第3章 1. 波的形成-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册学习手册（人教版2019）

学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 第三章 机 械 波 课 标 要 求 1. 通过观察， 认识波的特征。 能区别横波和 纵波。 能用图像描述横波。 理解波速、 波 长和频率的关系。 2. 知道波的反射和折射现象。 通过实验， 了 解波的干涉和衍射现象。 3. 通过实验， 认识多普勒效应。 能解释多普 勒效应产生的原因。 能列举多普勒效应的 应用实例。 知 识 结 构 规 律 公 式 1. 波速 v=λf 。 2. 振动加强点和减弱点的判断： 当两波源振动步调一致时 ： 若 |ps 1 -ps 2 |= kλ ， 则振动加强； 若 |ps 1 -ps 2 |= （ 2k+1 ） λ 2 ， 则振动减弱。 提 纲 挈 领 1. 本章首先从生活实际出发理解波的基本概 念、 波的产生与描述； 在此基础上进一步 研究波的传播特性——波的反射、 折射、 干涉、 衍射和多普勒效应。 2. 在知识上， 机械波既是上一章机械振动的 延续， 又是后续学习光与电磁波的基础。 处理多质点运动的特征和规律是这章的难 点所在， 同时也要注意与生产生活和现代 科学技术的联系。 3. 在思想方法上， 这章内容以实验为基础， 需要通过观察、 分析实验现象， 推理得出 规律， 渗透了模型建构、 推理论证和质疑 创新的思想。 4. 在高考方面： 波长、 波速与频率的关系， 振动图像与波动图像结合的综合问题， 干 涉产生条件、 发生明显衍射条件等内容在 新高考内容中都有考查。 考查的题型也很 灵活， 选择、 计算都有可能。 在高考中， 波的传播的多解性问题与不确 定性问题、 以振动图像和波动图像为载体综合 考查机械振动和机械波的基本概念、 波的叠加 等考查的概率很大， 要给予重视。 这部分内容 知识琐碎， 复习时还要侧重基本概念的复习。 机 械 波 波 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # " # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # $ 描述机械波 的物理量 波长 周期与频率 T= 1 f 波速 v=λ 波 # # # " # # # $ f 机械波的 形成和传播 机械波的产生条件 机械波的分类 机械波的传播特 特 点 波的图像特点 从波的图像得到的信息 波的图像的应用 波的图像与振动图像的区 波 # # # " # # # $ 别 波的图像 波的 干涉与 衍射 波的叠加 波的干涉条件 干涉图样 干涉加强点和减弱点的判断条 波 # # # " # # # $ 件 衍射现象 产生明显衍射现象的条 特 件 波的 干涉 波的 衍射 波 # # # " # # # $ 波的反射和折射 多普勒效应 52 学 第三章 机 械 波 1. 波 的 形 成 知 识 梳 理 知识点 1 波的形成 （以绳波为例） 1. 将一条绳划分成许多小段， 这一个个小段 可看作一个个相连的质点。 2. 各小段间存在着相互作用。 3. 波形成过程： 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……绳子上的 质点都很快振动起来， 只是后面的质点总 比前面的质点迟一些开始振动。 知识点 2 横波和纵波 1. 横波： 质点的振动方向和波的传播方向相 互垂直的波。 凸起的最高处叫波峰， 凹下 的最低处叫波谷。 2. 纵波： 质点的振动方向与波的传播方向在 同一直线上的波。 质点分布最密的部分叫 密部， 质点分布最疏的部分叫疏部。 知识点 3 机械波 1. 介质： 波借以传播的物质叫作介质。 它可 以是固、 液、 气三态中的任意一种。 2. 平衡位置： 在没有外来扰动之前， 各个质 点排列在同一直线上， 各个质点所在位置 称为各质点的平衡位置。 3. 波源： 由于外来的扰动， 在水、 绳及空气 的某一质点会引起振动， 首先振动的这个 质点即为波源。 4. 机械波： 机械振动在介质中的传播， 形成 了机械波。 5. 机械波的特点。 （ 1 ） 介质中有机械波传播时， 介质本身均在 各自的平衡位置附近振动， 并不随波迁 移， 机械波传播的只是振动这种运动 形式。 （ 2 ） 波在传播 “振动” 这种运动形式的同 时， 也将波源的能量传递出去。 波是传 递能量的一种方式。 （ 3 ） 波不但传递能量， 而且可以传递信息。 要 点 突 破 要点 1 机械波的形成及特点 1. 形成条件： 同时存在波源和介质。 2. 形成原因： 介质质点间存在相互作用。 3. 波的特点。 （ 1 ） 起振方向： 各质点开始振动时的起振方 向相同， 都与波源的起振方向相同。 （ 2 ） 周期与频率 ： 各质点均做受迫振动 ， 其振动频率与驱动力的频率 （周期 ） 相同 ， 即与波源的振动频率 （周期 ） 相同。 （ 3 ） 步调： 离波源越远的质点振动越落后 （波传播到质点所在处的时间越长）。 （ 4 ） 振幅： 在同一时刻， 各介质质点的振动 状态 （振动位移及振动方向） 不尽相 同， 但振幅是相同的。 （ 5 ） 实质： 各介质质点只是在各自的平衡位 53 学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 置附近振动， 并不随波迁移。 （ 6 ） 波在传播振动这种方式的同时， 也传递 了能量和信息。 4. 简易图。 例 1 （多选） 关于机械振动和机械波， 下 列说法正确的是 （ ） A. 有机械振动必有机械波 B. 有机械波必有机械振动 C. 在波的传播过程中， 振动质点不随波的 传播发生迁移 D. 在波的传播中如果振源停止振动， 波的 传播并不会立即停止 解析： 机械振动是形成机械波的条件之一， 有机械波就一定有机械振动， 但有机械振 动不一定有机械波， 故 A 错误， B 正确 ； 波在传播时， 介质中各质点都在其平衡位 置附近做往复运动， 并不随波的传播而迁 移， 故 C 正确； 波源一旦将振动传给了介 质， 振动就会在介质中向远处传播； 当波 源停止振动后， 已形成的机械波仍继续向 前传播， 不会随波源停止振动而停止传播， 故 D 正确。 答案： BCD 变式训练 1 （多选） 下列关于机械波的说法中， 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 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. 各质点随波的传播而迁移 要点 2 横波和纵波的区别 1. 绳波和声波分别是典型的横波和纵波， 水 波是比较复杂的机械波， 可以近似看作 横波。 2. 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。 3. 纵波可以在固体 、 液体和气体中传播 ， 前一质点带动后一质点 以振动的形式向外传播 机械波 质点间的 相互作用 波源 介质 质 # # # # " # # # # $ （ 1 ） 波传到哪里， 哪里的质点就开始按 波源的振动方式振动。 （ 2 ） 尽管各质点的振动方式相同， 但它 们的振动步调并不相同。 （ 3 ） 波的实质， 即波传播的只是波源的 振动方式， 各介质质点并不随波定 向迁移。 （ 4 ） 当波源停止振动后， 机械波并不立 即消失， 因为已经振动起来的质点， 会将它们的振动方式和能量继续传 播出去。 温馨提醒 （ 1 ） 机械波的产生条件是什么？ （ 2 ） 机械波的传播有何特点？ 思路点拨 54 学 第三章 机 械 波 而横波不能在气体中传播 ， 严格地说 ， 横波只能在固体中传播， 水波只是近似 为横波。 4. 横波和纵波的比较图。 例 2 下列关于横波、 纵波的说法正确的是 （ ） A. 凸凹相间的波叫横波， 凸起的最高处叫 波峰， 凹下的最低处叫波谷 B. 质点振动方向和波的传播方向在同一直 线上的波叫横波 C. 沿横向传播的波叫横波， 沿纵向传播的 波叫纵波 D. 沿横向传播的波叫纵波， 沿纵向传播的 波叫横波 解析： 从振动方向上看， 质点的振动方向与 波的传播方向垂直的波叫横波， 振动方向与 波的传播方向在同一直线上的波叫纵波； 从 波形上看， 横波有波峰和波谷， 而纵波有密 部和疏部， 故 A 正确， B 、 C 、 D 错误。 要 区分横波和纵波须从两个方面入手， 一是划 分标准， 二是波形特征。 答案： A 变式训练 2 （多选） 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， 均可传播纵波 要点 3 振动与波的关系 振动与波动的区别与联系。 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 实物 波形 波谷 绳上形成横波 波峰 密部 密部 纵波 疏部 名称 项目 项目 振动 波动 运动 现象 单个物体的运动 介质中大量质点的振动 运动 成因 由于回复力的作用 由于相邻质点的带动 联系 （ 1 ） 振动是波的起因， 波是振动的传播 （ 2 ） 有波动一定有振动， 有振动不一定有 波动 （ 3 ） 波动的周期等于质点振动的周期 （ 1 ） 横波和纵波的划分依据是什么？ （ 2 ） 在波形上， 横波和纵波有什么不同？ 思路点拨 55 学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 例 3 （多选） 一列简谐 横波在 x 轴上传播 ， 某 时刻的波形图如图所示， a 、 b 、 c 为三个质点， a 正向上运动。 由此 可知 （ ） A. 该波沿 x 轴正方向传播 B. c 正向上运动 C. 该时刻以后， b 比 c 先到达平衡位置 D. 该时刻以后， b 比 c 先到达最大位移处 解析： 由波传播的规律知质点的振动是先振 动的质点带动后振动的质点， 由题图知 a 质 点偏离平衡位置的位移， 说明 a 质点左侧质 点先于 a 质点振动， 波是沿 x 轴正方向传播 的， A 正确； 质点 c 和质点 a 之间有一波 谷， 质点 c 振动方向与质点 a 振动方向相 反， 质点 c 向下运动， 故 B 错误； 质点 b 正 向着平衡位置运动， 故 b 比 a 先到达平衡位 置， C 正确； c 比 b 先到达偏离平衡位置的 最远处， D 错误。 答案： AC 变式训练 3 如图所示为波沿着 一条固定的绳子向右刚 传播到 B 点时的波形 ， 由图可判断出 A 点刚开始的振动方向是 （ ） A． 向左 B． 向右 C． 向下 D． 向上 拓 展 创 新 一般高层建筑物在底层与岩石之间建有 支柱， 如图所示。 地震时产生的纵波和横波 是造成建筑物损坏的主要原因， 为了避免在 地震时建筑物损坏， 可在建造时采取适当的 措施， 下列做法中比较合理的是 （ ） A． 减小支柱的长度 B． 增加建筑物的高度 C． 在建筑物底层与支柱间嵌入高弹性橡 胶块 D． 在支柱和岩石间安置可在水平方向滑动 的护垫 解析： 横波就是使建筑物是水平晃动， 纵波 就是使建筑物上下晃动， 由于横波与纵波的 传播速度不一， 会产生巨大的破坏力。 为了 避免在地震时建筑物损坏， 可在建造时采取 A B 变式训练 3 题图 波动过程中介质中各质点振动的相 互关系可用三句话来描述， 即先振动的 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； 后振动的质点的 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”。 思路点拨 考查地震时同时会产生横波与纵波， 由于速度不一， 则会先后出现上下与水 平晃动， 这是解题的关键。 思路点拨 地面 支柱 岩石 a b c x 例 3 题图 56 学 第三章 机 械 波 2. 波 的 描 述 知 识 梳 理 知识点 1 波的图像的建立 1. 建立坐标系： 用横坐标 x 表示在波的传播 方向上各质点的平衡位置， 纵坐标 y 表示 某一时刻各质点偏离平衡位置的位移。 2. 选取正方向： 选取质点振动的某一个方向 为 y 轴正方向， x 轴一般取向右为正方向。 3. 描点： 把某一时刻所有质点的位移画在坐 标系里。 4. 连线： 用一条平滑的曲线把坐标系中各质 点的位移坐标点连接起来就是这时的波的 图像。 思考： 画波的图像时， 坐标原点 O 是否必须 是波源所在处？ 提示： 波源不一定在坐标原点处。 知识点 2 波的图像的特点 1. 正弦波： 如果波的图像是正弦曲线， 这样 的波就叫作正弦波， 也叫简谐波。 2. 简谐波中质点的振动： 形成简谐波时， 波 源做简谐运动， 介质中各质点也都随之做 简谐运动。 3. 简谐波是一种最基础、 最简单的波， 其他 的波均可看作是由简谐波合成的。 思考： 是不是所有的波的图像都是正弦曲线？ 提示： 不是。 只有波源做简谐运动时， 才能 形成简谐波。 4. 波的图像和振动图像的物理意义。 （ 1 ） 波的图像表示介质中 “各个质点” 在 “某一时刻” 的位移。 （ 2 ） 振动图像表示介质中 “某个质点” 在 “各个时刻” 的位移。 知识点 3 波长、 频率和波速 1. 波长 （ λ ）。 （ 1 ） 定义： 在波动中， 振动相位总是相同的 两个相邻质点间的距离。 （ 2 ） 特征： 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。 2. 波的周期 （ T ） 和频率 （ f ）。 （ 1 ） 定义： 等于波上各质点的振动周期 （或 频率）。 （ 2 ） 时空关系： 由实验观测可知， 波源振动 一个周期， 其他被波源带动的质点也刚 好完成一次全振动， 且波在介质中传播 的距离等于一个波长。 （ 3 ） 规律： 在波动中， 各个质点的振动周期 （或频率） 是相同的， 它们都等于波源 适当的措施， 来减小水平与上下晃动， 因此 在建筑物底层与支柱间嵌入高弹性橡胶块或 支柱和岩石间安置可在水平方向滑动的护 垫， 来减缓水平与上下晃动， 从而起到降低 损失的作用， 故 C 、 D 正确， A 、 B 错误。 答案： CD 变式训练答案 1. ABC 2. AD 3. D 57