内容正文:
2.波的描述
[学习任务] 1.知道波长、频率和波速的概念及物理意义。
2.通过对波的图像和振动图像的观察,能区分波的图像和振动图像。
3.借助有关描述波的物理量,结合生活实际,培养学习兴趣。
[问题初探] 问题1.描述波的物理量有哪些?
问题2.介质中有正弦波传播时,介质中的质点在做什么运动?
问题3.波的图像与振动图像的区别是什么?
[自我感知] 经过你认真的预习,结合你对本节课的理解和认识,请画出本节课的知识逻辑体系。
波长、频率和波速
1.波长
(1)定义
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,通常用λ表示。
(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,两个相邻疏部或两个相邻密部之间的距离等于波长。
注意:“相邻”和“振动相位总是相同的”是波长定义的关键,二者缺一不可。
2.周期T、频率f
(1)规律
在波动中,各个质点的振动周期或频率是相同的,它们都等于波源的振动周期或频率。
(2)关系:互为倒数关系,即f=或T=。
(3)决定因素
波的周期或频率由波源的周期或频率决定。
(4)时空的对应性
经过一个周期,振动在介质中传播的距离等于一个波长。
3.波速
(1)定义:波速是指波在介质中传播的速度。
(2)公式:v==λf。
(3)决定因素
机械波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定,在不同的介质中,波速不同。
提醒:某种机械波从一种介质进入另一种介质,频率不变,波速改变。
(选自鲁科版教材)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一个波峰,如图所示。将水波视为横波。
问题1 这列水波的波长和频率是多少?
提示:由题意可知,甲、乙两船之间的距离等于1.5个波长,则这列水波的波长λ= m=16 m,频率f= Hz= Hz。
问题2 这列水波的波速是多少?
提示:波速v=λf=16× m/s≈5.3 m/s。
1.波长的三种求法
(1)定义法:在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离等于一个波长。
注意:两个关键词:“振动相位总是相同”“两个相邻质点”。“振动相位总是相同”的两质点,在波的图像上振动位移总是相同,振动速度总是相同。
(2)图像法
①在波的图像上,无论从什么位置开始,一个完整的正(余)弦曲线对应的水平距离为一个波长。
②在波的图像上,振动位移总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长。
(3)公式法:根据公式λ=vT来确定。
2.波长、频率和波速的关系
(1)在一个周期内,振动在介质中传播的距离等于一个波长。波速与波长、周期、频率的关系为v==λf。
(2)波的周期和频率由波源决定,与v、λ无关,当波从一种介质进入另一种介质时,周期和频率不发生改变。
(3)波速由介质本身的性质决定,在同一种均匀介质中波速不变。
【典例1】 (选自教科版教材·波的图像)一列简谐横波在某一时刻波的图像如图所示,已知波向右传播。
(1)这列波的振幅和波长分别是多少?
(2)说明平衡位置分别为A、B、C、D的4个质点在此时刻的振动方向。
(3)若波速为240 m/s,求波的频率。
(4)画出再经过时的波的图像。
思路点拨:已知波向右传播,说明右边的质点比它左边相邻的质点要滞后一些,这是解答第(2)题和第(4)题的出发点。
[解析] (1)由题图可知波的振幅为0.2 m,波长为8 m。
(2)根据波沿x轴向右传播,可以知道质点B的振动比左边的质点A要滞后一些,此时刻质点A已经到达上方最大位移处,所以质点B此时刻的运动方向是向上的。同理,可以判断质点C、D此时刻运动方向是向下的。
(3)由v=λf得
f== Hz=30 Hz。
(4)由于波向右传播,把此时刻波的图像沿x轴向右平移,即为再经过时波的图像,如图中虚线所示。
[答案] 见解析
求解波速的两种方法
(1)在波的图像中读出波长,再利用v=求波速。
(2)利用v=求波速,其中x为波传播的距离,Δt为波传播距离x对应的时间。
【典例2】 (波速、波长和周期)原点O处有一简谐横波波源,t=0时波源开始振动,形成沿x轴正向传播的机械波,当t=0.6 s时的波形图如图所示,此时质点P刚好开始振动,下列说法不正确的是( )
A.这列波的传播速度为10 m/s
B.t=0.7 s时质点b运动方向沿y轴正方向
C.再经过0.1 s质点a通过的路程小于10 cm
D.此时质点a与质点b运动方向相反
B [由t=0时波源开始振动,形成沿x轴正向传播的机械波,当t=0.6 s时的波形图如题图所示,可得机械波的波速v== m/s=10 m/s,故A正确;由题图读出波长为λ=4 m,则周期为T== s=0.4 s,由t=0.6 s时的波形图知,质点b运动方向沿y轴负方向,t=0.7 s时,即再经过四分之一个周期,质点b运动方向仍沿y轴负方向,故B错误;t=0.6 s时质点a运动方向沿y轴正方向,再经过0.1 s=T,该过程中的平均速率小于0~的平均速率,则质点a通过的路程小于10 cm,故C正确;由“同侧”法可知,此刻质点a运动方向沿y轴正方向,质点b运动方向沿y轴负方向,故D正确。]
波的图像与振动图像的区别与联系
1.波的图像的意义
波的图像描述的是某一时刻,沿波的传播方向的各个质点偏离平衡位置的位移。
2.简谐波
如果波的图像是正弦曲线,这样的波叫作正弦波,也叫简谐波。可以证明,介质中有正弦波传播时,介质的质点在做简谐运动。
3.波的图像与振动图像的区别
(1)波的图像表示介质中的“各个质点”在“某一时刻”的位移。类似于生活中的“照相”。
(2)振动图像表示介质中的“某一质点”在“各个时刻”的位移。类似于生活中的“录像”。
提醒:形成简谐波时,波源做简谐运动,介质中各质点也随着做简谐运动。
(下表选自教科版教材)
波的图像与振动图像的比较
波的图像(简谐波)
振动图像(简谐运动)
研究内容
波传播过程中某一时刻在介质中各质点相对于平衡位置的位移
某一质点振动的过程中,各时刻相对于平衡位置的位移
图像形状
正弦(或余弦)曲线
正弦(或余弦)曲线
横坐标
表示在波的传播方向上各质点的平衡位置
表示时间t
纵坐标
某一时刻各质点偏离平衡位置的位移
某一质点各时刻偏离平衡位置的位移
沿横轴方向相邻的两个状态总一致的点之间的距离的含义
(选自粤教版教材)一列简谐横波波源的振动图像如图所示,若已知该列波在某均匀介质中的传播速度为0.85 m/s。
问题 请画出该列波在t=0时刻的波的图像。取波源的平衡位置为坐标原点。
提示:机械波是机械振动在介质中的传播。简谐机械波的周期、振幅与波源处的简谐运动的周期、振幅相同。
该机械波波源的周期为10 s,振幅为0.81 m,
故该机械波的周期T=10 s,振幅为0.81 m。
由于其传播速度v=0.85 m/s,故波长
λ=Tv=8.5 m
取t=0时刻的波源的平衡位置为坐标原点,则其波的图像如图所示。
1.对波的图像的理解
(1)波的图像是某一时刻介质中各个质点运动情况的“定格”。可以将波的图像比喻为某一时刻对所有质点拍摄下的“集体照”。
(2)简谐波的图像是正(余)弦曲线,是最简单的一种波,各个质点振动的最大位移都相等,介质中有正弦波传播时,介质中的质点做简谐运动。
(3)横波的图像形状与波在传播过程中介质中各质点某时刻的分布相似,波形中的波峰即图像中的位移正向的最大值,波谷即图像中的位移负向的最大值,波形中通过平衡位置的质点在图像中也恰好处于平衡位置。
(4)波的图像具有周期性
在波的传播过程中,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,则不同时刻波的图像不同。质点的振动位移做周期性变化,则波的图像也做周期性变化。每经过一个周期,波的图像复原一次。
(5)波的传播方向具有双向性
波沿x轴传播时,可以沿x轴正向传播,也可以沿x轴负向传播,具有双向性。
2.由波的图像可获取的信息
(1)可以直接读出在该时刻各个质点的位移。
(2)可以直接读出各质点的振幅A。
(3)可以直接读出波的波长λ。
(4)可以根据波形图、波的传播方向判断该时刻某个质点的振动方向。
【典例3】 (波的图像与振动图像的关系)(2020·北京卷)一列简谐横波某时刻波形如图甲所示。由该时刻开始计时,质点L的振动情况如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.该横波沿x轴负方向传播
B.质点N该时刻向y轴负方向运动
C.质点L经半个周期将沿x轴正方向移动
D.该时刻质点K与M的速度、加速度都相同
B [由题图乙可知质点L的振动情况,该时刻质点L向y轴正方向振动。根据“上下坡”法或者“微平移”法可知,该横波沿x轴正方向传播,质点N该时刻向y轴负方向运动,故A错误,故B正确;质点L只在平衡位置附近沿y轴方向上下振动,波传播时,质点不会沿x轴正方向移动,故C错误;该时刻质点K与M的速度为零,质点K加速度沿y轴负方向,质点M加速度沿y轴正方向,故D错误。故选B。]
【典例4】 (选自鲁科版教材·波的图像与振动图像的综合)图(a)是一列简谐横波在t=2 s时的图像,图(b)是这列波中质点P的振动图像,求该波的传播速度和传播方向。
思路点拨:由波的图像可得出波长,由质点P的振动图像可得出振动周期,即波的周期。根据v=,可求出波速大小。由振动图像可知,在t=2 s时质点P向上振动。结合波的图像可知,经短暂时间,质点P运动到P′位置,如图所示。因简谐横波在传播时波形沿传播方向平移,此时的波形过点P′(图中虚线)。比较波形变化,可判断该波沿x轴负方向传播。
[解析] 由题图1(a)可知,这列波的波长λ=100 cm, 由题图1(b)可知,这列波的周期T=2 s
根据公式v=
可得波速v=50 cm/s
由图1(b)可知,质点P在t=2 s时向上运动,故这列波沿x轴负方向传播。
[答案] 50 cm/s 沿x轴负方向
每个质点都重复波源的振动形式,因此振动周期也是波传播的周期。
1.(多选)关于波的图像,下列说法正确的是( )
A.波的图像反映的是某一时刻介质中各质点的位移
B.若已知某一质点在某时刻的振动方向,则可以由波的图像判断出波的传播方向
C.从波的图像中能读出质点的振幅和周期
D.在不同时刻波的图像有可能完全相同
ABD [波的图像表示的是某一时刻介质中各质点的位移,A正确;波动是振动的传播,质点的振动方向和波的传播方向可以进行互判,B正确;从波的图像中能读出质点的振幅,但是不能读出周期,振动图像的横轴是时间轴,可以从振动图像中读出周期,C错误;波的图像随时间一直在变化,连续波每隔一个周期波形完全相同,D正确。]
2.(多选)一列简谐横波沿x轴正方向传播,波源在坐标原点,波速v=10 m/s,已知在t=0时刻的波形如图所示,此时波刚好传播到x=5 m处。下列说法正确的是( )
A.这列波的振幅为10 cm
B.这列波的周期为4 s
C.这列波的波长为4 m
D.0.2 s后,质点a运动到质点b现在所处的位置
AC [由题图可知,该列波的振幅为10 cm,波长为4 m,故A、C正确;由波速与波长及周期的关系式v=得,T==0.4 s,故B错误;由题意知这列机械波为横波,质点只在各自的平衡位置附近做简谐运动,不会沿x轴运动,故不能到达b点,故D错误。]
3.(多选)A、B两列波在某时刻的波形如图所示,经过t=TA时间(TA为波A的周期),两波再次出现如图波形,则两波的波速之比vA∶vB可能是( )
A.2∶1 B.4∶1 C.1∶2 D.1∶4
ACD [由题图可知=2,经过t=TA时间有vATA=λA,vBTA=nλB(n为大于0的整数),得=,当n=1时vA∶vB=2∶1;当n=4时vA∶vB=1∶2;当n=8时vA∶vB=1∶4,选项A、C、D正确,B错误。]
4.(多选)一列简谐横波在某均匀介质中沿x轴传播,从x=3 m处的质点a开始振动时计时,图甲为t0时刻的波形图且质点a正沿y轴正方向运动,图乙为质点a的振动图像,则下列说法正确的是( )
A.该波沿x轴负方向传播,频率为25 Hz
B.该波沿x轴正方向传播,波速为200 m/s
C.若图甲波形图是第一次出现,则t0=2.5×10-2 s
D.从t0时刻起,a、b、c三质点中c最先回到平衡位置
BC [根据题图甲所示时刻质点a正沿y轴正方向运动,结合“微平移”法可知波沿x轴正方向传播,故A错误;由题图乙可得,该波的周期T=4×10-2s,故频率f== Hz=25 Hz,由题图甲可得,该波的波长λ=8 m,故波速v== m/s=200 m/s,故B正确;若题图甲波形图第一次出现,则从质点a处传播到x=8 m处,根据传播规律可知传播时间t0= s=2.5×10-2 s,故C正确;波沿x轴正方向传播,结合题图甲可知,t0时刻质点b向上运动,质点c先向下运动、再向上运动,质点a先向上运动、再向下运动才能回到平衡位置,故b最先回到平衡位置,故D错误。]
回归本节知识,完成以下问题:
1.波的图像的纵、横坐标分别代表什么?
提示:纵坐标代表质点离开平衡位置的位移,横坐标代表质点的平衡位置。
2.波的图像的物理意义是什么?
提示:某时刻不同质点的位移。
3.在波的图像中能直接获取哪些信息?
提示:波长、振幅。
4.波长、频率和波速的关系是什么?
提示:v=λf。
课时分层作业(十二)
题组一 波长、频率和波速
1.(多选)(2020·海南卷)一列简谐横波沿x轴正方向传播,波的周期为0.2 s,某时刻的波形如图所示。则( )
A.该波的波长为8 m
B.该波的波速为50 m/s
C.该时刻质点P向y轴负方向运动
D.该时刻质点Q向y轴负方向运动
AC [由波形图可知,波长为8 m,故A正确;根据公式v=代入数据解得v=40 m/s,故B错误;由题知该波沿x轴正方向传播,根据“上下坡法”,可知该时刻质点P向y轴负方向运动,质点Q向y轴正方向运动,故C正确,D错误。故选AC。]
2.(多选)一列简谐横波某时刻波的图像如图所示,Q、P、N是波的传播方向上的三个质点,此时刻三个质点到各自平衡位置的距离相等,并且质点P正加速运动,则( )
A.此时刻,质点Q正加速运动
B.此时刻,质点N正加速运动
C.再过半个周期,质点Q正加速运动
D.再过半个周期,质点N正加速运动
BD [因为题图所示时刻质点P正在加速运动,即向下运动靠近平衡位置,根据“上下坡”法判断可知波向左传播,此时Q向上运动,处于减速状态,N向上运动,处于加速状态,A错误,B正确;再过半个周期,Q远离平衡位置向下运动,处于减速状态,N靠近平衡位置向下运动,处于加速状态,C错误,D正确。]
3.(多选)下列波形图中,描述质点此刻振动方向(以竖直箭头表示振动方向)正确的是( )
A B
C D
BC [波向右传播,根据波的传播方向和质点的振动方向的关系,可知题图A、B中质点振动的方向向上,A错误,B正确;波向左传播,根据波的传播方向和质点的振动方向的关系,可知题图C、D中质点振动的方向向下,C正确,D错误。]
4.(2023·海南卷)如图所示的两张图,分别是一列机械波在传播方向上相距6 m的两个质点P、Q的振动图像,下列说法正确的是( )
A.该波的周期是5 s
B.该波的波速是3 m/s
C.4 s时P质点向上振动
D.4 s时Q质点向上振动
C [由振动图像可看出该波的周期是4 s,A错误;由于两个质点P、Q振动反相,则可知两者间距离等于λ=6 m(n=0,1,2,…),该波的波速v== m/s(n=0,1,2,…),B错误;由P质点的振动图像可看出,在4 s时P质点在平衡位置向上振动,C正确;由Q质点的振动图像可看出,在4 s时Q质点在平衡位置向下振动,D错误。故选C。]
题组二 波的图像与振动图像
5.(多选)(2021·湖北卷)一列简谐横波沿 x轴传播,在t=0时刻和t=1 s时刻的波形分别如图中实线和虚线所示。已知x=0处的质点在0~1 s内运动的路程为4.5 cm。下列说法正确的是( )
A.波沿x轴正方向传播
B.波源振动周期为1.1 s
C.波的传播速度大小为13 m/s
D.t=1 s时,x=6 m处的质点沿y轴负方向运动
AC [由题意,x =0处的质点在0~1 s的时间内通过的路程为4.5 cm,则结合题图可知t=0时刻x=0处的质点沿y轴的负方向运动,则由质点的振动和波的传播方向关系可知,该波的传播方向沿x轴的正方向,故A正确;由题意可知,t=1 s=T,解得T= s,由题图可知λ=12 m,则v== m/s=13 m/s,故C正确,B错误;由同侧法可知t=1 s时,x=6 m处的质点沿y轴正方向运动,故D错误。故选AC。]
6.如图所示,S点是波源,其振动频率为100 Hz,所产生的横波向右传播,波速为80 m/s,P、Q是波传播方向上的两个质点,已知SP=4.2 m, SQ=5.4 m。当S通过平衡位置向上运动时,下列说法正确的是( )
A.P在波谷,Q在波峰
B.P在波峰,Q在波谷
C.P、Q都在波谷
D.P、Q都在平衡位置
A [由于振动周期T==0.01 s,所以可算得波从S传到P所需时间为tP== s=0.052 5 s=5T,即波从S传到P有5个波长,因为此时S在平衡位置且向上运动,故P在波谷处;同理可算得波从S传到Q所需时间为tQ== s=0.067 5 s=6T,即波从S传到Q有6个波长,因为此时S在平衡位置且向上运动,故Q在波峰处。故A正确。]
7.开始计时时,x=0处的波源由平衡位置开始沿y方向振动,产生的波沿着x轴的正方向传播。t1=0.3 s 的波形如图所示。求这列波的振幅A、波长λ、波速v、周期T,并画出t2=0.5 s时的波形图。
[解析] 由题图可知,这列波的振幅A=0.3 m
由于波经过0.3 s沿x轴正方向传播了λ,历时 T, 则λ=1.2 m,得λ=1.6 m
由T=0.3 s,得T=0.4 s
由v=,得v= m/s=4 m/s
由上述计算可知,波传播的过程中,波形以4 m/s的速度沿着传播方向匀速平移。经过Δt=t2-t1=0.5 s-0.3 s=0.2 s,波向右传播的距离Δx=vΔt=4×0.2 m=0.8 m=λ
所以,波形向右传播了λ,由此可得t2=0.5 s时的波形如图所示。
[答案] 0.3 m 1.6 m 4 m/s 0.4 s 见解析图
8.如图所示,一列简谐横波平行于x轴传播,图中的实线和虚线分别为t=0和t=0.1 s时的波形图。已知平衡位置在x=6 m处的质点,在0到0.1 s时间内运动方向不变。这列简谐波的周期为________ s,波速为________ m/s,传播方向沿x轴________(选填“正方向”或“负方向”)。
[解析] 由题意x=6 m处的质点在0到0.1 s时间内的运动方向不变,知该质点在该时间内振动的时间小于半个周期,结合波形图可知该时间应为个周期,显然该时间内x=6 m处的质点沿y轴负方向运动,则由波的传播方向以及质点振动方向的关系可判断,该简谐横波沿x轴负方向传播;又由 T=0.1 s得T=0.4 s,由波速与波长、周期的关系得v== m/s=10 m/s。
[答案] 0.4 10 负方向
9.一列沿x轴正方向传播的横波在某一时刻的波形如图所示,已知该波沿x轴匀速前进,每秒向前传播16 m。
(1)指出这列波中质点振动的振幅;
(2)请在图中画出再经过0.125 s时的波形。
[解析] (1)由题中图像可以看出,质点振动的最大位移是10 cm,因此振幅是10 cm。
(2)由于波匀速前进,经0.125 s波沿x轴正方向移动的距离为Δx=vΔt=16×0.125 m=2 m,所以再经过0.125 s时的波形如图中虚线所示。
[答案] (1)10 cm (2)见解析图
10.(2022·北京卷)在如图所示的Oxy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
D [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。故选D。]
11.如图所示为一列简谐横波在t1=0时刻的波的图像,此时质点M正处于平衡位置,沿y轴负方向运动,t2=0.55 s时质点M恰好第三次到达y轴正向最大位移处,求:
(1)该波传播的方向和波速大小;
(2)从t1=0到t3=1.20 s,波中质点N经过的路程和t3=1.20 s时N相对平衡位置的位移。
[解析] (1)由题意知t1=0时刻质点M正沿y轴负方向运动,根据波形平移法结合题图判断知,此波沿x轴负方向传播。
在t2=0.55 s时,质点M恰好第三次到达y轴正向最大位移处,则有t2-t1=T=0.55 s,可得周期为T=0.2 s,所以波速为v==20 m/s。
(2)设t3-t1=nT,得n==6,则从t1=0到t3=1.20 s,波中质点N经过的路程为s=4nA=4×6×5 cm=120 cm=1.2 m
因波刚好传播了6个周期,故质点N仍处于平衡位置上方2.5 cm处。
[答案] (1)x轴负方向 20 m/s
(2)120 cm(或1.2 m) 平衡位置上方2.5 cm处
12.图中实线是一列简谐横波在t1=0时刻的波形,虚线是这列波在t2=0.5 s时刻的波形。
(1)若这列波的周期T符合3T<t2-t1<4T,该波的波速多大?
(2)若波速大小为74 m/s,则波的传播方向如何?
[解析] (1)①当波沿x轴正方向传播时,传播距离Δx满足Δx=kλ+λ(k=0,1,2,…)
由Δt=可知传播时间满足
Δt=kT+T(k=0,1,2,…)
由3T<t2-t1<4T可知k=3,故Δt=3T+T
由波形图知λ=8 m,则波速v==54 m/s。
②当波沿x轴负方向传播时,传播距离Δx满足Δx=kλ+λ(k=0,1,2,…)
传播时间满足Δt=kT+T(k=0,1,2,…)
由3T<t2-t1<4T可知k=3,
故Δt=3T+T
则波速v==58 m/s。
(2)波速大小为74 m/s时,波在Δt时间内传播的距离为Δx=vΔt=74×0.5 m=37 m=4λ+λ,所以波沿x轴负方向传播。
[答案] (1)沿x轴正方向传播时波速为54 m/s,沿x轴负方向传播时波速为58 m/s
(2)沿x轴负方向传播
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