内容正文:
第三章 机械波
1.波的形成
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。
3.知道机械波传播的特点。
素养目标
知识点一 波的形成
1
知识点二 横波和纵波
2
知识点三 机械波
3
课时测评
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随堂达标演练
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内容索引
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知识点一 波的形成
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情境导学 如图所示,一组学生手挽手排成一行,从左边第一位同学开始,周期性地完成下蹲、起立动作,依次带动相邻的同学重复他的动作。
(1)我们会看到什么现象?
提示:我们会看到凹凸相间的“人浪”沿着队伍传播开来。
(2)物理学中怎样描述这种现象?
提示:物理学中用波的概念描述这种现象。
自主学习
教材梳理 (阅读教材P62-P63完成下列填空)
1.波:振动的传播称为______,简称____。
2.波的形成过程(以绳波为例):当手握绳端上下______时,绳端带动______的质点,使它也上下振动,这个质点又带动__________的质点振动……绳子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________开始振动。这样依次带动下去,绳端这种上下振动的状态就沿绳子传出去了,整体上形成了__________的波形。
波动
波
振动
相邻
更远一些
迟一些
凹凸相间
问题探究 如图所示,绳的一端固定在竖直杆上,在绳上做个标记,用手握住另一端拉平后连续上、下抖动长绳,可以看到一列绳波的产生和传播的情形。
(1)在波传播的过程中,标记怎样运动?
提示:标记在竖直方向上下振动。
(2)标记是否随着波向绳的另一端移动?
提示:标记没有随着波向绳的另一端移动。
(3)当手停止抖动后,绳上的波能立即停止吗?
提示:当手停止抖动后,绳上的波不能立即停止。
合作探究
某绳波形成过程的示意图如图
所示,质点1在外力作用下沿垂直直
线方向做简谐运动,带动其余质点依
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?
例1
各质点在t= 的情况,分别如图甲、乙所示。
由图甲可知,t= 时,质点8未到达波峰,正在向上振动,质点12、16未振动。
(2)t= 时,质点8、12、16的运动状态如何?
各质点在t= 的情况,分别如图甲、乙所示。
由图乙可知,t= 时,质点8正在向下振动,质点12向上振动,质点16未振动。
1.波动过程中介质中各质点的运动特点
(1)波动过程中介质中各质点的振动周期都与波源的振动周期相同。
(2)每个质点的起振方向都和波源的起振方向相同。
(3)先振动的质点带动后振动的质点。
(4)后振动质点的振动状态落后于先振动的质点的振动状态。
探究归纳
2.振动和波动的区别与联系
区别与联系 振动 波动
区别 研究对象 往复运动,研究的是单个质点的“个体行为” 研究的是大量质点的“群体行为”
力的来源 可以由作用在物体上的各种性质的力提供 联系各质点的弹力
运动性质 质点做变加速运动 在同一种均匀介质中是匀速向前传播的
联系 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 波动的性质、频率和振幅都与波源相同
探究归纳
针对练1.(多选)如图为沿水平方向的介质中的部
分质点,每相邻两质点间距离相等,其中O为波
源。设波源的振动周期为T,自波源通过平衡位置竖直向下振动时开始计时,经过 ,质点1开始起振。下列关于各质点振动的说法,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的时间总是比质点7通过相同位置落后
D.只要图中所有质点都已振动,质点1与质点9的振动步调完全一致,但如果质点1发生的是第100次振动,则质点9发生的就是第98次振动
√
√
√
由波的传播特点知,波传播过程中各质点的振动
总是重复波源的振动,所以起振方向相同,都是
竖直向下,但从时间上来说,起振依次落后 的时间,所以A、C正确,B错误;由题意知,质点9比质点1应晚起振两个周期,当所有质点都起振后,质点1与质点9步调完全一致,D正确。
针对练2.关于波和振动,下列说法中正确的是
A.振动就是波,波就是振动
B.有波,则一定有振动
C.波就是质点在介质中的运动路径
D.无波,则一定无振动
√
振动在介质中传播,形成了波,A错误;波的形成有两个条件,一是要有波源,二是要有介质,所以有波一定有振动,但有振动不一定有波,B正确,D错误;在波的形成和传播过程中,各质点不随波迁移,C错误。
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知识点二 横波和纵波
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情境导学 如图甲所示,用手分别沿着竖
直方向、水平方向抖动一端拴在树上的绳
子,形成两列凹凸相间的波形;如图乙所
示,弹簧的右端固定,手握轻弹簧的左端左右有规律的振动,弹簧便形成疏密相间的波形。
(1)图甲中绳子的振动方向与其形成的波的传播方向有什么关系?
提示:垂直。
(2)图乙中弹簧振动方向与其形成的波的传播方向有什么关系?
提示:在同一直线上。
(3)为了区别图甲与图乙中的两种波,如何描述它们?
提示:图甲中的波称为横波,图乙中的波称为纵波。
自主学习
教材梳理 (阅读教材P64-P65完成下列填空)
1.横波:质点的振动方向与波的传播方向相互______的波,叫作横波。在横波中,凸起的最高处叫作______,凹下的最低处叫作______。
2.纵波:质点的振动方向与波的传播方向在__________上的波,叫作纵波。在纵波中,质点分布最密的位置叫作______,质点分布最疏的位置叫作______。
3.声波:发声体振动时在空气中传播形成声波,声波是______。
(1) 声波传入人耳,使鼓膜振动,就引起声音的感觉。
(2)声波不仅能在空气中传播,也能在______、______中传播。
垂直
波峰
波谷
同一直线
密部
疏部
纵波
液体
固体
问题探究 高强度的地震往往产生重大的自然灾害,
如图为地震后的情境。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。
(1)地震波是横波还是纵波?
提示: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什么?
提示: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。
合作探究
(多选)2023年8月6日2时33分,山东德州平原县发生5.5级地震,震源深度为17千米。假设恰好在震源(位于地下)正上方地区的一个观测站记录的纵波和横波的到达时刻相差Δt,已知在这一地区地震波的纵波和横波的传播速率分别为8 km/s和4 km/s。若近似认为波的传播速度恒定,则下列判断正确的是
A.地震时,震源正上方地区的建筑物先左右振动、后上下振动
B.地震时,震源正上方地区的建筑物先上下振动、后左右振动
C.观测站记录的纵波和横波的到达时刻相差Δt=4.25 s
D.观测站记录的纵波和横波的到达时刻相差Δt=2.125 s
例2
√
√
地震波由震源向上传播,横波使建筑物左右振动,纵波使建筑物上下振动,分析题意可知,纵波传得快,震源正上方地区的建筑物先上下振动,后左右振动,A错误,B正确;设横波的速度为v1,纵波的速度为v2,根据运动学公式可知 =Δt,代入数据解得Δt=2.125 s,C错误,D正确。
横波和纵波的比较
说明:1.绳波为横波,声波为纵波。
2.有些波既有横波,也有纵波。例如:地震波既有横波成分,又有纵波成分。
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
探究归纳
22
针对练1.(多选)关于横波和纵波,下列说法正确的是
A.对于横波,质点的振动方向与波的传播方向一定垂直
B.振源上下振动形成的波为横波
C.对于纵波,质点的振动方向和波的传播方向有时相同,有时相反
D.形成纵波的质点随波一起迁移
√
横波的特征就是质点的振动方向与波的传播方向垂直,A项正确;并非上下振动产生的波就是横波,如上下振动且上下传播的波是纵波,B项错误;纵波中质点的振动方向与传播方向在同一直线上,方向有时相同,有时相反,C项正确;无论是横波还是纵波,传播的是振动的形式,而质点只在自己的平衡位置来回振动,并不随波迁移,D项错误。
√
针对练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
√
同一波源产生的波中可同时具有横波、纵波,如地震波,故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C错误;横波能在固体中传播,不能在液体、气体中传播,而纵波能在固体、液体和气体中传播,故D错误。
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知识点三 机械波
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情境导学 如图所示,两个人可以面对面地说话交流,
依靠的是什么?假设把这两个人带到月球上,他们还能
这样面对面的说话交流吗?
提示:两个人面对面的说话交流依靠的是空气传递声波;
两个人在月球上不能面对面的说话交流,因为月球上没有空气,无法传递声波。
自主学习
教材梳理 (阅读教材P65完成下列填空)
1.介质:波借以______的物质,叫作介质。
2.机械波:机械振动在______中传播,形成了机械波。
3.产生条件
(1)要有______。
(2)要有传播振动的______。
4.传播特点
(1)机械波传播时,__________并不随波一起传播,它传播的是______这种运动形式。
(2)波是传递______的一种方式。
(3)波可以传递______。
传播
介质
波源
介质
介质本身
振动
能量
信息
问题探究 如图是以质点P为波源的机械波在绳上传到
质点Q时的波形。
(1)此机械波的类型?
提示:各质点的振动方向与传播方向相互垂直,是横波。
(2)P点从平衡位置刚开始振动时,是朝着哪个方向运动的?
提示:由题图可知,当波恰好传到Q点时,Q点起振方向向上,故波源P点从平衡位置开始振动时的方向也向上。
(3)此波的形成是否是P质点移动到Q质点形成的?
提示:机械波只是传播振动形式,质点并不随波迁移。
合作探究
关于机械振动和机械波,下列叙述正确的是
A.有机械振动必有机械波
B.有机械波必有机械振动
C.在波的传播中,振动质点随波的传播发生迁移
D.在波的传播中,若振源停止振动,波的传播会立即停止
例3
√
机械波的产生条件是机械振动在介质中的传播,两个条件必须同时具备,有机械波必有机械振动,但只有机械振动而没有介质时没有机械波,故A错误,B正确;在机械波形成的过程中,介质中各质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移,故C错误;波传播的是振动形式和能量,当波源停止振动,波的传播方向上介质中的质点继续振动,所以波的传播不会立即停止,故D错误。故选B。
1.械波的形成
2.机械波的特点
(1)波动过程介质中的各个质点都做受迫振动,各个质点振动的周期(频率)与波源的周期(频率)相同。
(2)各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。
(3)不考虑能量损失时,各质点振动的振幅相同。
(4)机械波传播的是振动形式、能量和信息,介质中各质点本身并不随波的传播而迁移,而是在各自的平衡位置附近振动。
探究归纳
3.几种常见的波
(1)绳波是横波。
(2)空气中传播的声波是纵波。
(3)地震波中既有横波,又有纵波。
(4)水波既不是横波,也不是纵波,是一种比较复杂的机械波;一般问题中把水波近似为横波处理。
探究归纳
针对练.(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,只是时间落后一些
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
√
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,B、C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。
√
√
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随堂达标演练
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1.(粤教版选择性必修第一册·P69·T2改编)判断下列关于机械振动和机械波的说法正确的是
A.波的传播过程就是介质中的质点由近及远的移动过程
B.波的传播过程就是波源提供的能量由近及远在介质中的传播过程
C.质点振动的方向总是垂直于波传播的方向
D.波在传播过程中,介质中的质点所做的振动属于自由振动
√
波的传播过程中,介质中的质点不随波迁移,A错误;波的传播过程中,波源提供的能量由近及远在介质中传播,B正确;只有横波中质点振动的方向总是垂直于波传播的方向,C错误;波在传播过程中,介质中的质点所做的振动属于受迫振动,D错误。
2.(多选)关于机械波,下列说法中正确的是
A.机械波可分为横波和纵波
B.横波和纵波在固体、液体、气体和真空中都能传播
C.在纵波中,质点在疏部中心位移为零
D.在横波中,质点在波谷时动能最小
√
√
√
机械波可分为横波和纵波两类,故A正确;机械波不能在真空中传播,故B错误;在纵波中,质点在疏部中心速度最大,加速度最小,相当于平衡位置,位移是零,故C正确;在横波中,质点在波谷时速度为零,动能最小,故D正确。故选A、C、D。
3.《枫桥夜泊》中有名句:“姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船”。其中,当钟声传到客船时,对大钟的撞击早已停止了,但仍感觉“余音未绝”,分析其原因可能是
A.大钟的回声
B.大钟在继续振动,空气中继续形成声波
C.人的听觉发生“暂留”的缘故
D.大钟虽停止振动,但空气仍在振动
敲击大钟时,大钟振动发出声音,敲击停止时,大钟的振动却没有停止,做阻尼振动,仍会在空气中形成声波,随着能量的减弱,钟声逐渐消失,故B正确,A、C、D错误。故选B。
√
4.(多选)近海地震往往引发海啸,造成重大的人员伤亡,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.震源停止振动时,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.已知地震波的纵波速度大于横波速度,此性质可用于横波的预警
D.地震波和海啸具有能量,随着传播将愈来愈强
震源的机械振动带动与其相邻的其他质点振动,再带动更远的质点振动,使震源的振动由近及远向外传播,形成地震波,所以震源停止振动时,海啸和地震波的传播不会立即停止,A选项错误,B选项正确;地震波的纵波速度大于横波速度,故此性质可用于横波的预警,C选项正确;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,其能量将愈来愈弱,D选项错误。
√
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课 时 测 评
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1.将较长的绳一端固定在墙上,另一端用手捏住以恒定振幅上下持续振动,产生的绳波沿绳自左向右传播,图示时刻,波形刚好传播到A点,A点开始向上振动。下列判断正确的是
A.手的起振方向向右
B.手的起振方向向上
C.质点A下一时刻将随波向右运动
D.若停止手的振动,绳中波形立即消失
√
波传播过程中,所有点起振方向相同,此时A点开始向上振动,所以手的起振方向向上,故A错误,B正确;质点只在平衡位置上下振动,并不随波迁移,故C错误;停止手的振动,绳中波形不会立即消失,故D错误。
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2.科学探测表明,月球表面无大气层,也没有水,更没有任何生命存在的痕迹,在月球上,两宇航员面对面讲话也无法听到,这是因为
A.月球太冷,声音传播太慢
B.月球上没有空气,声音无法传播
C.宇航员不适应月球,声音太轻
D.月球上太嘈杂,声音听不清楚
√
声音的传播方式为声波,而形成波必须满足两个条件:振源和介质。月球上没有空气,即没有介质,无法形成波,所以选项B正确,A、C、D错误。
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3.下列关于波的现象的说法中正确的是
A.只要有机械波产生,一定可以找到产生机械波的波源
B.把小石块扔到平静的湖水里,水面上便会激起水波,水波将促使水面上的漂浮物向远方运动
C.某空间找不到机械波,则在这一空间一定没有波源
D.横波与纵波,其质点的振动方向不同,因此,横波和纵波不可能沿同一方向传播
√
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有机械波存在就一定具备了两个必要条件:波源和介质,所以A项正确;若只有波源而无介质,则不能产生机械波,所以C项错误;丢石块可以使漂浮物远去,但这不是激起的水波所产生的效果,如果仅靠水波,漂浮物只可能在原平衡位置附近做上下振动,丢石块击中漂浮物或与漂浮物相隔很近,靠石块对漂浮物的水平冲击力使漂浮物远去,故B项错误;横波和纵波的质点振动方向不同,但可沿同一方向传播,所以D项错误。故选A。
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4.一个小石子投向平静的湖面中心,会激起一圈圈波
纹向外传播,如果此时水面上有一片树叶(如图),下列
对树叶运动情况的叙述正确的是
A.树叶慢慢向湖心运动
B.树叶慢慢向湖岸漂去
C.在原处上下振动
D.沿着波纹做圆周运动
√
波在传播过程中只传递振动能量和波源所发出的信息,各质点不随波迁移,只在各自的位置附近振动,故选C。
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5.有关机械波,下列说法中正确的是
A.对于纵波,质点的振动方向与波的传播方向一定相同
B.对于横波,质点振动方向与波的传播方向垂直
C.纵波的质点可以随波迁移,而横波的质点不能
D.纵波只能在液体、气体中传播
√
纵波质点振动方向与传播方向在一条直线上,方向并不一定相同,故A错误;横波质点振动方向与波的传播方向相互垂直,故B正确;机械波的质点只是在其平衡位置附近做简谐运动,并不随波迁移,横波和纵波都是这样,故C错误;纵波可在固体、液体和气体中传播,故D错误。
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6.下列关于波的应用的说法正确的是
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.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
D.以上说法均不正确
√
机械波在介质中传播的过程中,质点只是在各自的平衡位置附近振动,介质本身并不随波迁移,故A错误;声波能在液体中传播,B正确,D错误;机械振动可以在船壁中传播,能形成声波,故C错误。
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7.(多选)关于介质中质点的振动方向和波的传播方向,下列说法中正确的是
A.在横波中二者方向有时相同
B.在横波中二者方向一定不同
C.在纵波中二者方向有时相同
D.在纵波中二者方向一定不同
√
在横波中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直,所以二者方向一定不同,故选项A错误,B正确;在纵波中二者方向在同一直线上,有时相同,有时相反,故选项C正确,D错误。
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8.(2023·北京西城区高二期末)如图为以质点P为波源的机械波在绳上传到质点Q时的波形。下列判断正确的是
A.这列机械波为纵波
B.质点P从平衡位置开始振动时,其运动方向向上
C.质点Q从平衡位置开始振动时,其运动方向向下
D.若质点P停止振动,则质点Q会立即停止振动
√
绳上各质点的位移方向与波的传播方向垂直,即质点的振动方向与波的传播方向垂直,所以这列机械波为横波,故A错误;质点Q的起振方向与波源的起振方向一样,波向右传播,质点Q从平衡位置开始振动时,起振方向是向上的,所以质点P从平衡位置开始振动时,其运动方向向上,故B正确,C错误;若质点P停止振动,质点Q不会立即停止振动,故D错误。
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9.(多选)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
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横波的特点是质点的振动方向与传播方向相互垂直,
而纵波的特点是质点的振动方向与传播方向共线。横
波使建筑物水平晃动,纵波使建筑物上下晃动,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在支柱和岩石间安置可在水平方向滑动的护垫,来减缓上下与水平晃动,从而起到降低损失的作用,A、B错误,C、D正确。
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10.A为波源,形成的波沿着一条右端固定的绳子传播到B点时的波形示意图如图所示,由图可判断出
A.A开始振动的方向向下
B.A开始振动的方向向右
C.若A停止振动,B、C两点也立即停止振动
D.若A停止振动,C点比B点先停止振动
√
波向右传播,B点的振动方向向上,由于B点起振时与A的起振方向相同,则说明A开始振动的方向向上,故A、B错误;若A停止振动,波继续向前传播,绳上的B、C两点仍然继续振动,故C错误;波先传到C点后传到B点,各质点从起振到停止振动所用时间相同,故若A停止振动,绳上的C点比B点先停止振动,故D正确。
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11.一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,测得地震波中的横
波和纵波传播速率分别约为4 km/s和9 km/s,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
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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。故选A。
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12.(多选)在一条软绳上选18个等间距的质点,
质点1在外力作用下首先向上振动,其余质点在
相互作用力的带动下依次振动,从而形成机械
波,由波的形成及图可知,下列说法中正确的是
A.质点1带动质点2是利用绳上质点间的弹力实
现的,因此除质点1外每个质点均做受迫振动
B.每个质点开始运动后,均在水平方向做匀速
运动,在竖直方向做简谐运动
C.绳上的每一个质点开始振动时,方向都向上,振动周期都相同
D.绳上波的传播过程也是能量的传递过程,每个质点均做等幅振动,故每个质点的机械能守恒
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每个质点开始振动后,只在竖直方向做简谐运动,
水平方向上不随波迁移,波的传播过程也是能量
的传递过程,除质点1外每个质点均做受迫振动,
但每个质点的机械能并不守恒,故A、C正确,
B、D错误。
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13.(12分)已知某次地震中纵波与横波的传播速度分别为9.1 km/s 和3.7 km/s。某地震观测中心记录到两种波到达的时间差为7.8 s,若机械波在地面内是匀速传播的,且传播的速度v、传播的距离s和传播距离s所用的时间t满足v= 。
(1)求地震中心到此地震观测中心的距离;
设地震中心到观测中心的距离为x,则有 =7.8 s,解得x≈48.63 km。
答案: 48.63 km
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(2)请你分析在观测中心的工作人员当时所感觉到的地面振动方向。(设震源在地震观测中心正下方,工作人员对地面振动方向的感觉用“上下振动”“左右晃动”来说明)
由于纵波传播得快,故地震发生时纵波最先到达观测中心,因此在那里的人们先是感到地面上下振动,当横波到达后,又增加了左右晃动的感觉。
答案:先是上下振动,随后又增加了左右晃动
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谢 谢 观 看 !
第三章
机械波
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