第2节 机械波的描述（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第二节　机械波的描述 核心素养导学 物理观念 (1)知道波的图像以及图像的纵坐标、横坐标各表示的物理量，能说出图像中蕴含的信息。 (2)理解波长、频率和波速的意义及其定量关系。 科学思维 (1)学会应用比较法区分振动图像和波动图像。 (2)应用波长、频率和波速的关系解决波传播中的问题。 (3)能判断波的传播方向和质点的振动方向。 科学态度与责任 正确认识科学的本质，具有学习和研究物理的好奇心和求知欲。 一、机械波的图像 1．简谐波：波源做简谐运动，并且波只向一个方向传播，介质的各个质点随之做振幅相同的______运动所形成的波。 2．波的图像的画法 简谐 3．波峰和波谷 (1)波峰：在波的传播方向上达到_____最大位移的质点所在处。 (2)波谷：在波的传播方向上达到_____最大位移的质点所在处。 4．振动图像和机械波的图像 (1)振动图像表示介质中的某一质点在__________的位移。 (2)机械波的图像表示_________各个质点的位移。 简谐振动图像和简谐波的图像都是正弦曲线(或余弦曲线)，但其横坐标的物理意义不同，注意区分。 　　 正向 反向 各个时刻 某一时刻 二、描述机械波的物理量 1．波长 (1)定义：在波动中，对平衡位置的位移总是相同的两个______质点之间的距离，通常用 表示。 (2)特征：在横波中，两个相邻______或两个相邻______之间的距离等于波长；在纵波中，两个相邻________或两个相邻_______之间的距离等于波长。 2．周期和频率：各个质点的振动周期或频率是相同的，等于波源的振动周期或频率。 相邻 波峰 波谷 最密部 最疏部 介质 性质 1．一列波的图像如图甲所示，其中某一点的振动图像如图乙所示。 (1)如何区分机械波的图像与振动图像。 (2)两种图像纵坐标的最大值相同吗？ 提示：(1)最简单的方法是看横坐标，振动图像是时间t，机械波的图像是传播距离x。 2．一列简谐横波在某一时刻的波形图如图所示，由该图像可知该波的振幅为___ cm，波长为___ m；若该波波源的振动周期为T＝0.2 s，则该波的频率为f＝___ Hz，波速为v＝____m/s。 3．一列简谐波由一种介质进入另一种介质后，在波长、频率、周期、波速四个物理量中，发生变化的是哪些物理量？ 提示：波长　波速 5 4 5 20 新知学习(一)|机械波的图像的理解和应用 [重点释解] 1．由机械波的图像获得的三点信息 (1)可以直接看出在该时刻沿传播方向上各个质点的位移。 (2)可以直接看出在机械波的传播过程中各质点的振幅A。 (3)若已知该机械波的传播方向，可以确定各质点的振动方向；或已知某质点的振动方向，可以确定该机械波的传播方向。 2．机械波的图像的周期性 在机械波的传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，不同时刻质点的位移不同，则不同时刻机械波的图像不同。质点的振动位移做周期性变化，则机械波的图像也做周期性变化。经过一个周期，机械波的图像复原一次。 3．机械波的传播方向的双向性 如果只知道机械波沿x轴传播，则有可能沿x轴正向传播，也可能沿x轴负向传播，具有双向性。 [典例体验] [典例]　(2021·北京等级考)一列简谐横波某时刻的波形图如图所 示。此后K质点比L质点先回到平衡位置。下列判断正确的是 (　 ) A．该简谐横波沿x轴负方向传播 B．此时K质点沿y轴正方向运动 C．此时K质点的速度比L质点的小 D．此时K质点的加速度比L质点的小 [解析]　由题知K质点比L质点先回到平衡位置，则此时K质点应沿y轴负方向运动，再根据“上、下坡”法可知，该波应沿x轴正方向传播，A、B错误；L质点在波谷处，则L质点的速度为0，故此时K质点的速度比L质点的大，C错误；由于质点在竖直方向做机械振动，根据F＝－ky＝ma，结合波动图像可看出yL＞yK，则此时K质点的加速度比L质点的小，D正确。 [答案]　D [拓展]　(多选)对应[典例]的情境，图中M点和K点从图中时刻开始计时，其振动图像正确的是 (　 ) [解析]　由于已判断出波沿x轴正方向传播，可知K点和M点振动方向都向下，故K点的振动图像应为D；M点的振动图像应为B。 [答案]　BD /方法技巧/ 判断质点振动方向与机械波的传播方向的常用方法 (1)上下坡法 沿波的传播方向看，“上坡”的点向下运动，“下坡”的点向上运动，简称“上坡下，下坡上”。如图甲所示。 (2)微平移法 原理：波向前传播，波形也向前平移。 方法：作出经微小时间Δt后的波形，就知道了各质点经过Δt时间到达的位置，此刻质点振动方向也就知道了。如图乙所示。 答案：A 答案：D　 新知学习(二)|波长、频率和波速的关系及应用 [典例体验] [典例]　如图甲为某一列波在t＝1.0 s时的图像，图乙为参与该波的质点P的振动图像。 (1)该波的振幅、周期、波长各为多少？ (2)该波的波速是多少？ (3)再经过3.5 s时，质点P的路程是多大？ (4)试判断波的传播方向。 [系统归纳] 1．关于波长的定义 “相邻质点”和“振动相位总是相同”是波长定义的关键，二者缺一不可。 2．波速的决定因素 (1)机械波的波速只与传播介质的性质有关。同一列波在不同介质中传播速度不同；不同频率的同种机械波在同一介质中传播速度相等。 (2)波在同一均匀介质中是匀速传播的。它向外传播的是振动的形式，而不是将质点向外迁移，质点的振动是一种变加速运动，因此质点的振动速度时刻在变。 3．波速公式的理解 [针对训练] 1．如图所示为海洋生态自动监测浮标，可用于监测水质和气象等参数。一列水波(视为横波)沿海面传播，在波的传播方向上相距4.5 m的两处分别有甲、乙两浮标，两浮标随波上下运动。当甲运动到波峰时，乙恰好运动到波谷，此时甲、乙之间只有一个波峰。观察到甲从第1次到达波峰与第11次到达波峰的时间间隔为20 s，则该水波(　 ) A．振幅为4.5 m　　 B．波长为3 m C．频率为2 Hz D．波速为2.25 m/s 答案：B　 2．图中实线为一列简谐横波在某一时刻的波形曲线。经过0.3 s后，其波形图曲线如图中虚线所示。已知该波的周期T大于0.3 s，若波是沿x轴正方向传播的，则该波的速度大小为________m/s，周期为________s；若波是沿x轴负方向传播的，该波的周期为________s。 答案：0.5　0.4　1.2 3．一列沿x轴正方向传播的简谐横波，其波源的平衡位置在坐标原点，波源在0～4 s内的振动图像如图(a)所示，已知波的传播速度为 0.5 m/s。 (1)求这列横波的波长； (2)求波源在4 s内通过的路程； (3)在图(b)中画出t＝4 s时刻的波形图。 解析：(1)由题图(a)可知，振幅A＝4 cm，周期T＝4 s，由于波的传播速度为0.5 m/s，根据波长与速度关系有λ＝vT＝2 m。 (2)由(1)可知波源的振动周期为4 s，则4 s内波源通过的路程为s＝4A＝16 cm。 (3)由题图(a)可知在t＝0时波源的起振方向向上，由于波速为0.5 m/s，则在4 s时x＝vt＝2 m， 可知该波刚好传到位置为2 m的质点，且波源刚好回到平衡 位置，且该波沿x轴正方向传播，则根据“上、下坡”法可 绘制出t＝4 s时刻的波形图如图所示。 答案：(1)2 m　(2)16 cm　(3)见解析图 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——怎样确定一个波长 1．(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)下图中，有同学认为点M和点N是位移相同的两个质点，它们之间的距离就等于该波的波长；另有同学认为，位移总是相同的点M和点P之间的距离才等于波长。这两位同学的观点对吗？请说出理由。 提示：点M与点P是位移总是相同的相邻两点，其间距等于一个波长，而点M与点N的位移只是在图示时刻相同，而不是总相同，故其间距不等于一个波长。 科学思维——波长和波速的计算 2．(选自鲁科版新教材例题)停在水面上的两艘船相距24 m。一列水波在湖面上传播开来，使船每分钟上下振动20次。当甲船位于波峰时，乙船位于波谷，这时两船之间还有另—个波峰，如图所示。若将水波视为横波，求这列水波的波长和波速。 答案：16 m　5.3 m/s 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 31 解析：介质中质点不会沿波的传播方向移动，只在自己平衡位置附近振动，故A错误；介质中质点的振动速度不等于波速，波速与介质有关，振动的速度与距平衡位置的远近有关，故B错误；横波和纵波都能传递能量，故横波是传递能量的一种方式，故C正确；波的频率由波源决定，与介质无关，故横波由一种介质进入另一种介质时频率不发生变化，故D错误。 答案：C　 2．一列简谐波沿AB方向传播，A、B两点相距20 m。A每分钟上下振动15次， (1)求这列波的周期； (2)当A点位于波峰时，B点刚好位于波谷，此时A、B间有两个波峰，求这列波的传播速率。 答案：(1)4 s　2 m/s 3．波速 (1)定义：振动状态在_____中的传播速度，用v表示。 (2)波速与波长、周期(频率)的关系：v＝____＝fλ。 (3)机械波的传播速度由介质的______决定。 (3)同侧法 在波的图像上的某一点，沿竖直方向画出一个箭头表示质点运动方向，并在同一点沿水平方向画一个箭头表示波的传播方向，那么这两个箭头总是在曲线的同侧，如图丙所示。若波向右传播，则P向下运动。 (4)带动法 原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点。 方法：在质点P与波源之间的图像上靠近P点另找一点P′，若P′在P上方，则P向上运动，若P′在P下方，则P向下运动。如图丁所示。 解析：简谐波沿x轴正方向传播，该时刻坐标为(3,0)的质点振动方向沿y轴正方向，经过周期后该质点到达波峰，坐标为(3,2)，A正确。 1．一列简谐横波沿x轴正方向传播，某时刻的图像如图所示，坐标为(3,0)的质点经过周期后的坐标是(　 ) A．(3,2)　　 B．(4,2) C．(4，－2) D．(3,0) [针对训练] 2．在如图所示的xOy坐标系中，一条弹性绳沿x轴放置，图中小黑点代表绳上的质点，相邻质点的间距为a。t＝0时，x＝0处的质点P0开始沿y轴做周期为T、振幅为A的简谐运动。t＝T时的波形如图所示。下列说法正确的是(　 ) A．t＝0时，质点P0沿y轴负方向运动 B．t＝T时，质点P4的速度最大 C．t＝T时，质点P3和P5相位相同 D．该列绳波的波速为 解析：由t＝T时的波形图可知，波刚好传到质点P6，根据“上下坡法”，可知此时质点P6沿y轴正方向运动，故波源起振的方向也沿y轴正方向，故t＝0时，质点P0沿y轴正方向运动，故A错误；由题图可知，在t＝T时质点P4处于正的最大位移处，故速度为零，故B错误；由题图可知，在t＝T时，质点P3沿y轴负方向运动，质点P5沿y轴正方向运动，故两个质点的相位不相同，故C错误；由题图可知＝2a，解得λ＝8a，故该列绳波的波速为v＝＝，故D正确。 [解析]　(1)A＝0.2 m，T＝1.0 s，λ＝4 m。 (2)v＝＝ m/s＝4 m/s。 (3)由于t＝3.5 s＝3T，路程s＝3×4A＝×4×0.2 m＝2.8 m。 (4)由振动图像知，t＝1.0 s时，质点P振动方向为y轴负方向，结合甲图像可知波沿x轴负方向传播。 [答案]　见解析 决定因素 关系 周期和频率 取决于波源，而与v、λ无关 v＝λf或v＝ 波速 取决于介质本身的性质，它与T、λ无关 波长 由波源和介质共同决定，只要T、v有一个变化，波长一定变化 解析：根据题给条件无法得知浮标离开平衡位置的最大距离，故A错误；设波长为λ，则由题意可知λ＝4.5 m，解得λ＝3 m，故B正确；设周期为T，则由题意可知10T＝20 s，解得T＝2 s，所以频率为f＝＝0.5 Hz，故C错误；波速为v＝＝1.5 m/s，故D错误。 解析：若波是沿x轴正方向传播的，波形移动了15 cm，由此可求出波速和周期： v1＝ m/s＝0.5 m/s，T1＝＝ s＝0.4 s。 若波是沿x轴负方向传播的，波形移动了5 cm， 由此可求出波速和周期：v2＝ m/s＝ m/s， T2＝＝ s＝1.2 s。 解析：由题意可知，甲、乙两船之间的距离等于1.5个波长。 这列水波的波长λ＝ m＝16 m 这列水波的频率f＝ Hz＝ Hz 则波速v＝λf＝16× m/s≈5.3 m/s。 1．(2024年1月·安徽高考适应性演练)“水袖功”是中国古典舞中用于表达情感的常用技巧，舞者通过手把有规律的抖动传导至袖子上，营造出一种“行云流水”的美感。这一过程其实就是机械波的传播。下列关于机械波中横波的说法正确的是(　 ) A．介质中质点沿波的传播方向移动 B．介质中质点的振动速度等于波速 C．横波是传递能量的一种方式 D．横波由一种介质进入另一种介质时频率发生变化 解析：(1)A每分钟上下振动15次，这列波的周期是T＝＝4 s。 (2)当A点位于波峰时，B点刚好位于波谷，此时A、B间有两个波峰，说明A、B两点之间的距离L＝λ 解得：λ＝8 m 这列波的传播速率是v＝＝2 m/s。 $$