3.1 波的形成（教学设计）物理人教版选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦机械波的形成，通过视频展示国旗飘扬、水波荡漾等波动现象，引导学生观察运动共性，联系振动知识引出波动概念，搭建从振动到波动的学习支架。 以实验探究为特色，通过绳波、弹簧波手动手实验让学生观察标记质点运动，验证介质质点不随波迁移，培养科学探究能力。构建“波源振动—质点依次带动”模型，用微元法分析机理，结合声波、地震波应用深化物理观念，助力学生理解波的本质，为教师提供直观高效的教学方案。

3.1 波的形成（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 3.1 波的形成 教学 目标 物理观念 依托介质质点理想化模型，理解机械波的形成：波源通过质点间相互作用力带动邻近质点依次振动，介质质点只在平衡位置附近往复振动，不随波迁移；区分横波与纵波，认识波峰、波谷、密部、疏部；明确机械波依靠介质传播，传递振动形式、能量与信息，无法在真空中传播；辨别理想波动与现实介质阻尼引起的振幅衰减现象，厘清单个质点振动与大量质点集体波动的区别，为后续波动知识学习打下认知基础。 科学思维 构建 “波源振动 — 相邻质点依次带动 — 振动形式向外传播” 链式模型思维，厘清后方质点振动相位滞后于前方质点的时空逻辑；运用微元法分析质点间弹力传递作用，推导机械波形成内在机理；借助波形示意图数形结合，辨析横波与纵波的结构差异；对比区分振动图像与波动图像，明晰二者描述对象、物理含义不同；通过模型推理分析波传递能量与信息的本质，锻炼借助物理模型、图像分析集体往复运动规律的抽象推理能力。 科学探究 以小组形式开展绳波、弹簧波动手探究实验，定性观察横波、纵波不同传播形态；观察绳上标记质点、弹簧圈的运动情况，验证介质质点不随波迁移；多次重复抖动软绳、推拉弹簧实验，记录不同时刻波形形态；对比两种波的结构特征，归纳横波、纵波判定依据；排查手抖动不均匀、摩擦阻力、介质形变等带来的实验误差，提升现象观测、动手操作、图像记录与规律归纳的探究能力。 科学态度 与责任 完整走完实验操作、现象观察、图像记录、规律归纳、误差分析全部流程，体会物理学构建理想介质质点模型简化现实波动问题的研究方法；理性看待实验中能量损耗、波形畸变等不可避免的误差，养成严谨务实、尊重真实实验现象的学习习惯；了解机械波原理在声波通信、地震勘探、超声波检测等场景中的应用，体会波动规律解决生活、工程实际问题的实用价值。 教学重难点 教学重点：机械波的形成条件与传播特点，理解介质质点不随波迁移。横波与纵波的区分，认识波传播振动形式、能量与信息。 教学难点：理解质点依次振动、后振动质点相位滞后的内在逻辑，辨析振动与波动的区别。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 观察以下视频中运动的有什么特点？ 国旗、水波、彩带上的波浪翻卷实际是振动在传播的结果。振动的传播称为波动，简称波。 波是怎么形成的？波向前传播时每个点也在向前运动吗？ 学生观看视频，总结运动的共性。 学生提出自己的猜想，并回答下文。 新课讲授 一、波的形成 （1） 实验探究 带着如下问题先观察下面演示实验后思考：手拿绳的一端，上下振动一次，使绳上形成一个凸起状态，随后形成一个凹落状态，可以看到，这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动.如果在绳子上某处做一红色标记，观察这一红色标记的运动. (1)红色标记做什么运动？ (2)为什么会看到凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动？ （二）成因分析 为什么绳上各点都能动起来呢？凹凸相间的波是怎样形成的？ 教师引导学生分析： 教师展示ppt动画给学生思考观察： 然后还原下图： （三）波的形成 然后和学生共同总结波的形成： （1）绳子各部分看成许多质点组成，各部分之间存在着相互作用的弹力． （2）沿波的传播方向上后一个质点比前一个质点落后一段时间，质点依次被带动． （3）振动的形式传播出去形成波． 然后提问波有什么特点？然后总结波有下图的特点： 例1　(来自教材改编)如图所示是某绳波形成过程的示意图。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。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6、10、14的运动状态(是否运动、运动方向)如何？ (2)画出t=时的波形，并说明质点6、10、14的运动状态。 【答案】见解析 【解析】　(1)各质点在t=时的情况如图甲所示： 由图甲可知，t=时，质点6正在向上运动，质点10、14未运动。 (2)t=T时的波形如图乙所示，质点6正在向下运动，质点10正在向上运动，质点14未运动。 学生观察实验并总结实验所提出的问题。 学生在老师的引导下进行认真思考回答问题。 和老师共同总结波的形成内容。 学生尝试回答，老师和学生共同引导答案。 学生尝试做例题并交流 新课讲授 二、横波和纵波 （1） 横波 绳波中各质点的振动方向和波的传播方向间有怎样的关系？ 让学生看书总结这种波叫什么？ 横波：参与振动的质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。 （2） 纵波 观察推拉弹簧形成的波，判断这种波在传播的过程中各质点的振动方向和波的传播方向间有怎样的关系？ 让学生看书总结这种波叫什么？ 纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波． （三）声波 阅读课文，发声体振动时在空气中产生的声波是横波还是纵波？ 帮助学生理解，播放视频帮助学生理解。 总结： 发声体振动时在空气中产生的声波是纵波.声波不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。 拓展学习地震波： 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，有时感到上下颠簸，由此可见地震波是什么波？ 地震震源往往在地下某个地方，地震发生时，人感到上下颠簸是因为有纵波，感到左右摇晃是因为有横波，所以，地震波既含有纵波成分又含有横波成分。另外，横波振幅比纵波大，破坏力大，所以横波的水平晃动力是造成建筑物损坏的主要原因。 例2　有关纵波与横波，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，质点的振动方向与波的传播方向垂直 C.纵波中的质点可以随波迁移，而横波中的质点不能 D.纵波只能在液体、气体中传播 【答案】　B 【解析】　纵波质点的振动方向与波的传播方向在一条直线上，可能相同，也可能相反，故A错误；横波质点的振动方向与波的传播方向垂直，故B正确；不管是横波还是纵波，质点只在某平衡位置附近振动，并不随波迁移，故C错误；纵波可以在固体、液体和气体中传播，故D错误。 学生尝试回顾知识并回答答案。 学生查阅横波的知识。 学生尝试观察波的传播方式，总结规律。 学生查阅横波的知识。 学生尝试做例题并交流 新课讲授 三、机械波 （一）机械波 教师提问并和学生总结： 通过前面的学习，我们已经知道： 对绳一端的抖动依次引起了绳中各段的振动，振动在绳中的传播形成了绳波； 对水面一处的扰动由近及远引起了水面各部分的振动，此振动在水中的传播形成了水波； 击鼓时，对鼓皮的扰动引起了周围空气的振动，此振动在空气中的传播形成了声波. 由此，你能得出什么结论？ 总结得出：这些波都是振动状态在某些物体中的传播. 阅读课文，什么是介质，什么是机械波，并尝试总结机械波的产生条件？ 1. 介质：波借以传播的物质. 2.机械波：机械振动在介质中的传播，形成机械波. 3.产生机械波的条件:同时存在波源和介质，且质点之间有相互作用。 （二）波的特点 然后提问，机械波有什么特点？ 1.各质点的振动 ①沿波传播的方向由近及远的传播。 ②机械波传播的是振动的形式、能量和信息; ③各质点都以自己的平衡位置为中心振动，质点并不随波迁移; ④介质中各质点都在做受迫振动，其振动频率都等于波源的振动频率； ⑤各质点的起振方向都与波源的起振方向相同。 2.传播规律：波在同一种均匀介质中匀速传播。 （三）波动与振动区别和联系 波动与振动有什么区别和联系？ 在学生回答基础上总结： (1)区别：振动是一个质点的往复运动; 波动是介质中许多质点的集体运动。 (2)联系： ①都是周期性的运动； ②从构成介质的某一质点来看，所呈现的现象是振动，从构成介质的整体来看，所呈现的现象是波动； ③振动是形成波动的必要条件，但有振动不一定存在波动； ④波动是振动形式的传播过程。 学生通过对前面知识总结，最后得出结论。 学生先阅读课文总结相关概念。 学生总结波的特点。 学生尝试回答问题并交流。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1.(2023·溧水高级中学月考)某同学研究绳波的形成，取一条较长的软绳置于水平面上，软绳一端固定，用手握住软绳一端将软绳水平拉直后，沿水平面垂直软绳方向抖动后，观察到如图所示的甲、乙两个绳波。关于两次形成的绳波，下列判断正确的是(　　) A.甲的振幅比乙的大 B.甲的周期比乙的大 C.甲的形成时间比乙早 D.甲的起振方向与乙相同 【解析】由题图可知甲的振幅比乙的小，A错误；甲、乙两绳波在同一介质中传播，波速相等，甲的波长比乙的大，根据v＝，可知甲的周期大于乙的周期，B正确；乙的形成时间比甲的早，C错误；甲的起振方向向下，乙的起振方向向上，D错误。 2.如图，手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动，带动绳上的其他质点振动形成简谐波，该波沿水平方向传播。绳上有另一质点P(图中未画出)。t＝0时，O位于最高点，P位于最低点，下列判断正确的是(　　) A.t＝时，P位于平衡位置上方 B.P的起振方向与O的起振方向相反 C.t＝时，P的速度方向水平向右 D.P、O的振动频率相同 【解析】t＝时，P从最低点经历个周期后回到平衡位置，故A错误；每一个质点的起振方向都跟波源的起振方向相同，故B错误；t＝时，P点的速度方向向上，向平衡位置移动，故C错误；该简谐波上的点的振动频率都相同，故D正确。 3.如图所示是绳波形成过程的示意图。质点1在外力作用下做简谐运动，带动其余质点依次上下振动。在t＝时，质点1到达最上方，质点5刚开始振动。下列说法正确的是(　　) A.质点5和质点1的振动频率相同 B.在t＝时，质点4加速度方向向上 C.从t＝T开始的一小段时间内，质点11的速度正在减小 D.从t＝T开始的一小段时间内，质点16的加速度正在减小 【解析】质点5和质点1的振动频率相同，都等于振源的振动频率，A正确；在t＝时，质点4运动到平衡位置上方，加速度的方向指向平衡位置向下，B错误；从t＝T开始的一小段时间内，质点11在平衡位置上方向下振动，速度正在增大，C错误；从t＝T开始的一小段时间内，质点16在平衡位置的上方向上振动，加速度正在增大，D错误。 4.关于机械波的形成和传播，下列说法中正确的是(　　) A.机械波只能在介质中传播，波源周围如果没有介质，就不能形成机械波 B.离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得迟一些 C.离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得早一些 D.一旦波源振动起来，介质中的各个质点也就立刻振动起来 【解析】机械波形成的条件是有波源和介质，两者缺一则不能形成机械波；机械波的形成可表述为离波源近的质点带动离波源远的质点，故离波源近的质点振动得早一些，分析知A、C正确，B、D错误。 5.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正确；横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部，C正确；地震波有横波也有纵波，空气中的声波是纵波，D错误． 板 书 设 计 课 堂 小 结 作 业 布 置 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步作业 教 学 反 思 波的教学在波的形成与传播中一定要仔细观察多媒体动画做成的波的形成过程，从中归纳出结论，其中最重要的是感受波的形成从整体看是波态的传播，从个体看是质点的间谱运动，只是离振源远起振越迟。 波的图像中的教学要充分利用学生掌握的数学知识理解坐标轴的含义，可以先画x轴让学生理解x轴的含义，定平衡位置，然后提问如何确定某一时刻所有质点的位置？让同学们思考到需要建立y轴才行，接下来引出波的图像。从波的图像中选取某个质点探究在一段时间内的振动图像，进行两个图像的比较。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 3.1 波的形成（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 3.1 波的形成 教学 目标 物理观念 依托介质质点理想化模型，理解机械波的形成：波源通过质点间相互作用力带动邻近质点依次振动，介质质点只在平衡位置附近往复振动，不随波迁移；区分横波与纵波，认识波峰、波谷、密部、疏部；明确机械波依靠介质传播，传递振动形式、能量与信息，无法在真空中传播；辨别理想波动与现实介质阻尼引起的振幅衰减现象，厘清单个质点振动与大量质点集体波动的区别，为后续波动知识学习打下认知基础。 科学思维 构建 “波源振动 — 相邻质点依次带动 — 振动形式向外传播” 链式模型思维，厘清后方质点振动相位滞后于前方质点的时空逻辑；运用微元法分析质点间弹力传递作用，推导机械波形成内在机理；借助波形示意图数形结合，辨析横波与纵波的结构差异；对比区分振动图像与波动图像，明晰二者描述对象、物理含义不同；通过模型推理分析波传递能量与信息的本质，锻炼借助物理模型、图像分析集体往复运动规律的抽象推理能力。 科学探究 以小组形式开展绳波、弹簧波动手探究实验，定性观察横波、纵波不同传播形态；观察绳上标记质点、弹簧圈的运动情况，验证介质质点不随波迁移；多次重复抖动软绳、推拉弹簧实验，记录不同时刻波形形态；对比两种波的结构特征，归纳横波、纵波判定依据；排查手抖动不均匀、摩擦阻力、介质形变等带来的实验误差，提升现象观测、动手操作、图像记录与规律归纳的探究能力。 科学态度 与责任 完整走完实验操作、现象观察、图像记录、规律归纳、误差分析全部流程，体会物理学构建理想介质质点模型简化现实波动问题的研究方法；理性看待实验中能量损耗、波形畸变等不可避免的误差，养成严谨务实、尊重真实实验现象的学习习惯；了解机械波原理在声波通信、地震勘探、超声波检测等场景中的应用，体会波动规律解决生活、工程实际问题的实用价值。 教学重难点 教学重点：机械波的形成条件与传播特点，理解介质质点不随波迁移。横波与纵波的区分，认识波传播振动形式、能量与信息。 教学难点：理解质点依次振动、后振动质点相位滞后的内在逻辑，辨析振动与波动的区别。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 观察以下视频中运动的有什么特点？ 国旗、水波、彩带上的波浪翻卷实际是振动在传播的结果。振动的传播称为波动，简称波。 波是怎么形成的？波向前传播时每个点也在向前运动吗？ 学生观看视频，总结运动的共性。 学生提出自己的猜想，并回答下文。 新课讲授 一、波的形成 （1） 实验探究 带着如下问题先观察下面演示实验后思考：手拿绳的一端，上下振动一次，使绳上形成一个凸起状态，随后形成一个凹落状态，可以看到，这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动.如果在绳子上某处做一红色标记，观察这一红色标记的运动. (1)红色标记做什么运动？ (2)为什么会看到凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动？ （二）成因分析 为什么绳上各点都能动起来呢？凹凸相间的波是怎样形成的？ 教师引导学生分析： 教师展示ppt动画给学生思考观察： 然后还原下图： （三）波的形成 然后和学生共同总结波的形成： （1）绳子各部分看成许多质点组成，各部分之间存在着相互作用的弹力． （2）沿波的传播方向上后一个质点比前一个质点落后一段时间，质点依次被带动． （3）振动的形式传播出去形成波． 然后提问波有什么特点？然后总结波有下图的特点： 例1　(来自教材改编)如图所示是某绳波形成过程的示意图。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。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6、10、14的运动状态(是否运动、运动方向)如何？ (2)画出t=时的波形，并说明质点6、10、14的运动状态。 学生观察实验并总结实验所提出的问题。 学生在老师的引导下进行认真思考回答问题。 和老师共同总结波的形成内容。 学生尝试回答，老师和学生共同引导答案。 学生尝试做例题并交流 新课讲授 二、横波和纵波 （1） 横波 绳波中各质点的振动方向和波的传播方向间有怎样的关系？ 让学生看书总结这种波叫什么？ 横波：参与振动的质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。 （2） 纵波 观察推拉弹簧形成的波，判断这种波在传播的过程中各质点的振动方向和波的传播方向间有怎样的关系？ 让学生看书总结这种波叫什么？ 纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波． （三）声波 阅读课文，发声体振动时在空气中产生的声波是横波还是纵波？ 帮助学生理解，播放视频帮助学生理解。 总结： 发声体振动时在空气中产生的声波是纵波.声波不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。 拓展学习地震波： 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，有时感到上下颠簸，由此可见地震波是什么波？ 地震震源往往在地下某个地方，地震发生时，人感到上下颠簸是因为有纵波，感到左右摇晃是因为有横波，所以，地震波既含有纵波成分又含有横波成分。另外，横波振幅比纵波大，破坏力大，所以横波的水平晃动力是造成建筑物损坏的主要原因。 例2　有关纵波与横波，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，质点的振动方向与波的传播方向垂直 C.纵波中的质点可以随波迁移，而横波中的质点不能 D.纵波只能在液体、气体中传播 学生尝试回顾知识并回答答案。 学生查阅横波的知识。 学生尝试观察波的传播方式，总结规律。 学生查阅横波的知识。 学生尝试做例题并交流 新课讲授 三、机械波 （一）机械波 教师提问并和学生总结： 通过前面的学习，我们已经知道： 对绳一端的抖动依次引起了绳中各段的振动，振动在绳中的传播形成了绳波； 对水面一处的扰动由近及远引起了水面各部分的振动，此振动在水中的传播形成了水波； 击鼓时，对鼓皮的扰动引起了周围空气的振动，此振动在空气中的传播形成了声波. 由此，你能得出什么结论？ 总结得出：这些波都是振动状态在某些物体中的传播. 阅读课文，什么是介质，什么是机械波，并尝试总结机械波的产生条件？ 1. 介质：波借以传播的物质. 2.机械波：机械振动在介质中的传播，形成机械波. 3.产生机械波的条件:同时存在波源和介质，且质点之间有相互作用。 （二）波的特点 然后提问，机械波有什么特点？ 1.各质点的振动 ①沿波传播的方向由近及远的传播。 ②机械波传播的是振动的形式、能量和信息; ③各质点都以自己的平衡位置为中心振动，质点并不随波迁移; ④介质中各质点都在做受迫振动，其振动频率都等于波源的振动频率； ⑤各质点的起振方向都与波源的起振方向相同。 2.传播规律：波在同一种均匀介质中匀速传播。 （三）波动与振动区别和联系 波动与振动有什么区别和联系？ 在学生回答基础上总结： (1)区别：振动是一个质点的往复运动; 波动是介质中许多质点的集体运动。 (2)联系： ①都是周期性的运动； ②从构成介质的某一质点来看，所呈现的现象是振动，从构成介质的整体来看，所呈现的现象是波动； ③振动是形成波动的必要条件，但有振动不一定存在波动； ④波动是振动形式的传播过程。 学生通过对前面知识总结，最后得出结论。 学生先阅读课文总结相关概念。 学生总结波的特点。 学生尝试回答问题并交流。 课 堂 练 习 1.(2023·溧水高级中学月考)某同学研究绳波的形成，取一条较长的软绳置于水平面上，软绳一端固定，用手握住软绳一端将软绳水平拉直后，沿水平面垂直软绳方向抖动后，观察到如图所示的甲、乙两个绳波。关于两次形成的绳波，下列判断正确的是(　　) A.甲的振幅比乙的大 B.甲的周期比乙的大 C.甲的形成时间比乙早 D.甲的起振方向与乙相同 2.如图，手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动，带动绳上的其他质点振动形成简谐波，该波沿水平方向传播。绳上有另一质点P(图中未画出)。t＝0时，O位于最高点，P位于最低点，下列判断正确的是(　　) A.t＝时，P位于平衡位置上方 B.P的起振方向与O的起振方向相反 C.t＝时，P的速度方向水平向右 D.P、O的振动频率相同 3.如图所示是绳波形成过程的示意图。质点1在外力作用下做简谐运动，带动其余质点依次上下振动。在t＝时，质点1到达最上方，质点5刚开始振动。下列说法正确的是(　　) A.质点5和质点1的振动频率相同 B.在t＝时，质点4加速度方向向上 C.从t＝T开始的一小段时间内，质点11的速度正在减小 D.从t＝T开始的一小段时间内，质点16的加速度正在减小 4.关于机械波的形成和传播，下列说法中正确的是(　　) A.机械波只能在介质中传播，波源周围如果没有介质，就不能形成机械波 B.离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得迟一些 C.离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得早一些 D.一旦波源振动起来，介质中的各个质点也就立刻振动起来 5.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 板 书 设 计 课 堂 小 结 作 业 布 置 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步作业 教 学 反 思 波的教学在波的形成与传播中一定要仔细观察多媒体动画做成的波的形成过程，从中归纳出结论，其中最重要的是感受波的形成从整体看是波态的传播，从个体看是质点的间谱运动，只是离振源远起振越迟。 波的图像中的教学要充分利用学生掌握的数学知识理解坐标轴的含义，可以先画x轴让学生理解x轴的含义，定平衡位置，然后提问如何确定某一时刻所有质点的位置？让同学们思考到需要建立y轴才行，接下来引出波的图像。从波的图像中选取某个质点探究在一段时间内的振动图像，进行两个图像的比较。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $