创新设计学业水平考试高中物理选修3234浙江专用人教版教师用书第十二章机械波第3课时波长.docx

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创新设计学业水平考试高中物理选修3234浙江专用人教版教师用书第十二章机械波第3课时波长

第3课时　波长、频率和波速

研究学考·把握考情]

知识内容

波长、频率和波速

考试要求

加试c

教学要求

1.知道波长、周期和频率的概念，知道这三个物理量是描述波的特征量

2．理解波速的概念，知道波在同一介质中是匀速传播的

3．掌握波长、频率、波速三者之间的关系，并知道决定波速、频率和波长的因素

4．能从波的图象中求出振幅、波长

5．结合v＝λf分析解决简单的波的传播问题

基础梳理]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．波长

（1）在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离，叫做波长，通常用λ表示。

（2）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等于波长。

（3）相距一个（或整数倍个）波长的两个质点在任何时刻振动状态都相同。

（4）波长反映了波空间的周期性。

2．周期（T）和频率（f）

（1）介质中各个质点振动的周期或频率是相同的，都等于波源的振动周期或频率。

波的周期（频率）由波源决定。

（2）一个周期内波在介质中传播的距离等于一个波长。

（3）周期反映了波时间的周期性。

典例精析]

【例1】关于机械波的波长，下列说法正确的是（　　）

A．平衡位置相距一个波长的两个质点运动情况总相同

B．运动情况总是相同的两个质点相距一个波长

C．在横波中，两个相邻的波峰间的距离等于一个波长

D．在横波中，波峰到相邻的波谷之间的距离等于半个波长

解析　相距波长整数倍距离的质点在任意时刻运动情况都相同，A项正确，B项错误；在横波中，两个相邻波峰（波谷）间的距离等于一个波长，两相邻波峰和波谷间距为半波长，C项正确，D项错误。

答案　AC

名师点睛　

（1）关于波长还可以定义为：

两个相邻的，在振动过程中相对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离等于一个波长。

（2）“振动相位总是相同”的含义是“任何时刻相位都是相同的”或者说“任何时刻振动情况总是相同的”。

基础梳理]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．波速

（1）定义：

波在介质中传播的速度。

（2）定义式：

v＝

＝λf

2．波长、频率和波速的决定因素

（1）波速由介质决定，与波的频率、波长无关。

（2）周期和频率取决于波源，而与v、λ无直接关系

（3）波长由波速和频率共同决定。

波从一种介质传播到另一种介质，波的频率不变，由于波速的变化，波长也将随之变化。

要点精讲]

造成波动问题多解的主要因素

（1）周期性

①时间周期性：

时间间隔Δt与周期T的关系不明确。

②空间周期性：

波传播距离Δx与波长λ的关系不明确。

（2）双向性

①传播方向双向性：

波的传播方向不确定。

②振动方向双向性：

质点振动方向不确定。

【例2】一列简谐横波在某时刻的波形图如图1所示，已知图中质点b的起振时刻比质点a延迟了0.5s，b和c之间的距离是5m，以下说法正确的是（　　）

图1

A．此列波的波长为2.5m

B．此列波的频率为2Hz

C．此列波的波速为2.5m/s

D．此列波的传播方向为沿x轴正方向传播

解析　相邻两个波峰或者波谷之间的距离就是一个波长，b和c之间的距离就是一个波长即5m，A项错；而a和b之间的距离为半个波长，波从a传到b所用时间为半个周期即0.5s，所以周期为1s，频率f＝1Hz，B项错；波速v＝

＝5m/s，C项错；质点b的起振时刻比质点a延迟，说明波是从a向b传播即沿x轴正向，D项对。

答案　D

【例3】一列横波在x轴上传播，t1＝0和t2＝0.005s时的波形如图2中的实线和虚线所示。

图2

（1）设周期大于（t2－t1），求波速；

（2）设周期小于（t2－t1），并且波速为6000m/s，求波的传播方向。

解析　当波传播的时间小于周期时，波沿传播方向前进的距离小于一个波长；当波传播的时间大于周期时，波沿传播方向前进的距离大于波长，这时从波形的变化上看出的传播距离加上n个波长才是波实际传播的距离。

（1）因Δt＝t2－t1＜T，所以波传播的距离可以直接由图读出。

若波向右传播，则在0.005s内传播了2m，故波速为v＝

＝400m/s.

若波向左传播，则在0.005s内传播了6m，故波速为v＝

＝1200m/s.

（2）因Δt＝t2－t1＞T，所以波传播的距离大于一个波长，在0.005s内传播的距离为Δx＝vΔt＝6000×0.005m＝30m，

＝

＝3

，即Δx＝3λ＋

λ。

因此，可得波的传播方向沿x轴的负方向。

答案　

（1）波向右传播时，v＝400m/s；波向左传播时，v＝1200m/s　

（2）x轴负方向

名师点睛　解决周期性及双向性带来的多解问题的一般思路如下：

（1）首先考虑传播方向的双向性，如果题目未说明波的传播方向或没有其他条件暗示，应首先按波传播的可能性进行讨论。

（2）对设定的传播方向，确定Δt和T的关系，一般先确定最简单的情况，即一个周期内的情况，然后在此基础上加nT。

（3）应注意题目是否有限制条件，如有的题目限制波的传播方向，或限制时间Δt大于或小于一个周期等。

所以解题时应综合考虑，加强多解意识，认真分析题意。

（4）空间的周期性和时间的周期性是一致的，实质上是波形平移规律的应用，所以解题时我们可以针对不同题目选择其中一种方法求解。

1．一振动周期为T、振幅为A，位于x＝0点的波源从平衡位置沿y轴正向开始做简谐振动。

该波源产生的一列简谐横波沿x轴正向传播，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　机械波是将波源的振动形式和能量向外传递的过程，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，A、B正确；质点P的振动速度不是波的传播速度v，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，与它们的距离无关，D错误。

答案　AB

2．男女生二重唱中，女高音和男中音的频率、波长和波速分别为f1、λ1、v1和f2、λ2、v2，它们之间的关系是（　　）

A．f1＞f2，λ1＞λ2，v1＞v2

B．f1＜f2，λ1＜λ2，v1＜v2

C．f1＞f2，λ1＜λ2，v1＝v2

D．以上说法都不正确

解析　由于两声音是同一种机械波，因而在空气中波速相同，A，B均排除，而音调高即是频率高，即f1＞f2，再由v＝λf，v相同，f1＞f2，所以λ1＜λ2，因而C正确，D错误。

答案　C

3．一列横波在t＝0时刻的波形如图3中实线所示，在t＝1s时的波形如图中虚线所示。

由此可以判定此波的（　　）

图3

A．波长一定是4cm

B．周期一定是4s

C．振幅一定是2cm

D．传播速度一定是1cm/s

解析　解波的图象的题目，一般可分为两类：

一类是读图，可以直接从图上读出振幅和波长，此题便可读出波长是4cm，振幅是2cm，故选项A、C正确；另一类是根据图象给定的条件，去计算波速、周期，判定波传播的方向，判定某一质点的运动情况及判定某一时刻的波形图。

由题可知nT＋

T＝1s（n＝0,1,2,3，…），周期有不确定解，因此选项B错误；同理传播速度v＝

也不确定，选项D错误。

答案　AC

4．一列沿x轴传播的简谐横波，t＝0时刻的波形如图4中实线所示，t＝0.2s时刻的波形如图中的虚线所示，则（　　）

图4

A．各质点均沿x轴方向运动

B．波的周期可能是

s

C．波的频率可能为1.25Hz

D．波的传播速度可能为4.5m/s

解析　若波沿x轴正方向传播，则Δt＝（n＋

）T＝0.2s，当n＝0时，T＝

s＝

s，B项正确；由λ＝1.2m，v＝

可知，v＝

m/s＝4.5m/s，D项正确；若波沿x轴负方向传播，则Δt＝（n＋

）T＝0.2s，当n＝0时，T＝0.8s，f＝1.25Hz，C项正确；质点的振动沿y轴方向，A项错误。

答案　BCD

一、选择题（在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。

）

1．关于波速，下列说法正确的是（　　）

A．反映了质点振动的快慢

B．反映了振动在介质中传播的快慢

C．波速由介质和波源共同决定

D．波速与波源的频率成正比

解析　波速反映的是振动在介质中传播的快慢程度，它与质点的振动快慢无关，因此选项A错误，B正确；波速只由介质决定，而与频率和波长无直接关系，选项C、D错误。

答案　B

2．关于波长，下列说法中正确的是（　　）

A．在一个周期内，沿着波的传播方向，振动在介质中传播的距离是一个波长

B．两个相邻的、在振动过程中运动方向总是相同的质点间的距离是一个波长

C．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

D．在纵波中，两个密部或两个疏部之间的距离等于波长

解析　根据波动中时间与空间的对应性，时间是周期的多少倍，波在介质中传播的距离就是波长的多少倍，选项A正确；根据波长的定义，可知选项B、C正确，D错误。

答案　ABC

3．关于波的周期，下列说法正确的是（　　）

A．质点的振动周期就是波源的周期

B．波的周期是由波源驱动力的频率决定的

C．波的周期与形成波的介质的密度有关

D．经历整数个周期，波形图重复出现，只是波向前移动了一段距离

解析　质点的振动周期和波的周期都等于波源的周期，且由波源的周期决定，与介质无关，故选项A、B正确，C错误；选项D正是波的周期性的体现，故选项D正确。

答案　ABD

4．关于公式v＝λf的理解，正确的是（　　）

A．v＝λf适用于一切波

B．由v＝λf知，f增大，则波速v也增大

C．v、λ、f三个量中，对同一列波来说，在不同介质中传播时保持不变的只有f

D．由v＝λf知，波长是4m的声音为波长是2m的声音传播速度的2倍

解析　公式v＝λf适用于一切波，无论是机械波还是电磁波，A正确；机械波的波速仅由介质决定，与频率或波长无关，所以B、D错；对同一列波，其频率由波源决定，与介质无关，故C正确。

答案　AC

5．一列简谐横波沿直线传播。

以波源O由平衡位置开始振动为计时零点，质点A的振动图象如图1所示，已知O、A的平衡位置相距0.9m，以下判断正确的是（　　）

图1

A．波长为1.2m

B．波源起振方向沿y轴正方向

C．波速大小为0.4m/s

D．质点A的动能在t＝4s时最大

解析　由A的振动图象可知，A经过3s开始振动，OA间距0.9m，波速v＝

＝

m/s＝0.3m/s；振动的周期T＝4s，所以波长λ＝vT＝0.3×4m＝1.2m；介质中质点的起振方向和波源的起振方向相同，由质点A的起振方向可以判断波源的起振方向沿y轴的正方向；t＝4s时A距离平衡位置最远，速度最小，动能最小，正确选项为A、B。

答案　AB

6．一列简谐横波沿x轴正方向传播，某时刻其波形如图2所示。

下列说法正确的是（　　）

图2

A．波长为4cm

B．波的周期为4s

C．经

周期后质点P运动到Q点

D．经

周期后质点P的速度变为零

解析　这是波形图，由图可直接读出波长λ＝4cm，不能读周期，A对，B错；质点P在平衡位置，经过

周期到达最大位移处，速度为零，C错，D对。

答案　AD

7．在波的传播方向上，距离一定的Q与P点之间只有一个波谷的四种情况，如图A、B、C、D所示。

已知这四列波在同一种介质中均向右传播，则质点P能首先达到波谷的是（　　）

答案　B

8．一列简谐横波沿直线传播，某时刻该列波上正好经过平衡位置的两质点相距6m，且这两质点之间的波峰只有一个，则该简谐波的波长可能为（　　）

A．4m、6m和8mB．6m、8m和12m

C．4m、6m和12mD．4m、8m和12m

解析　由于该波上两质点处于平衡位置且相距6m，且两质点间波峰只有一个，故6m与波长λ的关系有三种可能：

6m＝λ，6m＝

，6m＝

λ，故波长的可能值为6m、12m、4m，C正确。

答案　C

9．一列简谐横波在t＝0时刻的波形如图3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T大于0.02s，则该波的传播速度可能是（　　）

图3

A．7m/sB．3m/sC．1m/sD．5m/s

解析　由题意可知，T>0.02s，则波在0.02s内传播距离x<0.08m。

故：

若波向右传播，

则波传播的距离x1＝0.02m，

则波速v1＝

＝

m/s＝1m/s；

若波向左传播，则波传播的距离x2＝0.06m，

则波速v2＝

＝

m/s＝3m/s，

故正确的选项为B、C。

答案　BC

二、非选择题

10．如图4所示，一列简谐横波沿x轴传播，实线为t1＝0时的波形图，此时P质点向y轴负方向运动，虚线为t2＝0.01s时的波形图。

已知周期T＞0.01s。

图4

（1）波沿x轴________（填“正”或“负”）方向传播；

（2）求波速。

解析　

（1）由题意可知波沿x轴正方向传播。

（2）由题意知，λ＝8m

t2－t1＝

T①

v＝

②

联立①②式，代入数据解得，v＝100m/s。

答案　

（1）正　

（2）100m/s

11．一列简谐横波沿x轴正方向传播，t＝0时刻的波形如图5所示。

经0.6s时间质点a第一次到达波峰位置，求：

图5

（1）波的传播速度；

（2）质点b第一次出现波峰的时刻。

解析　

（1）设质点振动周期为T，因a第一次到波峰的时间为

T＝0.6s，

故T＝0.8s，

由题图可知λ＝4m，

则波速v＝

＝5m/s。

（2）质点b与相邻波峰间距离为x＝5m，

则质点b第一次出现在波峰的时刻t＝

＝1s。

答案　

（1）5m/s　

（2）1s

12．如图6所示，为一列简谐横波在t＝0时刻的图象。

此时质点P的运动方向沿y轴负方向，且当t＝0.55s时质点P恰好第3次到达y轴正方向最大位移处。

问：

图6

（1）该简谐横波的波速v的大小和方向如何？

（2）从t＝0至t＝1.2s，质点Q运动的路程s是多少？

（3）当t＝1.2s时，质点Q相对于平衡位置的位移x的大小是多少？

解析　

（1）此波沿x轴负向传播

在t＝0到t＝0.55s这段时间里，质点P恰好第3次到达y轴正方向最大位移处则有

（2＋

）T＝0.55s

解得T＝0.2s

由图象可得简谐波的波长为λ＝0.4m

则波速v＝

＝2m/s

（2）在t＝0至t＝1.2s这段时间里，质点Q恰好经过了6个周期，即质点Q回到起始点，由于振幅A＝5cm

所以质点Q运动的路程为

s＝4A×6＝4×5×6cm＝120cm

（3）质点Q经过6个周期后恰好回到起始点，则相对于平衡位置的位移为x＝2.5cm

答案　

（1）2m/s，方向沿x轴负方向　

（2）120cm

（3）2.5cm