高中物理 第十二章 机械波 第1节 波的形成和传播学案 新人教版选修34.docx

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高中物理第十二章机械波第1节波的形成和传播学案新人教版选修34

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。

A组：

合格性水平训练

1．（波的特点）在平静的湖面上漂着一块小木条，现向湖中央扔一石子，圆形波纹一圈圈地向外传播，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

答案　D

解析　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。

2．（振动与波的关系）关于振动与波的关系，下列说法正确的是（　　）

A．有机械波必有振动

B．有机械振动必有波

C．离波源远的质点振动较慢

D．波源停止振动时，介质中的波立即停止传播

答案　A

解析　机械振动在介质中向外传播就形成了机械波，所以有机械波必定有机械振动，A正确；但如果只有振动，而没有介质的传播，就不会有机械波的产生，B错误；因各质点的振动都是重复波源的振动，不论质点距波源多远，振动的快慢都一样，C错误；在波源停止振动时，波仍将继续向外传播而不会立即停止，D错误。

3．（振动与波的关系）沿绳传播的一列机械波，当波源突然停止振动时，则（　　）

A．绳上各质点同时停止振动，横波立即消失

B．绳上各质点同时停止振动，纵波立即消失

C．离波源较近的质点先停止振动，较远的质点稍后停止振动

D．离波源较远的质点先停止振动，较近的质点稍后停止振动

答案　C

解析　机械波沿绳传播时，绳上各个质点都在振动，一旦波源停止振动，离波源较近的质点先停止振动，离波源较远的质点后停止振动，故C正确。

4．（横波和纵波）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．对于纵波，介质中质点随波一起迁移

D．对于纵波，介质中质点不随波迁移

答案　D

解析　横波中质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，纵波中质点的振动方向与波的传播方向有时相同，有时相反，故A、B错误；无论横波还是纵波，当有机械波在介质中传播时，介质中的质点都是在平衡位置附近做往复运动，不会随波迁移，故C错误，D正确。

5.（波的传播方向和质点振动方向）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所示。

规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向，则P质点的振动图象是（　　）

答案　B

解析　由题图及波的传播与质点的振动关系可知，P质点在t＝0时刻正由平衡位置沿x轴负方向运动，故B正确，A、C、D错误。

6.（机械波的形成及特点）如图所示为波源开始振动后经过一个周期的波形图，设介质中质点振动周期为T，下列说法正确的是（　　）

A．若M质点为波源，则M质点开始振动时方向向下

B．若M质点为波源，则P质点已经振动了

T

C．若N质点为波源，则P质点已经振动了

T

D．若N质点为波源，则该时刻P质点动能最大

答案　C

解析　若M质点为波源，相当于M质点追随它左边的质点振动，又因为是经过一个周期的波形，此时M质点的振动方向向上，即为开始振动时的方向，A错误；若M质点为波源，振动刚刚传到N质点，P质点已振动了

T，B错误；若N质点为波源，则N质点开始振动的方向向下，P质点已振动了

T，又因为此时P质点离平衡位置最远，速度为零，动能最小，故C正确，D错误。

B组：

等级性水平训练

7．（横波和纵波）下列关于横波与纵波的说法中，正确的是（　　）

A．质点上下振动形成的波是横波

B．质点左右振动形成的波是纵波

C．质点振动方向与波的传播方向相互垂直，形成的波是横波

D．在固体中传播的波一定是横波

答案　C

解析　区分横波和纵波的依据是波的传播方向和质点振动方向的关系，而横波和纵波都能在固体中传播，故C正确，A、B、D错误。

8.（波的特点）（多选）如图所示是做简谐振动绳子的一段，绳中有沿绳向右传播的一列机械波，则对于该时刻下列说法中正确的是（　　）

A．图中3质点的速度方向向下

B．图中除1质点外，加速度最大的是5质点

C．只有3、7质点的振动频率不同，其他质点的振动频率都相同

D．各个质点振动的周期都与波源振动的周期一样

答案　ABD

解析　由于绳波是横波且向右传播，绳中左边的质点带动右边的质点振动，故2、3、4质点向下振动，6、7质点向上振动，题图时刻3、7两质点在平衡位置，速度最大，1、5两质点在最大位移处，加速度最大，故A、B正确；各质点的振动周期（或频率）由波源决定，并且与波源的振动周期（或频率）是相等的，故C错误，D正确。

9．（波的特点）（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．纵波的质点可以随波迁移，而横波的质点不能

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

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，介质中前、后质点间存在相互作用力，因而相互做功，故A正确；无论是横波还是纵波，波传播过程中，各质点只能在各自的平衡位置附近振动，质点不随波迁移，因此B错误；波源依次带动后面的质点振动，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。

10．（波的特点及应用）下列关于波的应用正确的是（　　）

A．要使放在河中的纸船逐渐靠近河岸，可向比纸船更远处投掷石子形成水波

B．两个在水中潜泳并且靠得较近的运动员能听到对方发出的声音是声波在液体中传播的应用

C．光缆是利用机械波传递信息的

D．宇航员在宇宙飞船里，击打船壁只能引起机械振动，不能形成声波

答案　B

解析　机械波传播时，介质质点在各自平衡位置附近振动，质点本身并不随波迁移，所以水波并不能使河中的纸船靠近河岸，A错误；光缆是利用光波传递信息的，C错误；固体也能传播声波，D错误；声波可以在液体中传播，B正确。

11.（由振动方向判断波的传播方向）如图所示为一简谐横波在某一时刻的波形图，已知此时质点A正向上运动，如图中箭头所示。

由此可判定此横波（　　）

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

答案　C

解析　先根据A向上运动，说明是跟着右边的质点在振动，说明波源在右边，可判定波向左传播，故A、B错误；已知波的传播方向，沿波的传播方向，比D、E质点更早开始振动的各自相邻的质点都在它们的位置的上方，所以D、E向上振动，而B、C向下振动，C正确，D错误。

12．（波的形成）如图是某绳波形成过程示意图，1、2、3、4……为绳上的一系列等间距的质点，绳处于水平方向。

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。

t＝0时质点1开始竖直向上运动，质点振动周期为T，经过四分之一周期，质点5开始运动，此时质点1已发生的位移大小为x0。

下列判断正确的是（　　）

A．t＝

时质点5的运动方向向下

B．t＝

时质点7的加速度方向向上

C．t＝

时质点5运动的路程为3x0

D．t＝T时质点9向下运动

答案　D

解析　经过

，质点1从平衡位置运动到波峰，位移大小为x0，则振幅A＝x0，后一个质点重复前一个质点的振动，质点1开始振动时是从平衡位置开始向上振动，故质点5开始振动时也是由平衡位置开始向上振动，A错误；因为质点1到质点7的距离是质点1到质点5的距离的1.5倍，所以波从质点1传到质点7所需时间为

T，故在t＝

时质点7已振动

T，即质点7在从平衡位置向上运动过程中，根据公式a＝－

知此时质点7的加速度方向向下，B错误；在t＝

时刻，质点5已振动

，故其通过的路程为

×4x0＝2x0，C错误；波从质点1传播到质点9所需时间为

T，在t＝T时质点9已振动

T，故此时质点9正通过平衡位置向下振动，D正确。