第三章 机械波 知识清单-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

选修一知识清单系列（三） 第三章 机械波 知识清单 一、机械波　 （一）定义：机械振动在介质中的传播。 （二）产生条件： 1、有波源； 2、有介质，如空气、水、绳子等。 说明： (1)机械波是从波源处开始，由近及远，介质中质点依次施力带动相邻质点发生受迫振动形成的； (2)机械波的周期等于介质中质点机械振动的周期； (3)有机械振动不一定有机械波，但有机械波一定有机械振动； (4)机械波是一个能量的传播过程：波源将能量传递给相邻质点，相邻质点再将能量传递给它的相邻质点，由近及远，每个质点在不断地吸收和放出能量，从而把波源的能量传播出去。波源停止振动后，介质中的机械振动并不立即停止传播，而是继续向远处传播，直到振动能量全部损耗完。 （三）传播的特点 1、传播机械振动的形式、能量和信息； 2、介质中质点不随波迁移，只是在各自的平衡位置附近作往复运动； 3、介质中各质点振动频率、起振方向都与波源相同。 4、波的传播过程中的特点 (1)波源经过一个周期T完成一次全振动，波恰好向前传播一个波长的距离，所以有v＝＝λf。 (2)波源质点的起振方向决定了它后面的质点的起振方向，各质点的起振方向与波源的起振方向相同。 (3)质点振动nT(波传播nλ)时，波形不变。 (4)在波的传播方向上，当两质点平衡位置间的距离为nλ(n＝1，2，3，…)时，它们的振动步调总相同；当两质点平衡位置间的距离为(2n＋1)(n＝0，1，2，3，…)时，它们的振动步调总相反。 5、波的传播方向与质点振动方向的互判方法 （1）“上下坡”法；（2）同侧法；波形图上某点表示传播方向和振动方向的箭头在图线同侧。（3）“微平移”法。 （四）机械波的分类 1、横波：质点振动方向与波的传播方向相互垂直。从形状上凹凸相间；有波峰、波谷。如，绳波。 2、纵波：质点振动方向与波的传播方向在同一直线上。从形状上疏密相间；有密部、疏部。如，声波。 （五）波的图像 1、坐标轴：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、意义：表示沿着波的传播方向上，介质中的“各个质点”在“某一时刻”的位移。 3、图像(以简谐波为例)：如图所示。 4、波动图像和振动图像的比较 振动图像 波动图像 研究 对象 一振动质点 沿波传播方向的所有质点 研究 内容 一质点的位移随时间的变化规律 某时刻介质中所有质点的空间分布规律 图像 物理 意义 表示同一质点在各时刻偏离平衡位置的位移 表示介质中的各个质点在某一时刻偏离平衡位置的位移 图像 信息 (1)质点振动周期； (2)质点振幅； (3)质点在各时刻偏离平衡位置的位移； (4)质点在各时刻速度、加速度的方向 (1)波长、振幅； (2)任意一质点在该时刻偏离平衡位置的位移； (3)任意一质点在该时刻的加速度方向； (4)已知波的传播方向，可判断介质中各质点的振动方向；已知介质中某一质点的振动方向，可判断波的传播方向 图像 变化 随时间推移，图像延续，但已有形状不变 随时间推移，波形沿传播方向平移 连续重复 的最短完 整曲线占 横坐标的 距离 表示一个周期 表示一个波长 （六）描述机械波的物理量及其关系 1、波长λ：在波的传播方向上，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离。 （横波的波长指两个相邻波峰或波谷间的距离；纵波的波长指两个相邻的疏部或密部间的距离） 2、 波速v：机械波在介质中的传播速度，由介质本身的性质决定。 说明：波源振动几个周期，波形就向外平移性延伸几个波长，这个比值就表示了波形向外平移性延伸(或振动能量向外传播)的速度，即波速。波速的大小与介质有关，与波源的振动频率无关，波在同一均匀介质中的传播是匀速的。 3、频率f：由波源决定，等于波源的振动频率。（与介质无关） 4、波长、波速和频率(周期)的关系：v＝fλ＝。 说明：计算波速的两种思路 (1)速度的定义：v＝，Δx表示波向前传播的距离，Δt表示波传播Δx所用的时间。 (2)波速与波长、频率(周期)的关系：v＝λf＝，f、T由波源决定，v由波的性质和介质决定。 （七）波的多解问题　　 1、造成波的多解问题的原因 (1)周期性 ①时间周期性：时间间隔Δt与周期T的关系不明确。 ②空间周期性：波传播距离Δx与波长λ的关系不明确。 (2)双向性 ①传播方向双向性：波的传播方向不确定。 ②振动方向双向性：质点振动方向不确定。 如：a.只知道质点达到最大位移处，则有正向和负向最大位移两种可能。 b．只知道质点由平衡位置开始振动，则起振方向有向上、向下(或向左、向右)两种可能。 c．只告诉波速而未说明波的传播方向，则波传播的方向有两种情形，即沿x轴正方向或沿x轴负方向传播。 2、解决波的多解问题的一般思路 (1)首先考虑是否存在多解，若存在多解，分析造成多解的原因，从双向性、周期性分别进行考虑。 (2)对于双向性问题，两个方向对应的情形都要分别考虑。对于周期性因素造成多解的情况，一般采用从特殊到一般的思维方法，即先找出一个周期内Δt或Δx满足条件的关系，若为时间关系，则t＝nT＋Δt(n＝0，1，2，…)；若为距离关系，则x＝nλ＋Δx(n＝0，1，2，…)。 (3)注意题目是否有其他限制条件，如波的周期、波长、波速有限定，求出符合限定条件的解。 （八）波的反射、折射 1、理论和实践证明，水波、声波等一切波都会发生反射和折射现象。 (1)水波、声波等一切波遇到挡板时会发生反射。 (2)与光的折射类似，机械波从一种介质向另一种介质传播时，在交界面处将发生折射。 2．波的入射方向、反射方向、折射方向都可以用一条射线表示，分别叫作：入射线、反射线、折射线。 3．波的反射规律：反射线、法线与入射线在同一平面内，反射线与入射线分居法线两侧，反射角等于入射角。 二、机械波的特性——波的干涉和衍射 （一）波的独立传播原理 两列波相遇后彼此穿过，仍然保持各自的运动特征，即各自的波长、频率等保持不变，继续传播，就像没有跟另一列波相遇一样。 （二）波的叠加 几列波相遇时能够保持各自的运动特征，即各自的波长、频率等保持不变，继续传播，在它们重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移(速度、加速度)等于这几列波单独传播时引起的位移(速度、加速度)的矢量和。 （三）波的干涉和衍射 1、波的干涉 （1）定义：频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强、某些区域的振动总是减弱的现象。 （2）条件：两列波的频率相同，相位差恒定，振动方向相同。 （3）振动加强点和减弱点的判断方法： ①图像法：在某时刻的波形图上，波峰与波峰(或波谷与波谷)的相遇点是加强点，波峰与波谷的相遇点是减弱点。加强点或减弱点各自连接形成加强线和减弱线，以两波源为中心向外辐射，两种线互相间隔，这就是干涉图样，如图所示。加强点与减弱点之间各质点的振幅介于加强点与减弱点的振幅之间。 ②公式法 A、当两个相干波源的振动步调一致时，到两个波源的距离之差Δx＝nλ(n＝0，1，2，…)处是加强区，Δx＝(2n＋1)(n＝0，1，2，…)处是减弱区。 B、当两个相干波源的振动步调相反时，到两个波源的距离之差Δx＝(2n＋1)(n＝0，1，2，…)处是加强区，Δx＝nλ(n＝0，1，2，…)处是减弱区。 2、波的衍射 （1）定义：波可以绕过障碍物继续传播的现象的现象。 （2）条件：缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长小。 三、多普勒效应 （一）定义：波源与观察者相互靠近或者相互远离时，观察者接收到的波的频率发生变化的现象，叫作多普勒效应。 （二）观测频率：观察者观测到的频率，等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数。 （三）规律：波源的频率不变，只是观测到的波的频率发生变化。如果二者相互靠近，观测到的频率变大；如果二者相互远离，观测到的频率变小。 （四）应用：利用声波的多普勒效应可以测定车辆行驶的速度；利用光波的多普勒效应可以判断遥远天体相对地球的运行速度。 学科网（北京）股份有限公司 $$