人教版高中物理选修34教学案第十二章 第1节 波的形成和传播含答案.docx

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人教版高中物理选修34教学案第十二章第1节波的形成和传播含答案

第1节

波的形成和传播

1.波的传播过程中，各质点的周期均与波源的振动周期相同。

2．波在传播时，是前一质点带动后一质点振动，离波源越远，质点振动越滞后。

3．各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移。

4．质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫横波，质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫纵波。

一、波的形成和传播

1．形成原因：

以绳波为例（如图1211所示）

图1211

（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。

二、横波和纵波

定义

标识性物理量

实物波形

横　波

质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波

（1）波峰：

凸起的最高处

（2）波谷：

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：

质点分布最密的位置

（2）疏部：

质点分布最疏的位置

　　三、机械波

1．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。

1．自主思考——判一判

（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，所有质点同时运动，同时停止运动。

（×）

（3）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。

（×）

（4）机械波传播的是能量和振动形式，机械波不能在真空中传播。

（√）

（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。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）如图1212是地震后场景。

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？

图1212

提示：

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。

（2）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。

机械波的形成及特点

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）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。

（5）实质：

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。

3．振动和波动的区别与联系

振动

波动

区别

研究对象

单个质点在平衡位置附近的往复运动，研究的是单个质点的“个体行为”

振动在介质中的传播，研究的是大量质点将波源振动传播的“群体行为”

力的来源

可以由作用在物体上的各种性质力提供

联系介质中各质点的弹力

运动性质

质点做变加速运动

在均匀介质中是匀速直线运动

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，但有振动不一定有波动

（2）波动的性质、频率和振幅都与振源相同

[典例]　图1213甲中有一条均匀的绳，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。

图1213

[思路点拨]　

（1）由前一个质点带动后一个质点确定波的传播方向。

（2）各质点只在平衡位置附近上下振动。

（3）确定再经过

周期时各质点的位置。

[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，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。

[答案]　见解析

波动过程中介质中各质点的运动特点

波动过程中介质中各质点的振动周期都与波源的振动周期相同，其运动特点可用三句话来描述：

（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”。

1．（多选）关于机械波，下列说法中正确的是（　　）

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的振动

D．各质点随波的传播而迁移

解析：

选ABC　波在传播过程中，由于介质中各质点之间的相互作用，离波源较近的质点带动离波源较远的质点振动，每一质点都以它的平衡位置为中心振动，波传播的只是振动形式和振动能量，介质中的质点并不随波迁移。

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1214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（　　）

图1214

A．它们的振幅相同

B．质点D和F的速度方向相同

C．质点A和C的速度方向相同

D．从此时算起，质点B比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；同理，此时质点A正向下运动，质点C正向上运动，两者速度方向也相反，选项C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D正确。

3．（多选）关于振动和波动的关系，下列说法中正确的是（　　）

A．振动是形成波动的原因，波动是振动的传播

B．振动是单个质点呈现的运动现象，波动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．对于均匀介质中的机械波，各质点在做变速运动，而波的传播速度是不变的

解析：

选ABD　机械波的产生条件是有波源和介质。

介质中的质点依次振动由近及远传播而形成波，所以A、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不变，而质点振动的速度大小和方向都随时间周期性地发生变化，故C错误，D正确。

横波与纵波的对比

[典例]　下面关于横波、纵波的说法中正确的是（　　）

A．同一波源在同一介质中形成的机械波中可同时具有横波和纵波

B．由于横波、纵波的振动方向与波的传播方向的关系不同，因此横波、纵波不可能沿同一方向传播

C．横波、纵波在同一介质中的传播速度一定相等

D．只要存在介质，不管是固体、液体或气体，均可传播横波和纵波

[解析]　同一波源产生的波中可同时具有横波、纵波，如地震波，A正确；虽然传播这两种波的介质质点振动方向与波传播方向的关系不同，但并不妨碍两者沿同一方向传播，B错误；在同一介质中，横波和纵波传播速度一般不同，如地震波中纵波比横波传播得快，C错误；横波可以在固体内传播，不可以在液体、气体中传播，而纵波可在固体、液体和气体中传播，D错误。

[答案]　A

横波与纵波的对比

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

1．下列关于横波的说法中，正确的是（　　）

A．横波中，质点的振动方向一定与波的传播方向垂直

B．横波中，质点的振动方向也可能与波的传播方向在同一直线上

C．横波中，波水平向右传播，各个质点一定上下振动

D．能形成波峰、波谷的波是横波

解析：

选A　横波的传播方向与质点的振动方向垂直，选项A正确，B、C错误；有波峰和波谷，但波的传播方向不一定与质点的振动方向垂直，选项D错误。

2．下列关于纵波的说法中，正确的是（　　）

A．在纵波中，波的传播方向就是波中质点的移动方向

B．纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向在一条直线上

C．纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向垂直

D．纵波也有波峰和波谷

解析：

选B　纵波中质点的振动方向与波的传播方向虽然在一条直线上，但质点的振动方向与波的传播方向可能相同，也可能相反。

在波动中，横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部，故选项B正确。

3.某次地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4km/s和9km/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1215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1215

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

解析：

选A　横波速度小于纵波速度，所以P先开始振动。

由

＋5＝

，可得s＝36km，则A正确，B、C、D错误。

1．（多选）机械波按质点振动方向与波传播方向的关系可分为横波和纵波。

关于介质中质点的振动方向和波的传播方向，下列说法正确的是（　　）

A．在横波中二者方向有时相同

B．在横波中二者方向一定不同

C．在纵波中二者方向有时相同

D．在纵波中二者方向一定不同

解析：

选BC　在横波中质点振动方向和波的传播方向相互垂直，所以二者方向一定不同，故A错误、B正确；在纵波中二者方向在同一直线上，既可以相同，也可以相反，故C正确、D错误。

2．（多选）把一根长而软的螺旋弹簧竖直提起来，手有规律地上下振动，则（　　）

A．在弹簧上形成一列机械波

B．在弹簧上形成波峰和波谷

C．弹簧上的质点自上而下振动

D．弹簧上的机械波自上而下传播

解析：

选AD　手有规律地上下振动时弹簧上各质点也上下振动，形成纵波，向下传播，故A、D均正确，B、C错误。

3．（多选）把闹钟放在密闭的玻璃罩内，在玻璃罩外仍然可以听到闹钟的铃声。

但如果将玻璃罩内的空气用抽气机抽出去，就听不到闹钟的铃声。

这说明（　　）

A．声波是纵波

B．抽去玻璃罩内的空气后，闹钟不再响铃了

C．气体和固体都能传播声音

D．声波不能在真空中传播

解析：

选CD　根据题中叙述的现象，无法说明声波是纵波，选项A错；抽去玻璃罩内的空气，不会使闹钟停止响铃，选项B错；抽去玻璃罩内的空气前，在玻璃罩外仍然可以听到闹钟的铃声，说明玻璃罩和空气都能传播声音，选项C对；抽去玻璃罩内的空气后，就听不到闹钟的铃声，说明声波不能在真空中传播，选项D对。

4．关于振动和波的关系，下列说法正确的是（　　）

A．如果波源停止振动，在介质中传播的波也立即停止

B．发声体在振动时，一定会产生声波

C．波动的过程是介质质点由近及远的传播过程

D．波动的过程是质点的振动形式及能量由近及远的传播过程

解析：

选D　波源停止振动，介质中的质点仍然在振动，所以波仍继续传播，选项A错误；产生波的条件必须有介质，选项B错误；在振动过程中质点不随波的传播而迁移，只是向外传播信息和能量，选项C错误，选项D正确。

5．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沿波向外移动，是因为外界另外一些因素的干扰，如风的吹动等，故D正确。

6.如图1所示为波沿着一条固定的绳子向右刚传播到B点的波形，由图可判断出A点刚开始的振动方向是（　　）

图1

A．向左　　　　　　　B．向右

C．向下D．向上

解析：

选D　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，选项D正确。

7．（多选）如图2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，则下列关于质点的振动和介质中的波的说法中正确的是（　　）

图2

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

解析：

选ACD　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是质点8的前质点，7、8质点间的振动步调相差

，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，D正确。

8．如图3所示是一列向右传播的横波，请标出这列波中a、b、c、d…h等质点这一时刻的速度方向。

图3

解析：

由波的形成特点可知，介质中先振动的质点将带动它后面的质点振动，后面质点的振动是前面质点振动的重复，比较沿波传播方向上相邻的两质点，可知后面质点的振动状态总是滞后于前面的质点。

此题中质点c和g此时在最大位移处，速度为零，无速度方向可言，若以此时最大位移处的c点为参考点，由波的传播方向和传播的特点可知d点相对于c点为后一质点，d点的振动滞后于c，要追随移动到负的最大位移处，所以速度方向向下，e、f依次跟上，速度都向下；b的振动超前，已从负的最大位移回振，所以速度向上；a超前b，已回到平衡位置，速度最大也向上；同理以g为参考点，可知h点速度向上。

答案：

a、b、h向上，c、g无速度，d、e、f向下

9．

（1）（多选）如图4为一列简谐波在某时刻的波形图，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，四个质点的振幅大小为Aa、Ab、Ac、Ad，则（　　）

图4

A．ac

B．ac>ab>aa＝ad＝0

C．va＝vd>vb>vc

D．va＝vd

E．Aa＝Ab＝Ac＝Ad

（2）AB为一弹性绳。

设法在绳上传播一个脉冲的波，如图5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________。

图5

解析：

（1）机械波中各个质点都在做简谐运动，质点的加速度与质点的位移成正比，故A选项正确；各质点越靠近平衡位置，速度越大，位移越小，故D选项正确；波动过程中，介质中各质点的振幅相等，E正确。

（2）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，当由A向B传播，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，当从B向A传播，质点刚开始振动时，速度方向向上。

答案：

（1）ADE　

（2）向下　向上