内容正文:
波的图像
第 3 节
核心素养导学
物理观念 (1)认识横波的图像。
(2)学会波的图像的描绘方法。
科学思维 (1)通过“比较法”认识波的图像和振动图像。
(2)学会应用波的图像分析问题。
科学态度与责任 学会应用波的图像分析解决实际问题。
[四层]学习内容1 落实必备知识
[四层]学习内容2 强化关键能力
01
02
CONTENTS
目录
[四层]学习内容3 ·4 浸润学科素养和核心价值
课时跟踪检测
03
04
[四层]学习内容1 落实必备知识
一、横波的图像
1.波的图像的画法
建立坐标系 用横坐标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_____
选取正方向 选取质点偏离平衡位置的位移向上为y轴____方向,x轴一般向右为正方向
描点 把某一时刻所有质点的_____画在坐标系里
连线 用一条_____的曲线把坐标系中各质点的位移坐标点连接起来
位移
正
位移
平滑
2.正弦波
(1)概念:
波的图像是_________,这样的波称为正弦波,
也叫简谐波,如图所示。
(2)介质中有正弦波传播时,介质中的质点在做______运动。
正弦曲线
简谐
[微点拨]
波动图像和振动图像都是正弦函数,但其横坐标的物理意义不同,注意区分。
二、波的图像与振动图像的比较
1.物理意义方面的比较
(1)图像研究内容不同,波的图像对应某一时刻在介质中_______相对于平衡位置的位移,振动图像对应__________各时刻相对于平衡位置的位移。
(2)图像形状______,都是正弦(或余弦)曲线。
(3)横坐标、纵坐标表示的物理量______。
(4)波的图像能直观地确定______,振动图像能直观地确定______。
各质点
某一质点
相同
不同
波长
周期
2.能量变化的区别
(1)振动图像能表示出一个质点动能和势能的__________且转化过程中机械能守恒。
(2)波的图像不同质点的动能和势能之和______,表示能量最大或最小位置发生移动,能量由波源___________。
相互转化
不同
向外传播
1.如图所示为一列沿x轴负方向传播的简谐横波在某一时刻的图像,请画出再经过T后的波的图像。(T为波源的振动周期)
提示:由波的传播方向,可知各质点经过T后的位置,由此可画出波经T后的波的图像。在图上取5个质点如图甲所示,由于波沿x轴负方向传播,所以经过T后H到平衡位置,I到波谷,J到平衡位置,K到波峰,L到平衡位置,所以T后的波的图像如图乙所示。
2.一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)如何区分波的图像与振动图像。
提示:最简单的方法是看横坐标,振动图像的横坐标是时间t,波的图像的横坐标是传播距离x。
(2)两种图像纵坐标的最大值相同吗?
提示:相同,都等于振幅。
[四层]学习内容2 强化关键能力
一列沿x轴正方向传播的横波在某一时刻的
波的图像如图所示,已知波的传播速度是16 m/s。
(1)这列波中质点振动的振幅是多少?
新知学习(一)|波的图像的理解和应用
任务驱动
提示:由题图可以看出,质点振动的最大位移是10 cm,因此质点振动的振幅是10 cm。
(2)画出再经过0.125 s时的波的图像。
提示:经过0.125 s,波沿x轴正方向移动的距离为Δx=vΔt=16×
0.125 m=2 m,所以经过0.125 s后的波的图像如图中的虚线所示。
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,即振幅相等,振动的能量相同。
重点释解
(3)波的图像的周期性
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。经过一个周期,波的图像复原一次。
(4)波的传播方向的双向性
如果只知道波沿x轴传播,则有可能沿x轴正向传播,也有可能沿x轴负向传播,具有双向性。
2.波的图像的画法
根据某时刻的波形图画出另一时刻波形图的方法。
(1)特殊点法:取正弦波上的五个特殊点(三个平衡位置点,一个波峰点,一个波谷点),先根据波传播的方向确定它们的振动方向,再判断Δt后各点运动到什么位置,最后连成曲线,即为另一时刻的波形图。适用于Δt=n·的情形。
(2)平移法:将原图像沿x轴方向即波传播的方向平移。根据波速和给定的时间,利用Δx=vΔt,求出沿波的传播方向上移动的位移,将波进行平移。
[典例] 一列沿x轴正方向传播的简谐横波,传播速度v=10 m/s,t=0时位于坐标原点的质点从平衡位置沿y轴正方向运动,下列图形中哪个是t=0.6 s时的波形 ( )
典例体验
√
[解析] 由图中可以看出该波的波长为λ=4 m,根据v=可知该列波的周期为T=0.4 s,又因为t=0时位于坐标原点的质点从平衡位置沿y轴正方向运动,当t=0.6 s时经历了1.5T,所以此时位于坐标原点的质点从平衡位置沿y轴负方向运动,结合图像可知B选项正确。
/方法技巧/
波长的三种确定方法
(1)根据定义确定:
①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。
②波在一个周期内传播的距离等于一个波长。
(2)根据波的图像确定:
①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。
②在波的图像上,运动状态(速度)总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长。
③在波的图像上,两个相邻波峰(或波谷)间的距离为一个波长。
(3)根据公式λ=vT来确定。
1.如图是一列简谐横波在某时刻的波形图,已知
图中b位置的质点起振时间比a位置的质点晚0.5 s,b
和c之间的距离是5 m,则此列波的波长和频率分别
为 ( )
A.5 m,1 Hz B.10 m,2 Hz
C.5 m,2 Hz D.10 m,1 Hz
针对训练
解析:从波动图像可以看出,波长λ=5 m,b点比a点的起振时间晚0.5 s,则波速v== m/s=5 m/s,所以T==1 s,f==1 Hz。
√
2.周期为2.0 s的简谐横波沿x轴传播,该波在某时刻的图像如图所示,此时质点P沿y轴负方向运动,则该波 ( )
A.沿x轴正方向传播,波速v=20 m/s
B.沿x轴正方向传播,波速v=10 m/s
C.沿x轴负方向传播,波速v=20 m/s
D.沿x轴负方向传播,波速v=10 m/s
√
解析:由质点P沿y轴负方向运动,根据振动方向与波的传播方向的关系,可判定该波沿x轴正方向传播。由波的图像可知λ=20 m,根据v=,得波速v=10 m/s。选项B正确。
特点 振动图像 波的图像
相同点 图线形状 正(余)弦曲线 正(余)弦曲线
纵坐标y 不同时刻某一质点的位移 某一时刻介质中各个质点的位移
纵坐标最大值 振幅 振幅
新知学习(二)|振动图像与波动图像的对比应用
重点释解
特点 振动图像 波的图像
不同点 描述对象 某一个振动质点 一群质点(x轴上各个点)
物理意义 振动位移y随时间t的变化关系 x轴上各个质点在某一时刻振动的位移y
横坐标 表示时间t 表示介质中各点的平衡位置离坐标原点的距离x
横轴上相邻两个步
调总一致的点之间
的距离的含义
表示周期T
表示波长λ
特点 振动图像 波的图像
其他 频率和周期 在图中直接识读周期T 已知波速v时,根据图中λ可求出T=
两者联系 ①质点的振动是组成波动的基本要素之一
②波动由许多质点振动所组成,但在振动图像上波形变化无法直接看出
③若已知波的传播方向和某时刻的波形图,则可以讨论波动中各质点的振动情况
[典例] 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.该波的频率为2.5 Hz
B.该波的传播速度为200 m/s
C.该波是沿x轴负方向传播的
D.从t0时刻起,a、b、c三质点中c最先回到平衡位置
典例体验
√
[解析] 由题图乙可得,该波的周期T=4×10-2 s,故频率f== Hz
=25 Hz,故A错误;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;根据题图甲所示,t0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C错误;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向下运动,故b最先回到平衡位置,故D错误。
/方法技巧/
解决振动图像(y⁃t图像)和波的图像(y⁃x图像)综合问题,关键要明确两点:一是振动图像描述的是哪个质点的振动;二是波的图像是哪一时刻的图像。然后根据振动图像确定这一时刻该点的位移和振动方向,最后根据波的图像确定波的传播方向。
1.渔船上的声呐利用超声波来探测远方鱼群的方位。某渔船发出的一列超声波在t=0时的波动图像如图1所示,图2为质点P的振动图像,则 ( )
A.该波的波速为1.5 m/s
B.该波沿x轴负方向传播
C.0~1 s时间内,质点P沿x轴运动了1.5 m
D.0~1 s时间内,质点P运动的路程为2 m
针对训练
√
解析:由题图1可知,该波的波长λ=1.5×10-2 m,由题图2可知周期T=1×10-5s,则该波的波速v== m/s=1.5×103 m/s,A错误;由题图2可得,在t=0时刻,质点P沿y轴正方向振动,由波形的平移方式可知该波沿x轴正方向传播,B错误;质点P只在平衡位置上下振动,不沿x轴运动,C错误;质点P的振幅是5×10-6 m,在0~1 s时间内共振动了=105个周期,运动的路程是s=4×5×10-6×105 m=2 m,D正确。
2.(多选)一列简谐横波沿x轴传播,平衡位置位
于坐标原点O的质点振动图像如右图所示。当t=7 s
时,简谐波的波动图像可能正确的是 ( )
√
√
解析:由O点的振动图像可知,周期为T=12 s,设原点处的质点的振动方程为y=Asin,则10=20sin φ,解得φ=,在t=7 s时刻y7=20sin=-10 cm≈-17.3 cm,因7 s=T+T,则在t=7 s时刻质点沿y轴负方向振动,根据“同侧法”可判断若波向右传播,则波形为C所示;若波向左传播,则波形如A所示。
[四层] 学习内容3·4浸润
学科素养和核心价值
1.(选自人教版教材课后练习)简谐横波某时刻
的波形如图所示,P为介质中的一个质点,波沿x轴
的正方向传播。
(1)此时刻与T时刻,质点P的速度与加速度的方向各是怎样的?
◉物理观念——波的图像的认识
一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养
提示:此时刻,P点速度方向沿y轴正方向,加
速度方向沿y轴负方向,T时刻波形图为:
故P点速度方向和加速度方向都是沿y轴负方向。
(2)经过一个周期,质点P通过的路程为多少?
提示:在一个周期内,质点P通过的路程为4A0。
(3)有同学说由此时刻起经过T后,质点P通过的路程为A0,你认为这种说法对吗?
提示:不对。因为此时刻P点不在平衡位置或最大位移处。
2.(选自鲁科版教材“物理聊吧”)简谐运动的图像是一条正弦(或余弦)曲线;横波中的各质点做简谐运动时,其图像也是一条正弦(或余弦)曲线。如图所示的两图像中,一个是振动图像,另一个是波的图像,你能将它们区分开来吗?它们的物理意义分别是什么?请说出理由,并与同学讨论交流。
◉科学思维——振动图像与波的图像的区分
提示:(a)图为振动图像,(b)图为波的图像。(a)图的物理意义是某一质点振动时位移随时间的变化,(b)图的物理意义是某一时刻所有质点的位移与平衡位置的关系。
1.质点A做简谐运动,其振动图像和t=1.6 s时刻的波的图像如图甲、乙所示,则下列说法正确的是 ( )
A.t=1.6 s时质点A向上运动,波向左传播
B.t=1.6 s时质点A向上运动,波向右传播
C.t=1.6 s时质点A向下运动,波向左传播
D.t=1.6 s时质点A向下运动,波向右传播
√
二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值
解析:由振动图像可得质点A在t=1.6 s时正向上运动,再结合波的图像可以看出,波向右传播,故B正确。
2.(2024年1月·贵州高考适应性演练)(多选)一水平软绳右端固定,取绳左端质点O为坐标原点,以绳所在直线为x轴、竖直方向为y轴建立坐标系,在绳上每隔l0选取一个质点。t=0时刻质点O开始沿y轴振动,产生一列沿x轴传播的横波(可视为简谐波)。已知t=t0时刻的波形如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.该波的周期为4t0
B.该波的波长为8l0
C.t=0时刻,质点O振动方向沿y轴正方向
D.t=6t0时刻,x=20l0处的质点位移为零
√
√
解析:由题图可知,t=t0时刻波源完成半个全振动,向右传播半个波长,则该波的周期为T=2t0,该波的波长为λ=8l0,选项A错误,选项B正确;因t=t0时刻波刚传播到x=4l0处的质点,此时该质点沿y轴负方向振动,可知t=0时刻,质点O振动方向沿y轴负方向,选项C错误;t=6t0时刻,波向前传播24l0,x=20l0处的质点在平衡位置,位移为零,选项D正确。
课时跟踪检测
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1.一简谐横波沿x轴正方向传播,周期为T,波
长为λ。若在x=0处质点的振动图像如图所示,则该
波在t=时刻的波形为( )
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解析:由振动图像可知,x=0处的质点在t=时刻处在平衡位置,且正在向下运动;该简谐横波沿x轴正方向传播,根据“上坡下,下坡上”的规律可知,只有A图中x=0处的质点正通过平衡位置向下运动,符合要求。
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2.(多选)取向上为质点振动的正方向,得到如图所示的两个图像,则图线上A、B两点的运动方向是 ( )
A.A点向下 B.A点向上
C.B点向下 D.B点向上
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解析:题图甲表示的是波的图像,由于波沿x轴负方向传播,所以图中质点A的振动方向向下,A正确,B错误;题图乙表示的是振动图像,在图中B所对应的时刻质点应当向下运动(因为下一时刻位移为负值),C正确,D错误。
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3.一列横波某时刻的图像如图甲所
示,图乙表示介质中某质点从该时刻开
始一段时间内的振动图像。则有 ( )
A.若波沿x轴的正方向传播,则图乙可能为K质点的振动图像
B.若波沿x轴的正方向传播,则图乙可能为M质点的振动图像
C.若图乙为L质点的振动图像,则波沿x轴的正方向传播
D.若图乙为N质点的振动图像,则波沿x轴的正方向传播
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解析:由题图乙可知质点在t=0时由平衡位置向上振动,A、B错误;由题图甲可得,若波向x轴负方向传播,题图乙和质点N振动一致;若波向x轴正方向传播,题图乙和质点L振动一致,C正确,D错误。
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4.(多选)如图所示为一弹性绳t=3 s 时的波形,
有关这列波的说法正确的是 ( )
A.若波向右传播,则t=3 s时质点P的振动方向向下
B.若波向左传播,则t=3 s时质点P的振动方向向下
C.若波向右传播,则质点Q的起振方向向下
D.若波向左传播,则质点Q的起振方向向上
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解析:若波向右传播,根据“上下坡法”,P点在t=3 s时处于下坡段,故向上振动,A错误;若波向左传播,P点处于上坡段,要向下振动,B正确;质点的起振方向跟波的最前沿质点的振动方向相同,当波向右传播时,P点是最前沿,故Q点的起振方向向上,C错误;若波向左传播,M点是最前沿,故Q点的起振方向向上,D正确。
A.0.5 m B.1.5 m C.2.5 m D.3.5 m
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5.一简谐横波沿x轴正向传播,图甲是t=0时刻的波形图,图乙是介质中某质点的振动图像,则该质点的x坐标值合理的是 ( )
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解析:由振动图像可知,t=0时刻质点位移在-0.2 m~-0.1 m之间,振动方向向下;由波的图像可知,质点在x=2 m与x=3 m之间,C正确。
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6.一列沿x轴正方向传播的横波在某时刻的波形如图甲所示,a、b、c、d为介质中沿波的传播方向上4个质点的位置,若从该时刻开始计时,则振动图像如图乙所示的质点是 ( )
A.a处质点 B.b处质点
C.c处质点 D.d处质点
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解析:由题图乙可知,开始计时时质点从平衡位置向y轴负方向运动,再结合题图甲给出的四个质点的位置及传播方向,可知题图乙所描述的是c处质点的运动,C正确。
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7.(多选)一列简谐横波在介质中沿x轴传播,
波速为2 m/s,t=0时的波形图如图所示,P为该
介质中的一质点。则 ( )
A.该波的波长为14 m
B.该波的周期为8 s
C.t=0时质点P的加速度方向沿y轴负方向
D.0~2 s内质点P运动的路程有可能小于0.1 m
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解析:由题图可知λ=12 m,解得λ=16 m,A错误;由v=得T== s=8 s,B正确;简谐运动的加速度总指向平衡位置,P点位于y轴负半轴,加速度方向沿y轴正方向,C错误;P点位于y轴的负半轴,经过2 s=,若波向x轴负方向传播,P向远离平衡位置方向振动,在0~2 s内质点P运动的路程有可能小于0.1 m,D正确;故选B、D。
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8.(2025年1月·八省联考四川卷)
(多选)甲、乙两列简谐横波在t=0时刻
波形分别如图1、图2所示,传播速度
均为1 cm/s。下列说法正确的是 ( )
A.甲的周期为2 s
B.甲与乙的频率之比为3∶2
C.t=0时刻,质点P的位移为零
D.t=0时刻,质点Q的速度沿y轴正方向
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解析:根据题图1可得λ甲=2 cm,又λ甲=vT甲,其中v=1 cm/s,解得T甲= s,故A错误;根据题图2可得λ乙=2 cm,又λ乙=vT乙,可得T乙=2 s,根据f=可得==,故B正确;由题图1可知,t=0时刻,质点P在平衡位置,位移为零,故C正确;根据同侧法可知t=0时刻,质点Q的速度沿y轴负方向,故D错误。
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9.(多选)位于坐标原点的波源从t=0时刻开始振动,t=0.5 s时形成的机械波波形图如图所示,则下列说法正确的是 ( )
A.机械波的波速v=4 m/s
B.x=1 m处的质点在t=0.3 s时位于波谷
C.波源的振动方程为y=0.02sin(5πt+π)m
D.x=-1 m处的质点半个周期内向左移动半个波长
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解析:波源位于坐标原点,则由题图可知,该波源形成两列波,且在Δt=0.5 s的时间内波传播的距离为Δx=2.5 m,则机械波的波速为v==
m/s=5 m/s,A错误;由题图可知波的波长为λ=2 m,则波的周期为T== s=0.4 s,波从原点传到x=1 m处需要的时间t1== s=0.2 s,由于t=0.5 s时波恰好向右传播到x=2.5 m处,结合同侧法可知波源的起振方向沿y轴的负方向,所以t=0.2 s时x=1 m处的质点沿y轴的负方向振动,再经过0.1 s的时间,即T的时间后,x=1 m处的质点刚好位于波谷处,B正确;
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设波源的振动方程为y=Asin(ωt+φ),由以上分析可知ω==5π rad/s,由题图可知波的振幅为A=2 cm,又波源的起振方向沿y轴的负方向且t=0时刻位于坐标原点,则波源的振动方程为y=-0.02sin(5πt)m=0.02sin
(5πt+π)m,C正确;质点起振后只在平衡位置附近上下振动,不会随波左右迁移,D错误。
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10.(多选)一列简谐横波沿x轴正方向传播,
周期为0.2 s,t=0时的波形图如图所示。下列说
法正确的是 ( )
A.平衡位置在x=1 m处的质点的振幅为0.03 m
B.该波的波速为10 m/s
C.t=0.3 s时,平衡位置在x=0.5 m处的质点向y轴正向运动
D.t=0.4 s时,平衡位置在x=0.5 m处的质点处于波谷位置
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解析:由题波形图可知,平衡位置在x=1 m处的质点的振幅为0.03 m,选项A正确;由题图可知波长λ=2 m,因T=0.2 s,则该波的波速为v== m/s=10 m/s,选项B正确;因t=0时刻平衡位置在x=0.5 m处的质点沿y轴负向振动,则t=0.3 s=1T时,平衡位置在x=0.5 m处的质点向y轴正向运动,选项C正确;因t=0时刻平衡位置在x=0.5 m处的质点沿y轴负向振动,则t=0.4 s=2T时,平衡位置在x=0.5 m处的质点仍在平衡位置向y轴负向运动,选项D错误。
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11.(10分)如图所示,图甲为某一简谐横波在t=1.0 s时的图像,图乙为该波中质点P的振动图像。
答案:4 m/s
解析:由题中甲、乙两图像得A=0.2 m,λ=4 m,T=1 s,
所以波速v== m/s=4 m/s。
(1)求该波波速;(4分)
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(2)求再经过3.5 s时P质点经过的路程;(3分)
答案:2.8 m
解析:3.5 s内P点经过的路程为
s=×4A=×4×0.2 m=2.8 m。
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(3)判断波的传播方向。(3分)
答案:沿x轴向左传播
解析:由题中乙图知t=1.0 s时质点P向y轴负方向运动,结合题中甲图可以确定波沿x轴向左传播。
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12.(15分)如图所示,甲为某一列波在t=1.0 s时的图像,乙为参与该波动的P质点的振动图像。
答案:见解析
(1)说出两图中AA'的意义?(4分)
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解析:甲图中AA'表示A质点的振幅或1.0 s时A质点的位移大小为0.2 m,方向为负。乙图中AA'表示P质点的振幅,也是P质点在0.25 s时位移大小为0.2 m,方向为负。
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(2)求该波波速v。(3分)
答案:4 m/s
解析:由甲图得波长λ=4 m,由乙图得周期T=1.0 s,波速v==4 m/s。
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(3)画出再经过3.5 s时的波形图。(4分)
答案:见解析图
解析:经过3.5 s波的传播距离:Δx=vΔt=3.5×4 m=14 m=λ,只需将波形向x轴负向平移λ=2 m即可,如图所示。
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(4)求再经过3.5 s时P质点的路程s和位移。(4分)
答案:2.8 m 0
解析:因为n==3.5,路程s=4An=4×0.2×3.5 m=2.8 m。由波的重复性可知,经历时间为周期的整数倍时,位移不变,质点P从题图示时刻经的位移为零,所以再经过3.5 s时质点P的位移仍为0。
本课结束
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