第3章 1.波的形成(教用Word)-【赢在微点·轻松课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第三章　机械波 　　▶导语:机械波是机械振动内容的延续,也是后续学习光和电磁波等内容的基础。本章从力学的角度解释波的形成,并指明机械波传播的振动形式,介质本身并不随波迁移。理解波的图像的物理意义和空间周期性,并能正确区分波的图像与振动图像,能处理波的图像和振动图像的综合问题,例如根据波的图像分析质点的振动或根据质点的振动分析波的传播。对于波的反射、折射、衍射、干涉、多普勒效应等知识点,了解并能够用这些知识解释生活中常见的现象。 要点精准概括 10个描述波的基本概念:横波、波峰、波谷、纵波、密部、疏部、简谐波、波长、波速、频率 2种描述波的方法:图像法、解析法 1个波的传播公式:v==λf 5个波的现象:波的反射、折射、衍射、干涉、多普勒效应 2个重要条件:发生明显衍射现象的条件、波的干涉条件 3种思想方法:图像法、解析法、模型法 3种解题方法:从波的图像中获取波长、振幅等信息；结合波的形成与传播知识分析波的图像与振动图像的综合应用问题；分析生活中波的常见现象 4种关键能力:模型建构能力、推理认证能力、分析综合能力、科学探究能力 1.波的形成 学习目标 情境导入 1.理解机械波的形成过程和产生条件。 2.知道机械波的种类——横波和纵波的概念。 3.明确机械波传播的特点(重点)。 4.通过对波的认识和理解,逐步提高空间想象能力。 　　 在健身场所有一种爆发性运动项目——抖大绳,这种运动对关节损伤极低,并且结合了有氧和力量训练,对减顽固脂肪有很大的帮助。如图所示为健身者上下抖动绳子形成绳波。 绳子上的波动是怎样形成的呢?绳子上的波浪向前传播时,绳子上的每个点向前运动了吗? 课前新知初探 知|识|梳|理 一、波的形成和传播 1.波:振动的传播称为波动,简称波。 2.波的形成和传播(以绳波为例)。 (1)把一条绳子分成一个个小段,这些小段可以看作一个个相连的质点,这些质点之间存在着弹性力的作用。 (2)当手握绳端上下振动时,绳端带动相邻的质点,使它也上下振动,这个质点又带动更远一些的质点……绳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迟一些开始振动。 二、横波和纵波 定义 标志性物理量 实物波形 质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波 (1)波峰:凸起的最高处 (2)波谷:凹下的最低处 质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波 (1)密部:质点分布最密的位置 (2)疏部:质点分布最疏的位置 三、机械波 1.介质。 (1)定义:波借以传播的物质。 (2)特点:组成介质的质点之间有相互作用,一个质点的振动会引起相邻质点的振动。 2.机械波:机械振动在介质中传播,形成了机械波。 3.机械波的特点。 (1)介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播,它传播的只是振动这种运动形式。 (2)波是传递能量的一种方式。 (3)波可以传递信息。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”) (1)在绳波的形成和传播中,所有质点同时运动,同时停止。 (×) (2)质点振动的方向与传播的方向在同一直线上的波是纵波。 (√) (3)在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向相同。 (×) (4)横波一定有波峰和波谷,而且波峰和波谷是相互间隔的。 (√) (5)横波在固体、液体、气体中都能传播,纵波只能在气体中传播。 (×) (6)横波向右传播时,处于波峰的质点也向右迁移。 (×) (7)机械波向右传播时,右方的质点比左方的质点早一些振动。 (×) (8)机械波的传播过程也是能量的传递过程。 (√) 2.在一平静的湖面上漂浮着一轻木块,向湖中投入一石块,在湖面上激起水波,关于木块的运动情况。以下说法正确的是 (　　) A.因为“随波逐流”,木块将被推至远处 B.因不知道木块离波源的远近如何,所以无法确定木块的运动情况 C.无论木块离波源的远近如何,它都不能被波推动,最多只能在湖面上做上下振动 D.木块被推动的距离与木块的质量大小和所受水的阻力的大小等情况有关 解析　波传播的是振动这种形式,各质点在各自平衡位置附近运动,并不随波迁移,故A、B、D三项错误,C项正确。 答案　C 课堂合作探究 　 探究一　波的形成、传播及特点 1.机械波的形成与传播。 2.波的特点。 (1)振幅:像绳波这种一维(只在某个方向上传播)机械波,若不计能量损失,各质点的振幅相同。 (2)周期(频率):各质点都在做受迫振动,所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期(频率)相同。 (3)步调:离波源越远,质点振动越滞后。 (4)运动:各质点只在各自的平衡位置附近做往复振动,并不随波迁移。各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。 (5)实质:机械波向前传播的是振动这种运动形式,同时也可以传递能量和信息。 3.波动过程中各质点的运动规律。 (1)先振动的质点带动后振动的质点。 (2)后振动的质点重复前面质点的振动。 (3)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”。 【例1】　(多选)关于机械波的说法正确的是 (　　) A.相邻的质点要相互做功 B.机械波在真空中也能传播 C.波源开始时怎样振动,其他质点开始时就怎样振动 D.除波源外,波中各质点都做受迫振动 解析　机械波是由于介质中前面的质点带动后面的质点,使波源的振动形式与波源的能量向远处传播而形成的,前、后质点间存在相互作用力,因而相互做功,故A项正确;机械波的传播必须有介质,在真空中不能传播,故B项错误;波源依次带动后面的质点,每个质点都做受迫振动,每个质点的频率都与波源频率相同,并且都“仿照”波源振动,故C、D两项正确。 答案　ACD 【针对训练1】　(多选)如图所示,沿水平方向的介质中的部分质点,相邻两质点的距离相等,其中O为波源,设波源的振动周期为T,从波源通过平衡位置竖直向下振动开始计时,经质点1开始振动,则下列说法正确的是 (　　) 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.图中所画出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处的时间总是比质点7通过相同的位置时落后 D.只要图中所有质点都已振动了,质点1与质点9的振动步调就完全一致,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 解析　从题图可知,质点9是题图中距波源最远的点,尽管与波源起振方向相同,但起振时刻最晚,故A项正确,B项错误;质点7与质点8比较,质点7在质点8的前面,两质点的振动步调相差,故C项正确;质点9比质点1晚2T开始起振,一旦质点9起振后,质点1、9的振动步调就完全一致,故D项正确。 答案　ACD 探究二　横波和纵波 1.质点的振动方向与波的传播方向的关系不同:横波中,质点的振动方向与波的传播方向垂直;纵波中,质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上。 2.传播介质不同:横波只能在固体介质中传播;纵波在固体、液体和气体中均能传播。 3.特征不同:横波中交替、间隔出现波峰和波谷;纵波中交替、间隔出现密部和疏部。 【例2】　(多选)关于横波和纵波,下列说法正确的是 (　　) A.质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫横波 B.质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波 C.横波有波峰和波谷,纵波有密部和疏部 D.地震波是横波,声波是纵波 解析　质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫横波,A项正确;质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波,B项正确;横波有波峰和波谷,纵波有密部和疏部,C项正确;地震波有横波也有纵波,空气中的声波是纵波,D项错误。 答案　ABC 【针对训练2】　有关纵波与横波,下列说法正确的是 (　　) 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.横波只能在固体中传播,纵波只能在液体、气体中传播 解析　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,A项错误;横波的质点振动方向与波的传播方向垂直，故B项正确;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,C项错误;横波只能在固体中传播,纵波可在固体、液体和气体中传播,D项错误。 答案　B 探究三　振动与波的关系 1.区别。 (1)研究对象不同——振动是单个质点在平衡位置附近的往复运动,是单个质点的“个体行为”;波动是振动在介质中的传播,是介质中彼此相连的大量质点将波源的振动传播的“群体行为”。 (2)力的来源不同——产生振动的回复力,可以由作用在物体上的各种性质的力提供;而引起波动的力,则总是联系介质中各质点的弹力。 (3)运动性质不同——振动是质点的变加速运动;而波动是匀速直线运动,传播距离与时间成正比。 2.联系。 (1)振动是波动的原因,波动是振动的结果;有波动必然有振动,有振动不一定有波动。 (2)波动的性质、频率和振幅与振源相同。 【例3】　(多选)关于振动和波的关系,下列说法正确的是 (　　) A.振动是波的成因,波是振动的传播 B.振动是单个质点呈现的运动现象,波是许多质点联合起来呈现的运动现象 C.波的传播速度就是质点振动的速度 D.波源停止振动时,波立即停止传播 解析　机械波的产生条件是有波源和介质。由于介质中的质点之间相互作用,一个质点的振动带动相邻质点的振动并由近及远传播而形成波,所以A、B两项正确;波的传播速度是波形由波源向外传播的速度;而质点振动的速度和方向都随时间周期性地发生变化,C项错误;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;当波源停止振动时,介质仍然继续传播波源振动的运动形式,不会因波源停止振动而立即停止传播,D项错误。 答案　AB 【例4】　如图所示为波沿着一条固定的绳子向右刚传播到B点的波形,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 解析　由于波刚刚传到B点,所以B点此时的振动方向就是波源的起振方向,根据波的传播与质点振动的关系可以知道,B点此时正向上振动,所以A点刚开始的振动方向向上,D项正确。 答案　D 微技巧 由“带动法”确定质点的振动方向 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靠近波源一方附近的图像上另找一点P',P'为先振动的质点,若P'在P上方,则P向上运动,若P'在P下方,则P向下运动,如图所示。 【针对训练3】　一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图所示的形状,对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点说法正确的是 (　　) A.质点B向右运动 B.质点D和质点F的速度方向相同 C.质点A和质点C的速度方向相同 D.从此时算起,质点B比质点C先回到平衡位置 解析　波传播时,离波源远的质点的振动落后于离波源近的质点的振动,并跟随着近的质点振动,D跟随C向上运动,F跟随E向下运动,同理,A向下运动,C向上运动,由此可知B、C两项错误;由于此时B和C都向上运动,所以B比C先到达最大位移处,并先回到平衡位置,A项错误,D项正确。 答案　D 随堂达标自测 　 1.如图所示是某绳波形成过程的示意图,1、2、3、4……为绳上的一系列等间距的质点,绳处于水平方向。质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动,带动2、3、4……各个质点依次上下振动,把振动从绳的左端传到右端。t=0时质点1开始竖直向上运动,经过四分之一周期,质点5开始运动。下列判断正确的是 (　　) A.t=时质点5的运动方向向下 B.t=时质点8的速度方向向上 C.t=时质点12的运动方向向下 D.t=T时质点17开始向下运动 解析　t=,波恰好传到质点5,和振源的起振方向一样,也是向上,A项错误;t=时刚刚传到质点9,所以质点8的速度向上,B项正确;t=T时刚刚传到质点13,所以质点12的速度向上,C项错误;t=T时,波恰好传到质点17,它开始向上运动,D项错误。 答案　B 2.若某介质中有一列简谐横波传播,则介质中质点的振动方向与波的传播方向间的夹角为 (　　) A.30°　　　　 B.45°　　 　　C.60°　　　　 D.90° 解析　横波中质点的振动方向与该波的传播方向垂直;纵波中质点的振动方向与该波的传播方向在一条直线上。由于该波是横波,所以质点的振动方向与该波的传播方向间的夹角为90°,D项正确。 答案　D 3.(多选)关于机械波和机械振动,下列说法正确的是 (　　) A.机械振动就是机械波,机械波就是机械振动 B.有机械波,则一定有机械振动 C.机械波就是质点在介质中的运动路径 D.在波传播方向上各个质点都有相同的振动频率和振幅 解析　机械振动在介质中传播,形成了机械波,A项错误;波的形成有两个条件,一是要有波源,二是要有介质,所以,有机械波一定有机械振动,B项正确;在波的形成和传播过程中,各质点不随波迁移,C项错误;离波源较远的质点依靠前面质点的带动,所以频率、振幅相同,D项正确。 答案　BD 4.振源A带动细绳上各点上下做简谐运动,t=0时刻绳上形成的波形如图所示。规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向,则P点的振动图像是 (　　) A B C D 解析　由“带动法”可知此时P点从平衡位置开始向下运动,B项正确。 答案　B 核心素养微专题 地震波 　　地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7 km/s,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波是剪切波,在地壳中的传播速度为3.2~4.0 km/s,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。面波又称L波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素。 【快乐体验】　中国台湾南投地区曾发生过7.6级大地震,它是由台湾中部大茅—双冬及车笼铺两块断层受到挤压,造成剧烈上升及平行移位而形成的。已知地震波分三种:纵波(P波),速度vP=7.0 km/s;横波(S波),速度vS=4.0 km/s;波面(L波),速度vL<vS,在浅源地震中破坏力最大。 甲　乙　丙 (1)位于地震源上方的南投地区某中学实验室内有水平摆A与竖直摆B,如图甲所示,地震发生时最先剧烈振动的是哪个摆? (2)台中市地震观测台记录到的地震曲线假若如图乙所示,则由图可知a、b、c三处波形各对应于哪种地震波?若在曲线图上测得P波与S波的时间差为6.0 s,则地震台距地震源多远? (3)假若地震波P波沿直线传播到台中市时,当地地表某标志物振动方向沿如图丙中ZT方向,测得某时刻该标志物的水平分位移x=23.1 mm,竖直分位移y=0.4 mm,试由此估算地震源深度h。 解析　(1)由题意可知,在地震产生的三种地震波中,P波的速度最大,S波次之,因此P波最先到达南投地区,某中学实验室先发生的受迫振动是在竖直方向,后发生水平方向振动,所以最先振动的是B摆。 (2)波的传播速度决定曲线上的记录顺序,从地震曲线分析可知a、b、c三种波形分别对应于P波、S波、L波。 设地震源与地震台距离为s, 由-=t得, s=·t=56 km。 (3)纵波沿ZT方向传播, 因y≪x,由几何知识= 得h≈0.97 km。 答案　(1)B摆 (2)a→P波　b→S波　c→L波　56 km (3)0.97 km 学科网（北京）股份有限公司 $$