1．波的形成（教师用书）-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（人教版）

第三章　机械波 1．波的形成 学习目标 核心素养 1．理解机械波的形成过程和产生条件。 2．知道横波和纵波的概念。 3．明确机械波传播的特点。 一、波的形成 1．形成原因：以绳波为例（如图）。 （1）可以将绳分成一个个小段，这些小段可以看作一个个相连的质点。 （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．波的传播：绳端这种上下振动的状态沿绳子传出去。因此说波传播的是振动这种运动形式。 二、横波和纵波 机械波可分为横波和纵波两类 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相互垂直的波 ①波峰：在横波中，凸起的最高处 ②波谷：在横波中，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：在纵波中，质点分布最密的位置 ②疏部：在纵波中，质点分布最疏的位置 声波是纵波，它不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。 三、机械波 1．介质：波借以传播的物质。 2．形成：机械振动在介质中传播，形成了机械波。 3．产生条件 （1）要有波源。 （2）要有传播振动的介质。 4．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．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所示，若O是波源，则此刻A点振动方向　　　　，若O'是波源，则此刻A点振动方向　　　　。（均选填“向上”或“向下”）  答案　向上　向下 要点一　波的形成、传播及特点 艺术体操也叫韵律体操，是一种艺术性很强的女子竞赛体操项目，19世纪末20世纪初起源于欧洲。艺术体操表演项目有很多，丝带舞表演就是其中之一，如图所示是一幅丝带舞的表演图。讨论： （1）丝带上的各点有没有随波迁移？ （2）运动员的手停止抖动后，丝带上的波会立即停止吗？ 提示：（1）没有　（2）不会 1．机械波的形成 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：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进行传播的“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 可以由联系介质中各质点的弹力提供 运动性质 质点做变加速运动 在同一种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 [例1]　如图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： (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？ [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。 (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。 [答案]　见解析 1．（多选）关于机械波的形成与传播，下列说法中正确的是 （　　） A．物体做机械振动，不一定产生机械波 B．后振动的质点总是跟着先振动的质点重复振动，只是时间落后一步 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 解析　机械波的形成必须具备两个条件：波源和介质，若只有物体做机械振动，而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，A正确；先振动的质点带动与它相邻的后振动的质点，将振动传播开来，所以后一质点总是落后前一质点，但振动频率相同，BC正确；形成机械波的各振动质点只在平衡位置附近往复运动，并没有随波迁移，离波源远的质点振动的能量是通过各质点的传递从波源获得的，D错误。 答案　ABC 要点二　横波和纵波 　　地震是重大的自然灾害，地震后的情境如图所示。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，有时使人感到上下颠簸。请思考： （1）地震波是横波还是纵波？ （2）横波与纵波的根本区别是什么？ 提示：（1）地震波既有横波成分也有纵波成分。 （2）横波与纵波的根本区别是质点的振动方向与波的传播方向之间的关系。 横波与纵波的比较 项目 名称 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 [特点提醒]　（1）在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上，而不是方向相同。 （2）绳波是横波，声波是纵波，但水波既不是横波也不是纵波，它属于比较复杂的机械波。 [例2]　下列关于横波、纵波的说法正确的是 （　　） 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，故选项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，故选项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，故选项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，故选项D错误。 [答案]　A 2．（多选）下列关于横波和纵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．纵波中，波的传播方向就是波中质点的移动方向 D．纵波中，质点的振动方向一定与波的传播方向在同一条直线上 解析　横波的传播方向与质点的振动方向垂直，选项A正确，选项B错误；纵波中质点的振动方向与波的传播方向虽然在同一条直线上，但质点的振动方向与波的传播方向可能相同，也可能相反，故选项C错误，选项D正确。 答案　AD 1．（机械波的特点）（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．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 解析　机械波传播的过程中，前面质点要带动相邻的后面质点一起振动，则相邻的质点要相互做功，选项A正确；机械波必须要依靠介质传播，不能在真空中传播，选项B错误；后面的质点要重复前面质点的振动，则波源开始时怎样振动，其他质点开始时就怎样振动，选项C正确；除波源外，波中后面的质点总是在前面质点带动下做受迫振动，选项D正确。 答案　ACD 2．（振动与波的关系）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．有振动一定有波，但有波不一定有振动 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　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；产生机械波的条件之一是必须有介质，选项B错误；要想产生波，必须有振源和介质，若没介质则不会形成波，故有波必有振动，但有振动不一定有波，选项C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D正确。 答案　D 3．（横波与纵波）对于横波和纵波，下列说法中正确的是 （　　） A．质点在水平面内振动的波一定是横波 B．质点振动方向与波传播方向都在水平面内的波一定是横波 C．某时刻横波中波峰和波谷处的质点位移都是最大 D．横波中波峰处质点位移最大，波谷处质点位移最小 解析　物理学中把质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称作横波，把质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，称作纵波，所以质点在水平面内振动的波不一定是横波，质点振动方向与波传播方向都在水平面内的波一定不是横波，故AB错误；横波中波峰和波谷处振动情况总是相反，横波中波峰和波谷处的质点位移都是最大，故C正确，D错误。 答案　C 1．（多选）关于机械波，下列说法正确的是（　　） 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 D．各质点也随波的传播而迁移 解析　机械波传播的是振动形式和能量，不是质点，各个质点均在各自的平衡位置附近振动，故A正确，D错误；机械波传播时，各个质点都在振动，其回复力来源于相邻质点间的相互作用力，各个质点都做受迫振动，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，故B、C正确。 答案　ABC 2．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 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。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。因各质点的振动都是重复波源的振动，不论距波源多远，振动的快慢都一样。在波源停止振动时，波仍将继续向外传播而不会停止。 答案　A 3．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．波沿水平方向传播，质点在竖直方向上下振动，这类波是横波 D．形成纵波的质点，随波一起迁移 解析　横波质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，纵波质点的振动方向与波的传播方向有时相同有时相反，故选项AB错误，C正确；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，故选项D错误。 答案　C 4．把闹钟悬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，但如果将罩内空气抽去，就听不到闹钟的铃声，这说明（　　） A．声波是纵波 B．抽去罩内的空气后，闹钟不再运转了 C．气体、液体和固体都能传播声音 D．声波不能在真空中传播 解析　题干中不能说明声波是纵波，故A错误；闹钟的运转不需要空气，抽去空气后仍能正常工作，故B错误；玻璃罩内有空气时能听到闹钟的铃声，抽去罩内空气，就听不到闹钟的铃声，这说明声音要靠介质——空气传播，玻璃罩是固体，玻璃罩外仍可听到铃声，说明固体也能传播声音，文中没有提及液体传播声音，故C错误；由本题中的现象可知，声波在真空中是不能传播的，日常我们听到的声音是靠空气传播的，实际上液体和固体也能传声，故D正确。 答案　D 5．一列横波沿一条长绳传播，当波源突然停止振动时 （　　） A．所有质点都立即停止运动 B．已经振动的质点继续振动，尚未振动的质点不会振动 C．离波源近的质点先停止振动，然后才是远的质点停止振动 D．离波源远的质点先停止振动，然后才是近的质点停止振动 解析　当波源突然停止振动时，由于波是质点间相互带动，并且重复，同时后一个质点比前一个质点滞后，所以离波源近的质点先停止振动，然后才是远的质点停止振动；波的形式仍在质点的振动下传播。最终所有质点将会停止振动，但靠近波源的质点先停止，远离波源的质点后停止振动，故AD错误，C正确；已经振动的质点继续振动，尚未振动的质点，在波的形式传播后，会停止振动，故B错误。 答案　C 6．如图所示，有一组学生做游戏来模拟波的传播。该游戏模拟的是　　　　（选填“横波”或“纵波”）的传播，因为学生下蹲与起立时身体的运动方向与模拟波的传播方向　　　　（选填“平行”或“垂直”）。  解析　根据纵波与横波的概念，质点的振动方向与波的传播方向垂直的波为横波，质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波为纵波。 答案　横波　垂直 7．图中展示了一张骨牌倒下时引起的相邻骨牌依次倒下的照片，以及一阵风吹过麦地形成的麦浪滚滚的景象。关于骨牌和麦浪的运动，下列说法正确的是(　　) 　　　 A．骨牌的运动形成了波，麦子的运动形成的不是波 B．麦子的运动形成了波，骨牌的运动形成的不是波 C．麦浪和骨牌的运动都形成了波 D．麦浪和骨牌的运动都没有形成波 解析　当物体的某一部分发生振动时，其余各部分由于质点的相互作用也会相继振动起来，物质本身没有相应的大块的移动，所以骨牌的运动形成了波，麦子的运动是由于风力的作用，形成的不是波。所以A正确，B、C、D错误。 答案　A 8．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，以下说法中正确的是 （　　） A．因为“随波逐流”，木块将被推至远处 B．因为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．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 D．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 解析　波传播的是振动这种形式，各质点在各自平衡位置运动，不随波向前移动，故ABC错误，D正确。 答案　D 9．在日本近海地震引发的海啸，造成了重大的人员伤亡，海啸实际上是一种波浪运动，也可称为地震海浪，下列说法中正确的是（　　） A．波源停止振动时，海啸和地震波的传播立即停止 B．地震波和海啸都是由机械振动引起的机械波 C．地震波和海啸都只有纵波 D．地震波和海啸具有能量，随着传播将越来越强 解析　在波源停止振动时，介质中的其他质点仍在振动，即机械波仍向前传播，故波源停止振动时海啸和地震波的传播不会立即停止，故A错误；由于震源引起的机械振动带动与其相邻的其他质点的振动，这些质点再带动更远的质点的振动，这样就使震源的振动由近及远向外传播，形成地震波，而地壳的振动由近及远地带动海洋中海水的振动从而形成海啸，故地震波和海啸都是由机械振动引起的机械波，故B正确；海水的波动既有横波也有纵波，地震波既有横波也有纵波，故C错误；地震波和海啸具有能量，但由于质点由静止到运动需要增加动能，质点在运动的过程中要克服摩擦力做功，所以会有机械能转化为内能，故随着波的传播其能量将越来越弱，故D错误。 答案　B 10．某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4 km/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，如图所示。在一次地震中，震源在地震仪正下方，观察到两振子相差10 s开始振动，则 （　　） A．P先开始振动，震源距地震仪约72 km B．P先开始振动，震源距地震仪约50 km C．H先开始振动，震源距地震仪约72 km D．H先开始振动，震源距地震仪约50 km 解析　纵波的速度快，纵波先到，所以P先开始振动，根据＝10 s，解得x＝72 km，故A正确，BCD错误。故选A。 答案　A 11．（多选）如图所示为沿水平方向的介质中的部分质点，每相邻质点间距离相等，其中0处为波源，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，经过，质点1开始振动，则下列关于各质点的振动和介质中的波的说法中正确的是（　　） A．介质中所有点的起振方向都是竖直向下的，但图中9点起振最晚 B．图中所画的质点起振时间都是相同的，起振的位置和起振方向是不相同的 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的时间比质点7通过相同位置落后 D．只要图中所有的质点都已振动了，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　根据波的产生和传播过程可知，传播过程中各质点的振动都是重复波源的振动，所以所有质点的起振方向都相同，为竖直向下，但从时间上来说，起振依次落后的时间，所以AC正确，B错误；由于质点9比质点1晚起振两个周期，所以当所有质点都起振后，质点1与9步调完全一致，只是质点9在振动总时间上永远晚2T，所以D正确。 答案　ACD 12．如图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＝1 s时的振动状态，其中质点4刚开始振动。请在图丙中画出t＝5 s时质点的振动状态。 解析　由题图甲知波源振动周期T＝4 s，根据波传播的规律知t＝5 s时，波源出现在波峰，质点16起振。如图所示。 答案　见解析图 学科网（北京）股份有限公司 $$