的形成和传播(以绳波为例)‎ ‎(1)绳上的各小段可以看做质点.‎ ‎(2)由于绳中各部分之间都有相互作用的弹力联系着，先运动的质点带动后一个质点的运动，依次传递，使振动状态在绳上传播.‎ ‎2.介质 能够传播振动的物质.‎ ‎3.机械波 ‎(1)定义 机械振动在介质中的传播.‎ ‎(2)传播的特点 ‎①波传播的是振动这种形式，而介质的每个质点只在自己的平衡位置附近振动，并不随波迁移.‎ ‎②波在传播“振动”这种运动形式的同时，也在传递能量，而且可以传递信息.‎ ‎4.波源：引起初始振动的装置.‎ 二、横波与纵波 ‎1.波的分类 按介质中质点的振动方向和波的传播方向的关系不同，常将波分为横波和纵波.‎ ‎2.横波 ‎(1)定义：介质中质点的振动方向和波的传播方向垂直的波.‎ ‎(2)标识性物理量 ‎①波峰：凸起来的最高处.‎ ‎②波谷：凹下去的最低处.‎ ‎3.纵波 ‎(1)定义：介质中质点的振动方向和波的传播方向平行的波.‎ ‎(2)标识性物理量 12‎ ‎①密部：介质中质点分布密集的部分.‎ ‎②疏部：介质中质点分布稀疏的部分.‎ ‎4.简谐波 不管横波还是纵波，如果传播的振动是简谐运动，这种波叫做简谐波.‎ ‎[即学即用]‎ ‎1.判断下列说法的正误.‎ ‎(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，所有质点同时开始运动，同时停止运动.(　×　)‎ ‎(3)物体做机械振动，一定产生机械波.(　×　)‎ ‎(4)质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这样的波一定是横波.(　×　)‎ ‎2.绳波在某时刻的形状如图1所示，若O是波源，则此刻A点受到方向________的作用力；若O′是波源，则此刻A点受到方向________的作用力(均填“向上”或“向下”).‎ 图1‎ 答案　向上　向下 一、机械波的形成、传播及特点 ‎[导学探究]　如图2所示，手拿绳的一端，上下振动一次，使绳上形成一个凸起状态，随后形成一个凹落状态，可以看到，这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动.如果在绳子上某处做一红色标记，观察这一红色标记的运动.‎ 图2‎ ‎(1)红色标记有没有随波迁移？‎ ‎(2)当手停止抖动后，绳上的波会立即停止吗？‎ 答案　(1)没有.红色标记只在竖直方向上下振动.‎ ‎(2)不会.‎ ‎[知识深化]　波的形成、传播及特点 ‎(1)机械波的形成与传播 12‎ ‎(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(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：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.‎ 例1　如图3所示，是某绳波形成过程的示意图.质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动，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.问：‎ 图3‎ ‎(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？‎ 答案　见解析 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.‎ 12‎ ‎(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.‎ 波动过程中各质点的运动规律可用三句话来描述：‎ ‎(1)先振动的质点带动后振动的质点.‎ ‎(2)后振动的质点重复前面质点的振动.‎ ‎(3)后振动的质点的振动状态落后于先振动的质点.‎ 概括起来就是“带动、重复、落后”.‎ 针对训练　(多选)下列关于机械波的说法中，正确的是(　　)‎ A.波传播过程中，质点也随着波移动 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的振动 D.离波源越远，质点的振动频率越小 答案　BC 二、横波和纵波 ‎[导学探究]　如图4所示，‎ 图4‎ ‎(1)图甲是绳波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？‎ ‎(2)图乙是声波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？‎ 答案　(1)相互垂直.　(2)相互平行.‎ ‎[知识深化]　横波与纵波的区别 ‎(1)质点的振动方向与波的传播方向的关系不同：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的传播方向平行.‎ ‎(2)传播介质不同：横波只能在固体介质中传播；纵波在固体、液体和气体中均能传播.‎ ‎(3)特征不同：横波中交替、间隔出现波峰和波谷；纵波中交替、间隔出现密部和疏部.‎ 例2　关于横波和纵波，下列说法正确的是(　　)‎ A.振源上下振动形成的波是横波 B.振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 12‎ 答案　C 解析　根据横波和纵波的概念，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波叫做横波，质点的振动方向与波的传播方向平行的波叫做纵波，并不是上下振动与水平振动的问题，所以A、B选项错误，C选项正确；质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，并不能说明二者方向平行，故D选项错误.‎ 三、振动与波的关系 ‎1.区别 ‎(1)研究对象不同——振动是单个质点在平衡位置附近的往复运动，是单个质点的“个体行为”；波动是振动在介质中的传播，是介质中彼此相连的大量质点将波源的振动传播的“群体行为”.‎ ‎(2)力的来源不同——产生振动的回复力，可以由作用在物体上的各种性质的力提供；而引起波动的力，则总是联系介质中各质点的弹力.‎ ‎2.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，有振动不一定有波动.‎ ‎(2)波动的性质、频率和振幅与振源相同.‎ 例3　(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 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存在相互作用，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，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立即停止传播，选项D错误.‎ 四、由“带动法”确定质点的振动方向 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波形图上另找一点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5所示.‎ 12‎ 图5‎ 例4　一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图6所示的形状，对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点的说法正确的是(　　)‎ 图6‎ A.质点B向右运动 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 答案　D 解析　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，D跟随C向上运动，F跟随E向下运动，同理，A向下运动，C向上运动，由此可知选项B、C错误；由于此时B和C都向上运动，所以B比C先到达最大位移处，并先回到平衡位置，选项A错误，D正确.‎ ‎1.(机械波的形成和传播)(多选)如图7所示为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(　　)‎ 图7‎ 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 12‎ 答案　ACD 解析　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相比，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，故D正确.‎ ‎2.(横波和纵波)有关横波与纵波，下列说法中正确的是(　　)‎ A.对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向一定相同 B.对于横波，质点的振动方向与波的传播方向垂直 C.纵波的质点可以随波迁移，而横波的质点不能 D.横波只能在固体中传播，纵波只能在液体、气体中传播 答案　B 解析　纵波质点的振动方向与波的传播方向平行，方向并不一定相同，故A选项错误；机械波的质点只是在其平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移，无论横波和纵波都是这样，故C选项错误；横波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体和气体中传播，故D选项错误.‎ ‎3.(振动与波的关系)(多选)关于机械波和机械振动，下列说法中正确的是(　　)‎ A.机械振动就是机械波，机械波就是机械振动 B.有机械波，则一定有机械振动 C.机械波就是质点在介质中的运动路径 D.在波传播方向上各个质点都有相同的振动频率和振幅 答案　BD 解析　机械振动在介质中传播，形成了机械波，A错；波的形成有两个条件，一是要有波源，二是要有介质，所以，有机械波一定有机械振动，B对；在波的形成和传播过程中，各质点不随波迁移，C错；离波源较远的质点依靠前面质点的带动，所以频率、振幅相同，D对.‎ ‎4.(由“带动法”确定质点的振动方向)振源A带动细绳上各点上下做简谐运动，t＝0时刻绳上形成的波形如图8所示.规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向，则P点的振动图像是(　　)‎ 图8‎ 12‎ 答案　B 解析　由“带动法”可知此时P点从平衡位置开始向下振动，B正确.‎ 一、选择题 考点一　机械波的形成、传播和特点 ‎1.在敲响古刹里的大钟时，有的同学发现，停止对大钟的撞击后，大钟仍“余音未绝”，分析其原因是(　　)‎ A.大钟的回声 B.大钟在继续振动，空气中继续形成声波 C.人的听觉发生“暂留”‎ D.大钟虽停止振动，但空气仍在振动 答案　B 解析　停止对大钟的撞击后，大钟的振动不会立即停止，振动的能量不会立即消失，因此还会在空气中形成声波，这就是余音未绝的原因，所以选项B正确.‎ ‎2.在一平静的湖面上漂浮着一轻木块，向湖中投入一石块，在湖面上激起水波，关于木块的运动情况.以下说法正确的是(　　)‎ A.因为“随波逐流”，木块将被推至远处 B.因不知道木块离波源的远近如何，所以无法确定木块的运动情况 C.无论木块离波源的远近如何，它都不能被波推动，最多只能在湖面上做上下振动 D.木块被推动的距离与木块的质量大小和所受水的阻力的大小等情况有关 答案　C 解析　波传播的是振动这种形式，各质点在各自平衡位置附近运动，并不随波迁移，故A、B、D错误，C正确.‎ ‎3.(多选)关于机械波的说法正确的是(　　)‎ A.相邻的质点要相互做功 B.机械波在真空中也能传播 C.波源开始时怎样振动，其他质点开始时就怎样振动 D.除波源外，波中各质点都做受迫振动 答案　ACD 12‎ 解析　机械波是由于介质中前面的质点带动后面的质点，使波源的振动形式与波源的能量向远处传播而形成的，前、后质点间存在相互作用力，因而相互做功，故A正确；机械波的传播必须有介质，在真空中不能传播，故B错误；波源依次带动后面的质点，每个质点都做受迫振动，每个质点的频率都与波源频率相同，并且都“仿照”波源振动，故C、D正确.‎ ‎4.(多选)关于机械波的形成，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振动，只是时间上落后一步 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 答案　BC 解析　机械波的形成必须具备的两个条件：波源和介质，物体做机械振动，若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选项错误；形成机械波的各振动质点只在各自的平衡位置附近做简谐振动，并不随波迁移，故D选项错误.‎ ‎5.一列简谐横波在介质中传播，当波源质点突然停止振动时，介质中其他质点的振动及能量传递的情况是(　　)‎ A.所有质点都立即停止振动 B.已经振动的质点将继续振动，未振动的质点则不会振动 C.能量将会继续向远处传递 D.能量传递立即停止 答案　C ‎6.关于机械波，下列说法中正确的是(　　)‎ 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.波将波源的振动形式传播出去的同时，也可以传递信息 D.传播机械波的介质一定是可以自由流动的 答案　C 考点二　横波和纵波 ‎7.区分横波和纵波的依据是(　　)‎ A.是否沿水平方向传播 B.质点振动的方向和波传播的远近 C.质点振动的方向和波传播的方向是相互垂直还是相互平行 D.质点振动的快慢 答案　C 12‎ ‎8.关于横波和纵波，下列说法正确的是(　　)‎ A.对于横波和纵波，质点的振动方向和波的传播方向都是有时相同，有时相反 B.对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向一定相同 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 答案　D ‎9.某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为‎4km/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1所示).在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5s开始振动，则(　　)‎ 图1‎ A.P先开始振动，震源距地震仪约‎36km B.P先开始振动，震源距地震仪约‎25km C.H先开始振动，震源距地震仪约‎36km D.H先开始振动，震源距地震仪约‎25km 答案　A 解析　横波速度小于纵波速度，所以P先开始振动.由＋5s＝，可得x＝‎36km，则A正确，B、C、D错误.‎ 考点三　由“带动法”确定质点的振动方向 ‎10.如图2所示为波沿一条固定的绳子向右刚传播到B点时的波形，由图可判断A点刚开始的振动方向是(　　)‎ 图2‎ A.向左B.向右C.向下D.向上 答案　D 解析　根据“带动法”可知B点要向上振动，且所有点的起振方向都相同，所以D正确.‎ ‎11.一列简谐横波沿左右方向传播，某时刻的波形如图3所示，已知此时质点F的运动方向向下，则(　　)‎ 12‎ 图3‎ A.此波向右传播 B.此时质点C向上运动 C.质点C将比质点B先回到平衡位置 D.质点E的振幅为零 答案　C 解析　已知质点F的运动方向向下，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，选项A错误；此时质点C刚到达最大位移处，速度为0，此后向下运动，选项B错误；质点B要先向上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，虽然此时质点E的位移为零，但其振幅不为零，选项D错误.‎ ‎12.一列波在介质中向某一方向传播，图4为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发生在M、N之间，已知此波的周期为T，Q质点速度方向在波形图中是向下的，下面说法中正确的是(　　)‎ 图4‎ A.波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为T B.波源是N，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为 C.波源是N，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为 D.波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动的时间为 答案　C 解析　由于此时Q质点向下振动，且Q质点右边邻近质点在Q质点下方，则波向左传播，N是波源.经过一个周期，振动从N点传播到M点，又因从波源N起振开始计时，需经T，P质点才开始振动，故P质点已振动了，选项C正确.‎ 二、非选择题 ‎13.(机械波的形成和传播)如图5甲所示为波源的振动图像，图乙为均匀介质中同一条直线上等间距的质点在t＝1s时的振动状态，其中质点4刚开始振动.请在图丙中画出t＝5s 12‎ 时质点的振动状态.‎ 图5‎ 答案　见解析图 解析　由题图甲知波源振动周期T＝4s，根据波传播的规律知t＝5s时，波源出现在波峰，质点16刚开始振动.如图所示.‎ 12‎