专题13 机械波-【教育机构专用】2021年春季高二物理辅导讲义

专题13 机械波（学生版） 一、目标要求 目标要求 重、难点 机械波的产生条件与分类 重难点 机械波的描述 重点 机械波的干涉和衍射 多普勒效应 二、知识点解析 1．机械波 (1)机械波的形成与传播 ①形成：介质中相邻质点有相互作用力，一个质点的振动会引起相邻质点的振动，这样初始振动的质点的振动状态通过介质中的质点由近及远向外传递就形成了机械波．振动状态传播的方向就是波的传播方向．引起初始振动的装置称为波源． ②特点 a．由于质点的振动并不是同步调，后一个质点的振动总滞后于前一个质点，这样同一时刻下各质点离开平衡位置的位移并不相同，就在介质中形成了凸凹相间的波形，如图1所示的绳波． 图1 b．离波源越远，质点的振动就越滞后，但每个质点的起振方向与波源的起振方向相同． c．由于介质中的质点都做受迫振动，因此各质点的振动频率与波源的振动频率相同． d．波传播的是振动这种运动形式，各质点在自己的平衡位置附近振动，并不随波的传播而迁移． ③形成条件 a．有持续振动的波源． b．传播振动的介质． (2)机械波的分类 按照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． ①横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的叫做横波，凸起的最高处叫波峰，凹下的最低处叫波谷．如图2所示的绳波就是一种横波． ②纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上的波叫纵波．质点分布密的部分叫密部，分布疏的部分叫疏部，如图3所示的弹簧波是一种纵波． 图2 图3 2．波的图象及描述 我们以横波为例研究波的图象及特点 (1)图象的建立 用横坐标x表示波的传播方向上介质中各质点的平衡位置，纵坐标y表示某一时刻各个质点偏离平衡位置的位移，并规定横波中位移向上时y取正值，建立如图4所示的波的图象．波的图象有时也称波形图或波形． 图4 (2)意义：波的图象描述的是某一时刻介质中各个质点偏离平衡位置的位移． (3)特点 ①波的形状与质点的振动情况有关，若介质中的质点做简谐运动，则形成的波的图象也是正弦曲线，这样的波称为正弦波，也叫简谐波． ②波在传播过程中，各质点在不同时刻的位移不相同，因此不同时刻下波的图象也不相同．但质点的振动具有周期性，因此质点每振动一个周期，波的图象就重复一次． (4)波长 ①定义：振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离，用表示． ②理解 a．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． b．由于波具有周期性，若两质点之间的距离为波长的整数倍，则两个质点的振动情况完全一致． (5)频率 ①定义：在波动中，各质点振动的周期或频率均相同，且都等于波源的周期或频率，这个周期或频率也是波的周期或频率．周期用T表示，频率用f表示． ②理解 a．波上的质点每振动一个周期T，波在介质中向前传播的距离刚好等于一个波长λ． b．波的频率由波源决定，与介质无关，波从一种介质传播到另一种介质时波的频率不变． (6)波速 ①定义：波速是指波在介质中传播的速度，用v表示． ②理解 a．机械波的速度只与传播介质的性质有关．波在同一介质中匀速向前传播，波速是不变的． b．由于在一个周期的时间内，波在介质中传播的距离等于一个波长，因而可以得到波长、周期T和波速v三者的关系为： 根据，则有． 3．波的传播方向与质点振动方向 (1)机械波上的质点有这样的特点：后一个质点的振动总是由前一个质点带动的，我们可以利用该特点判定波的传播方向与质点振动方向之间的联系． 若P、Q相邻两质点正在向上振动，如图所示，可以看出Q的振动滞于P，因此是由P带动Q的振动，则该列波正在向右传播． (2)其他方法 除同侧法外，还可以利用下面两种方法判定波的传播方向和质点振动方向． ①微平移法 已知波的传播方向，可以将波的图形沿传播方向略微平移，由于质点只在其平衡位置附近振动，则可根据平移后的图形判定质点振动方向，如图所示，若波向右传播，则平移后的图形如虚线所示，此时P质点振动到P '处，可知P质点正在向上振动； ②“上坡下、下坡上” 沿波的传播方向看去，处于上坡的质点振动方向向下，而处于下坡的质点振动方向向上． 4．因波形的周期性导致的多解问题 已知某列波上a、b两质点之间的距离为L，此时a正处于波峰位置，b正处于波谷位置，求解波的波长．由于波形的周期性，a、b之间可能有多个完整的波形，如图所示： 因此：，n=0、1、2…… 则波的波长，n=0、1、2…… 5.因传播方向的不确定导致的多解问题 如图所示，实线为t=t0时刻机械波的波形，虚线为t=t1时刻的波形； 由于不清楚波的传播方向，因此可能有以下两种情况： ①波向右传播，考虑到波的周期性，波向右传播的距离为，n=0、1、2……，由于波在一